Dlouhodobý monitoring kolejových konstrukcí u tramvajových křižovatek se zaměřením na mělké srdcovky

Od roku 2020 řeší pracovní skupina na Fakultě stavební ČVUT v Praze a v Pražské strojírně a.s. v kooperaci s Dopravním podnikem hlavního města Prahy a.s. projekt dlouhodobého monitoringu kolejových konstrukcí u tramvajových křižovatek se zaměřením na mělké srdcovky za účelem optimalizace jejich údržby a snížení hluku.

Řešený projekt má tři hlavní roviny. První řešenou oblastí je dlouhodobé kontinuální sledování vývoje ojetí a deformace žlábků v srdcovce, náběžné kolejnice před srdcovkou a v protilehlém kolejnicovém pásu proti srdcovce – tzv. „protikolejnici“. V této oblasti je hlavním cílem ze získaných dat umožnit predikci stavu jednotlivých konstrukcí v závislosti na jejich umístění, provozním zatížení a dalších parametrech.

Druhou oblastí je sledování hlukové zátěže emitované do okolí od sledovaných kolejových konstrukcí, a to opět zejména v závislosti na stavu (ojetí) žlábků jednotlivých konstrukcí.

Třetí oblastí a hlavním cílem projektu je pak, na základě všech zjištěných dat, návrh optimalizace údržby kolejových konstrukcí s mělkým žlábkem, zejména případný systém preventivního navařování a broušení s cílem prodloužit životnost a snížit hlukovou zátěž okolí. V rámci projektu jsou dlouhodobě periodicky sledovány kolejové konstrukce v obratišti „Spojovací“ a v křižovatkách „Výtoň“, „Lazarská“, „Dolní Klárov“ a v odbočení rychlostní výhybky „R04 Braník“.

MĚŘENÍ PŘÍČNÉHO PROFILU ŽLÁBKŮ

Měření příčného profilu žlábků, respektive vývoj jejich ojetí a deformace, probíhá pomocí měřicího přístroje Contour II., který se využívá především pro kontrolu ojetí kolejnic v obloucích. Přístroj měří pomocí laseru s červeným bodovým paprskem, který je rozmítán po kolejnici a je zároveň snímán pomocí kamery. Pro optimální funkčnost je vhodné na povrch kolejnice nanést křídový sprej pro zamezení nežádoucích odlesků.

Naměřená data jsou následně vyhodnocována pomocí programu Contour III – Eval, srovnání profilů je pak následně provedeno ve standardních SW nástrojích. Ukázka vývoje ojetí a deformace žlábku za dobu cca 16 měsíců od vložení nové srdcovky do konstrukce v jednom ze sledovaných profilů je na následujícím obrázku.

TECHNICKÉ MĚŘENÍ HLUKU

Druhou ze stěžejních částí projektu je sledování emitované hlukové zátěže do okolí sledovaných kolejových konstrukcí. Cílem sledování je vyhodnotit/určit stav, kdy dochází k výraznějšímu zvýšení hlukové zátěže, respektive potvrdit/vyvrátit hypotézu, že v určitém okamžiku životnosti (resp. ojetí) srdcovek dochází ke skokovému zhoršení hlukové situace. Cílem je pak odhalit tento stav s ohledem na dobu od vložení/opravy srdcovky, popřípadě tento moment predikovat na základě projeté zátěže nebo stavu příčného profilu žlábku, aby bylo možné provést preventivní zásah eliminující tuto nepříznivou hlukovou situaci. Prováděná technická měření vycházejí z norem ČSN EN ISO 3095 a ČSN ISO 1996 a probíhají s využitím zvukoměrů Brüel&Kjaer 2270 a Brüel&Kjaer 2250L. Výsledky z technických měření hluku nejsou ještě v této fázi řešení projektu kompletní a vypovídající a budou publikovány až po jejich komplexním vyhodnocení v budoucnosti.

MĚŘENÍ AKUSTICKOU KAMEROU

Při obhlídkách a měřeních na sledovaných lokalitách bylo subjektivně zhodnoceno, že na některých sledovaných kolejových konstrukcích emituje svar náběžné kolejnice, umístěný před srdcovkou, významný příspěvek k celkovému hluku z průjezdu přes kolejovou konstrukci. Jedná se o místo, kde je proveden svar náběžné kolejnice ke standardní žlábkové kolejnici. Tento jev byl subjektivně pozorován například na sledované kolejové konstrukci „Výtoň“, nebo na výhybce „R04 Braník“, kde je svar náběžné kolejnice umístěný ve vzdálenosti 2,05 m od středu srdcovky. Tato vzdálenost významně ovlivňuje i výslednou situaci, neboť je tato délka téměř shodná se vzdáleností náprav v tramvajovém podvozku (1 880 mm pro typ 14T a 1 900 mm pro ostatní typy vozů). To způsobuje, že prakticky ve stejném okamžiku projíždí na této sledované konstrukci první náprava podvozku přes srdcovku a druhá náprava přes sledovaný svar. To ovlivňuje hodnocení hlukových náměrů, ale zejména celkovou emitovanou akustickou energii při průjezdu.

Měření bylo provedeno s využitím tzv. akustické kamery, což je souhrnný název pro zařízení složené z mikrofonního pole, optické kamery a záznamové a vyhodnocovací jednotky. Základním účelem je možnost zobrazení zdroje (zdrojů) hluku do zaznamenávaného obrazu a tím vytvoření tzv. „hlukové mapy“, která umožní jejich lokalizaci. Uspořádání mikrofonů v prostoru i jejich vzájemná vzdálenost mohou být různé. Zde prezentované měření probíhalo s akustickou kamerou Bionic L-112, která je složena ze soustavy 112 MEMS mikrofonů uspořádaných do mikrofonního pole o průměru 1 700 mm a optické kamery.

Akustická kamera byla pro měření umístěna do vzdálenosti 3,0 m („R04 Braník“), resp. 3,5 m („Výtoň“) od sledovaného kolejnicového pásu ve výšce 1,5 m. Poloha akustické kamery byla zvolena tak, aby byla na výsledných záznamech dobře patrná jak poloha svaru náběžné kolejnice, tak sledovaná srdcovka. Kamera byla umístěna do polohy uprostřed mezi sledované body. Pro snadnější zpracování i zobrazení výsledků byla poloha svaru náběžné kolejnice i střed srdcovky zvýrazněny na vozovku.

Měření i vyhodnocování probíhalo v software NoiseInspektor. Vzhledem k rozsahu článku je zde zobrazen jen jeden průjezd vozu 15T, který byl vybrán jako charakteristický. Na obrázku vpravo je zobrazen časový záznam akustické energie podle frekvencí (tzv. „akustický otisk průjezdu“) tramvaje 15T měřicím profilem.

Ze záznamu je patrné, že nejvyšší podíl akustické energie je emitován na frekvencích cca 300 – 1 200 Hz (červené oblasti). Další významné zdroje hluku jsou patrné v pásmu okolo střední frekvence 8 kHz. Ty souvisí s hlukem pohonů, které pracují na střední frekvenci 4 000 Hz ± 500 Hz a souvisejících harmonických frekvencích. Toto zesílení signálu je nejlépe viditelné jako pás na frekvenci 8 kHz, ale patrné je i okolo frekvence 16 kHz. Tyto zdroje však nebyly předmětem řešené problematiky.

Za povšimnutí stojí i průběh akustické energie od průjezdu jednotlivých podvozků. Průjezd prvního podvozku je dobře patrný v čase okolo cca 6 s, druhý podvozek v čase cca 8 s, a tak dále. Je zřetelné, že průjezd každého podvozku přes kolejovou konstrukci má vždy tři významné vrcholy emitované energie: 1) průjezd první nápravy přes svar, 2) průjezd první nápravy přes srdcovku a zároveň druhé nápravy podvozku přes svar (způsobeno podobnou vzdáleností svaru od srdcovky – 2,05 m a vzdáleností náprav – 1,90 m) a 3) průjezd druhé nápravy přes srdcovku. Hluková mapa ukazuje průjezd vozu 15T v momentu průjezdu přes svar náběžné kolejnice a srdcovku. Výsledek potvrzuje, že je v tento okamžik hluk emitován jak na styku kolo-srdcovka, tak od průjezdu kola přes svar náběžné kolejnice.

DOSAVADNÍ ZÁVĚRY

Ačkoli je nyní řešení projektu, který je řešen od července 2020 a bude řešen do června 2022, zhruba v polovině, lze již nyní konstatovat některá dílčí zjištění. Měření akustickou kamerou prokázala, že svar náběžné kolejnice, umístěný před srdcovkou, může přispívat k celkové hlukové zátěži od průjezdu tramvajových vozů přes kolejovou konstrukci podobně jako průjezd přes srdcovku samotnou. Možnou cestou ke snížení hluku tak může být mimo jiné i úprava délky náběžných kolejnic (tzv „klepet“) navařovaných na blok srdcovky. Tyto kolejnice mají v současnosti délku 1 500 mm, což v kombinaci s délkou bloku srdcovky a vzdálenosti náprav u současných tramvajových vozů vede k tomu, že v první náprava přejíždí přes hrot srdcovky ve stejný okamžik jako druhá náprava přes svar náběžné kolejnice. Úprava délky náběžné kolejnice tak může tyto dva děje (časově) oddělit, čímž nebude docházet ke sčítání jednotlivých složek emitovaného hluku v jeden okamžik.

Další závěry týkající se zejména vývoje ojetí, možné optimalizace údržby srdcovek s mělkým žlábkem, preventivních zásahů a podobně, budou publikovány v dalších fázích řešení projektu po komplexním zpracování a hodnocení všech získaných dat ve sledované časové řadě v kontextu životního cyklu srdcovek.

Ing. Ondřej Bret
Bc. Magdalena Křečková
Fakulta stavební ČVUT v Praze

Měření publikovaná v tomto příspěvku byla realizována za podpory Technologické agentury ČR v rámci programu TAČR Zéta reg. č. projektu TJ04000257 Dlouhodobý monitoring kolejových konstrukcí u tramvajových křižovatek se zaměřením na mělké srdcovky za účelem optimalizace jejich údržby a snížení hluku.