CC BY
71
УДК 628.51 7.2:656.2
Т. С. Титова, Н. И. Иванов, А. Е. Шашурин, Ю. С. Бойко
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ШУМА ОТ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОЕЗДОВ
Дата поступления: 10.07.2017 Решение о публикации: 17.07.2017
Аннотация
Цель: Представлены сведения о разработанной авторами нормативной документации в области высокоскоростного движения. Методы: Описаны формулы для расчета шумовых характеристик поездов на высоте 3,5 м, а также отдельных источников шума поезда (пантографа, корпуса и носовой части поезда, ходовой части поезда). Рассмотрены основные методы и средства снижения шума от высокоскоростных железнодорожных магистралей. Результаты: Разработанная авторами нормативно-техническая документация является первыми и единственными действующими в настоящее время в России стандартами, регламентирующими методы расчета шума от высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ). Практическая значимость: Выведенные формулы позволяют выполнять прогнозную оценку уровней шума от высокоскоростных железных дорог, в том числе первой в России ВСМ «Москва-Казань».
Ключевые слова: Шум, расчет, высокоскоростной поезд, методы снижения.
Tamila S. Tytova, D. Eng. Sci., professor, head of a chair, vice-principal (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); Nikolay I. Ivanov, D. Eng. Sci., professor, head of a chair, [email protected]; *Aleksander Y. Shashurin, Cand. Eng. Sci., associate professor, 7596890@ mail.ru; Iulia S. Boiko, Cand. Eng. Sci., [email protected] (D. F. Ustinov Baltic State Technical University "VOYENMEKH") FORECASTING HIGH-SPEED TRAINS' NOISE LEVELS
Summary
Objective: The data on normative documentation in the sphere of high-speed running, developed by the authors, was presented in the article. Methods: Calculation formulas of noise characteristics of trains at 3,5 m height, as well as certain sources of train noise (current collector, frame and forebody of a train). The main methods and means of high-speed rail lines' noise reduction. Results: The normative and technical documentation developed by the authors of the article is the first and unique operating standard in Russia, regulating VSM noise calculation methods. Practical importance: The derived formulas make it possible to perform predictive estimate of high-speed rail lines' noise levels, including the first Russian VSM "Moscow-Kazan".
Keywords: Noise, calculation, high-speed train, methods of noise reduction.
Нормативная база
До 2014 г. в России не было документов, регламентирующих метод расчета шумовых характеристик высокоскоростных поездов (со скоростью движения более 250 км/ч).
В ГОСТе 33325-2015 «Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом» [1], установлены методы расчета шума для четырех категорий поездов: пассажирский, грузовой, электропоезд, высокоскоростной (с максимальной скоростью 250 км/ч).
В связи с отсутствием нормативной базы с целью проектирования первой в России высокоскоростной железнодорожной магистрали (ВСМ) «Москва-Казань-Екатеринбург» в 2014 г. впервые были разработаны Специальные технические условия «Шумозащитные мероприятия для участка Москва-Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали "Москва-Казань-Екатеринбург"». Технические нормы и требования к проектированию и строительству» (СТУ) [2] и согласованы Министерством строительства жилищно-коммунального хозяйства РФ. В 2016 г. СТУ были актуализованы [3].
Параллельно на основании созданных СТУ разрабатывался Свод правил «Защита от шума для высокоскоростных железнодорожных линий. Правила проектирования и строительства» (СП) [4], который в конце 2017 г. должен быть введен в действие.
Расчет шумовых характеристик высокоскоростных поездов
В представленных авторами документах расчет шумовых характеристик высокоскоростных поездов (ВСП) осуществляется исходя из шумовых характеристик отдельных источников шума: ходовой части поезда, излучающей шум качения, корпуса, пантографа и носовой части поезда, излучающих аэродинамический шум. Такой подход рассмотрен в ряде зарубежных работ, а также в рекомендациях по расчету шума и вибрации от ВСП, разработанных Департаментом по транспорту США [5]. В России этот подход реализуется впервые.
Шумовыми характеристиками ВСП являются эквивалентный и максимальный уровни звука на высоте 3,5 м над уровнем головки рельса и на расстоянии 25 м от оси ближнего магистрального железнодорожного пути. Формулы для их расчета получены методом линейной регрессии. В качестве экспериментальной базы данных выступали сведения по уровням звука при прохождении 256 высокоскоростных поездов средней длины 200 м со скоростью движения 250-400 км/ч.
Согласно методике, представленной в СП [4] и СТУ [3], эквивалентный уровень звука определяется следующим образом:
L
train
AeqTp 25, j
, = 54,6 lg V/ - 10lg
arctg
V 25 yj
- 10lg
f T ^
__eLl
V Tp 200 y
- 42,8,
(1)
максимальный уровень звука - по формуле
L
train
A max Tp 25, j
j = 62 lgVj - 10lg
arctg
V 25 yj
- 60,6,
(2)
где V. - скорость движенияу'-го высокоскоростного поезда, км/ч, V. е [250;400]; I - длинау'-го высокоскоростного поезда, м; Тр1 - время прохождения у'-го высокоскоростного поезда, с, длиной I со скоростью V. мимо точки наблюдения; Тр200 - время прохождения эталонного высокоскоростного поезда, с, длиной 200 м со скоростью V. мимо точки наблюдения.
Исходя из шумовых характеристик ВСП, можно получить шумовые характеристики отдельных источников шума. Например, максимальные уровни звука пантографа, корпуса и носовой части, ходовой части для скорости движения поезда 250-320 км/ч рассчитываются по формулам [3-6]: шум пантографа:
ipan _ 10lg^maxTp25, j-0,018
A max Tp 25,j_1U
(3)
шум корпуса и носовой части поезда:
ibody _ 10lg LAmaxTp 25, j -0,022
A max Tp 25, j_1U
(4)
шум качения:
iw/S _ 10lgIAmaxTp25, j-0,017 (5)
A max Tn 25, , ~ ■ V~V
Учет конструкционных особенностей поезда выполняется через ряд поправок. Расчетными для получения максимальных уровней звука являются следующие формулы: шум пантографа:
т pan train _ т pan check ту- pan
LA max Tp 25, j ~ LA max Tp 25, j~K , (6)
шум корпуса и носовой части поезда:
jbody train _ jbody check ту-nose ту-space ту-equip (H\
LA max Tp 25, j ~ LA max Tp 25, j~K , (/)
шум качения:
jwls train _ jwls check 1y-wls jy-space ту-layer /q\
LAmaxTp25, j = LAmaxTp25, j +K - K - K , (8)
T pan check rbodv check rwls check В шторьк LA max Tp 25, j , LArnaxTp25, j , LwmaxTpk5, j - максимальные уроВни зBука,
дБА, каждого отдельного источника шума j-го высокоскоростного поезда; Kpan - коррекция, учитывающая тип пантографа, дБА; Knose - коррекция, учитывающая форму носовой части поезда, дБА; Kspace - коррекция, учитывающая тип межвагонного и подвагонного пространств, дБА; Kw/s - коррекция, учитывающая конструкцию верхнего строения пути, дБА; Kequip - коррекция, учитывающая конструкцию и расположение вспомогательного оборудования (вентиляционных установок и др.), дБА; Klayer - коррекция, учитывающая наличие шумопоглощающей облицовки на фальшбортах и дне поезда, дБА.
Значения коррекций представлены в редакциях СП [4] и СТУ [3].
Расчет шума на примагистральной территории и проектирование шумозащитных мероприятий
Для обеспечения безопасных условий проживания людей на примагистральной селитебной территории необходимо выполнить расчет по прогнозированию уровней звука. По его результатам определяется требуемое снижение, исходя из которого принимаются решения о проведении шумозащитных мероприятий.
Средства и методы защиты от шума могут быть разделены на следующие основные группы [7-10]:
- в источнике образования шума: в данную группу входят шлифование рельсов, вибродемпфирующие накладки на шейку рельса, нанесение на шейку рельса, тележку и колеса виброшумопоглощающей мастики и др;
- на пути распространения от источника шума до объекта защиты: в эту категорию можно включить использование звукопоглощающих элементов в межрельсовом пространстве, шумозащитные экраны и экранирующие сооружения, зеленые насаждения, градостроительные методы;
- в объекте защиты: к ним относятся конструктивно-строительные методы, обеспечивающие повышение звукоизоляции наружных конструкций зданий.
Заключение
Разработанная нормативно-техническая документация позволяет выполнять расчеты по формулам (1)-(8) по прогнозированию уровней внешнего
шума от высокоскоростных поездов, а также осуществлять проектирование шумозащитных мероприятий, в том числе шумозащитных экранов.
Библиографический список
1. ГОСТ 33325-2015. Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом. - М., 2015.
2. Специальные технические условия «Шумозащитные мероприятия для участка Москва-Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали "Москва-Казань-Екатеринбург". Технические нормы и требования к проектированию и строительству» (утв. Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации). - СПб. : ПГУПС, 2014. - 70 с.
3. Специальные технические условия «Шумозащитные мероприятия для участка Москва-Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали "Москва-Казань-Екатеринбург". Технические нормы и требования к проектированию и строительству» (утв. Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации). - СПб. : ПГУПС, 2016. - 127 с.
4. СП ХХХ.1325800.2016 «Защита от шума для высокоскоростных железнодорожных линий. Правила проектирования и строительства (проект)». - СПб. : ООО «Ин-т акуст. конструкций», 2016. - 130 с.
5. DOT/FRA/ORD-12/15 «High-Speed Ground Transportation Noise and Vibration Impact Assessment». - Washington, DC 20590 : U. S. Department of Transportation. Federal Railroad Administration. - September 2012.
6. Бойко Ю. С. Проведение расчетов шума высокоскоростных поездов / Ю. С. Бойко // Междунар. науч.-исслед. журн. - 2016. - № 9 (51). - Ч. 2. Физико-математические науки. - Сентябрь. - С. 118-120.
7. Иванов Н. И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом : учебник / Н. И. Иванов. - 3-е изд. перераб. и доп. - М. : Логос, 2013. - 432 с. (Новая университетская библиотека).
8. Бойко Ю. С. Новейшие технологии шумо- и виброзащиты при проектировании высокоскоростной магистрали «Москва-Казань» / Ю. С. Бойко, Н. И. Иванов, А. Е. Ша-шурин // Путь и путевое хозяйство. - М. : Изд-во ОАО «Российские железные дороги», 2016. - № 10. - С. 25-26.
9. Бойко Ю. С. Комплексные требования к проектированию шумозащитных мероприятий для высокоскоростных железнодорожных магистралей / Ю. С. Бойко, Т. С. Титова, Н. И. Иванов, А. Е. Шашурин // Техносферная и экологическая безопасность на транспорте (ТЭБТРАНС-2014) : материалы IV Междунар. науч.-практич. конференции, Санкт-Петербург, 22-24 октября 2014 г. - СПб. : ПГУПС, 2014. - С. 197-201.
10. Бойко Ю. С. Технические решения по снижению шума от высокоскоростных железнодорожных магистралей / Ю. С. Бойко, Т. С. Титова, А. Е. Шашурин // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 2 (57). - С. 30-35.
References
1. GOST33325-2015. Shum. Metody rascheta urovney vneshnego shuma, izluchayemogo zheleznodorozhnym transportom [State standard 33325-2015. Noise. Calculation methods of ambient noise levels, emitted by railway transport]. Moscow, 2015. (In Russian)
2. Spetsialniye tekhnicheskiye usloviya "Shumozashytniye meropriyatiya dlya uchastka Moskva-Kazan vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magystraly "Moskva-Kazan-Yekaterinburg". Tekhnicheskiye normy i trebovaniya kproyektyrovaniyu istroitelstvu" (utv. Ministerstvom stroitelstva i zhylyshno-kommunalnogo khozyaistva Rossiyskoy Federatsii) [Special technical regulations "Anti-noise measures at Moscow-Kazan district of "Moscow-Kazan-Yekaterinburg" high-speed railroad. Technical norms and regulations on planning and building" (approved by the Ministry of construction, housing and utilities of the Russian Federation)]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, 70 p. (In Russian)
3. Spetsialniye tekhnicheskiye usloviya "Shumozashytniye meropriyatiya dlya uchastka Moskva-Kazan vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magystraly "Moskva-Kazan-Yekaterinburg". Tekhnicheskiye normy i trebovaniya kproyektyrovaniyu istroitelstvu" (utv. Ministerstvom stroitelstva i zhylyshno-kommunalnogo khozyaistva Rossiyskoy Federatsii) [Special technical regulations "Anti-noise measures at Moscow-Kazan district of "Moscow-Kazan-Yekaterinburg" high-speed railroad. Technical norms and regulations on planning and building" (approved by the Ministry of construction, housing and utilities of the Russian Federation)]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2016, 127 p. (In Russian)
4. SP XXX.1325800.2016. "Zashita ot shuma dlya vysokoskorostnykh zheleznodorozh-nykh liniy. Pravylaproyektyrovaniya i stroitelstva (proyekt)" [Regulations XXX.1325800.2016 "Noise protection for high-speed railway lines. The rules ofplanning and building (project)"]. Saint Petersburg, LLC "Institute of acoustic structures" Publ., 2016, 130 p. (In Russian)
5. DOT/FRA/ORD-12/15 "High-Speed Ground Transportation Noise and Vibration Impact Assessment". Washington, DC 20590, U. S. Department of Transportation. Federal Railroad Administration, September 2012.
6. Boyko Y. S. Provedeniye raschetov shuma vysokoskorostnykh poyezdov [High-speed trains' noise calculation performance]. Mezhdunarodniy nauchno-issledovatelskiy zhurnal. Physiko-matematycheskiye nauky [International scientific journal. Physico-mathematical sciences], September 2016, Pt 2, no. 9 (51), pp. 118-120. (In Russian)
7. Ivanov N. I. Inzhenernaya akustyka. Teoriya ipraktyka borby s shumom [Engineering acoustics. Theory and practice of noise abatement]. 3d edition updated and revised. Moscow, Logos Publ., 2013, 432 p. (In Russian)
8. Boyko Y. S., Ivanov N. I. & Shashuryn A. Y. Noveyshiye tekhnologii shumo- i vybro-zashyty pry proyektyrovanii vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magystraly "Moskva-Kazan" [Advanced technologies of noise and vibration protection when constructing high-speed mainline "Moscow-Kazan"]. Track and track facilities, 2016, no. 10, pp. 25-26. (In Russian)
9. Boyko Y. S., Tytova T. S., Ivanov N. I. & Shashuryn A. Y. Kompleksniye trebovaniya k proyektyrovaniyu shumozashytnykh meropriyatiy dlya vysokoskorostnykh zheleznodoro-zhnykh magystraley. Tekhnosfernaya i ekologicheskaya bezopasnost na transporte (TEBT-RANS-2014) [Complex requirements to development of high-speed railway lines' noise-protective measures. Technosphere and environmental safety on transport (TEBTRANS-2014)]. Materialy IV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Proceedings of the
4th International research and training conference], Saint Petersburg, October, 22-24th 2014. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, pp. 197-201. (In Russian)
10. Boyko Y. S., Tytova T. S. & Shashuryn A. Y. Tekhnicheskiye resheniya po snyzheniyu shuma ot vysokoskorostnykh zheleznodorozhnykh magystraley [Engineering solutions on highspeed railway lines' noise reduction]. Transport of the Russian Federation, 2015, no. 2 (57), pp. 30-35. (In Russian)
ТИТОВА Тамила Семеновна - доктор техн. наук, профессор, заведующая кафедрой, проректор (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); ИВАНОВ Николай Игоревич - доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected]; *ШАШУРИН Александр Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; БОЙКО Юлия Сергеевна - канд. техн. наук, [email protected] (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова).
© Титова Т. С., Иванов Н. И., Шашурин А. Е., Бойко Ю. С., 2017
