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Soluzioni per la riduzione dell’impatto acustico dei rotabili ferroviari Ing. Steven Cervello Conferenza "Ferrovia e Ambiente“ 2 Aprile 2014 L’attenzione verso il problema del rumore Il progresso e lo sviluppo della nostra società ha sensibilizzato sempre più l’opinione pubblica verso il problema del rumore. Negli anni sono aumentate le proteste di cittadini che vivono nei pressi di linee ferroviarie sia urbane che extraurbane. Se nel caso della ferrovia è immediato identificare il responsabile nella società di trasporti; molto più complesso è stato individuare e applicare soluzioni al problema. Il contributo legislativo La Comunità Europea ha da quasi 20 anni mostrato molta attenzione al problema del rumore considerato critico per la salute e per la qualità di vita delle persone. 2 principali strategie : Riduzione dell’esposizione • mappature dell’inquinamento acustico • definizione di interventi sul territorio Riduzione dell’emissione acustica alla sorgente definendo nuovi limiti acustici • Direttive per l’interoperabilità TSI “Technical Specification for Interoperability” Riguarda veicoli nuovi e rinnovati (non l’infrastruttura) High Speed Conventional Rail Freight TSI High Speed e TSI NOISE Definizione dei limiti acustici diverse condizioni • stazionario • avviamento • pass-by • interno cabina ISO 3095 (un microfono a 7,5 m dal centro dell’armamento a 1,2 m di altezza) LAeq,Tp dB(A) Velocità (km/h) Nuovo Up graded Alta velocità 250 87 - Loco Elettriche 80 85 - Loco Diesel 80 85 - 81 - 82 - 80 - 80 82 84 Veicolo La Direttiva Europea raccomanda che 80 nell’arco di circa 12 anni i presenti DMU 80 limiti vengano ulteriormente ridotti Carrozze passeggeri 80 di 2 5 dB EMU Carri merce APL 0,15 m-1 Carri merce 0,15 m-1 < APL 0,275 m-1 80 83 85 Carri merce APL > 0,275 m-1 80 85 87 Speciali Iniziative La Svizzera ancor più della CE è determinata a combattere il problema del rumore derivante in particolare dai carri merce : Entro il 2020 tutti i carri transitanti nel territorio dovranno essere equipaggiati con nuove soluzioni per ridurre l’impatto fonico. Sarà istituito un sistema di riduzione dei pedaggi per l’accesso all’infrastruttura. Sono stati inoltre attivati importanti finanziamenti per la realizzazione di barriere antirumore, installazione di porte e finestre antirumore e sistemi di rilevamento dei livelli di rumorosità lungo le linee ferroviarie. Anche la Germania è particolarmente sensibile all’argomento “rumore”: Promuove incentivi economici per l’installazione di soluzioni antirumore tali da soddisfare i limiti TSI. Discute possibilità di gestione dei pedaggi in funzione della rumorosità del veicolo. Analisi del problema La ruota e la rotaia nella loro interazione sono considerate le principali sorgenti di rumore del veicolo Lp=Lp0+30*log10(v/v0) Analisi del problema Il rumore generato dall’interazione ruota / rotaia Rumore da rotolamento • Rugosità ruota / rotaia • Eccitazione • Vibrazione della ruota • Emissione di rumore (ad ampio spettro) Analisi del problema Il rumore generato dall’interazione ruota / rotaia Stridio “Squealing noise”: • Curve strette • Particolare fenomeno dinamico stick-slip • Eccitazione della corona • Generazione di rumore tonale a alta frequenza Livello di pressione sonora dB re 20e-5 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 kHz 8 9 10 11 12 13 14 Il contributo di Lucchini RS L’attività di Ricerca e Sviluppo di Lucchini RS punta a ridurre il rumore direttamente alla sorgente. Da oltre 15 anni Lucchini RS è attiva nello studio del fenomeno del rumore generato dalle ruote ferroviarie. Lucchini RS dispone di un laboratorio di vibro-acustica formato da una camera semianecoica per caratterizzazione delle ruote. Il laboratorio è in grado di svolgere anche test acustici in linea per caratterizzare il rumore del veicolo e quantificare le prestazioni delle soluzioni anti rumore proposte. Processo di sviluppo di una soluzione per la riduzione del rumore emesso da una ruota ferroviaria Analisi modale sperimentale al fine di individuare le frequenze di risonanza e le forme modali della ruota Processo di sviluppo di una soluzione per la riduzione del rumore emesso da una ruota ferroviaria Analisi modale sperimentale al fine di individuare le frequenze di risonanza e le forme modali della ruota Design e sviluppo della soluzione che incrementi lo smorzamento della ruota Caratterizzazione in laboratorio Processo di sviluppo di una soluzione per la riduzione del rumore emesso da una ruota ferroviaria Analisi modale sperimentale al fine di individuare le frequenze di risonanza e le forme modali della ruota. Design e sviluppo della soluzione che incrementi lo smorzamento della ruota. Caratterizzazione in laboratorio. Validazione del design tramite misure acustiche in linea. La famiglia di prodotti Lucchini RS per la riduzione del rumore Una soluzione anti-rumore per ogni applicazione ® ® Una soluzione anti-rumore per ogni applicazione Tipo di ruota Tipo di veicolo Soluzione Ruote monoblocco Veicoli passeggeri e alta velocità Syope Veicoli passeggeri e alta velocità Syope Braw Veicoli leggeri Galene (calettate a freddo) Ruote monoblocco (disco freno montato in cartella) Ruote elastiche Ruote monoblocco (calettate a caldo) Ruote frenate a ceppi (tram e metro) Veicoli passeggeri Carri merci Hypno • La soluzione Syope è realizzata da un pannello composto da un particolare polimero viscoelastico e metallo. • E’ applicato tramite uno speciale processo d’incollaggio. • Non necessita fissaggi meccanici o modifiche alla geometria della ruota. • Limitato incremento di peso Riduzione rumore in rettilineo: (10 kgmax) 4-6 dB 10 dB al di sopra di 1,5 kHz • Il prodotto è in servizio da oltre 10 anni ed è ormai “Service Proven” Riduzione completa dello “squealing noise” in curva Passby Curva 1 (secondo binario) msura a 7,5 m Livello di pressione sonora dB re 20e-5 100 80 Norm. 1 Norm. 2 Syope 1 Syope 2 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 kHz 8 9 10 11 12 13 14 Alcune delle principali applicazioni Syope Circumvesuviana EMU Firema GTW2/6 DMU – Stadler Merano - Malles HSP - Alstom ETR680 Czech Pendolino - Alstom CRH1 Zefiro - Bombardier CRH3 Velaro Cina - Siemens ETR600 – ETR610 - Alstom ETR1000 Bombardier/Asaldo Breda Il prodotto Si tratta di una particolare applicazione della soluzione Syope per le ruote con disco freno in cartella Il pannello è applicato nella zona di transizione tra cartella e corona mantenendo un ingombro molto ridotto Anche in questo caso non sono necessari fissaggi meccanici o modifiche geometriche alla ruota Le ruote Syope Braw sono installate sui veicoli GTW Stadler in servizio sulla linea Valvenosta-SAD dal 2008 Caratterizzazione in laboratorio • Il montaggio del disco freno contribuisce allo smorzamento dei modi propri della cartella • La soluzione Syope Braw contribuisce smorzamento dei modi propri della corona allo Campagna prove in Valvenosta Livelli di pressione sonora furono misurati a bordo dei carrelli motori lungo l’intera linea della Valvenosta Un carrello motore equipaggiato con ruote Syope Braw il secondo senza L’analisi dello spettro del livello di pressione sonora mediato lungo l’intera linea mostra la riduzione dei picchi di risonanza della ruota al di sopra dei 2 kHz. 80 70 Standard wheel Syope Braw Pressure level [dB(Pa)] 60 50 40 30 20 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Frequency [Hz] 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 Tali risonanze sono responsabili dello “squealing noise” e “flanging noise” e risultano maggiormente eccitate in curva. Veicoli urbani (Tram e Metropolitane) Lo “squealing noise” è un tipico problema dei tram quando percorrono curve strette La ruota elastica Cerchione Tassello elastico Anello Vite di fissaggio Centro ruota Shunt Gli absorber Galene sono stati ideati per smorzare le risonanze proprie del cerchione responsabili dello “squealing noise” che si può verificare durante il transito in curve strette Il rumore da rotolamento in rettilineo è invece notevolmente ridotto grazie alla presenza dei tasselli elastici Il prodotto Appendici di materiale composito (acciaio - polimero viscoelastico) fissate rigidamente al cerchione tramite viti. Limitato ingombro. Se correttamente dimensionati possono ridurre in modo evidente determinate frequenze di risonanza del cerchione. Sviluppo absorber Galene per tram Combino Misure acustiche in linea avevano rivelato una marcata risonanza a 2kHz Analisi numeriche e sperimentali sulla ruota avevano evidenziato alla medesima frequenza il 2° modo flessionale del cerchione + - - + + - Sviluppo absorber Galene per tram Combino Misure acustiche in linea avevano rivelato una marcata risonanza a 2kHz Analisi sperimentali sulla ruota avevano evidenziato alla medesima frequenza il 2° modo flessionale del cerchione L’ottimizzazione della forma geometrica dell’absorber ha permesso di ottenere un sufficiente smorzamento da eliminare quasi completamente la risonanze in esercizio Il dispositivo Hypno è specificamente ideato per ruote carro frenate a ceppi, E’ in grado di resistere sia alle temperature (500 °C) raggiunte durante la frenatura che di adattarsi alla dilatazione termica della corona di rotolamento (ha superato i test di frenatura previsti da UIC 510.5) Hypno non utilizza polimeri (che non resisterebbero alle alte temperature) ma ottiene lo smorzamento delle vibrazioni attraverso la generazione di energia d’attrito tra le membrane metalliche di cui è composto Gli absorber sono realizzati da lamine in acciaio Inox opportunamente assimeate tra loro e fissate in una gola nel sottocorona. Gli absorber permettono l’ispezione visiva in esercizio della cartella L’incidenza sul “Life cycle cost” del veicolo è limitato essendo gli absorber riutilizzabili al cambio ruote . Test acustici in linea Le prestazioni acustiche delle ruote Hypno sono state verificate durante una campagna prove dimostrando la possibilità nel caso di un carro cisterna di rispettare i limiti acustici delle TSI Applicatione su veicoli passegeri Applicazione della soluzione Hypno sul veicolo passeggeri sulla lina del Bernina - Rhatische Bahn Una soluzione anti-rumore per ogni applicazione Tipo di ruota Ruote monoblocco (calettate a freddo) Ruote monoblocco (disco freno montato in cartella) Ruote elastiche Ruote monoblocco (calettate a caldo) Ruote frenate a ceppi Tipo di veicolo Soluzione Veicoli passeggeri e alta velocità Syope Veicoli passeggeri e alta velocità Syope Braw Veicoli leggeri Galene (tram e metro) Veicoli passeggeri Carri merci Hypno Una soluzione anti-rumore per ogni applicazione Tipo di ruota Soluzione Ruote monoblocco (calettate a freddo) Ruote monoblocco (disco freno montato in cartella) Ruote elastiche Ruote monoblocco Syope •La geometria della ruota non necessita modifiche • Non necessita viti di fissaggio • Peso ridotto Syope Braw • La geometria della ruota non necessita modifiche • Non necessita viti di fissaggio • Peso ridotto • Efficiente contro il rumore in curva Galene (calettate a caldo) Ruote frenate a ceppi Caratteristiche Hypno • Riutilizzabile • Può essere installato su ruote già montate sotto il veicolo • Riutilizzabile • Può essere installato su ruote già montate sotto il veicolo • Resiste ad alte temperature di frenatura (500°C) Una soluzione anti-rumore per ogni applicazione Tipo di ruota Soluzione Riduzione del rumore Syope • Rumore in rettilineo: 4-6 dB • Rumore in curva “squealing”: ≈ 10dB (disco freno montato in cartella) Syope Braw • Rumore in rettilineo : 3-4 dB (dato dal montaggio del disco freno in cartella) • Rumore in curva “squealing”: ≈ 10dB Ruote elastiche Ruote monoblocco Galene • Rumore in rettilineo : 3-4 dB • Rumore in curva “squealing”: ≈ 10dB Hypno • Rumore in rettilineo : 3-4 dB • Rumore in curva “squealing”: ≈ 10dB Ruote monoblocco (calettate a freddo) Ruote monoblocco (calettate a caldo) Ruote frenate a ceppi Soluzioni per la riduzione dell’impatto acustico dei rotabili ferroviari Grazie per l’attenzione I T AL Y UNITED KINGDOM SWEDEN P O L AN D INDIA CHINA JV CHINA