A keresztaljalátétek vagy aljpapucsok (Under Sleeper Pads – USP) gazdaságos megoldást nyújtanak a vasúti forgalom által keltett zavaró rezgések csökkentésére. Ezt a rugalmas rétegtípust használva a vágányok nemcsak egyenletesebben fekszenek, illetőleg a keresztaljak alatti hézagok is elkerülhetők, de a szerkezetben terjedő kellemetlen zajok is mérsékelhetők. Az alábbi cikk ennek a megoldásnak a hatékonyságát, illetve korlátait mutatja be részletesen.
1. A vasúti forgalomból adódó rezgések
A mozgó vonat a kerék-sín kapcsolat által mechanikai rezgéseket kelt. Ez a rezgés (emisszió) átadódik az altalajnak (transzmisszió), és gyakran zavaró hatásként érződik a vevőnél (immisszió). A lakók életminőségét ez jelentős mértékben negatívan befolyásolhatja, különösen akkor, ha a rezgések a lakott helyiségekben a rezonancia miatt felerősödnek, vagy ha a szerkezetben a rezgések magasabb frekvenciájú összetevőiből zajok keletkeznek. A szerkezetben terjedő kibocsátott zaj, amely másodlagos levegőben terjedő zajként is ismert, az épületeken belül többnyire tompa dübörgésként hallható. Ezt a zajt elnyomhatja a kívül keletkező, nyitott pályaszakaszokról érkező elsődleges levegőben terjedő zaj. Az átviteli utakat az 1. ábra mutatja.
1. ábra Rezgések átvitele a vasútvonalak környezetében
A zajok és rezgések mobilitásunk népszerűtlen zavaró mellékhatásai. Éppen ezért az életminőség fenntartása és javítása érdekében meg kell tenni a megfelelő intézkedéseket, különösen a gyorsan növekvő népességű városközpontokban. Jól ismert, hogy a zavaró rezgések csökkentésének leghatékonyabb módja, ha közvetlenül azok kibocsátási forrására koncentrálunk.
2. Felépítményi minőség mint kibocsátási paraméter
A vasúti felépítmény minőségének komoly hatása van a rezgések keletkezésére. Minél homogénebb a felépítmény, annál kisebb a teljesítmény- és paramétergerjesztés a vonat áthaladásakor. A vágány „úszik” a szokásos ágyazatos felépítményben. Az ismételt statikus és dinamikus terhelések idővel a vágánygeometria változásához vezetnek. A vágánygeometriában keletkező, ideális állapottól való eltérések a kerekek addicionális gyorsulását okozzák. Az így keletkező tömegerők tovább módosítják az ágyazat minőségét. A keresztaljak alatti hézagok és a sínfelület kopása – idővel mindkettő megjelenik – fokozzák azt a folyamatot, amelynek eredményeként létrejönnek. A rendszer egyre jobban leng, ezáltal növekszik az emisszió. Ilyenkor aláveréssel és beszabályozással a felépítményt vissza kell állítani az eredeti helyzetébe. Ennek a romlásnak az időbeli előrehaladása nagyban függ a felépítmény eredeti minőségétől [1]. Így új vágányok építésekor elsődleges célként kell biztosítani a szükséges feltételek megteremtését egy olyan felépítményhez, amely jellegénél fogva a lehető legstabilabb. Ebben az összefüggésben az egyenletesség és a rugalmasság fontos kiindulási pontok egy magas minőségű rendszer megteremtéséhez. Az elasztikus elemek megfelelő elhelyezésével a felépítmény közelebb hozható ennek a célnak az eléréséhez. Éppen ezért az USP használata megfelelő választás lehet.
3. A vágányágy-geometria javítása keresztaljalátétekkel
Az utóbbi években az európai vasúti társaságok körében az USP használatát számos tényező motiválta. A legfőbb cél a vágányágy-geometria javítása és az ágyazat hosszú távú védelme. Ha a betonaljak alatt rugalmas anyagot helyeznek el, akkor ez megakadályozza, hogy az ágyazat felé kemény legyen a csatlakozófelület. Az ágyazat legfelső rétege be tud ágyazódni a csillapító anyagba, megnövelve ezáltal az érintkezési felületet (2-8%-ról USP nélkül, 30-35%-ra USP-vel), és ezzel megelőzhetők a túlzott érintkezési erők. A nagyobb ágyazati felület és az egyenletes beágyazódás a vágányágy megnövekedett stabilitásához, kisebb vágánysüllyedéshez és a vágánykomponensek kisebb igénybevételéhez vezet. Az USP-vel ezek a pozitív hatások elméletileg és a gyakorlatban is igazolhatók: laboratóriumi vizsgálatok és vágánymérések mutatják, hogy az aljpapuccsal ellátott keresztaljak oldalstabilitása konzisztensen nagyobb, mint a hagyományos vasbetonaljaké. Kevésbé merev elasztikus USP-vel az oldalellenállás további növekedése volt mérhető, annak eredményeképpen, hogy a kemény USP-vel összehasonlítva az előbbi esetben az ágyazati szemcsék mélyebben ágyazódnak be [2].
2. ábra Hézag kialakulása az aljpapucs nélküli betonaljak alatt. Ezek a hézagok elkerülhetők a keresztaljalátétekkel (USP) a betonaljak konzisztensebb behajlása miatt
Az ágyazatos felépítményekben a hézag kialakulása szinte teljesen kiküszöbölhető, és különösen ez a tény mutatja, hogy a vasbeton aljaknak szignifikánsan jobb a helyzeti viselkedésük. Például, míg az Osztrák Szövetségi Vasútnál 10-ből 7 aljpapucs nélküli vasbeton alj esetében idővel meglehetősen nagy hézagok keletkeztek a betonaljak alsó felülete és az ágyazat között, addig a felmért vonalszakasz USP-vel ellátott részén nem volt észlelhető hézag képződése [3] (lásd még 2. ábra).
A vágányágy-geometria eltérése szignifikánsan kisebb az aljpapucsos szakaszokon, mint az aljpapucs nélkülieken. Ezek a tulajdonságok vezettek az USP alkalmazásához, szignifikáns javulást hozva a hagyományos ágyazatos felépítményben. Nem utolsósorban ezért lett a keresztalj-aljpapucsozás az Osztrák Szövetségi Vasút hálózatában a szabványos építési mód. Jelenleg a fővonali hálózatban az USP-vel ellátott vasbeton aljakat használják szabványként az új építésű normál pályák és váltók esetében.
4. Sylomer® és Sylodyn® a rezgésszigeteléshez
Az USP által tartósan kiváló ágyazati tulajdonsággal rendelkező vágány kisebb zajt és rezgést bocsát ki annak köszönhetően, hogy a vonatok simábban futnak. Az erősen rugalmas anyagok használata a környezetbe kisugárzott emissziót a rezgésszigetelés fizikai elvének alkalmazásával jelentősen csökkenti. A pálya felépítménybe épített rugalmas komponens hatékonysága függ a tömeg „m”, a rugómerevség „c” és a lengéscsillapítás „D” befolyásoló változóktól. Az egy vagy több szabadságfokú rendszerek működési elve alapján egy rezgő rendszer képeződik, amelynek saját frekvenciája ideális esetben jóval alacsonyabb, mint a szigetelendő gerjesztési frekvencia. A Sylomer® és Sylodyn® alapvető elasztikus komponensnek bizonyult az emiszsziók csökkentésében (3. ábra).
3. ábra Alul Sylomer® USP-vel ellátott vasbeton aljak telepítése
A követelmények függvényében az USP szállítható erősebben vagy gyengébben hangsúlyozott csillapító komponenssel, különösen azért, hogy elkerüljük a kiemelkedően erős csúcsokat (rezonancia) a saját frekvencia környezetében. Olyan dinamikus merevséggel, amit pontosan be lehet állítani az adott alkalmazáshoz, az USP teljes kapacitása kihasználható a vágányrezgések elszigetelésében. Főszabályként megállapítható, hogy minél nagyobb a választott poliuretán (PU) anyag dinamikus hatékonysága, annál nagyobb a rezgésszigetelési teljesítmény.
5. Mért beiktatási csillapítás
Az elasztikus elemek rezgéscsökkentési módját az ún. beiktatási csillapítással lehet számszerűsíteni a [4] szabvány értelmében. A beiktatási csillapítás megadja a relatív csökkentő hatást a referencia helyzettel összehasonlítva. Ez mutatja például, hogy USP használata esetén hogyan változik a szerkezetben keletkezett zaj 1/3 oktáv-sávos spektruma. Ideális esetben itt az összes többi emissziós hatás állandó marad, vagyis azonos járművet, azonos sebességet, azonos sínmerevséget stb. feltételezünk. Mivel az elasztikus elem a vasúti rendszer egészét befolyásolja, ezért a frekvenciafüggő beiktatási csillapítás változhat az egyéb felépítményi tulajdonságokkal, az egyéb altalajjellemzőkkel vagy egyéb járműszerelvényekkel. A 4. ábra mutatja a mért beiktatási csillapítás görbéket különböző vasútvonalakon és különböző poliuretán anyagból készült USP esetén.
4. ábra Mért beiktatási csillapítás különböző keresztaljalátétekkel
Amint az a mért beiktatási csillapítás görbékből látható, az USP-vel ellátott felépítmény saját frekvenciája általában 30-40 Hz között van. A kibocsátott szerkezetben terjedő zaj szempontjából releváns tartományban, 50 Hz felett (a másodlagos levegőben terjedő zaj jelenti a döntési kritériumot ez esetben) a szigetelési hatékonyság kb. 4-14 dB (63 Hz) között van valamennyi USP típusnál. Normál rugalmasságú USP-vel 4-7 dB érhető el. Ezzel összehasonlítva, vannak olyan nagy rugalmasságú USP-k, amelyeket különösen a szerkezetben terjedő zajok szigetelésével kapcsolatban érdemes figyelembe venni. Ezek példaszerűen demonstrálják a technológia potenciálját: egy ilyen módon akusztikailag optimalizált ágyazatos felépítményben maximum 11-14 dB rezgéscsillapítási hatékonyság érhető el (63 Hz)! Az USP ezen típusainak a teljesítményét mérések bizonyítják, amelyek jelentősen meghaladták a várakozásokat. A könnyebb érthetőség kedvéért: 10 dB megfelel a szigetelési ráta (csillapítás) 69%-os értékének. Az 50 Hz alatti frekvenciákon alig van néhol erősítés (-1-től -3 dB-ig), míg 25 Hz alatt további 2-8 dB csillapítás mutatható ki. Ezt valószínűleg a keresztaljak ágyazatba történő jobb beágyazódása okozza (teljes beágyazódás, nincs keresztalj alatti hézagképződés).
100-160 Hz frekvenciánál keletkezik egy csökkentett hatékonyságú tartomány, amelyet a rezgésszigetelési elmélet alapján várunk (puha sínalátétek hatása). Ugyanakkor ez szinte mindig pozitív hatású (csillapítás) marad, a fenyegető erősítési hatás nélkül. A beiktatási csillapításról tett fenti megállapítások elegendőek kell, hogy legyenek annak igazolására, hogy az USP alapvetően alkalmas a rezgések és a másodlagos levegőben terjedő zajok csökkentésére. Ugyanakkor a megfelelő rendszer kiválasztása létfontosságú. Ez igaz az USP nyílt vonalon és alagútban történő alkalmazására is (5. ábra).
5. ábra Keresztaljalátétek egy alagút ágyazatos felépítményében
6. Opciók a rezgéscsökkentési teljesítmény becslésére
A vágánymérések fenti megállapításai (4. ábra) azt mutatják, hogy az USP hatása frekvenciafüggő. Az impedancia modell egy viszonylag egyszerű módszer az ilyen rezgéscsökkentési teljesítmény matematikai becslésére [4, 5, 6]. Ezt a modellt eredetileg az ágyazatszőnyegekhez tervezték, de elvileg az USP bevonásával is használható a számításokhoz. A beiktatási csillapítás azt is kifejezi, hogy miként aránylik a rezgési amplitúdó a földben elasztikus komponensek nélkül, az elasztikus komponensek telepítésével fellépő amplitúdókhoz képest. Az elasztikus anyag rugó impedanciáján túl az altalaj lezáró impedanciáját is figyelembe veszik. Egy puhább altalajjal a >125 Hz tartományban ez tipikusan egy ereszkedő görbét okoz csökkenő hatással az 1/3 oktávos spektrumban (lásd 6. ábra: Impedancia modell – baloldali diagram).
6. ábra Modell megközelítések a keresztaljalátétek beiktatási csillapításának becsléséhez
A meglévő puha sínalátétek miatt fellépő lehetséges csillapítóhatás-csökkenés a 100–160 Hz tartományban nem látható. Hasonlóan, a mérésekben gyakran megjelenő, az USP-k által feljavított vágányágy által okozott javulás a <25 Hz tartományban nem látható.
Ahhoz, hogy a vágányban mért viselkedést egy becslési modell segítségével jobban ki lehessen fejezni, egy lehetséges megoldás lehet a „fél-empirikus” megközelítés használata. Egy részben empirikus értékeken alapuló modell, több tartományt használva, pontosabban tudja leírni a valóságot (lásd 6. ábra „Fél-empirikus” megközelítés, jobb oldali diagram 1. tartomány: eltolódás a feljavított vágányalj minőség miatt; 2. tartomány: Analitikus modell, figyelembe véve a rugalmas sínalátétek csillapító hatását, amennyiben vannak; 3. tartomány: Opcionális ereszkedő görbe, figyelembe véve pl. az altalaj által okozott csökkentő hatást). Meg kell jegyezni, hogy egy ilyen empirikus megközelítés alkalmazása bizonyos körülmények között több helyszíni mérést igényelhet annak érdekében, hogy a jövőben további pontos megállapításokat lehessen tenni az USP alkalmazási módjairól rezgéscsökkentési szempontból. Ezt itt csupán gondolatébresztőnek szánjuk, azonban nagyon valószínű, hogy az USP-vel kapcsolatos becslések pontossága az empirikus adatok felhasználásával javítható.
7. Az elsődleges levegőben terjedő zajra gyakorolt hatás
Amint a mérések kimutatták, az USP telepítésének a felépítményből kibocsátott elsődleges levegőben terjedő zajra nincs jelentős hatása. Azonban közvetlenül a telepítés után, az 50–100 Hz tartományban egy rövid idejű, maximum +5 dB mértékű növekedésre kell számítani. Ezt kiegyenlíti az elsődleges levegőben terjedő zaj 5 dB-es csökkenése a magasabb frekvenciájú tartományokban, 100 Hz fölött [7]. Ebben az összehasonlításban általában egy új, USP nélküli pályát használnak referenciaként. Mindig szem előtt kell tartani, hogy a vágányágy sokkal gyorsabban romlik le egy USP nélküli vágányban, míg helyi egyedi hibák (pl. keresztalj alatti hézagok) és/vagy sínfelületi hibák (pl. sínfelület-kagylósodás a szűk ívek belső sínszálán) szintén megjelennek. Az ilyen vágányminőség-romlások a levegőben terjedő zajok erőteljes növekedését okozhatják. Például a rövid periódusú sínkagylósodásos felületű sínek több mint 15 dB zajszintemelkedést okozhatnak, ha vonat halad át rajtuk. Az USP-vel felszerelt vágányok igazolták a javított hosszú távú minőséget. Ennek megfelelően a rövid távú közvetlen hatás az elsődleges levegőben terjedő zajra elhanyagolhatónak tűnik. Mindazonáltal ebben a témában még további méréseket kell végezni.
8. Műszakilag tökéletesített aljpapucsok
Napjainkban a főképp a vágányágy geometriájának javítására és az ágyazatromlás megelőzésére használt USP-k egy ellenálló, ún. viszkoplasztikus (képlékeny) tulajdonságú anyagból készülnek, amely lehetővé teszi az ágyazatszemek tökéletes beágyazódását. Másrészről a rezgésszigetelésre használt USP egy puhább, dinamikusan nagyon rugalmas anyagot igényel alacsony lengéscsillapítási tulajdonságokkal. A cikkben szereplő magyarázatok rámutatnak, hogy a hatékony rezgésvédelemhez mindkét megközelítés szükséges. Éppen ezért a zavaró rezgések megjelenésének csökkentésére különböző anyagok kombinációja használható egy stabil és biztonságos vágányágy-geometria segítségével, míg a rezgésszigetelés fizikai elvének alkalmazásával a rezgések kibocsátását szintén csökkentik. A 7. ábra egy szendvics elrendezésű USP-t mutat több funkcionális réteggel.
7. ábra Keresztaljalátét összetett funkcionális rétegekkel
A puha és akusztikailag nagyon hatásos, Sylodyn®-ból készült elasztikus réteg védelmet nyújtva ágyazódik be egy érintkező médium („mechanikai tapadó” háló) – a betonalj irányában –, valamint egy viszkoplasztikus réteg – az ágyazat irányában – közé. A funkciók ilyen jellegű szétválasztása több szempontból is előnyös, valamint biztosítja az összetett követelményeknek való megfelelést.
Összegzés
A közlekedő vonatok mechanikai rezgéseket keltenek, amelyek a talajon át szerkezetben terjedő zajként vagy levegőben terjedő zajként sugárzódnak ki. A jelenlegi ismeretek szerint a Sylomer® vagy Sylodyn® anyagból készült USP felhasználható a szerkezetben terjedő zajok szempontjából releváns frekvenciatartományban a rezgések több mint 10 dB-es csökkentésére. Az elsődleges levegőben terjedő zajokra szignifikáns hatásuk nem kimutatható. Tehát ha rezgéscsökkentésről van szó, a műszakilag optimalizált USP gazdaságos javítást jelent a hagyományos vágányfelépítményben. Az USP-hez felhasznált anyag megválasztása döntő fontosságú. Az eddigi megállapítások alapján még nem lehetséges az általánosítás, ebben a témában további kutatás szükséges.
Felhasznált irodalom
[1] Veit, P.; Marschnig, S.: Towards a more sustainable track. Railway Gazette International, January 2011, p. 42-44
[2] Iliev, D.: Evaluations of sleepers equipped with USP – Elasticity, contact stresses and lateral resistance. Getzner Bahnfachtagung Schwarzenberg / Vorarlberg 19. – 21.10.2011
[3] Auer, F.: The infl uence of elastic components on the track behaviour. ÖVG Tagung Salzburg, Volume 104, p. 53-55
[4] DIN V 45673-4 (2008-07): Mechanical vibration – Resilient elements used in railway tracks – Part 4: Analytical evaluation of insertion loss of mounted track systems
[5] Wettschureck, R. G.; Kurze, U. J.: Einfügungsdämm- Maß von Unterschottermatten. ACUSTICA, 58, 1985, p. 177-182
[6] Müller, G.; Möser, M.: Taschenbuch der Technischen Akustik. 3. edition, 2003, p. 545
[7] Behr, W.: Innovation Project LZarG (silent train on real tracks) – Effect of different USP in real tracks. Getzner Bahnfachtagung Schwarzenberg / Vorarlberg 19. – 21.10.2011
