Järnvägstransporter är kärnan i Europas planer på att bli koldioxidneutrala år 2050, men bullriga tåg utgör ett hinder som måste övervinnas.

"Vi har mycket motstånd från människor (som bor) bredvid spåren som är emot all konstruktion och uppgradering av linjerna", säger Rudiger Garburg, senior konsult för buller- och vibrationsteknik på det tyska järnvägsföretaget Deutsche Bahn AG. "Det är verkligen en flaskhals, (när) vi pratar om att förändra transporter och överföra trafik från väg till järnväg."

Växthusgasutsläppen från transporter i Europa ökade under 2018 och 2019, enligt Europeiska miljöbyrån, och vägtransporter stod för nästan tre fjärdedelar av dessa utsläpp. I sin strategi för hållbar och smart mobilitet siktar EU-kommissionen på att flytta trafiken från väg till järnväg och fördubbla sin höghastighetståg för passagerartrafik över hela Europa till 2030 och fördubbla godstrafiken till 2050.

Men för att få gemenskapsköp måste regeringar och järnvägsföretag minska järnvägsbullret. "Buller är alltid ett problem för systemet, inte bara tåget", säger Garburg, som är medlem i Shift2Rails FINE 1- och FINE 2-projekt för att minska buller, vibrationer och energianvändning. Ett järnvägssystem inkluderar tågen, deras hjul, rälsen och spåren som stödjer dem.

För person- och godståg, som rör sig i mellan 60 km och 200 km i timmen, genereras bullret främst mellan hjul och räls. Det är dock mycket svårt att avgöra vilken del av systemet som stör.

FINE 1, som involverade partners inom järnväg, mobilitet och automation, var ett brett projekt för att stävja överskott av buller och energi från tåg. Den försökte bland annat modellera och förutsäga bullerkällor. Denna information är viktig för både tillsynsmyndigheter och tågtillverkare.

Projektet kunde till exempel simulera bullret både i och utanför tåget från gjutjärnshjul jämfört med kompositmaterialhjul. "Tidigare använde tågen ett bromssystem i gjutjärn för hjulen," förklarade Garburg. Även om det var bra för bromsning, klipptes järnet med tiden, vilket gjorde hjulen mycket grova och bullriga. "Under de senaste åren har vi arbetat mycket hårt för att hitta fler bromsblock (gjorda av) kompositmaterial, inte gjutjärn."

Begränsning

Under 2019 trädde Europas reviderade tågbullerstandarder, en del av en större serie järnvägsspecifikationer, i kraft. Till skillnad från bilar, där tillverkarna tillverkar tusentals fordon, tillverkar tågtillverkarna bara ett begränsat antal. "Du kan inte bygga en prototyp, testa den och arbeta på den", förklarade Garburg. "Om du bygger ett nytt tåg måste du garantera att ditt tåg håller denna bullergräns, liknande luftföroreningar och så vidare."

Som en del av FINE 1 utvecklade projektmedlemmarna verifierbara, realistiska krav för att karakterisera bullerkällor. Dessa specifikationer är viktiga för att skapa standarder för tillverkare att följa, och i slutändan göra tågen tystare. Dess efterträdare, FINE 2, planerar att ta denna forskning ännu längre och finjustera sina modeller för förutsägelse av bruskällor.

"I FINE 2 har vi speciella mätprocedurer," sa Garburg. Teamet använder en akustisk kamera, en uppsättning av 30 till 40 mikrofoner, för att fånga ljudet från rälssystemet. Han liknar det vid en värmekamera, där man ser gula, röda och gröna delar av en byggnad för att skapa en värmekarta. "Vi kommer att använda sådana procedurer för bruset för att få bilder som tydligt visar var de huvudsakliga bruskällorna finns", sa han.

Bättre modeller skulle också kunna göra det möjligt för tågtillverkare att eventuellt få virtuell certifiering för sina tåg för att visa att de följer EU:s standarder. Alla tåg måste certifieras av tillsynsmyndigheter innan de släpps på banan, men denna process kan vara dyr och tidskrävande.

I Shift2Rails partnerprojekt TRANSIT är virtuell certifiering "drömmen vid horisonten", säger Ines Lopez Arteaga, professor i maskinteknik vid Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna. "Det skulle spara mycket pengar och tid och resurser att kunna göra det baserat på beräkningar."

Men det finns många forskningsmilstolpar att nå först, sa prof. Lopez Arteaga, som är TRANSIT-projektledare. Vi har verktyg för att förutsäga var tågbullret kommer från, men de skulle kunna förbättras, säger hon.

Certifierad

För tillfället säger hon att det är möjligt att mäta det totala buller som ett tåg gör på spåren, men uppskattningen av de separata komponenterna måste vara mer exakt. Med denna information skulle det vara möjligt att inte bara göra tågen tystare, utan göra det lättare att få nya tåg certifierade.

Men tåg måste också testas på en specifik typ av spår - en vars jämnhet inte skulle försämra eller ge alltför positiva bullermätningar. Hon liknar tåg på banan vid ett barn som leker med kulor. "Om du rullar en kula på ett bord så låter den. Med tåg är det hjulen på banan. Du får olika ljud beroende på bordets grovhet, om det till exempel är rostfritt stål eller trä", sa hon. .

"Det är inte lätt att hitta rätt spår", förklarade professor Lopez Arteaga. "Man skulle förvänta sig att det med så många tusen kilometer järnväg i Europa att det inte borde vara ett sådant problem, men det är det."

Ett av projektets mål är att översätta bullermätningarna från ett spår till ett annat. "Det skulle vara en riktigt stor fördel", sa hon. "Det skulle minska begränsningarna för vilken typ av bana du kan testa på."

Bruser

Det finns också andra komponenter, förutom hjulen och rälsen, som ökar ljudet från ett tåg när det passerar.

Till exempel hade äldre tåg sina luftkonditioneringsenheter under vagnen, men moderna tåg har sänkts för att ge personer med mindre rörlighet lättare att komma in och ur vagnen. Som ett resultat är luftkonditioneringsenheter nu ovanpå vagnen, där de ökar tågets buller.

"De modeller vi utvecklar med hjälp av tillverkare syftar till att ställa bättre krav på sin utrustning", säger professor Lopez Arteaga.

Den aspekt av projektet som hon är särskilt exalterad över är modellering är identifieringen av bullerkällor på höghastighetståg. "De vill att vi ska identifiera bullret, men också riktningen det går. Det är verkligen, verkligen en utmaning."

När TRANSIT-teamet har fått sina resultat kommer det att dela dem med FINE 2 för att utvärdera för att verifiera sina resultat, säger professor Lopez Arteaga.

Allt detta är "små steg" på vägen att karakterisera beteendet för hela järnvägssystemet, säger hon. "Jag älskar tåg; de är ett riktigt intressant system. Hela järnvägen - nätet, systemet, tågen - är så komplext att det finns mycket mer än vad man kan se."