Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 Jan Hlaváček, Michal Musil, Jakub Vágner 3 Hlukové emise a vibrace v systému železnice výsledky projektu NOVIBRAIL Klíčová slova: hluk a vibrace, železniční provoz, protihluková opatření, nekovový brzdový špalík, SEA, simulace Úvod Výzkumný ústav železniční, a.s. je hlavním řešitelem a koordinátorem projektu NOVIBRAIL, na jehož řešení se podílejí také Dopravní fakulta Jana Pernera Univerzity Pardubice a Výzkumný ústav kolejových vozidel, a.s. Řešení projektu, který je především zaměřen na hodnocení efektivity protihlukových a protivibračních opatření na železnici a dále na modelování hlukových vlastností kolejových vozidel, bylo zahájeno v lednu roku 0. Projekt je tříletý, ukončení řešení bude v prosinci roku 03. Ing. Jan Hlaváček, nar. 944, absolvent ČVUT Fakulta elektro Technická kybernetika Měřicí technika. Zaměření: měření hluku a vibrací. Člen Expertní skupiny UIC/CER Network Noise. První zástupce mluvčího CER pro změnu TSI Hluk, nominovaný ČD, a.s. Člen komise pro implementaci interoperability při O6 GŘ ČD a vedoucí pracovní skupiny Hluk, této komise. Ing. Michal Musil, Ph.D., nar. 969, absolvent Elektrotechnické fakulty VŠDS (Ing.) a ČVUT (Ph.D.). Zabývá se výzkumnou činností v oblastech měření a modelování hluku a vibrací dopravních prostředků. Nyní působí na Dopravní fakultě Jana Pernera, Katedře dopravních prostředků a diagnostiky na pozici odborného asistenta. 3 Ing. Jakub Vágner, Ph.D., nar. 983, absolvent DFJP, Univerzity Pardubice. Zabývá se hlukovou simulací metodou SEA, experimentálním ověřováním dynamické pevnosti a životnosti a také výpočty kontaktní geometrie kola a kolejnice. Nyní působí na Dopravní fakultě Jana Pernera, Katedře dopravních prostředků a diagnostiky na pozici odborného asistenta.
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0. Náplň projektu NOVIBRAIL. Současný stav znalostí V současnosti existuje celá řada dostupných protihlukových a protivibračních opatření na infrastruktuře, např. protihlukové stěny, absorbéry na kolejnicích (viz obr. ), pružné upevnění kolejnic s pružnými podložkami pod patou kolejnice nebo protivibrační rohože. Dále existuje i několik protihlukových opatření aplikovaných na vozidlech, především se jedná o nekovové brzdové špalíky nebo tlumiče hluku instalované na disku kola dvojkolí. Obr. Absorbéry instalované na kolejnicích Corus (vlevo), Vossloh (vpravo) Co však chybí, je přesné zhodnocení efektivity těchto opatření. Deklarace výrobců vozidel a prvků infrastruktury jsou vesměs příliš optimistické a nereflektují provozní technický stav vozidel a místní podmínky. Při měřeních není zohledněn ani vliv případně zkorodované jízdní plochy kolejnic a není analyzován vliv různé technologie jejich broušení na hlukové emise. U dat, která jsou k dispozici, téměř vždy chybí úvodní údaje o stavu před implementací a chybí údaje o efektivitě opatření s ohledem na běžný provoz. Chybí rovněž údaje o vývoji relevantních parametrů protihlukových opatření v průběhu času. Co se týče zjišťování akustické drsnosti koleje, v současné době se používá většinou tzv. přímá metoda, tedy ruční měření pomocí speciálního měřicího přístroje na místě (obr. ). Přitom je možné využití tzv. nepřímé metody založené na analýze odezvy kalibrované dynamické soustavy (kolej-dvojkolí). Tato metoda je výkonnější lze změřit řádově desítky kilometrů za hodinu. Obě metody mají svoje výhody i nevýhody a tedy i oblast použití. Z pohledu praktické diagnostiky stavu tratí má však nepřímá metoda zásadní důležitost. Další velmi aktuální problematiku představuje simulace hlukových vlastností vozidel. Výpočtové modely jsou používány pro predikci hluku vozidla s jasným cílem lokalizace, omezení nebo eliminaci zdrojů hluku a vibrací ve vozidle. Vibroakustické modely skříně kolejového vozidla jsou využívány pro jeho hlukovou optimalizaci. Simulační modely jsou dále využívány pro určování hlukové neprůzvučnosti konstrukčních materiálů vozidel a v neposlední řadě k predikci hlukové zátěže v okolí železničních tratí.
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 Obr. Přístroj MDK 0 na měření akustické drsnosti koleje přímou metodou. Cíle projektu Mezi hlavní cíle projektu NOVIBRAIL patří následující aktivity: vyhodnocení efektivity současných protihlukových a protivibračních opatření analýza hlukových emisí na určených úsecích tratí SŽDC analýza vlivu akustické drsnosti jízdní plochy koleje na vyzařované emise hluku vozidel analýza vlivu vibrací šířících se zemí a jejich souvislosti s emisemi hluku posouzení možnosti využití modelování hlukových vlastností kolejových vozidel posouzení možnosti, návrh a ověření technologie na odstraňování rzi z pojížděné plochy kolejnice posouzení vztahů mezi TSI pro subsystémy vozidla a infrastruktura vypracování analýzy ekonomických nákladů na homologaci vozidel vlivem novel TSI, EN ISO a dalších normativů včetně návrhu upravené metodiky měření. 3
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0.3 Hlavní pilíře projektu Pilíř Protihluková opatření na infrastruktuře Prvním pilířem je vyhodnocení efektivity protihlukových opatření na provozovaných tratích a jejich příspěvek ke snížení hlukových emisí v porovnání s možným přínosem protihlukových opatření na vozidlech. A dále vyhodnocení efektivity protivibračních opatření a nalezení případné konsekvence ke hlukovým emisím. Přesné a hodnověrné vyhodnocení efektivity všech uvažovaných protihlukových nebo protivibračních opatření je proveditelné pouze pomocí měřicích kampaní na místech, kde budou tato opatření implementována. Je samozřejmé, že bude nutné tyto měřicí kampaně realizovat před aplikací těchto opatření pro zjištění úvodního stavu a po jejich aplikaci. Pilíř Protihluková opatření na vozidlech Zde se považuje jako klíčové protihlukové opatření použití nekovového brzdového špalíku především na nákladních vozech, jehož přínos z hlediska hlukových emisí je nutné kvantifikovat a vyhodnotit z pohledu podmínek na síti SŽDC. V jasné konsekvenci s tímto zadáním se ukazuje jako nezbytné definovat korekce hladiny emisí hluku v závislosti na akustické drsnosti jízdní plochy koleje. Za tímto účelem byly realizovány měřicí kampaně akustické drsnosti na vytipovaných místech sítě SŽĎC. Pilíř 3 Ověření možnosti využití modelování hlukových vlastností vozidel Jedná se o ověření v oblastech hlukové optimalizace vozidel a v oblastech ověřování hlukových vlastností vozidel. Nedílnou součástí řešení je verifikace simulačních modelů hlukových vlastností vozidel formou srovnání výstupů modelů s reálným měřením hlukových emisí vozidel. Na základě srovnání výstupů hlukových modelů a reálných měření je možnost hlukové modelování dále optimalizovat a navrhnout možnosti reálného využití tohoto modelování v praxi.. Některé dosažené výsledky projektu NOVIBRAIL v rámci pilíře Aktuální stav řešení projektu již dovoluje prezentaci některých výsledků z aktivit jednotlivých pilířů.. Efektivita dosavadních protihlukových opatření po cca a půl roce provozu Byla provedena kontrolní měřicí kampaň na trati Kolín Poděbrady na km 34., kde byly implementovány protihlukové absorbéry Corus Rail a Vossloh (viz Obr. ). Výsledky po vyhodnocení ukazují, že hladiny hlukových emisí zůstaly přibližně na stejné úrovni jako bezprostředně po implementaci pouze u absorbérů Corus Rail (nyní TATA), kdežto absorbéry Vossloh ztratily značnou část své efektivity. 4
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0. Efektivita protihlukových opatření na kolejových brzdách na seřaďovacím nádraží Havlíčkův Brod Protihlukové opatření odstraňuje pískání vozů při průjezdu kolejovými brzdami (viz Obr. 3). Výrobce deklaruje snížení až o 60 db. Po realizaci a vyhodnocení měřicích kampaní před rekonstrukcí, po rekonstrukci a po rekonstrukci s mazacím zařízením v činnosti je prokázáno snížení celkových hlukových emisí o cca 8 db, což představuje měrný útlum cca 80 %. Při optimálním nastavení mazacího zařízení i kolejových brzd je rozumně dosažitelné snížení hluku více než o 0 db. Obr. 3 Pohled na kolejové brzdy na spádovišti Havlíčkův Brod.3 Efektivita protihlukových opatření na trati Ústí n/labem Bílina, zastávka Koštov Byla provedena implementace protihlukových absorbérů Vossloh a oprava GPK. Následně zvýšení rychlosti s dosavadních 40 km/h na 60 km/h. Po realizaci a vyhodnocení měřicích kampaní bylo konstatováno, že určité snížení hlukových emisí bylo eliminováno zvýšením traťové rychlosti. Výsledek byl neutrální. 5
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0.4 Vliv implementace nekovových brzdových špalíků na hladinu vnitřního hluku v prostoru pro cestující a hladinu vnějšího hluku při průjezdu V rámci řešení projektu bylo provedeno měření vnitřního a vnějšího hluku na dvouvozových motorových jednotkách Regionova během zkušebního provozu jednotek vybavených nekovovým brzdovým špalíkem (viz Obr. 4). Výrazné snížení hladin hluku bylo zjištěno zejména v řídícím voze, kde dosahovalo 6 - db v závislosti na typu použitých brzdových špalíků a kilometrického proběhu od reprofilace. Snížení hluku v motorovém voze nebylo tak výrazné, neboť se projevil výrazný akustický příspěvek trakce. Naměřené a vypočtené hodnoty jsou pro rychlost 80 km/h na trati Pardubice Moravany. V následující tabulce jsou uvedeny naměřené a vypočtené výsledky. Typ brzdového špalíku Motorový vůz (průměr) [db] Řídící vůz (průměr) [db] IB 6* COMBI 74 68 IB 6* 77 69 Ferodo 335 76 74 Litina 78 80 Zdroj: autoři Obr. 4 Dvouvozová motorová jednotka Regionova 6
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 3. Některé dosažené výsledky projektu NOVIBRAIL v rámci pilíře 3. Vibroakustická simulace motorové lokomotivy CZ loko řady 74 V dnešní době již lze díky výpočetní technice realizovat vibroakustické simulace. V oblasti návrhu, schvalování a optimalizace kolejových vozidel to však zatím není běžnou praxí. Jedním z cílů projektu Novibrail je ověřit tuto možnost na několika konkrétních příkladech a vyvodit z nich obecné závěry a doporučení. Pro posouzení možnosti simulovat výše popsané byl vybrán software VA-One. Tento software je běžně používán např. v automobilovém a leteckém průmyslu, ale i v jiných průmyslových aplikacích. Obr. 5 Použitelnost výpočetních metod [] Software umožňuje provádět simulace pomocí tří metod: FEM (Finite Element Metod), BEM (Boundary Element Metod), SEA (Statistical Energy Analysis). Vhodnost použití jednotlivých metod je zřejmá z obr. 5. V oblasti kolejových vozidel lze zjednodušeně konstatovat, že FEM je vhodná zejména pro nosné konstrukce a metoda SEA je vhodná pro ostatní části s vyšší vlastní frekvencí. Při tvorbě simulačního modelu na základě metody SEA jsou hlavními stavebními prvky SEA subsystémy. Subsystémem může být samotná geometrie (prut, deska atd.) nebo objemy vyplněné plynem nebo kapalinou (cavity). Každý subsystém je tvořen svou geometrií, materiálovými parametry a parametry, které popisují napojení na ostatní subsystémy. Všechny tyto aspekty pak ovlivňují energetický tok mezi subsystémy. Energetickou rovnováhu subsystému lze popsat následujícím vztahem: Π, () in = Π diss + Πtrans = Πout Ze zákona zachování energie musí platit, že energie vstupující do subsystému se musí rovnat energii vystupující ze systému. Energie může vystupovat 7
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 ze subsystému přenosem na jiný subsystém nebo je mařena díky tlumícím schopnostem materiálu jako energie disipativní. Pro ilustraci lze uvést dva subsystémy znázorněné na obr. 6. Do subsystémů vstupuje energie P i vyjádřená průměrnou energií od aplikovaných buzení. Hodnota ω je střední frekvence zvoleného frekvenčního pásma. Přenos mezi subsystémy je dán modální hustotou (η a η ). Disipativní energie z tlumení je ovlivněna damping loss faktorem (n a n ). Celkově lze tento vztah popsat následovně: P = ϖη E P = ϖη E E + ϖηn n + ϖη n E n E n E n () Obr. 6 Přenos energie mezi subsystémy [] Při výpočtu se využívá Modal approach, proto uvedené vztahy () jsou platné pouze pro určitý mód. Energie mezi subsystémy (oscilátory) se přenáší při rezonanci. Výpočet je nutné provést pro všechny zvolené frekvenční pásma, kde ω je střední frekvence zvoleného frekvenčního pásma. Vztah lze zapsat maticově: ω C E = P (3) Kde C je čtvercová matice hodnot damping loss factorů, E je neznámý vektor energií, P je vektor energií od aplikovaného buzení. Energie subsystému Ei je pak rovna: E = Mv E = Vp ρc (structural wave field) (acoustic wave field) (4) Vstupní informace pro tvorbu SEA modelu byla CAD geometrie vozidla. V tomto případě nelze použít CAD model přímo, protože sestava modelu obsahuje mnoho dílů, které v simulačním modelu nebudou zahrnuty. Díly zahrnuté do výpočtu také nelze z CAD geometrie použít přímo. Z těchto důvodů nelze CAD model importovat a SEA model je od základu vytvořen pouze ze souřadnic zjištěných v CAD modelu. 8
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 Obr. 7 Náhled na CAD a SEA model Mimo geometrii je nutné znát také fyzikální vlastnosti použitých materiálů. Tyto parametry však není jednoduché dohledat a je poměrně nákladné je experimentálně stanovit. V případě motorové lokomotivy se jednalo o následující materiály: konstrukční ocel různé tloušťky, tepelná izolace IZOMAT a filtrační materiál FIRON. V prvním případě lze použít tabulkové hodnoty. V ostatních případech byly zjištěny hodnoty od výrobce. Pro buzení modelu je nutné znát parametry zdroje akustické energie, což byl v případě stacionárních zkoušek spalovací motor LoCAT 3508C + FC 560. Hlukové emise spalovacího motoru jsou získány od výrobce (Obr. 8). Obr. 8 Charakteristika zdroje hluku - LoCAT 3508C + FC 560 Při tvorbě stacionárního hlukového modelu bylo přistoupeno k zjednodušení. Nebylo modelováno celé vozidlo, ale pouze strojovna vozidla. Protože ve zvoleném rozsahu spektra lze očekávat, že dominantním příspěvkem k zjištěnému akustickému tlaku nebude energie vyzářena konstrukcí hlavního rámu, ale zejména energie vyzářena kapotami. Nelze také opomenout, že velká část kapot umožňuje svými otvory přímý prostup zvuku. Při tvorbě samotného modelu strojovny byla vytvořena vnější geometrie pomocí prvků SEA-PLATE. Vnitřní prostor byl vytvořen z prvku SEA-CAVITY, který představuje objem vzduchu uvnitř strojovny. Tento objem však 9
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 musel být zmenšen o objem agregátů, které se nacházejí uvnitř strojovny. Objem agregátů je totiž s ohledem na objem celé strojovny nezanedbatelný. Obr. 9 Kapota strojovny a způsob umístění spalovacího motoru. Větrací otvory strojovny jsou na bočních stranách vyplněné filtrační hmotou FIRON, avšak otvory horní šikmé mřížky jsou pro vzduch zcela prostupné. Výsledný SEA model strojovny je zobrazen na Obr. 0. Obr. 0 Subsystémy SEA modelu strojovny. Hlavním výsledkem simulace je akustický tlak v určeném místě. Místo bylo zvoleno s ohledem na provedené experimenty a to v místě mikrofonu M0 (výška nad TK:, m; vzdálenost od osy koleje 7,5 m). Z tohoto důvodu je možné experiment a simulaci porovnat. Výsledné akustické tlaky jsou uvedeny v grafu na Obr.. 0
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 L OUT [db] 5 Hz valid SEA model 00 90 80 70 60 50 40 30 Experiment 0 Simulation 0 0 0 00 000 0000 f [Hz] Obr. Výsledné akustické tlaky v místě M0 (h =, m, L = 7,5 m)..e+00.e 0.E 0 P OUT [W] (A weighted).e 03.E 04.E 05.E 06 () Upper grid.e 07 () Grids M7+M8.E 08 (3) Grid M5.E 09 (4) Main hood Other.E 0 0 00 000 0 000 f [Hz] Obr. Akustické výkony vyzářené jednotlivými subsystémy. Uvedený graf (obr. ) zobrazuje výsledek akustického tlaku ze simulace a z experimentu, avšak SEA model lze považovat za validní až od frekvence 5 Hz. Při nižší frekvenci není dosažena dostatečná hodnota modes in band. Hodnota modes in band musí být vyšší než (nejlépe však vyšší než 3), což je základní podmínkou validity modelu pro zvolenou frekvenci. Výsledkem simulace však mohou být i jiné výstupy, např. akustický výkon od jednotlivých subsystémů. Tento výsledek umožňuje analyzovat komponenty, které jsou z pohledu hluku problematické, a u kterých by případná konstrukční změna znamenala největší přínos ke snížení hluku vozidla. Na obr. 8 jsou výsledné hodnoty pro vytvořený simulační model. Nejvyšší hodnotu vyzařované energie vykazuje horní mřížka (), která není opatřena filtrem. Další dominantní přínos mají mřížky () a (3), které jsou opatřené filtrem FIRON. Čtvrtý nejvíce dominantní přínos má hlavní kapota, která vykazuje největší
Vědeckotechnický sborník ČD č. 34/0 příspěvek při nižších frekvencích. Výsledky lze považovat za validní opět až od frekvence 5 Hz. Účinnost hlukového tlumení krytů motoru a antivibrační opatření u kabiny lokomotivy jsou účinná, což potvrzují realizovaná měření i vibroakustický model. Simulace zároveň ukazuje, že nejvyšší akustický výkon vyzařuje mřížka () v horní části kapotování strojovny. Poměrně jednoduchou úpravou (např. přidáním filtru FIRON) by bylo možné tento zdroj hluku potlačit. Tím by se ale výrazně zhoršil odvod tepla ze strojovny. 4. Poděkování Příspěvek vzniknul díky podpoře TAČR v rámci projektu TA00367 - Hlukové emise a vibrace v systému železnice. 5. Seznam použité literatury [] Draft pren ISO 3095 (January 00): Railway applications Acoustic Measurement of noise emitted by railbound vehicles (ISO/DIS 3095:00) [] Draft pren ISO 338 (January 00): Railway applications Acoustic Measurement of noise inside railbound vehicles (ISO/DIS 338:00) [3] CSN EN ISO 3095 (Září 005): Železniční aplikace Akustika Měření hluku vyzařovaného kolejovými vozidly (idt ISO 3095:005) [4] ČSN ISO 338 (Září 005): Železniční aplikace Akustika Měření hluku uvnitř kolejových vozidel (idt ISO 338:005) [5] Draft pren 560 (December 006): Railway applications Noise emission Rail roughness measurement related to rolling noise generation [6] M. G. Dittrich (TNO) : The Applicability of pren ISO 3095 for European Legislation on Railway Noise [7] DIRECTIVE 00/49/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 5 June 00 relating to the assesment and management of environmental noise [8] Rozhodnutí komise ze dne 3. prosince 005 o technické specifikaci pro interoperabilitu subsystému Kolejová vozidla hluk transevropského železničního systému - 006/66/ES [9] Directive 00/6 Interoperability of the trans-european conventional rail system Presentation report of the Draft Technical Specification for Interoperability Noise [0] Prof. Dr.-Ing. Marcus Hecht, Dipl.-Ing. Christoph Schäpermeier (Technische Universität Berlin) : Bericht 38/006 Messung der Schienenrauheiten auf dem Testring Cerhenice [] M. Fischer, The Statistical Energy Analysis, JASS 006, St. Petersburg [] VA ONE: User s Guide, ESI Group, 00 Praha, září 0 Lektoroval: Mgr. Bohumír Trávníček SŽDC, s. o.