Il rumore generato dalla ruota ferroviaria: Contesto normativo e … ferroviario.pdf · 2017-11-20 · Il rumore generato dalla ruota ferroviaria: Contesto normativo e soluzioni applicative

Il rumore generato dalla ruota ferroviaria:

Contesto normativo e soluzioni applicative

Ing. Steven Cervello

Conferenza Rumore ferroviario Milano Giovedì 16 Novembre 2017

LUCCHINI RS

Lovere , 130.000 m2

Units Location

LUR

Manchester,

31.000 m2

LUCCHINI PL

Minsk Mazowiecki,

9.700 m2

LUCCHINI SE

Surahammar,

9.600 m2

LUCCHINI CE

Hofkirchen,

1.400 m2

LBX

Seraing,

10.000 m2

ZHIBO LUCCHINI JV

Taiyuan,

115.000 m2

GROUP EMPLOYEES: 2.100 Thursday, November 16, 2017 2

Thursday, November 16, 2017 3

• Il problema del rumore ferroviario ?

– TSI Noise

– Track fees

• Rumore emesso dai veicoli ferroviari

– Fenomenologia

– La ruota ferroviaria

• Come affrontare il problema ?

– Frenatura a ceppi

– Smorzatori acustici

Contenuto

L’Unione Europea ha mostrato molta attenzione negli ultimi 20 anni al problema del rumore, considerandolo critico per la salute e la qualità di vita o Riduzione dell’esposizione

• Mappature dell’inquinamento acustico • Identificazione delle azioni sul territorio

o Riduzioni delle emissioni acustiche al livello della sorgente, definendo limiti acustici per i

nuovi veicoli o Direttive per l’interoperabilità TSI “Technical Specification for Interoperability” Riguarda veicoli nuovi e rinnovati (non l’infrastruttura)

• High Speed • Conventional Rail • Freight

La direttiva Europea

Limiti acustici o condizioni diverse

• stazionario • avviamento • pass-by • interno

TSI NOISE 2014

ISO 3095 (microfono a 7,5 m al centro del binario e 1,2 m di altezza dalla rotaia)

Categoria veicolo LpAeq,Tp dB

80 km/h 250 km/h

Locomotive elettriche 84 99

Locomotive elettriche 85 n.a.

EMU 80 95

DMU 81 96

Carrozze 79 n.a.

Carri merce (normalizzato APL = 0,225 m-1) 83 n.a.

La direttiva Europea raccomanda che ulteriori riduzioni dei limiti acustici (2-5 dB) vengano considerati dopo

un periodo di 12anni

Svizzera è ancor più determinata nell’ottenere miglioramenti :

• Attivazione di tariffe di transito differenziate “Noise Differentiated Track Access Charges”.

• Entro il 2020 tutti I vagoni in transito dovranno essere equipaggiati con soluzioni che riducano l’impatto acustico (NO ceppi in ghisa).

• Contributi finanziari rilevanti da parte del governo per accelerare l’installazione di sistemi anti rumore

Ulteriori obiettivi locali

Anche Germania e Olanda sono particolarmente sensibili al problema:

• Attivazione di “Noise Differentiated Track Access Charges”.

• Contributi finanziari per l’installazione di dispositivi che permettano la conformità a TSI NOISE.



– TSI Noise

– Track fees


– Fenomenologia





Contenuto

Il rumore da rotolamento è la principale sorgente di rumore del veicolo ferroviario

Lp=Lp0+30*log10(v/v0)

Rumore ferroviario – le basi

Analisi del problema – interazione ruota rotaia

Rumore da rotolamento:

• Rugosità “acustica” ruota rotaia

• Eccitazione

• Vibrazione ruota/rotaia

• Emissione rumore

• I ceppi in ghisa hanno un particolare effetto degenerativo della superfice della tavola di rotolamento aumentandone la rugosità.

• Difetti locali (wheel flats) incrementano significativamente la generazione di rumore.



– TSI Noise

– Track fees


– Fenomenologia





Contenuto

Riduzione della rugosità = riduzione del rumore

Ruote frenate a ceppi – alternativi ai ceppi in ghisa

Ceppi K (composito) Vantaggi: • Levigatura del rotolamento :

riduzione di 8-10 dB. • Conforme a TSI in caso di

retrofit retrofit. • Tecnologia validata . • Basso consumo del ceppo.

Svantaggi • Maggiore attrito: necessità la

revisione dell’impianto frenante • Aumento dell’usura della ruota. • Ceppi più costosi.

Ceppi LL (organici) Vantaggi: • Levigatura del rotolamento : riduzione

di 7-10 dB. • Conforme a TSI in caso di retrofit

retrofit. • Attrito uguale a i ceppi in ghisa. • Costo equivalente ai ceppi in ghisa.

Svantaggi: • Soluzione relativamente nuova; serve

maggiore esperienza. • Sono disponibili solo per ruote con

diametro 920 mm. • Maggiore degradazione della conicità

equivalente. • L’attrito statico non sempre garantisce i

requisiti per la frenatura di stazionamento

• Esiste la possibilità di una riduzione della continuità elettrica, necessaria per il sistema di segnalamento.

Misure di rumore Confronto ceppi freno

83 dB TSI limit Carri merce

• Oggi i limiti TSI possono essere ottenuti tramite ceppi K o LL solo con un binario manutenuto nelle migliori condizioni

• Ulteriori miglioramenti sono ottenibili tramite smorzatori acustici

Riduzione della rugosità = riduzione del rumore

80 dB TSI limit EMU carrozze

o Tramite l’analisi modale vengono

determinate le frequenze di risonanza, i

relativi smorzamenti e forme modali.

Sviluppo di smorzatori acustici




o Design e sviluppo di soluzioni che

aumentano lo smorzamento della ruota

o Caratterizzazione in laboratorio

Processo di sviluppo di una ruota a bassa emissione acustica




o Design e sviluppo di soluzioni che

aumentano lo smorzamento della ruota

o Caratterizzazione in laboratorio

o Validazione del design tramite test

acustici in esercizio

Development process for the development of a low noise wheel

La gamma di soluzioni di smorzamento Lucchini RS

® ®


Veicoli passeggeri o alta velocità

Syope Ruota monoblocco (calettata a freddo)

Ruote elastiche Ruote monoblocco

(calettate a caldo)

Galene Veicoli leggeri (tram e metro)

Syope Braw Ruota monoblocco (disco freno montato in

cartella)

Veicoli passeggeri o alta velocità

Veicoli passeggeri Carri merce

Hypno Ruote frenate a

ceppi

Tipo di ruota Tipo di veicolo Soluzione


•No modifica geometria ruota • No sistemi meccanici di fissaggio • Basso peso

Syope Ruota monoblocco (calettata a freddo)


(calettate a caldo)

Galene • Riutilizzabile • Può essere utilizzato sotto il treno

Ruota monoblocco (disco freno montato in

cartella)

Syope Braw •No modifica geometria ruota • No sistemi meccanici di fissaggio • Basso peso • Efficente contro lo stridio in curva

Ruote frenate a ceppi

• Riutilizzabile • Può essere montato sotto il veicolo • Resiste ad alte temperature (500°C)

Hypno

Lucchini RS complete range of noise absorbers

Tipo di ruota Soluzione Caratteristiche

Syope • Rumore rotolamento: 4-6 dB • Stridio in curva: ≈ 10dB

Galene • Rumore rotolamento : 3-4 dB • Stridio in curva : ≈ 10dB

Syope Braw •Rumore rotolamento : 3-4 dB (given by web mounted disc brake) • Stridio in curva : ≈ 10dB

• Rumore rotolamento : 3 dB • Stridio in curva : ≈ 10dB Hypno

Lucchini RS complete range of noise absorbers

Ruota monoblocco (calettata a freddo)


(calettate a caldo)

Ruota monoblocco (disco freno montato in

cartella)

Ruote frenate a ceppi

Tipo di ruota Soluzione Riduzione rumore

La soluzione Syope è formata

da un rivestimento di matriale

viscolelatico vincolato

esternamente da una

membrana rigida

“constrained visco-elastic layer”

Fornisce una riduzione di della vibrazione (rumore) in un ampio

spettro di frequenze, riducendo sia il rumore da rotolamento che lo

stridio.

E’ una soluzione largamente adottata per I veicoli alta velocità di

vari costruttori

( Alstom, Siemens, Bombardier)

• Soluzione per ridurre il rumore da

rotolamento e stridio di ruote

monoblocco

• L’innovazione consiste

nell’applicazione di rivestimento di

materiale viscoelastico vincolato

esternamente da una membrana rigida

• Non è necessaria alcuna modifica

geometrica della ruota

• Non sono richiesti sistemi di fissaggio

meccanici (viti …)

• Non è richiesta alcuna manutenzione

in servizio

• Il viscoelastico ha ottime proprietà

adesive che rimangono stabili nel tempo

resistendo a vari prodotti chimici.

• Il materiale viscoelastico è certificato

secondo I requisiti fuoco-fumi EN45545

• Basso incremento di peso (5-9 kg per

ruota) e basso ingombro

• Eccellente contro la corrosione della

ruota

Confronto ruota nuda e ruota con due sistemi Syope

Test in servizio per confrontare il rumore emesso dalle

rute Syope con quello delle ruote originali

Treno alta velocità ETR500 train

Riduzione

4-6 dBA

(overall level)

Riduzione

10 dBA

Al di sopra 1500 Hz

Misure con array di

microfoni

Le ruote Syope sono

più silenziose delle

ruote originali con le

schermature foniche



Treno alta velocità ETR500 train

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

kHz

0

20

40

60

80

100

dB

re 2

0e-5

Liv

ello

di p

ressio

ne s

on

ora

Norm. 1

Norm. 2

Syope 1

Syope 2

Passby Curva 1 (secondo binario)msura a 7,5 m

Riduzione dello

stridio (squealing

noise) durante la

marcia in curva

stretta.



Veicoli leggeri

ETR600 – ETR610 - Alstom

ETR680 Czech Pendolino - Alstom

GTW2/6 DMU - Stadler

Merano - Malles

CRH3 Velaro Cina - Siemens

Circumvesuviana EMU

Firema

CRH1 Zefiro - Bombardier HSP - Alstom

Esempi di veicoli che montano le ruote Syope

Resilient wheels

Le ruote elastiche sono composte da:

• un cerchione,

• un centro ruota,

• un sistema di chiusura a viti

• una serie di tasselli elastici

Tale tipologia di ruota è largamente utilizzata per

equipaggiare veicoli leggeri come tram e metro che

viaggiano in linee urbane composte spesso da varie curve

strette.

In questo si può presentare il problema dello «squealing

noise»

Galene è la soluzione Lucchini RS per limitare questo

fenomeno

Gli absorber Galene sono formati da coppie di piatti in acciaio uniti con uno strato sottile di

polimero viscoelastico adesivo fornendo un alto smorzamento.

Gli absorber sono montati tramite viti con chiusura resistente alle vibrazioni

Limiti geometrici e ingombro:

• Diametro interno e esterno

• Spazio laterale (10 mm, incluse le viti)

• I cerchioni devno essere progettati con fori filettati per il

montaggio degli absorber

• Necesario lasciare lo spazio per le trecce di messa a terra

Variabili geometriche:

• spessori

• angoli

• N° di settori

SIEMENS – Amsterdam Combino Tram

Case study

2° modo assiale a 2000 Hz

+

-

-

-

+ +

Identificazione della frequenza critica:

Frequenza di risonanza a 2000 Hz


Case study

Vibrazione radiale del cerchione

Risonanza trovata nei test

in esercizio


Case study

Vibrazione laterale del cerchione

Risonanza trovata nei test

in esercizio


Case study


Case study

4 moving microphones

Wheels with

absorbers

Wheels without absorbers

On board

measureme

nt setup


Case study – test in servizio

Microphon 1 on wheel without absorbers

Microphon 3 on wheel with absorbers

Curve A Curve A

Hz SPL dB

s

Hz SPL dB

s



Microphon 1 on wheel without absorbers

Microphon 3 on wheel absorbers

Curve B

Hz SPL dB

s

Hz SPL dB

s



On board acoustic tests

On board test - around the city

Lpmax at 1934Hz OA Lpmax

Standard Absorbers Delta Standard Absorbers Delta

dBA dBA dBA dBA dBA dBA

Average 122 98 24 125 112 13

Standard deviation 7 10 14 6 7 8

On board test - Curve A at the depot



Run N° dBA dBA dBA dBA dBA dBA

1 128 83 45 130 107 23

11 125 87 38 130 108 22

On board test - Curve B at the depot




2 125 108 17 125 110 15

12 126 109 17 126 112 14

On board test - Curve C at the depot


Speed Standard Absorbers Delta Standard Absorbers Delta

Run N° km/h dBA dBA dBA dBA dBA dBA

9 30 124 98 26 130 112 18

8 25 110 110 0 115 110 5

7 25 120 91 29 125 110 15

6 20 110 102 8 112 109 3

5 20 126 100 26 126 100 26

On board test - around the city




1 126 102 24 128 123 5

3 122 80 42 130 105 25

7 120 96 24 124 116 8

8 134 85 49 133 122 11



• Gli absorber Hypno sono sviluppati per resistere ad alte temperature raggunte dalle ruote frenate a ceppi (500-600°C ) e alle deformazioni termiche della ruota.

• Gli absorber Hypno sono realizzati di solo acciaio senza materiali viscoelastici

Gli absorber Hypno sono realizzati da più lamine metalliche vincolate tra loro tramite dei rivetti.

Lo smorzamento delle vibrazioni è ottenuto dall’attrito

presente tra le lamine metalliche tra loro a contatto. Le lamine sono fissate alle ruote tramite dei sitemi

meccanici a vite alla ruota che in questo caso presenta una apposita gola

Description

Mounting system

Applicazione della soluzione Hypmo sull ruota carro SURA 25

Sistema di fissaggio tramite viti con teste a coda di rondine e rondelle Nordlock per resistere alle vibrazioni

Mounting system

Laboratory vibration test

Caratterizzazione acustica in laboratorio

Test di frenatura al banco freno di Trenitalia a Firenze

E’ stato possibile dimostrare la resistenza del sistema di fissaggio meccanico e l’integrità degli absorber nelle condizioni di massima temperatura e deformazione termomeccanica. La prova è eseguita in conformità alla norma UIC510-5 per la qualifica di ruote : • Potenza frenante 50kW • Velocità 60km/h • Durata 45’ • 10 ripetizioni

Test di frenatura

In service test

Test in servizio per valutare il livello di riduzione

Hypno was tested in-service on the test track of VUZ in Velìm (CZ): two bogies were equipped with Lucchini RS absorber and with various pass-by at 80km/h and 120km/h.

Test in servizio

Riduzione di circa 3 dB

Nuova sala carro

Ruota “R60” frenatura a disco

• Nuovi dischi Freno su asse per resistere alle alte potenze di

frenature dei carri merce.

Carico per asse: 25000 kg

Diametro ruota a nuovo: 920 mm

Diametro ruota minimo: 840 mm

Design speed: 160 km/h

• Design della ruota: geometria ottimizzata per la riduzione dei

pesi.

• Possibilità di equipaggiare le ruote con pannelli Syope.

Confronto di solluzioni

83 dB TSI limit

94 dB CI block braked wheels

-9 = 85 dB LL-K block braked wheels

-2,5 = 82,5 dB R60 wheel + disc brakes

-4 = 78,5 dB R60 wheel + disc brakes + Syope

-3 = 82 dB LL-K block braked wheels + Hypno

50

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