Sofidon sínkamraelemek laboratóriumi vizsgálata

Manapság megjelentek új, más pályaszerkezeti szinten történő zaj- és rezgéscsillapításhoz kapcsolódó beavatkozási lehetőségek. Ezek közül terjedőben vannak a sín kamrájába helyezett, ragasztással vagy egyéb módon rögzített, erősen viszkózus tulajdonságú csillapítóelemek, amelyek új pályaszerkezeti elemként jelennek meg a vasúti pálya felépítményében. Külföldön számos cég gyárt sínkamraelemeket, és sikeresen alkalmazzák is azokat. Magyarországon már megjelentek a hazai gyártók, azonban ezeknek az elemeknek a beépítése egyelőre háttérbe szorul. Jelen publikáció egy két cikkből álló sorozat első része, amely a hazai Sped-M Kft. által gyártott és  forgalmazott Sofidon sínkamraelemeket és azok laboratóriumi vizsgálatát hivatott bemutatni.

A cikksorozat első részében a Sofidon kamraelemeket ismertetem, továbbá azoknak szabályozott, laboratóriumi körülmények között történő vizsgálatát, ezáltal hatékonyságuk mértékének megállapítását és összehasonlítását tárgyalom. Célom, hogy Magyarországon is megismerjék a kamraelemeket, azok előnyeit, valamint a zaj- és rezgéscsillapítás fontosságát. A rezgéscsillapító kamraelemeket a síngerinc (mint rezgésforrás) zajkibocsátásának csökkentésére alkalmazzák. A síngerinc csekély tömege miatt gyorsan rezgésbe jön, emiatt a rendszer akusztikai megítélésekor gyenge pontnak tekinthető, amely egyben a pályaszerkezet legnagyobb zajkibocsátását is okozza.

A rezgéscsillapító sínkamraelemek nagy hatékonyságú rendszert jelentenek a hanglesugárzás csökkentése szempontjából, ami a kerék-sín kölcsönhatásából keletkezik. Úgy csökkentik a zajt és a rezgéseket, hogy a síngerinc rezgési energiáját alakítják át hővé nagy belső súrlódásuk révén. Az akusztikai tudományok egyik ismert alaptétele, hogy a zavaró rezgések csökkentésének leghatékonyabb módja, ha közvetlenül azok kibocsátási forrására koncentrálunk. A kamraelemek beépítésével pontosan ezt tesszük, mivel a sínt mint a pályaszerkezet legfelső szintjét csillapítjuk. A laboratóriumban nyert eredmények is alátámasztják, hogy a sín kamrájába helyezett elemek alkalmas eszköznek bizonyulnak a zaj- és rezgéscsillapításra. A mérések iránymutatást és tájékoztatást is adnak az elemek jövőbeni fejlesztéseiről. A laboratóriumban kizárólag a sínszál rezgéseit vizsgáltam, hogy megtudjuk, mekkora csillapítás nyerhető általa, miközben nagyon jól tudjuk, hogy egy vasúti szerelvénynek számos zajforrása van, amelyek együttesen határozzák meg a vasúti zaj eredő zajszintjét.

Sofidon sínkamraelemek
A Sped-M Kft. kétféle zaj- és rezgéscsillapító kamraelemet gyárt. A Sofidon termékek közül a Sofidon -F típusú elemet Magyarországon már 25 000 fm hosszon építették be (1. kép).

Ezek a szakaszok többek között: Ferencváros–Kelenföld, Sopron–Sopron oh. (Kismarton), Monor–Pilis, Esztergom–Kertváros, Kápolnásnyék–Újdinnyés, valamint a BKV Zrt. Millfav vonala. Az elem ragasztással kerül felhelyezésre a sín kamrájába. Kiterjedését és geometriáját tekintve nagyon kicsi elem: hossza 500 mm, magassága 94 mm, vastagsága pedig 20 mm (1. ábra).

Profilja ragasztási oldalról az UIC rendszerű sín gerincének geometriájával megegyező. Mivel a sín gerincére rögzített, illetve profilja nem terjed ki egészen a sínfejig, így semmilyen körülmények között sem zavarja a pályaépítési és -fenntartási munkákat. Anyagát gumiőrlemény, ásványi őrlemény, térkitöltő polimer, stabilizátorok és öregedésgátlók alkotják. Előnyös tulajdonságai közül kiemelkedik hőmérséklettűrése, ami tartósan –35 és +100 °C között biztosított, valamint ellenáll a ráfolyó hajtó- és kenőanyagoknak, nem károsítják a pálya használatából eredő szennyeződések sem. Öregedési ideje több mint 30 év, fény- és UV-stabil. Alkalmazását tekintve a nagyvasutak, az elővárosi gyorsvasutak, a földalatti gyorsvasutak és a közúti vasutak nyitott pályaszerkezeteibe is beépíthető. Egyenes és íves pályaszakaszokon egyaránt felhelyezhető. A másik kamraelem a Sofidon -T típus. Ez az elem egyelőre kísérleti elem, nincs beépítve élőpályába. Az első mérések a cikkben ismertetett laboratóriumi munka keretén belül történtek. Profilja, valamint tömege is többszöröse az F típusúénak. Az elemet a lehetséges fejlesztési irány meghatározása érdekében, amely ebben az esetben a csillapítás mértékének növelése, kétféle felhelyezési módszerrel is vizsgáltam. Egyrészt szerelhető változatán, amelynél lemezek segítségével történt a rögzítés, másrészt pedig ragasztott változatán végeztem el a méréseket. Kísérleti elemként fontos szempont volt megállapítani, hogy melyik felhelyezési módszerrel érhető el eredményesebb csillapítás.

Laboratóriumi vizsgálat
A Sofidon elemek hatékonyságának megállapításához és összehasonlításához azonos körülményekre, mérési eszközökre, mérési rendszerre és metodikára volt szükség. A vizsgálat a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék Akusztikai és Stúdiótechnikai Laboratóriumában valósult meg. A sínkamraelemek által kifejtett csillapító hatás számszerű meghatározásához a sínekben lejátszódó rezgési folyamatok elemzése szükséges. A vizsgálatokhoz emiatt a kísérleti móduselemzés módszerét alkalmaztam. Feladat a rezgő szerkezet, azaz a sínszál viselkedésének mérés útján történő feltérképezése. A vizsgálatokat 120 cm hosszú, 60E1 rendszerű sínszálon végeztem. A sínszál szabványos 60 cm-nek megfelelő távolságban, két fél L4 típusú betonaljhoz volt leerősítve Skl-1 típusú szorítórugóval kialakított sínleerősítéssel. Ez képezte a mechanikai rendszert (2. kép).

A sínszál előre meghatározott pontját adott erővel gerjesztve mértem a sínszál egy előre meghatározott másik pontjának elmozdulását. Célom ezzel a rendszer jellemzése volt. A sínszálat 13×2 pontból álló modellel helyettesítettem, amelyeket egyben gerjesztési pontként is felhasználtam. A mérés során a lényegi számításokat, azaz a sajátfrekvenciák, csillapítási tényezők és módusalakok meghatározását egy mérőszoftver végezte. A feladat itt az átviteli függvények kimérése volt. Impulzusszerű erőgerjesztést alkalmaztam, amelyet egy impulzuskalapáccsal állítottam elő. A mechanikai rendszer rezgésválaszát piezo elven működő gyorsulásérzékelőkkel mértem. Korábban elvégzett végeselemes modellezés során nyert információk szerint helyeztem el a sínszál alkalmas pontjain három rezgésérzékelőt, valamint a sínszál geometriai középpontjától 1 méter távolságra egy mikrofont. A sínfejet függőleges és vízszintes irányból, a síntalpat csak vízszintes irányból gerjesztettem, összesen 39 ponton. Minden egyes pontra mérésenként 5-5 kalapácsütést mértem, majd a mérési szoftver az ilyen módon meghatározott átviteli függvényeket átlagolta. A mérés során a mérőműszerek az erőgerjesztés és a gyorsulás válaszjelek időbeli lefutását mérik. Ebből megkapjuk, hogy a sín abban a pontban, ahol érzékelőt helyeztem el, egy másik pontban való gerjesztés hatására milyen kitéréseket végez a frekvencia függvényében egységnyi erőgerjesztés hatására. Minden egyes gerjesztési pontot megütve a három rezgésérzékelő három frekvenciaátviteli függvényt eredményezett, amelyekből meghatározhatók a sínszál módusalakjai. Ugyanolyan laboratóriumi körülmények mellett, ugyanazon leerősített sínszálra rögzítettem egyesével a Sofidon kamraelemeket. Az F típusú elem ragasztással került felhelyezésre (3. kép), a T típusú elemet szerelt (4. kép) és ragasztott (5. kép) formában is vizsgáltam.

A kapott eredményekből számszerű adatokat nyertem arról, hogy mennyire hatékony a kamraelemekkel ellátott sínszál a csillapítás nélküli sínszállal szemben, valamint a két különböző keresztmetszeti geometriájú és rögzítésű csillapítóelemek egymással összehasonlítva. A csillapítatlan sínszálon végzett mérések eredményei szolgáltak referenciául.

Rezgéscsillapítás
A gerjesztések és a válaszok ismeretében az alkalmazott Test.Lab programcsomag meghatározza a rendszer sajátfrekvenciáit és módusalakjait. Mérésenként annyi frekvenciaátviteli függvényt ad eredményül, ahány pontban gerjesztettem a sínszálat, függetlenül attól, hogy az csillapítatlan vagy csillapító kamraelemekkel volt ellátva. A függvényeket egyenként elemezni hosszú és fáradságos munka, azonban a program móduselemző modulja segítséget nyújtott. Móduselemzés során végeredményben sajátfrekvenciák, csillapítási tényezők és módusalakok vizsgálatával állapítottam meg a kamraelemek hatékonyságát. A mérések összehasonlíthatók, ehhez azonban közel azonos módusalakokat kellett kigyűjteni (2. ábra).

A kamraelemek hatékonyságának mértéke csillapítási tényezőkkel jellemezhető. Minél nagyobb egy kamraelemmel ellátott sínszál csillapítási tényezője, annál hatékonyabb annak rezgéscsillapítása. Vannak természetesen olyan sajátfrekvenciák is, ahol a várt módusalakok nem jönnek létre. Ebben az esetben a csillapítás a tényezők együttes eredménye, itt az adott sajátrezgések nem azonosíthatók. A sajátfrekvenciák értékei azok az eredmények, ahol a sínszál felveszi a vizsgált módusalakot. A csillapítási tényezők különbségét tekintjük a mérések végeredményének (1. táblázat).

A táblázat eredményeiből látható, hogy a kísérleti T elem egyik rögzítése esetén sem jöttek létre a várt módusalakok 320 Hz frekvencián, így a sajátrezgések nem voltak kivehetők. Az F elem ezen a frekvencián azonban nem bizonyult hatékonynak. Egy magasabb frekvencián, közel 780 Hzen az F elem alkalmazásával szintén nem azonosíthatók a sajátrezgések. A T típusú kamraelem fordított viselkedése itt is megfigyelhető, hiszen szerelt változatával csak kis csillapítási tényező volt kimérhető, ragasztott módszerrel azonban már jónak mondható. Megállapítható, hogy míg az F elem alacsony frekvencián egyáltalán nem alkalmas, addig magasabb frekvencián, mint az 1315 Hz-es frekvencián is, ugyanolyan jó csillapítással bíró elem, mint a sokkal nagyobb tömegű T elem. Fontos eredmény továbbá, hogy ezen a frekvencián a T elem szintén ragasztással felhelyezve bizonyult a legjobbnak.

Zajcsillapítás
A mérési rendszertől 1 méter távolságra elhelyezett mikrofon az impulzus gerjesztés hatására fellépő, sínszál által lesugárzott hangjának vízszintes irányú komponensét mérte. Ennek oka, hogy a kerék-sín kapcsolatból származó zajok vízszintes komponense terheli igazán a vasúti pálya mellett élőket. Az alkalmazott szoftver segítségével közvetlenül mérhető a mikrofon időtartomány-függvénye, amelyből meghatározhatók a frekvenciaátviteli függvények. Minden egységnyi erővel gerjesztett pont eredményét együttesen ábrázolva kapunk képet arról, hogy milyen tartományban sugárzódik le jelentős hangnyomásszint (3. ábra).

A grafikon függőleges tengelye logaritmikus léptékű, ahonnan eltérő amplitúdójú csúcsokat lehet azonosítani. A csúcsok itt is a módusokat jelzik. A kamraelemekkel ellátott sínszál csúcsai a csillapítatlan sínszáléval szemben a frekvencia tengelyén eltolódnak, ennek oka a kamraelemek által képviselt többlettömeg, illetve csillapítás. Vagyis közel azonos frekvencián lévő csúcsok (azonos módusú) értékeit a csillapítatlan sínszál csúcsának értékéhez viszonyítva számolható a hanglesugárzás eredménye. Az egyes elemek decibel mértékegységű eredményének meghatározásához a következő képletet kell alkalmazni:

ahol az érték1 a csillapítatlan sínszál mint referencia, az érték2 pedig a vizsgált sínkamraelem. Ezáltal megkapható a csillapítatlan sínszálhoz képesti zajcsillapítás. Az eredmények (2. táblázat) a mért frekvenciaátviteli függvények általam kiválasztott frekvenciatartományában vizsgált csúcsainak értékei, valamint a decibel mértékegységbe átszámolt végeredmények.

A negatív előjel azt jelenti, hogy a csillapítatlan sínszál csúcsának eredményétől mennyivel kisebb értéket kaptunk. Fontos megjegyeznem, hogy ezek a csillapítási értékek nem azonosak az élőpályában történő mérésekkel. Ezek az értékek az összeállított rendszeren, laboratóriumban, félszabad hangterű mérőhelyiségben, ún. „süket” szobában elért eredmények. Látható, hogy a zajmérések során is azonos eredmények adódtak, mint a rezgések vizsgálatánál. Ismét szembetűnő az F típusú kamraelem eredménye, miszerint alacsony frekvencián egyáltalán nem hatékony, azonban magasabb frekvencián már alkalmas eszköznek bizonyul a zajcsillapításban is. Fontos eredmény itt is, hogy ugyanazon kamraelem ragasztással felhelyezve a sínre szinte dupla akkora csillapítási értéket eredményez, mint szerelt változata (4. ábra).

A magasabb frekvencián mért eredmények általában mértékadóbbak, hiszen az emberi fül az 1000–3000 Hz-es hangmagasságokra a legérzékenyebb. Ezt a kérdést részletesebben a cikk második részében tárgyalom.

Összegzés
Az összes eredményt figyelembe véve megállapítható, hogy a zaj- és rezgéscsillapító kamraelemek – bizonyos körülmények között – alkalmas eszközt képeznek a vasúti zaj, illetve a vasúti pálya rezgésének csökkentésére. A laboratóriumi mérés során nem a valósághoz közeli állapotok megteremtése volt a cél. A feladat itt a vizsgált kamraelemek közül a leghatékonyabb megtalálása, illetve a felhelyezési módszer kérdésének eldöntése volt. A laboratóriumi mérések eredményeiből kijelenthető, hogy ugyanazon kamraelem a sín gerincére ragasztással rögzítve nagyobb zaj- és rezgéscsillapítást eredményez a szerelhető változatával szemben. Mindkét felhelyezési módszer további kérdéseket vet fel. A ragasztással rögzített kamraelemek hátránya, hogy azokat nem lehet le- és felszerelni: fáradságos munka lenne, és akár az elemek töréséhez is vezetne. Előnye, hogy a ragasztóanyag miatt az elem és a síngerinc közé a víz nem tud bejutni, így az ott beszorulva nem okozhat további korróziós problémákat. Ezzel szemben a szorítókkal rögzített elemek szerelhetősége könnyűnek és gyorsnak mondható, azonban ennél a módszernél a víz könnyedén bejuthat az elem és a síngerinc közé. További probléma, hogy a kamraelem és a gerinc között megközelítőleg sincs olyan súrlódás és kölcsönhatás, mint amilyet a ragasztóanyag nyújt, ezt az eredmények is bizonyították. A kamraelemek zaj- és rezgéscsillapítását befolyásoló további tényezők az anyagösszetétel és profilkialakítás. Törekedni kell a minél tömörebb szerkezetű elemek gyártására a minél jobb szigetelés érdekében. Fontos kérdés ezen a ponton az ár-érték arány, ugyanis egy korábbi vizsgálatom azt mutatta ki, hogy az elemek egy bizonyos tömeg elérése után már nem okoznak jelentősebb csillapítást. A cikksorozat következő részében a Sofidon elemek egy komplexebb laboratóriumi vizsgálatát és annak eredményeit ismertetem. A vizsgálat során már a valóságot jobban megközelítő mérési rendszeren végeztem kísérleteket, továbbá az impulzusgerjesztés helyett dinamikus rezgésgerjesztő berendezést alkalmaztam, amely a gördülést szimulálta. Bemutatom a már elvégzett helyszíni mérést, amelyet Kápolnásnyék–Dinnyés között Sofidon-F típusú kamraelemmel 12 km hosszon beépített szakasz végénél bonyolítottunk le. Az élőpályásmérés számszerű eredményeket biztosít a kamraelem valódi zaj- és rezgéscsillapító hatásáról.

Felhasznált irodalom

Csortos Gabriella: A vasúti pálya zaj- és rezgéscsillapító kamraelemeinek elméleti és laboratóriumi vizsgálata. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Közlekedésépítőmérnöki szekció, Tudományos Diákköri Konferencia 2014.