Il rumore generato dalla ruota ferroviaria: Contesto normativo e soluzioni applicative - Ing. Steven Cervello
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Il rumore generato dalla ruota ferroviaria:
Contesto normativo e soluzioni applicative
Ing. Steven Cervello
Conferenza Rumore ferroviario
Milano Giovedì 16 Novembre 2017
Units Location
LUCCHINI RS
Lovere , 130.000 m2
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
Thursday, November 16, 2017 GROUP EMPLOYEES: 2.100 2
Contenuto
• 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
Thursday, November 16, 2017 3
La direttiva Europea
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
TSI NOISE 2014
Limiti acustici
o condizioni diverse
• stazionario ISO 3095
• avviamento (microfono a 7,5 m al centro del binario e 1,2
• pass-by m di altezza dalla rotaia)
• interno
LpAeq,Tp dB
Categoria veicolo
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
Ulteriori obiettivi locali
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
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.
Contenuto
• 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
Thursday, November 16, 2017 7
Rumore ferroviario – le basi
Il rumore da rotolamento è la principale sorgente di rumore del veicolo ferroviario
Lp=Lp0+30*log10(v/v0)
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.
Contenuto
• 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
Thursday, November 16, 2017 10Riduzione della rugosità = riduzione del rumore
Ruote frenate a ceppi – alternativi ai ceppi in ghisa
Ceppi K (composito) Ceppi LL (organici)
Vantaggi: Vantaggi:
• Levigatura del rotolamento : • Levigatura del rotolamento : riduzione
riduzione di 8-10 dB. di 7-10 dB.
• Conforme a TSI in caso di • Conforme a TSI in caso di retrofit
retrofit retrofit. retrofit.
• Tecnologia validata . • Attrito uguale a i ceppi in ghisa.
• Basso consumo del ceppo. • Costo equivalente ai ceppi in ghisa.
Svantaggi Svantaggi:
• Maggiore attrito: necessità la • Soluzione relativamente nuova; serve
revisione dell’impianto frenante maggiore esperienza.
• Aumento dell’usura della ruota. • Sono disponibili solo per ruote con
• Ceppi più costosi. 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.Riduzione della rugosità = riduzione del rumore Misure di rumore Confronto ceppi freno 83 dB TSI limit Carri merce 80 dB TSI limit EMU carrozze • 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
Sviluppo di smorzatori acustici o Tramite l’analisi modale vengono determinate le frequenze di risonanza, i relativi smorzamenti e forme modali.
Processo di sviluppo di una ruota a bassa emissione acustica o Tramite l’analisi modale vengono determinate le frequenze di risonanza, i relativi smorzamenti e forme modali. o Design e sviluppo di soluzioni che aumentano lo smorzamento della ruota o Caratterizzazione in laboratorio
Development process for the development of a low noise wheel o Tramite l’analisi modale vengono determinate le frequenze di risonanza, i relativi smorzamenti e forme modali. 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
La gamma di soluzioni di smorzamento Lucchini RS
La gamma di soluzioni di smorzamento Lucchini RS
®
®La gamma di soluzioni di smorzamento Lucchini RS
Tipo di ruota Tipo di veicolo Soluzione
Ruota monoblocco Veicoli passeggeri o Syope
(calettata a freddo) alta velocità
Ruota monoblocco Veicoli passeggeri o Syope Braw
(disco freno montato in
cartella) alta velocità
Ruote elastiche
Veicoli leggeri Galene
Ruote monoblocco (tram e metro)
(calettate a caldo)
Ruote frenate a Veicoli passeggeri
ceppi Hypno
Carri merceLucchini RS complete range of noise absorbers
Tipo di ruota Soluzione Caratteristiche
•No modifica geometria ruota
Ruota monoblocco Syope • No sistemi meccanici di fissaggio
(calettata a freddo) • Basso peso
Ruota monoblocco Syope Braw •No modifica geometria ruota
(disco freno montato in • No sistemi meccanici di fissaggio
cartella) • Basso peso
• Efficente contro lo stridio in curva
Ruote elastiche
Ruote monoblocco Galene • Riutilizzabile
• Può essere utilizzato sotto il treno
(calettate a caldo)
• Riutilizzabile
Ruote frenate a • Può essere montato sotto il
ceppi Hypno veicolo
• Resiste ad alte temperature
(500°C)Lucchini RS complete range of noise absorbers
Tipo di ruota Soluzione Riduzione rumore
Ruota monoblocco • Rumore rotolamento: 4-6 dB
Syope • Stridio in curva: ≈ 10dB
(calettata a freddo)
Ruota monoblocco Syope Braw •Rumore rotolamento : 3-4 dB
(disco freno montato in (given by web mounted disc brake)
cartella) • Stridio in curva : ≈ 10dB
Ruote elastiche
• Rumore rotolamento : 3-4 dB
Ruote monoblocco Galene • Stridio in curva : ≈ 10dB
(calettate a caldo)
Ruote frenate a • Rumore rotolamento : 3 dB
ceppi Hypno • Stridio in curva : ≈ 10dBLa 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
• Eccellente contro la corrosione della ruota • Il materiale viscoelastico è certificato secondo I requisiti fuoco-fumi EN45545 • Il viscoelastico ha ottime proprietà adesive che rimangono stabili nel tempo resistendo a vari prodotti chimici. • Basso incremento di peso (5-9 kg per ruota) e basso ingombro
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
Misure con array di
microfoni
Riduzione Riduzione
4-6 dBA 10 dBA
(overall level) Al di sopra 1500 HzTest in servizio per confrontare il rumore emesso dalle
rute Syope con quello delle ruote originali
Treno alta velocità ETR500 train
Le ruote Syope sono
più silenziose delle
ruote originali con le
schermature fonicheTest in servizio per confrontare il rumore emesso dalle
rute Syope con quello delle ruote originali
Veicoli leggeri
Passby Curv a 1 (se condo binario)
msura a 7,5 m
100
80
Livello di pressione sonora
dB re 20e-5
60 Norm. 1
Norm. 2 Riduzione dello
Syope 1 stridio (squealing
40 Syope 2
noise) durante la
marcia in curva
20
stretta.
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
kHzEsempi di veicoli che montano le ruote Syope
ETR680 Czech Pendolino - Alstom
HSP - Alstom CRH1 Zefiro - Bombardier
CRH3 Velaro Cina - Siemens
Circumvesuviana EMU GTW2/6 DMU - Stadler
Firema Merano - Malles ETR600 – ETR610 - AlstomResilient 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
SIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study
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 settoriSIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study
Identificazione della frequenza critica:
Frequenza di risonanza a 2000 Hz
2° modo assiale a 2000 Hz
+
- -
+ +
-SIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study
Vibrazione radiale del cerchione
Risonanza trovata nei test
in esercizioSIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study
Vibrazione laterale del cerchione
Risonanza trovata nei test
in esercizioSIEMENS – Amsterdam Combino Tram Case study
SIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study – test in servizio
On board
measureme
nt setup
Wheels with Wheels without absorbers
absorbers
4 moving microphonesSIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study – test in servizio
Curve A Microphon 1 on wheel without absorbers
Hz
SPL dB
s
Microphon 3 on wheel with absorbers
Hz
SPL dB
sSIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study – test in servizio
Curve B Microphon 1 on wheel without absorbers
Hz
SPL dB
s
Microphon 3 on wheel absorbers
Hz
SPL dB
sSIEMENS – Amsterdam Combino Tram
Case study – test in servizio
On board test - Curve A at the depot
Lpmax at 1934Hz OA Lpmax
Standard Absorbers Delta Standard Absorbers Delta
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
Lpmax at 1934Hz OA Lpmax
Standard Absorbers Delta Standard Absorbers Delta
Run N° dBA dBA dBA dBA dBA dBA
2 125 108 17 125 110 15
12 126 109 17 126 112 14
On board test - Curve C at the depot On board acoustic tests
Lpmax at 1934Hz OA Lpmax
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
Lpmax at 1934Hz OA Lpmax
Standard Absorbers Delta Standard Absorbers Delta
Run N° dBA dBA dBA dBA dBA dBA
1 126 102 24 128 123 5
3 122 80 42 130 105 25
7 120 96 24 124 116 8 On board test - around the city
8 134 85 49 133 122 11 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• 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
Description
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 golaMounting system Applicazione della soluzione Hypmo sull ruota carro SURA 25
Mounting system Sistema di fissaggio tramite viti con teste a coda di rondine e rondelle Nordlock per resistere alle vibrazioni
Laboratory vibration test
Caratterizzazione acustica in laboratorioTest di frenatura
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 ripetizioniIn 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 dBNuova sala carro
Ruota “R60”
frenatura a disco
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.
• Nuovi dischi Freno su asse per resistere alle alte potenze di
frenature dei carri merce.
• Possibilità di equipaggiare le ruote con pannelli Syope.Confronto di solluzioni
94 dB CI block braked wheels
-9 = 85 dB LL-K block braked wheels
83 dB TSI limit
-3 = 82 dB LL-K block braked wheels + Hypno
-2,5 = 82,5 dB R60 wheel + disc brakes
-4 = 78,5 dB R60 wheel + disc brakes + Syope50
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