Squealing Noise
Renzo Emili
Stridore in curva (Squealing noise)
Il rumore di stridore (Squealing noise) è un fenomeno acustico grave che se non contrastato rischia di compromettere il successo di un progetto di inserimento urbano del tram. Qui di seguito è mostrato l’effetto acustico che si produce per la contemporanea presenza di fattori negativi ed assenza di provvedimenti correttivi.
Le osservazioni sperimentali e le misurazioni eseguite conducono a tre principali meccanismi d’innesco dello stridore derivante dal contatto ruota-rotaia
1. Slittamento laterale delle ruote sul piano di rotolamento delle rotaie;
2. Sfregamento del bordino delle ruote Sulle due superfici contrapposte della scanalatura (in
gergo “gola”) della rotaia tranviaria;
3. Slittamento longitudinale sul piano di rotolamento delle ruote se rese tra loro
meccanicamente solidali.
L’origine di questo fenomeno risiede in gran parte nell’assetto assunto dalle ruote in corrispondenza delle curve e che è mostrato nella fig.1
In conseguenza di questo assetto si determina nel punto di battuta un angolo di alfa (striking angle) tra il bordino della ruota e la tangente alla rotaia nello stesso punto. In questa situazione il movimento complessivo della ruota è la risultante di due spostamenti: un movimento di rotolamento nella direzione che sottende l’angolo di battuta alfa con la tangente alla rotaia nel punto di battuta (in fig.1, tratto in colore rosso), un movimento laterale ortogonale alla predetta tangente (lateral displacement) , indicato con il tratto in colore viola nella fig. 1.
Tale movimento laterale trae origine da una forza Fd diretta nella stessa direzione del lateral displacement e la cui entità è legata al coefficiente di attrito dinamico che caratterizza il contatto tra i materiali che costituiscono i due componenti ruota-rotaia ed il carico P gravante sulla ruota, secondo la relazione:
Fd = µd * P
E’ su tale formula che occorre fare importanti riflessioni in materia di squealing noise.
Nella situazione di ruote rigidamente connesse tramite un assile si aggiungerebbe una eventuale componente di rumore generata dallo slittamento longitudinale delle ruote, a sua volta dovuto al differenziale di velocità fra ruota interna e ruota esterna (tale componente non è presente nel caso più frequente di tram a ruote indipendenti).
Occorrerebbe inoltre aggiungere la componente di rumore proveniente dallo strisciamento del bordino sulla controrotaia di cui sono munite le rotaie tranviarie utilizzate in ambiente urbano. L’analisi di questo fenomeno richiederebbe alcune considerazioni sull’ampiezza della scalanatura delle rotaie, ravvisandosi benefici con il suo allargamento in curva.
Lo stridore si manifesta per l’innesco di una rapida successione di microscopici impuntamenti e successivi slittamenti laterali della suola del cerchione sul binario (stick and slip loop). Questa successione di impulsi sollecita la ruota del rotabile, oltre che il binario, inducendo un comportamento di questi due componenti simile a quello di un arco di violino che stia sfregando sulle corde dello strumento, la ruota entra in risonanza su un campo di frequenze elevate rispetto alla sensibilità dell’orecchio umano, generando il caratteristico e acuto stridore.
Rilevazioni di laboratorio mostrano che lo stridore prodotto dal contatto ruota rotaia è funzione dell’angolo alfa di battuta (vedi fig.1), normalmente compreso tra 0o e 2o (2o corrispondono ad una curva di circa 25m). In corrispondenza di alfa uguale a 2o il fenomeno aumenta notevolmente di intensità con livelli di pressione sonora a 10m superiore a 100 dB(A) e frequenze del suono che superano i 4.000 Hz fino a valori di 10.000Hz.
In conseguenza di questo assetto si determina nel punto di battuta un angolo di alfa (striking angle) tra il bordino della ruota e la tangente alla rotaia nello stesso punto. In questa situazione il movimento complessivo della ruota è la risultante di due spostamenti: un movimento di rotolamento nella direzione che sottende l’angolo di battuta alfa con la tangente alla rotaia nel punto di battuta (in fig.1, tratto in colore rosso), un movimento laterale ortogonale alla predetta tangente (lateral displacement) , indicato con il tratto in colore viola nella fig. 1.
Tale movimento laterale trae origine da una forza Fd diretta nella stessa direzione del lateral displacement e la cui entità è legata al coefficiente di attrito dinamico che caratterizza il contatto tra i materiali che costituiscono i due componenti ruota-rotaia ed il carico P gravante sulla ruota, secondo la relazione:
Fd = µd * P
E’ su tale formula che occorre fare importanti riflessioni in materia di squealing noise.
Nella situazione di ruote rigidamente connesse tramite un assile si aggiungerebbe una eventuale componente di rumore generata dallo slittamento longitudinale delle ruote, a sua volta dovuto al differenziale di velocità fra ruota interna e ruota esterna (tale componente non è presente nel caso più frequente di tram a ruote indipendenti).
Occorrerebbe inoltre aggiungere la componente di rumore proveniente dallo strisciamento del bordino sulla controrotaia di cui sono munite le rotaie tranviarie utilizzate in ambiente urbano. L’analisi di questo fenomeno richiederebbe alcune considerazioni sull’ampiezza della scalanatura delle rotaie, ravvisandosi benefici con il suo allargamento in curva.
Lo stridore si manifesta per l’innesco di una rapida successione di microscopici impuntamenti e successivi slittamenti laterali della suola del cerchione sul binario (stick and slip loop). Questa successione di impulsi sollecita la ruota del rotabile, oltre che il binario, inducendo un comportamento di questi due componenti simile a quello di un arco di violino che stia sfregando sulle corde dello strumento, la ruota entra in risonanza su un campo di frequenze elevate rispetto alla sensibilità dell’orecchio umano, generando il caratteristico e acuto stridore.
Rilevazioni di laboratorio mostrano che lo stridore prodotto dal contatto ruota rotaia è funzione dell’angolo alfa di battuta (vedi fig.1), normalmente compreso tra 0o e 2o (2o corrispondono ad una curva di circa 25m). In corrispondenza di alfa uguale a 2o il fenomeno aumenta notevolmente di intensità con livelli di pressione sonora a 10m superiore a 100 dB(A) e frequenze del suono che superano i 4.000 Hz fino a valori di 10.000Hz.
Fig. 2
Fig.1 Assetto delle ruote nella direzione di marcia da sinistra verso destra
In definitiva la probabilità di innesco dello stridore dipende dalla velocità di scorrimento laterale della suola del cerchione rispetto alla tavola del binario e dal coefficiente di attrito dinamico tra i materiali che compongono queste due parti. Il grafico di fig. 2 mostra indicativamente il rapporto tra queste due grandezze, in cui con µ è indicato il coefficiente di attrito dinamico e con X (lateral creep) il rapporto tra la velocità di slittamento laterale della ruota (in direzione ortogonale alla tangente alla curvatura del binario) e la velocità di rotolamento nella direzione di avanzamento del rotabile. Il valore di X a sua volta sarà tanto più elevato quanto più è piccolo il raggio di curvatura delle rotaie.
Al crescere di µ il grafico mostra un picco che si verifica in corrispondenza di particolari valori di X e che contraddistingue la zona di innesco del rumore di stridore.
Il grafico rappresentato in fig.2 può essere ricavato sperimentalmente in laboratorio simulando una situazione di slittamento laterale tra materiali caratterizzati da determinati valori di µ.
Tuttavia queste rilevazioni sono significative ai soli fini della comprensione generale del fenomeno, non risultando attuabile un esperimento di laboratorio in grado di riprodurre quantitativamente un processo reale precognitivo della situazione che verrà a determinarsi su una specifica e determinata realizzazione, salvo poter predisporre un modello full scale in campo aperto.
Già tale considerazione la dice lunga sull’importanza degli artifici in grado di abbassare il coefficiente di attrito dinamico tra ruota e rotaia per evitare l’innesco dello stridore conseguente allo spostamento laterale della ruota rispetto la rotaia, senza tuttavia compromettere la capacità di frenatura e trazionamento dei rotabili.
Sotto questo profilo sono assai interessanti tutti quei provvedimenti in grado di conseguire una situazione assai simile al comportamento della gomma sul cemento bagnato e quindi a determinare un coefficiente µd ruota-rotaia intorno al valore di 0,35.
Un’indagine completa di tutti i fattori fisici e costruttivi che giocano un ruolo sulla comparsa dello stridore richiede tuttavia un approccio metodologico più complessivo che coinvolge le caratteristiche dei rotabili, del binario e le condizioni ambientali di esercizio.
Un’indagine completa di tutti i fattori fisici e costruttivi che giocano un ruolo sulla comparsa dello stridore richiede tuttavia un approccio metodologico più complessivo che coinvolge le caratteristiche dei rotabili, del binario e le condizioni ambientali di esercizio.
Slittamento laterale delle ruote sul piano di rotolamento delle rotaie
Protocollo metodologico per l’esame, il confronto e le azioni di riduzione dello stridore
Molti parametri influenzano le condizioni che innescano lo squealing noise. In particolare sono
direttamente in relazione all’entità del fenomeno il rapporto tra passo del carrello ed il raggio di
curvatura del binario.
Altri parametri geometrici entrano in gioco in relazione alla tipologia e composizione delle vetture e del
binario, quali:
- Le sezioni trasversali della ruota e del binario;
- L’inclinazione del binario in senso longitudinale e trasversale;
- Lo scartamento del binario;
- La distanza tra i cerchioni;
- La combinazione tra la rugosità delle superfici delle ruote e dei binari;
- Il carico per asse;
- La velocità del veicolo.
Circostanze esterne come umidità e temperatura dell’aria possono pure avere una fortissima influenza
nel determinare le condizioni di squealing .
La complessità del fenomeno richiede che tutti i parametri su di esso influenti siano considerati.
Si tratta in buona sostanza di definire una metodologia analitica che tenga conto in modo organico di
tutti questi parametri ed organizzarli funzionalmente agli obiettivi che ci si ripropongono, costituire cioè
un “protocollo” per la classificazione dei parametri da tenere sotto esame e sui quali operare
sperimentalmente ai fini della eliminazione e/o riduzione dello stridore.
L’applicazione di questo protocollo ai casi concreti avrebbe molti vantaggi e consentirebbe di:
ü Costituire un programma di misurazioni dello wheel squeal noise;
ü Permettere un confronto fra differenti situazioni;
ü Permettere la costituzione e catalogazione di raccolte di wheel squeal models.
Poiché la misurazione dell’intero set di parametri è scomoda ed inopportuna in molte situazioni,
vengono generalmente proposti tre livelli di indagine che potremmo definire: “semplice”, “standard” ed
“avanzato”. Le tabelle che di seguono forniscono l’elenco dei parametri che dovrebbero essere
misurati per ciascun livello di indagine:
1) Rotabile
- In questa classe di parametri particolare rilevanza assume Il tipo di rotabile, la sua articolazione e il suo
rodiggio, in quanto tutti elementi che condizionano l’inscrizione in curva del rotabile stesso e pertanto il
posizionamento delle ruote rispetto alla rotaia.
In fig. 5, ad esempio, è mostrato il comportamento dinamico in rettilineo di un tram articolato a carrelli
solidali con le casse, configurazione estremamente sfavorevole al fine di evitare l’innesco dello stridore
in curva.
Fig. 5
- Una diversa classe di parametri caratterizza il comportamento modale delle ruote riguardo il
fenomeno della loro risonanza acustica:
ü La presenza di elementi di ammortizzazione interna;
ü L’irrigidimento ed aumento della massa delle ruote;
ü IL valore del modulo di Young del materiale usato.
2) Binario
- Per la problematica tipica delle rotaie a gola in uso nelle tranvie (contatto del bordino con la controrotaia) è presente con conseguente introduzione di una componente di rumore dovuta allo sfregamento del bordino sulla controrotaia.
3) Parametri ambientali
- Circostanze esterne, quali particolari combinazioni della temperatura e dell’umidità dell’aria, sono particolarmente favorevoli al manifestarsi dello stridore, ma non sono controllabili, mentre molto efficacemente sono controllabili l’umidità e la temperatura della testa delle rotaie con l’impiego, ad esempio di spruzzatori. Naturalmente dove le condizioni operative della linea lo consentano.
- Le irregolarità delle superfici del binario e del suo stato di manutenzione sono pure elementi importantissimi ai fini delle condizioni di innesco dello stridore.
La foto in fig. 8 mostra una situazione di reale degrado operativo che non richiede certo altro commento aggiuntivo sulle sue conseguenze in materia di innesco di stridori ed usure precoci dei diversi componenti dell’infrastruttura d’armamento.
La foto in fig. 8 mostra una situazione di reale degrado operativo che non richiede certo altro commento aggiuntivo sulle sue conseguenze in materia di innesco di stridori ed usure precoci dei diversi componenti dell’infrastruttura d’armamento.
Fig. 8
4) Misure di rumore e vibrazioni
5) Rilievo di parametri inerenti l’interazione del sistema ruota-rotaia
- Il coefficiente di attrito dinamico ruota-rotaia (acciaio-acciaio) può essere modificato con
l’applicazione di emulsioni contenenti un adeguato materiale di intermediazione (applicato con
i cosiddetti dispositivi ungi tavola in grado di produrre sulla testa della rotaia un sottile velo di
materiale) oppure con l’impiego di riporti di lega metallica applicati direttamente sulla testa
delle rotaie.
In definitiva l’insieme delle tabelle riportate nele fig.4, 6,7,9 e 10 costituiscono un possibile
“protocollo” di dati ed elementi descrittivi che opportunamente raccolti definiscono la
connotazione di un dato evento di squeal noise o di una situazione di studio che si vuole
approfondire.
Interventi di contrasto sullo stridore
La scelta dei possibili interventi di contrasto può essere fatta attualmente sulla base di un certo numero
di provvedimenti come elencati nella tabella di fig.11.
Nella stessa tabella i singoli provvedimenti sono giudicati con una serie di contrassegni (x), da zero a
quattro, in relazione alla loro capacità di rispondere ai seguenti requisiti:
-Efficacia comprovata nella eliminazione dello stridore;
-Applicabilità pratica alle diverse realtà impiantistiche ed ambientali;
-Ampiezza del guadagno di conoscenza ancora possibile con l’approfondimento degli studi e delle
esperienze nel settore;
-Esistenza di una connessione pratica tra prove effettuate su modelli e loro estensione alle situazioni
reali;
-Diffusione pratica del provvedimento sulle reti Europee;
-Esistenza di soluzioni ingegnerizzate già pronte all’uso;
-Efficacia dei provvedimenti sotto il profilo costi-benefici;
-Interesse del provvedimento in campo ferro-tranviario;
-Applicabilità del provvedimento nel settore ferro-tranviario
Nella fig 12 è mostrata l’installazione di un dispositivo per la
lubrificazione dei bordini in grado di emettere la sostanza lubrificante
al verificarsi dello squeal noise, che viene rilevato da opportuni
sensori di rumore disposti sul binario.
Un dispositivo di emissione del lubrificante si presta a situazioni in
sede dedicata non accessibile ad altre modalità di trasporto e non è
ipotizzabile nel centro di una città.
Per i centri urbani ci sono molte positive attese riguardo la
riprofilatura del binario in curva.
Un ulteriore progresso, che tuttavia andrebbe confortato da ricerche sperimentali in materia di modellistica e tribologia dei materiali, potrebbe essere conseguito implementando nella testa delle rotaie un riporto di adeguate leghe metalliche in grado di abbassare il coefficiente di attrito dinamico nella zona di contatto delle ruote con le rotaie vedi fig .15.
Fig. 15: In colore rosso sono indicati gli ipotizzati strati di riporto
in lega antifrizione. Per aggiornamento commerciale cliccare
in lega antifrizione. Per aggiornamento commerciale cliccare
Infatti in curva le ruote contrapposte tendono a disporsi come indicato in fig.13.
La riprofilatura del binario può realizzare la conformazione indicata in fig.14.
Come si può osservare la superficie di rotolamento delle ruote, interessata dal fenomeno del lateral
creep, è molto più ridotta e quindi diviene meno probabile l’innesco dello stick and slip loop e quindi
dello stridore.
Fig.12 Dispositivo di lubrificazione rotaia
Quanto sopra esposto mette in luce l’importanza di intervenire sia sulla riduzione del coefficiente di attrito dinamico µ che caratterizza il contatto ruota- rotaia (che dovrà essere mantenuto a valori inferiori a quello che genera la probabilità di innesco del fenomeno del stick-slip loop,), sia sulla riduzione della forza che la ruota del veicolo deve sviluppare per determinare lo scorrimento laterale senza impuntamento, che
equivale ancora a determinare una virtuale riduzione del coefficiente di attrito radente come si evince dalla relazione Fd = µd * P, ma anche a ricercare la più adatta conformazione dei carrelli, della geometria del rotabile e dei binari come si esporrà nel prosieguo.
Il tutto allo scopo già evidenziato di evitare il determinarsi della combinazione dei valori di µ e X che nel grafico di fig.2 determinano l’apice del grafico stesso.
A questo ultimo proposito è molto interessante per le considerazioni che seguiranno confrontare i valori che assume il coefficiente di attrito dinamico per le diverse tipologie di materiali in contatto e che sono mostrati nella tabella di fig.3.
Il coefficiente di attrito dinamico del contatto acciaio su acciaio si attesta sul valore di 0,57, che risulta il più elevato tra quelli mostrati nella tabella di fig.3 (fatta eccezione per la grande aderenza che presenta il contatto tra gomma ed asfalto, il cui coefficiente di attrito dinamico è µd=0,97 ).
Il tutto allo scopo già evidenziato di evitare il determinarsi della combinazione dei valori di µ e X che nel grafico di fig.2 determinano l’apice del grafico stesso.
A questo ultimo proposito è molto interessante per le considerazioni che seguiranno confrontare i valori che assume il coefficiente di attrito dinamico per le diverse tipologie di materiali in contatto e che sono mostrati nella tabella di fig.3.
Il coefficiente di attrito dinamico del contatto acciaio su acciaio si attesta sul valore di 0,57, che risulta il più elevato tra quelli mostrati nella tabella di fig.3 (fatta eccezione per la grande aderenza che presenta il contatto tra gomma ed asfalto, il cui coefficiente di attrito dinamico è µd=0,97 ).
Fig.16: Apparecchiatura per prove “full scale” sui carrelli ferroviari
In fig. 17 è mostrata la veduta aerea di un impianto in prossimità di Dusseldorf, realizzato sul sedime di un aeroporto dismesso, per l’esecuzione di prove, misurazioni, collaudi e ricerche direttamente in campo aperto, compatibile con la maggior parte dei sistemi ferroviari, metropolitani e tranviari presenti nel mondo. Naturalmente l’impianto è provvisto di alimentazione elettrica delle linee di contatto configurabile secondo le necessità.
Fig. 17
Renzo Emili
