Что такое Городские гусеничные колодки и почему они важны
Подушки городских путей, также называемые рельсовыми подушками, подрельсовыми подушками или подушками опорной плиты в зависимости от их положения в системе крепления рельсов, представляют собой упругие эластомерные элементы, размещаемые между рельсом и его несущей конструкцией для ослабления передачи динамических сил, создаваемых проезжающими поездами. В условиях городских железных дорог, включая системы метро, легкорельсового транспорта, трамваи и коридоры пригородных поездов, проходящие через населенные районы, эти силы непосредственно преобразуются в наземную вибрацию и структурный шум, который влияет на здания, жителей и чувствительные объекты вдоль трассы пути.
Значение гусеничных колодок в городских условиях выходит далеко за рамки их скромных физических размеров. Хорошо спроектированная прокладка, правильно расположенная в крепежном узле, может снизить передачу вибрации на несущую конструкцию на 10–30 децибел в диапазонах частот, наиболее ощутимых для людей, находящихся в здании, и наиболее вредных для точных инструментов в больницах, исследовательских лабораториях и концертных залах. Этот уровень затухания, пассивно достигнутый с помощью материаловедения и геометрии, сделал бесшумные экологически чистые городские путевые площадки стандартной деталью в новом строительстве метро и все более приоритетной модернизацией стареющей городской железнодорожной инфраструктуры.
Проблема шума и вибрации на городских железных дорогах
Понимание того, какие гусеничные колодки предназначены для смягчения последствий, требует четкого представления о том, как железнодорожные перевозки создают шум и вибрацию в городских условиях. Основными источниками являются взаимодействие колеса и рельса и структурная реакция системы путей и ее поддерживающей инфраструктуры на динамические силы, создаваемые этим интерфейсом.
Роллинг Шум
Когда стальное колесо катится по стальному рельсу, микроскопические неровности поверхности как колеса, так и рельса создают высокочастотные вибрации, которые излучаются в виде воздушного шума от поверхностей колеса и рельса. Этот шум качения доминирует в акустической среде при скорости движения поездов выше примерно 50 километров в час и является основным источником шума для работы метро и легкорельсового транспорта на ровных и надземных трассах. Жесткость гусеницы влияет на шум качения, влияя на условия динамической опоры рельса и степень гофрирования рельса, которое развивается с течением времени.
Ударный шум и вибрация
Отдельные неровности, такие как стыки, пересечения и проколы колес, создают импульсные силы на стыке колеса с рельсом, которые значительно превышают те, которые возникают при плавном контакте качения. Эти удары генерируют как воздушный шум, так и наземную вибрацию, которая распространяется через структуру пути и окружающую почву или конструкцию здания. В городских условиях, где железнодорожные пути проходят в туннелях или по эстакадам, прилегающим к жилым зданиям, наземная вибрация от ударов является частым источником жалоб населения и несоблюдения нормативных требований.
Кривой визг
На кривых с узким радиусом, характерных для городских сетей метро и трамвая, силы бокового скольжения между гребнем колеса и головкой рельса создают тональный визговый шум, который может превышать 100 децибел на обочине пути и распространяться на значительные расстояния в городской акустической среде. Характеристики гусениц влияют на динамическое поведение рельса на криволинейном пути и являются одним из компонентов более широкой стратегии управления шумом на поворотах, которая может также включать смазку рельсов и специальные профили колес.
Как бесшумные гусеничные колодки снижают шум и вибрацию
Характеристики поглощения звука и вибрации гусеницы определяются тремя взаимосвязанными физическими свойствами: динамической жесткостью, демпфирующей способностью и взаимосвязью между этими свойствами в интересующем диапазоне частот. Разработка колодки, которая оптимизирует все три для конкретных требований городских путей, является центральной задачей проектирования в этой категории продуктов.
Динамическая жесткость и ее роль в изоляции
Динамическая жесткость — это отношение динамической силы, приложенной к колодке, к результирующему динамическому прогибу. Более мягкая накладка с меньшей динамической жесткостью обеспечивает большую изоляцию рельса от его несущей конструкции, позволяя рельсу более свободно прогибаться при динамической нагрузке, поглощая энергию, которая в противном случае передавалась бы в виде вибрации. Однако жесткость не может быть уменьшена без ограничений. Чрезмерно мягкие подушки допускают чрезмерный прогиб рельса при статических нагрузках поезда, что ускоряет усталость рельса, вызывает расширение колеи на криволинейных путях и может нарушить допуски на геометрию, необходимые для безопасной и комфортной эксплуатации поезда.
Оптимальная жесткость бесшумной городской гусеницы представляет собой тщательно разработанный баланс с учетом условий поддержки пути, осевых нагрузок, скорости поезда и целей по снижению вибрации в конкретном приложении. Для тяжелых систем метрополитена на железобетонных плитах пути характерны значения динамической жесткости в диапазоне от 20 до 60 килоньютон на миллиметр. Для легкорельсового транспорта и трамвая с более низкими осевыми нагрузками и более жесткими требованиями к вибрации рядом с чувствительными приемниками могут быть установлены более мягкие колодки в диапазоне от 10 до 30 килоньютон на миллиметр.
Демпфирование и рассеяние энергии
Демпфирование описывает способность материала колодки рассеивать энергию вибрации в виде тепла, а не передавать ее дальше через конструкцию. Высокое внутреннее демпфирование в материале колодки снижает амплитуду вибрации, передаваемой на резонансных частотах, что особенно важно в низкочастотном диапазоне, где наземная вибрация от городских рельс наиболее ощутима в зданиях. Материалы с высоким коэффициентом потерь (безразмерным показателем демпфирующей способности) обеспечивают превосходные характеристики в средах, чувствительных к вибрации.
Положение подкладки под рельсом
Подрельсовые прокладки, расположенные непосредственно между подошвой рельса и опорной плитой или шпалой, обеспечивают основной изоляционный слой в системе крепления. Их жесткость оказывает наибольшее влияние на собственную частоту системы и, следовательно, на ее низкочастотную виброизоляцию.
Положение опорной пластины
Подкладки опорной плиты, расположенные между опорной плитой и шпалой или плитой, образуют вторичный изоляционный слой, который ослабляет энергию вибрации, не улавливаемую подрельсовой подкладкой. Двухступенчатые системы изоляции, использующие оба положения прокладок, обеспечивают самые низкие уровни вносимых потерь вибрации, доступные в традиционных системах крепления.
Системы спальной загрузки
В плавающих плитах и в приложениях с высокой изоляцией эластомерные сапоги, закрывающие полную шпалу, обеспечивают трехмерную виброизоляцию. Эти системы обеспечивают высочайший уровень подавления вибрации, доступный для встроенных конфигураций путей, и являются стандартными в туннелях метро, проходящих через наиболее чувствительные к вибрации городские среды.
Встроенные системы трекпада
В трамвайных и легкорельсовых путях, встроенных в дорожное покрытие, непрерывные эластомерные профили, окружающие рельс, обеспечивают виброизоляцию, а также герметизируют канавку рельса и предотвращают проникновение влаги. Эти профили должны сочетать изоляционные характеристики с механической прочностью, необходимой для того, чтобы выдерживать нагрузки от дорожного движения.
Экологически чистые материалы и устойчивое производство
Экологичность современных городских гусеничных колодок учитывает полный жизненный цикл материалов и производства продукта, от поиска сырья до производства, срока службы, управления по окончании срока службы и воздействия на окружающую среду за счет снижения шума и вибрации, которое колодки обеспечивают на протяжении всего периода эксплуатации.
Переработанные резиновые смеси
Доминирующей тенденцией в области экологически чистых материалов для накладок гусениц является использование переработанной резины, полученной в основном из шин с истекшим сроком службы, в качестве основного компонента состава накладок. Резина шин обладает присущими ей демпфирующими характеристиками, которые хорошо подходят для подавления вибрации, а ее использование в качестве сырья для гусеничных колодок создает продуктивный путь утилизации потока отходов, который в противном случае представляет собой серьезные проблемы с утилизацией. Ведущие производители гусеничных колодок разработали рецептуры смесей, включающих от 50 до 90 процентов содержания переработанной резины, которые соответствуют эксплуатационным характеристикам, необходимым для требовательных городских железнодорожных перевозок, демонстрируя, что экологичность и производительность не могут конкурировать в этой категории продукции.
Экологическая польза от переработанных резиновых гусениц выходит за рамки отвода отходов шин со свалки. Производство колодок из переработанной резины требует значительно меньше энергии, чем производство эквивалентных колодок из смесей первичного синтетического каучука, что снижает содержание углерода в самих колодках. В сочетании с увеличенным сроком службы, которого достигают современные составы компаундов, стоимость углерода на единицу подавления вибрации, обеспечиваемая в течение срока службы колодок, значительно ниже для изделий из переработанной резины, чем для традиционных альтернатив.
Разработка эластомеров на биологической основе
Инвестиции в научные исследования и разработки в области эластомеров на биологической основе для применения в гусеничных колодках ускоряются, что обусловлено обязательствами органов транзита по нулевым закупкам и растущим нормативным давлением на материалы, полученные из ископаемого топлива. Натуральный каучук остается эталонным эластомером на биологической основе для гусеничных колодок с высоким уровнем демпфирования, при этом сертифицированный экологически чистый натуральный каучук с сертифицированных плантаций все чаще используется экологически сознательными транспортными операторами. Новые полимерные системы на биологической основе, включая термопластичные эластомеры, полученные из биологического сырья, выходят на рынок в качестве альтернативы термопластичным резиновым смесям нефтехимического происхождения в гусеничных колодках с низкой нагрузкой.
Системы соединений с низким содержанием летучих органических соединений и без галогенов
Подушки городских железнодорожных путей, установленные в тоннелях и закрытых станциях, должны соответствовать строгим требованиям пожарной безопасности, регулирующим дымообразование и выбросы токсичных газов в случае пожара. В экологически чистых рецептурах гусениц, разработанных для этих целей, используются безгалогенные антипиреновые присадки и технологические добавки с низким содержанием летучих органических соединений, которые снижают как токсичность продуктов сгорания, так и выделение газов летучих соединений при нормальной эксплуатации. Эти формулировки отражают более широкую приверженность качеству воздуха в помещениях и гигиене труда обслуживающего персонала, который устанавливает и заменяет гусеницы на протяжении всего срока службы системы.
Примечание жизненного цикла: Управление сроком эксплуатации городских путевых площадок является новой областью управления продукцией в железнодорожном секторе. Некоторые европейские производители гусеничных колодок в настоящее время реализуют программы возврата использованных колодок, перерабатывая резиновую смесь для использования в устройствах с более низкими техническими характеристиками, включая спортивные покрытия, полы для игровых площадок и акустические подложки. Выбор гусениц от производителей с документально подтвержденными программами возврата и переработки замыкает цикл материалов и поддерживает обязательства по экономике замкнутого цикла в политике закупок органов транзита.
Стандарты производительности и методология тестирования
Характеристики бесшумных, экологически чистых городских гусениц количественно оцениваются по международно признанным стандартам испытаний, которые характеризуют механические, акустические свойства и долговечность, соответствующие их функции в системе крепления.
| Стандартный | Область применения | Ключевые измеряемые параметры | Актуальность |
| ЕН 13481-2 | Требования к эксплуатационным характеристикам систем крепления на бетонных шпалах | Динамическая жесткость, электрическое сопротивление, усталостная долговечность | Основной европейский стандарт спецификации для подушек метро и магистральных железных дорог. |
| ЕН 13481-5 | Системы крепления плитного пути | Динамическая жесткость, боковое сопротивление, вносимые потери | Крайне важно для городского метрополитена и встроенных путей. |
| ЕН 15461 | Характеристика динамических свойств систем рельсового скрепления | Частотно-зависимая жесткость и демпфирование | Позволяет моделировать вибрацию и прогнозировать вносимые потери |
| ИСО 9052-1 | Эластичные материалы под плавающими полами | Динамическая жесткость упругих материалов | Используется для систем с плавающими перекрытиями и шпалами с высокой изоляцией. |
| ЕН 45545-2 | Противопожарная защита железнодорожного транспорта и инфраструктуры | Распространение пламени, плотность дыма, выбросы токсичных газов | Обязательно для туннелей и закрытых станций на европейских рынках. |
| АСТМ Д2240 | Твердость резины по твердости | Твердость по Шору | Спецификация контроля качества для обеспечения единообразия состава в производственных партиях |
Особенности проектирования для конкретных приложений
Спецификация бесшумных и экологически чистых городских гусеничных колодок требует тщательного подбора свойств колодок к конкретным условиям эксплуатации гусениц. Ни одна конструкция колодки не является оптимальной для всего спектра городских железнодорожных условий, а последствия неправильной спецификации варьируются от недостаточного снижения шума и вибрации до ускоренного износа колодок, чрезмерного прогиба рельсов и нестабильности геометрии пути.
Приложения для туннелей метро
В глубоких тоннелях метрополитена, проходящих через плотную городскую застройку, основная экологическая проблема возникает вибрацией, передаваемой от путей на облицовку туннеля и далее в землю и фундамент прилегающих зданий. В гусеничных опорах для этих применений приоритет отдается низкой динамической жесткости, чтобы максимизировать вносимые потери вибрации в диапазоне частот от 16 до 250 Гц, где люди, находящиеся в здании, наиболее чувствительны. Двухступенчатые системы крепления как с подрельсовыми подушками, так и с подушками на опорной плите являются стандартной спецификацией для чувствительных к вибрации трасс, а системы направляющих с плавающими плитами и шпалами используются там, где применяются самые строгие требования к вносимым потерям рядом с концертными залами, больницами и жилыми зданиями непосредственно над трассой туннеля.
Рядовой и надземный легкорельсовый транспорт
При движении трамвая и легкорельсового транспорта на одноуровневых путях на городских улицах и на надземных виадуках основными проблемами шума являются воздушный шум от качения, излучаемый от стыка колеса с рельсом, и корпусной шум, передаваемый на конструкции виадука и прилегающие здания. Подушки гусеницы для этих применений предназначены для обеспечения жесткости от умеренной до высокой, соответствующей более низким нагрузкам на ось легкорельсового транспорта, обеспечивая при этом достаточное демпфирование для снижения эффективности излучения рельсов и ослабления вибрации конструкции, которая вызывает шумовое излучение от настила виадука.
Встроенная гусеница в дорожное покрытие
Трамвайные пути, встроенные в дорожное покрытие, предъявляют уникальные требования к системам гусеничных гусениц. Подушка или сплошной упругий рельсовый профиль должны обеспечивать виброизоляцию при нагрузке на рельсы и одновременно сопротивляться деформации под действием боковых и вертикальных нагрузок автотранспортных средств, пересекающих путь. Водонепроницаемость и устойчивость к загрязнению водой с поверхности дороги, противообледенительными химикатами и разливами топлива являются дополнительными требованиями, которые не встречаются на специализированных путях. Экологичные рецептуры для встроенных рельсовых путей должны сбалансировать все эти функциональные требования, одновременно обеспечивая соответствие переработанному содержимому и целевым показателям по окончании срока службы, которые все чаще устанавливают операторы муниципального транспорта.
Наследие и уязвимая городская среда
Железнодорожные коридоры, проходящие через исторические центры городов, заповедники и объекты, содержащие чувствительные научные приборы, представляют собой наиболее требовательные к вибрации характеристики, встречающиеся в городском железнодорожном строительстве. Музеи, содержащие хрупкие экспонаты, операционные в больницах, кабинеты электронных микроскопов в исследовательских институтах и студии звукозаписи в городских центрах — все они налагают ограничения на вибрацию, которых можно достичь только с помощью высокоэффективных систем изоляции путей. В этих случаях бесшумные экологически чистые системы гусеничных гусениц сочетаются с дополнительными плавающими плитами, системами массовых пружин и мерами по изоляции здания для достижения необходимого полного подавления вибрации.
Ключевые характеристики лучших в своем классе бесшумных и экологически чистых городских гусеничных колодок
- Динамическая жесткость точно соответствует требованиям применения, с документально подтвержденным частотно-зависимым поведением согласно EN 15461.
- Высокий коэффициент внутренних демпфирующих потерь снижает усиление резонансной вибрации и улучшает однородность вносимых потерь во всем диапазоне частот.
- Содержание переработанного каучука не менее 50 процентов с документально подтвержденной цепочкой поставок из сырья из бывших в употреблении шин.
- Срок службы 30 лет и более при расчетной нагрузке и условиях окружающей среды применения.
- Усталостные характеристики подтверждены ускоренными испытаниями на срок службы, эквивалентными 30 миллионам циклов нагрузки согласно EN 13481.
- Устойчивость к озону, УФ-излучению, гусеничным смазкам, противообледенительным химикатам и загрязнению топлива, соответствующая условиям эксплуатации.
- Безгалогенный компаунд с противопожарными характеристиками, соответствующий стандарту EN 45545-2, если этого требует установка в туннеле или закрытой станции.
- Экологическая декларация продукции, документирующая содержание углерода, переработанное содержимое и варианты управления по окончании срока службы.
Закупка, установка и контроль качества
Преимущества бесшумных и экологически чистых городских гусеничных колодок реализуются на практике только тогда, когда закупки, установка и текущие процессы обеспечения качества управляются с той же строгостью, что и проектирование и тестирование колодок. Спецификации закупок, которые определяют допуски на динамическую жесткость, требования к переработанному составу и сертификацию испытаний третьей стороной, предотвращают замену материалов с более низкими характеристиками во время строительства и гарантируют, что экологические характеристики указанных продуктов проверяются, а не предполагаются.
Качество установки оказывает прямое и существенное влияние на производительность гусениц. Колодки, установленные с неправильным предварительным натягом, загрязненными контактными поверхностями или несоосной геометрией, не достигают проектных характеристик независимо от качества материала. Обучение бригад по прокладке путей правильным процедурам установки конкретной используемой подкладки и системы крепления в сочетании с систематической проверкой установленного пути перед заливкой бетона или укладкой балласта является стандартным требованием обеспечения качества для проектов городских железных дорог, где шумовые и вибрационные характеристики готового пути являются договорными условиями.
Мониторинг состояния гусеничных площадок в процессе эксплуатации путем периодического измерения прогиба рельсов под испытательными нагрузками в сочетании с визуальным осмотром во время периодов технического обслуживания позволяет операторам общественного транспорта выявлять деградацию гусеничных площадок до того, как это поставит под угрозу геометрию пути или характеристики шума и вибрации. Плановые программы замены колодок, основанные на отслеживаемом состоянии, а не на фиксированных интервалах времени, оптимизируют затраты на техническое обслуживание, обеспечивая при этом сохранение акустических и вибрационных характеристик путевой системы на протяжении всего срока службы инфраструктуры.
Роль гусеничных площадок в рамках устойчивого развития городов
Вклад бесшумных и экологически чистых городских рельсовых подушек в достижение целей устойчивого развития городских железнодорожных систем выходит за рамки содержания в них переработанных материалов и выбросов углекислого газа при производстве. Снижая шум и вибрацию воздействия железнодорожных перевозок на окружающие сообщества, эти продукты напрямую поддерживают аспект социальной устойчивости транзитной инфраструктуры, позволяя городским железнодорожным сетям работать в непосредственной близости от жилых районов, школ и чувствительных объектов землепользования, чем это было бы возможно без эффективной технологии изоляции.
Это преимущество близости является экономически значимым. Городские железнодорожные системы, которые могут проходить через существующую городскую структуру вместо того, чтобы требовать надземных сооружений или глубоких туннелей для обеспечения необходимого отделения от чувствительных приемников, дешевле построить, быстрее доставить и более доступны для сообществ, которые они обслуживают. Подавление шума и вибрации, обеспечиваемое высокопроизводительными гусеничными площадками, является прямым фактором этой интеграции, снижая надбавку к затратам на инфраструктуру, связанную с чувствительными к вибрации городскими средами, и расширяя покрытие сети, которого можно достичь при том же капитальном бюджете.
Системы рейтингов экологичного строительства и инфраструктуры, включая BREEAM Infrastructure, Envision и систему рейтингов Совета по устойчивому развитию инфраструктуры, все чаще признают управление шумом и вибрацией в качестве оцениваемого критерия устойчивости. Использование бесшумных, экологически чистых городских подушек с документально подтвержденным переработанным материалом, увеличенным сроком службы и проверенными акустическими характеристиками способствует достижению этих рейтингов, способствуя более широкому признанию устойчивости проекта железнодорожной инфраструктуры и отвечая растущим ожиданиям государственных финансирующих органов и заинтересованных сторон сообщества.
Заключение
Бесшумные и экологичные городские путевые накладки представляют собой сочетание акустической инженерии, материаловедения и экологической ответственности, которое напрямую решает две наиболее актуальные проблемы городской железнодорожной инфраструктуры: воздействие шума и вибрации на население и экологический след застроенной среды. Обеспечивая измеримое, независимо проверяемое снижение наземной вибрации и структурного шума с помощью тщательно спроектированных эластомерных систем, изготовленных из переработанных и биологических материалов с документально подтвержденными экологическими сертификатами, эти продукты демонстрируют, что компоненты инфраструктуры, когда-то считавшиеся чисто функциональными, могут иметь подлинную экологическую и социальную ценность. Для органов общественного транспорта, градостроителей и инженеров инфраструктуры, стремящихся построить городские железнодорожные сети, которые сообщества приветствуют, а не просто терпят, установка бесшумных, экологически чистых городских путевых площадок является одновременно технически обоснованным решением и последовательным выражением ценностей устойчивого развития, заложенных в физическую структуру города.
