Hvordan fremtidige tog kan være mindre støjende

Jernbanetransport er kernen i Europas planer om at blive CO2-neutral i 2050, men støjende tog repræsenterer en hindring, der skal overvindes.

"Vi har meget modstand fra folk (der bor) ved siden af ​​sporene, som er imod al konstruktion og opgradering af strækningerne," siger Rudiger Garburg, seniorkonsulent for støj- og vibrationsteknologi hos det tyske jernbaneselskab Deutsche Bahn AG. "Det er virkelig en flaskehals, når vi taler om at transformere transport og overføre trafik fra vej til jernbane."

Drivhusgasemissioner fra transport i Europa steg i 2018 og 2019, ifølge Det Europæiske Miljøagentur, og vejtransport var ansvarlig for næsten tre fjerdedele af disse emissioner. I sin strategi for bæredygtig og smart mobilitet sigter Europa-Kommissionen mod at flytte trafikken fra vej til jernbane og fordoble sin højhastighedstogtrafik for passagerer på tværs af Europa inden 2030 og fordoble jernbanegods i 2050.

For at få samfundsindflydelse er regeringer og jernbaneselskaber imidlertid nødt til at reducere jernbanestøj. "Støj er altid et problem i systemet, ikke kun toget," sagde Garburg, som er medlem af Shift2Rails FINE 1- og FINE 2-projekter for at reducere støj, vibrationer og energiforbrug. Et jernbanesystem omfatter togene, deres hjul, skinnerne og de spor, der understøtter dem.

For person- og godstog, der kører mellem 60 km og 200 km i timen, genereres støjen hovedsageligt mellem hjul og skinne. Det er dog meget svært at afgøre, hvilken del af systemet, der larmer.

FINE 1, som involverede partnere inden for jernbane, mobilitet og automatisering, var et bredt projekt for at dæmme op for overskydende støj og energi fra tog. Den søgte blandt andet at modellere og forudsige støjkilder. Disse oplysninger er afgørende for både regulatorer og for togproducenter.

Projektet var for eksempel i stand til at simulere støjen både i og uden for toget lavet af støbejernshjul sammenlignet med kompositmaterialehjul. "Tidligere brugte tog et støbejernsbremsesystem til hjulene," forklarede Garburg. Selvom det var godt til bremsning, blev jernet skåret over tid, hvilket gjorde hjulene meget ru - og støjende. "I de seneste år har vi arbejdet meget hårdt for at finde flere bremseklodser (lavet af) kompositmaterialer, ikke støbejern."

Grænse

I 2019 trådte Europas reviderede togstøjstandarder, en del af en større række af jernbanespecifikationer, i kraft. I modsætning til biler, hvor fabrikanter producerer tusindvis af køretøjer, producerer togproducenter kun et begrænset antal. "Du kan ikke bygge en prototype, teste den og arbejde på den," forklarede Garburg. "Hvis du bygger et nyt tog, skal du garantere, at dit tog overholder denne grænse for støj, svarende til luftforurening og så videre."

Som en del af FINE 1 udviklede projektmedlemmer verificerbare, realistiske krav til karakterisering af støjkilder. Disse specifikationer er vigtige for at skabe standarder, som producenterne kan følge, og i sidste ende gøre togene mere støjsvage. Dens efterfølger, FINE 2, planlægger at tage denne forskning endnu længere og finjustere sine støjkildeforudsigelsesmodeller.

"I FINE 2 har vi specielle måleprocedurer," sagde Garburg. Holdet bruger et akustisk kamera, en række af 30 til 40 mikrofoner, til at fange lyden af ​​jernbanesystemet. Han sammenligner det med et termisk kamera, hvor man ser gule, røde og grønne dele af en bygning for at skabe et varmekort. "Vi vil bruge sådanne procedurer for støjen for at få billeder, der tydeligt viser dig, hvor de vigtigste støjkilder er," sagde han.

Bedre modeller kunne også gøre det muligt for togproducenter eventuelt at opnå virtuel certificering af deres tog for at vise, at de overholder EU-standarderne. Alle tog skal certificeres af regulerende myndigheder, før de tillades på banen, men denne proces kan være dyr og tidskrævende.

I Shift2Rails partnerprojekt TRANSIT er virtuel certificering "drømmen i horisonten", siger Ines Lopez Arteaga, professor i maskinteknik ved Eindhoven University of Technology i Holland. "Det ville spare mange penge og tid og ressourcer at kunne gøre det ud fra beregninger."

Men der er mange forskningsmilepæle at nå først, sagde prof. Lopez Arteaga, som er TRANSIT-projektleder. Vi har værktøjer til at forudsige, hvor togstøjen stammer fra, men de kunne forbedres, siger hun.

Certificeret

I øjeblikket siger hun, at det er muligt at måle den samlede støj, et tog laver på skinnerne, men estimeringen af ​​de separate komponenter skal være mere nøjagtige. Med disse oplysninger ville det være muligt ikke kun at gøre togene mere støjsvage, men gøre det nemmere at få nye tog certificeret.

Men tog skal også testes på en bestemt type spor - en hvis glathed ikke ville hæmme eller give alt for positive støjmålinger. Hun sammenligner tog på banen med et barn, der leger med kugler. "Hvis du ruller en kugle på et bord, larmer den. Med tog er det hjulene på banen. Du får en anden støj afhængigt af bordets ruhed, hvis det for eksempel er rustfrit stål eller træ," sagde hun. .

"Det er ikke let at finde det rigtige spor," forklarede prof. Lopez Arteaga. "Man ville forvente, at det med så mange tusinde kilometer jernbane i Europa, at det ikke burde være sådan et problem, men det er det."

Et af projektets mål er at oversætte støjmålingerne fra et spor til et andet. "Det ville være en rigtig stor fordel," sagde hun. "Det ville reducere begrænsningerne på den type bane, du kan teste på."

Støj

Der er også andre komponenter, bortset fra hjulene og skinnerne, der tilføjer den støj, et tog laver, når det passerer.

For eksempel havde ældre tog deres klimaanlæg under vognen, men moderne tog er blevet sænket for at gøre det lettere for personer med mindre mobilitet at komme ind og ud af vognen. Som et resultat er klimaanlæg nu oven på vognen, hvor de øger togstøjen.

"De modeller, vi udvikler med hjælp fra producenter, sigter mod at stille bedre krav til deres udstyr," sagde prof. Lopez Arteaga.

Det aspekt af projektet, som hun er særligt begejstret for, er modellering, er identifikation af støjkilder på højhastighedstog. "De vil have os til at identificere støjen, men også den retning, den går. Det er virkelig, virkelig en udfordring."

Når TRANSIT-teamet har sine resultater, vil det dele dem med FINE 2 for at evaluere for at verificere deres resultater, siger prof. Lopez Arteaga.

Alt dette er 'små skridt' på vejen til at karakterisere hele jernbanesystemets adfærd, siger hun. "Jeg elsker tog; de er et virkelig interessant system. Hele jernbanen - netværket, systemet, togene - er så komplekst, at der er meget mere, end man kan se."