Борьба с шумом на сети Синкансен

Усиление аэродинамических явлений и шума от поездов тесно связано с повышением скорости движения. Например, увеличение скорости в 2 раза вызывает рост сопротивления воздуха в 4 раза (пропорционально квадрату роста скорости) и повышение уровня звукового давления на 18 дБ (пропорционально росту скорости в шестой степени). В Японии развитие высокоскоростного движения сопровождалось углубленными научными исследованиями в области снижения аэродинамического сопротивления воздуха, которое непосредственно влияет на скорость движения и на экономическую эффективность поездной работы. Интенсивные программы испытаний в аэродинамической трубе помогали принимать решения о выборе формы головного и хвостового вагонов. Первые высокоскоростные поезда серии 0 имели характерно удлиненную обтекаемую носовую часть, а поверхности кузова вагонов были более сглаженными, чем в обычных поездах. Однако при этом оставались нерешенными вопросы снижения сопротивления воздуха со стороны подвагонного оборудования, которое из соображений удобства технического обслуживания и ремонта оставили незакрытым. На долю головного и хвостового вагонов в поезде Синкансен с обтекаемой носовой частью приходится всего около 10 % величины аэродинамического сопротивления всегопоезда. Для уменьшения сопротивления необходимо снизить влияние наружных поверхностей промежуточных вагонов, особенно крыш, подвагонного оборудования и межвагонных зазоров. В последующие годы большие успехи были достигнуты по части сглаживания наружных поверхностей поездов сети Синкансен в целях снижения уровня шума и во избежание налипания снега. В результате этих усовершенствований удалось также значительно снизить аэродинамическое сопротивление. В ходе разработки первых высокоскоростных поездов для сети Синкансен возникла необходимость исследовать новое явление — встречное движение поездовпо смежным путям со скоростью каждого свыше 200 км/ч. Для изучения динамической нагрузки под напором воздушной волны, создаваемой встречными поездами, была разработана методика теоретического анализа и проведены эксперименты на модели. Результаты показали, что возникающая динамическая нагрузка не создает угрозы безопасности движения как в тоннелях, так и вне их. Сечение двухпутных тоннелей на сети Синкансен меньше, чем на высокоскоростных линиях Европы. Однако вагоны для Синкансен шире, чем в Европе, что позволяет размещать кресла по схеме 3+2. Это позволяет значительно сократить расходы на сооружение тоннелей и увеличить вместимость вагонов, но при этом возникают аэродинамические явления, оказывающие более заметное воздействие на высокоскоростные поезда в тоннелях.

Поезд Синкансен серии 0

Рис. 1. Поезд Синкансен серии 0

Характерной проблемой являются перепады давления воздуха, вызывающие закладывание ушей. Данное явление наблюдается в случае проникновения внутрь вагона волны высокого давления, возникающей при движении поезда в тоннеле. Подобные явления былипредсказаны теоретически, а необходимость соответствующих контрмер установили в ходе испытаний опытного поезда на тоннельном участке линии Токайдо Синкансен вблизи станции Камономия. В результате была принята первая в истории железных дорог герметичная конструкция пассажирского вагона. К проблемам относятся также микроперепады давления, которые возникают при выходе из тоннеля волны высокого давления, создаваемой входящим в тоннель поездом, что оказывает неблагоприятное воздействие на близлежащую территорию. Поскольку их влияние особенно заметно в тоннелях большой протяженности с путем на сплошном подрельсовом основании, микроперепады давления начали рассматривать как новую экологическую проблему после 1975 г., когда данная конструкция пути получила распространение на сети Синкансен. К мерам защиты относятся аэродинамические дефлекторы у порталов тоннеля, снегозадерживающие системы и промежуточные стволывблизи выходов из тоннелей, а также конструктивные решения подвижного состава в части уменьшения площади сечения, увеличения длины носовой части и оптимизации площади сечения головного вагона. К прочим аэродинамическим явлениям относятся: воздействие давления воздуха от проходящих поездов на сооружения и оборудование вблизи линии, воздействие воздушной волны на балласт пути и на стоящих на платформах пассажиров, воздействие бокового и отраженного ветра на вагоны, а также аэродинамические толчки при прохождении тоннелей. Исследования в области шума начались в процессе строительства высокоскоростной линии Токайдо, но тогда изучали преимущественно шумы внутри вагона. Однако спустя несколько лет усиление внимания к проблеме шумового загрязнения окружающей среды вдоль линий Синкансен потребовало установки шумозащитных экранов в особо проблемных местах. С тех пор вопросы борьбы с шумовым загрязнением окружающей среды на сети Синкансен относят к важнейшим. Источники шума на сети Синкансен в целом разделяют на подкузовные (ходовая часть) и кузовные (носовая часть головного вагона, токоприемники и межвагонные зазоры, рис. 2).

Источники шума при движении высокоскоростного поезда по линии Синкансен

Рис. 2. Источники шума при движении высокоскоростного поезда по линии Синкансен

Шум, генерируемый подвагонным оборудованием, подразделяют на шум качения, создаваемый вибрациями катящихся по рельсам колес, шум от ходовой части и аэродинамический шум от турбулентности потоков воздуха и завихрений на компонентах тележек. В шуме от токоприемника выделяют аэродинамическую составляющую, шум от искрения при отрыве токоприемника от контактного провода и от скольжения контактной вставки, вызываемый вибрациями головки токоприемника и контактного провода. Одной из задач исследований было определение местоположения источников шума и их доли в шумовом загрязнении окружающей среды. Использование направленной микрофонной решетки позволило точно установить источники шума и получить достоверную информацию (рис. 3).

Использование направленной микрофонной решетки для определения источников шума

Рис. 3. Использование направленной микрофонной решетки для определения источников шума

Доля каждого из источников шума в шумовом загрязнении окружающей среды в полосе отвода линий Синкансен изменялась с течением времени (рис. 4). На начальном этапе эксплуатации высокоскоростных линий, когда не было шумозащитных экранов, доминировал шум качения. Позднее его удалось снизить за счет установки шумозащитных экранов и устранения неровностей поверхностей катания путем применения композиционных тормозных колодок на ободах колес. Как следствие, в 1975 г. доминировали шум качения и шум искрения. Затем шум качения был значительно снижен за счет шлифования рельсов. Шум искрения также был практически устранен благодаря объединению большего числатокоприемников шиной высокого напряжения, что предотвращало прерывание контакта, а также позволило сократить число необходимых токоприемников. 

Эволюция мер по снижению уровня шума по источникам в процессе развития сети Синкансен

Рис. 4. Эволюция мер по снижению уровня шума по источникам в процессе развития сети Синкансен

В результате в 1991 г. доля некомпенсированного аэродинамического шума от крышевого оборудования, включая токоприемники, опередила другие. С тех пор на передний план вышли меры борьбы с аэродинамическим шумом, который в значительной степени зависит от скорости движения поезда. К этим мерам относятся сглаживание поверхностей вагонов для снижения аэродинамического шума и снижение шума от токоприемников за счет ввода в эксплуатацию малошумных моделей и обтекателей крышевого оборудования. В ходе исследований и разработок в области аэродинамического шума широко использовалась разработанная в Научно-исследовательском институте железнодорожной техники (RTRI) аэродинамическая труба. В настоящее время уровни шума от подвагонных компонентов, включая аэродинамический шум и шум качения, и от остальных компонентов, включаятокоприемники, почти равны. Повышение скорости движения ведет к преобладанию шума качения над аэродинамической составляющей. Сеть линий Синкансен выделяется высокими показателями безопасности движения и точности соблюдения графика, но главным ее показателем является высокая скорость. Меры по улучшению аэродинамики и борьбе с шумом будут и далее играть важную роль в техническом развитии и повышении скорости движения, как это было на протяжении полувековой истории Синкансен.

M. Iida. International Railway Journal, 2015, № 7, p. 26 – 28; материалы RTRI (www.rtri.or.jp).