EP4046154B1 - Schienenverkehrsweg und verfahren zur aktiven dämpfung akustischer schwingungen einer schiene für den schienenverkehr - Google Patents

Schienenverkehrsweg und verfahren zur aktiven dämpfung akustischer schwingungen einer schiene für den schienenverkehr Download PDF

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EP4046154B1
EP4046154B1 EP20788752.2A EP20788752A EP4046154B1 EP 4046154 B1 EP4046154 B1 EP 4046154B1 EP 20788752 A EP20788752 A EP 20788752A EP 4046154 B1 EP4046154 B1 EP 4046154B1
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EP
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rail
actuator
vibration
traffic path
carrier element
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Markus Müller
Joshua BURRELL
Alexander Hüsch
Marian Bochen
Luis DE JESUS
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Stabilus GmbH
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Stabilus GmbH
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Publication date
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    • E01B19/003—Means for reducing the development or propagation of noise
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G10K2210/1291—Anti-Vibration-Control, e.g. reducing vibrations in panels or beams

Definitions

  • the invention relates to a rail transport route with a system and a method for actively damping acoustic vibrations of a rail for rail transport.
  • the noise emission from train journeys is mainly determined by the rolling noise generated at the wheel-rail contact.
  • Rolling noise is generated when the wheels roll along the rail track.
  • the surface and structural irregularities of the rail and wheel surfaces caused by the material structure, wear and corrosion cause predominantly vertical excitations of the wheel sets and rails when rolling, causing them to vibrate, which is emitted as airborne sound into the surrounding air and as structure-borne sound to the substructure of the rails.
  • the passive systems mentioned can only reduce the released sound pressure level by up to 3 dB(A); overall, however, depending on the train speed, a sound pressure level of well over 60 dB(A) must be managed.
  • the patent specification EP 1 497 164 B1 describes a method for reducing the transmission of sound from rail vehicles.
  • At least one vibration sensor detects the disturbing vibrations generated and/or transmitted by a wheel set.
  • a device for frequency analysis of the signals from the at least one vibration sensor determines frequencies with the strongest harmonic excitations.
  • the residual vibrations that are transmitted to the car body are measured using an error sensor.
  • Control signals for at least one actuator are then generated taking into account the signals from the at least one error sensor. The at least one actuator minimizes the residual vibrations that are transmitted to the car body.
  • the patent specification DE 198 24 125 C1 discloses a method for actively suppressing chassis-related vibration excitations, in particular airborne sound excitations, in the passenger compartment of rail vehicles.
  • Vibration sensors are provided which detect vibrations of the intermediate frames or the car body above the primary springs.
  • Actuators are also provided with which compensating forces can be applied parallel to the primary springs assigned to a disc wheel.
  • a control device Depending on the vibrations, a control device generates control signals for the actuators which consist of frequency components with one or more integer multiples of a rotational frequency of the disc wheel. The control device sets the phases and amplitudes of the respective frequency components in such a way that the vibrations are minimized.
  • the patent application DE 198 42 345 A1 discloses a rail vehicle with a carriage body on which at least one vibration absorber device is provided for energy-efficient damping of vibrations of the carriage body, wherein the vibration frequency of the vibration absorber device is controlled depending on control signals from at least one vibration sensor assigned to the carriage body.
  • the vibration absorber device has a spring and damper element preferably designed as a hydropneumatic actuator.
  • a passive vibration absorber mass is coupled to the carriage body via the actuator.
  • the publication EP 0 456 499 A2 describes a method for reducing noise by counter-sound.
  • the publication EN 10 2006 028 740 A1 discloses a continuous elastic rail support.
  • the publication EN 10 2009 044 339 A1 describes a noise protection device for a track.
  • the publication EP 1 657 362 A1 discloses adapted vibration dampers for railway tracks.
  • the publication CN110144770A describes a self-adapting damping device for tracks based on RFID technology.
  • the publication JP 2014-111897 A discloses a damping device for damping vibrations caused by a passing train.
  • the publication DE 42 12 782 A1 describes a device for dampening the vibrations of rails.
  • the object of the invention is to create a cost-efficient system and method for effectively reducing noise emissions from rail traffic.
  • the invention relates to a rail transport route comprising at least one rail, in particular at least two rails, for rail transport, a substructure statically supporting the rail, a counterweight, wherein the counterweight is mechanically connected to the substructure and/or is fixed in place by the inertia of the counterweight, and a system for active damping acoustic vibrations of a rail for rail traffic, the system comprising at least one sensor at least for detecting an acoustic vertical vibration of the rail, at least one actuator at least for exciting a vertical counter-vibration of the rail and at least one control unit communicatively connected to the at least one sensor and the at least one actuator for controlling the at least one actuator depending on the vibration detected by the sensor.
  • acoustic vibration refers to a vibration with a frequency in the frequency range audible to humans from 20 Hz to 20 kHz, in particular in the frequency range of highest hearing sensitivity from 0.5 kHz to 10 kHz.
  • the at least one oscillation and the at least one counter-oscillation each comprise a, in particular time-dependent, oscillation spectrum or counter-oscillation spectrum, each with a plurality of mutually different frequencies and amplitudes.
  • the at least one vibration of the rail is caused, for example, by the rolling of the wheels of a rail vehicle on the rail and thus, together with vibrations of the wheels, forms the source of the wheel-rail noise of the rail vehicle.
  • the at least one sensor can comprise, for example, a piezoelectric sensor, magnetic induction sensor and/or micro-electromechanical sensor attached to the rail.
  • the system can comprise a sensor designed as an error sensor for measuring a residual vibration transmitted to a support element and/or a substructure of the rail during the superposition of the vibration with the counter-vibration. With the aid of the error sensor, the control unit can advantageously regulate the counter-vibration in a closed control loop.
  • the at least one sensor and the at least one actuator are designed at least to detect a vertical vibration or to excite a vertical counter-vibration, since wheel-rail noise is usually mainly caused by vertical vibrations of the wheel-rail system.
  • the at least one control unit preferably comprises a computer device, for example a system-on-chip, an embedded computer system, a programmable logic controller, a network client and/or a network server.
  • the at least one control unit can be communicatively connected to the at least one sensor and/or the at least one actuator in a wireless and/or wired manner.
  • the counter-vibration is designed to destructively interfere with the detected vibration. By superimposing the counter-vibration, the vibration of the rail is dampened according to the principle of active noise compensation and noise emissions from the rail are reduced.
  • the at least one actuator is mechanically coupled to the rail and to a counterweight that is stationary relative to a substructure of the rail.
  • the term "substructure" in the sense of the invention refers to the entirety of the structures that statically support the rail, in particular indirectly via a track bed. In addition to the spatial forms of the earth's body (e.g. level ground, embankment, cutting and cut), this also includes a series of artificial structures (e.g. retaining walls, wing and lining walls, bridges, overpass structures and culverts).
  • the counterweight is mechanically connected to the substructure and/or fixed in place by the inertia of the counterweight. Through the mechanical connection to the counterweight, the actuator can generate a counter-oscillation of the rail relative to the substructure.
  • the at least one actuator is coupled to the rail and dampens the vibration of the rail, the transmission of structure-borne noise from the rail to the substructure and its surroundings, for example to nearby buildings, is reduced.
  • the emission of airborne noise from the rail is also reduced, particularly if the substructure includes a bridge structure, which in turn can be excited to vibrate by structure-borne noise emitted by the rail.
  • An arrangement of at least one actuator on the rail has the advantage over a system that is fully integrated into a rail vehicle that, for effective noise reduction in particularly affected areas, it is sufficient to equip only the rail sections there with the system according to the invention. This results in lower costs than if all rail vehicles passing through the area had to be equipped with noise reduction systems.
  • the at least one actuator preferably comprises at least one piezoelectric actuator.
  • a piezoelectric actuator has the advantage that it is particularly low-maintenance and durable, which is particularly advantageous for an arrangement on the rail in order not to shorten the maintenance intervals of the rail, which are longer than those of rail vehicles.
  • the at least one actuator is preferably designed to excite a counter-oscillation of the rail in a suitable frequency range, amplitude range and power range to compensate for typical vibrations generated by the wheel-rail contact of rail vehicles.
  • the at least one actuator preferably comprises at least one stacked piezoelectric actuator.
  • the frequency range, amplitude range and/or power range of the actuator can be designed to be particularly suitable for exciting the counter-oscillation.
  • the frequency range, amplitude range and/or power range of the stacked actuator can be dynamically adapted to the detected vibration during operation of the system.
  • the counterweight comprises a supporting element that supports the rail. This means that a separate counterweight is not required, meaning that the system can be installed particularly cost-effectively and easily.
  • the supporting element comprises, for example, a railway sleeper, an element, in particular a base, of a so-called fixed track and/or an element of the substructure of the rail on which the rail is laid.
  • the at least one actuator preferably mechanically connects a bottom side of the rail to the support element.
  • a particularly efficient coupling to generate a vertical counter-oscillation is possible.
  • the rail rests directly on at least one actuator.
  • the system preferably comprises at least one support element arranged parallel to the at least one actuator with respect to a force transmission between the rail and the support element for static support of the rail.
  • the support element prevents the at least one actuator from being overloaded by a weight force of the rail and possibly a rail vehicle on it.
  • the support element can, for example, comprise a damping layer made of an elastomer, in particular a fiber-reinforced elastomer, such as is used, for example, as a sole or damping pad for railway sleepers.
  • the damping layer allows the rail to move as initiated by the actuator and, thanks to its finite compressibility, ensures a minimum distance between the rail and the support element in order to protect the actuator from overloading.
  • the damping layer reduces the transmission of a portion of the vibration of the rail that is not cancelled out by the counter vibration to the support element.
  • the damping layer allows the rail to be pre-tensioned onto the at least one actuator using fastening elements. Pre-tensioning is particularly advantageous for a piezoelectric actuator, since a piezoelectric actuator can generally exert a much higher force, for example ten times higher, in the compression direction than in the tension direction.
  • the pre-tensioning supports a movement of the rail in the tension direction of the actuator and counteracts a movement of the rail in the compression direction of the actuator.
  • a pressure reducing element is preferably arranged to reduce a pressure exerted by the actuator on the support element.
  • the pressure reducing element increases, for example, a contact surface of the actuator on the support element and thereby reduces the pressure.
  • the pressure reducing element reduces a mechanical load on the support element, for example due to local stress concentrations in the support element, and thereby increases its service life.
  • the pressure reducing element comprises, for example, a sleeve, for example made of a metal sheet, in which the at least one actuator is at least partially arranged in the support element.
  • the rail is preferably fastened to the support element with at least one fastening element.
  • the at least one fastening element comprises, for example, a fastening clamp for pressing the rail onto the support element and/or a superstructure W, superstructure K or superstructure KS known from track construction.
  • the at least one actuator is arranged in series with the fastening element with respect to a force transmission between the rail and the support element, and/or the actuator replaces the fastening element.
  • An arrangement of the at least one actuator on the fastening element or instead of the fastening element has the advantage of easier accessibility than an arrangement on the underside of the rail, which simplifies the installation and maintenance of the actuator and in particular retrofitting an existing rail with the actuator.
  • At least one damping element for damping a vibration transmission from the rail to the support element with respect to a force transmission between the rail and the support element is arranged in series with the fastening element, and/or the fastening element itself is designed, for example by a suitable shape and/or choice of material, to dampen a vibration transmission from the rail to the support element.
  • the damping element can, for example, comprise a damping layer made of an elastomer, in particular a fiber-reinforced elastomer, such as is used, for example, as a sole or damping pad for railway sleepers.
  • the damping layer reduces the transmission of a portion of the vibration of the rail that is not cancelled out by the counter-vibration to the support element.
  • the at least one actuator is arranged in series with the fastening element, preferably no damping element is arranged in series with the same fastening element and the fastening element itself is not designed to dampen vibrations in order not to dampen an excitation of the rail to the counter-vibration by the actuator.
  • the at least one sensor is preferably designed to detect a horizontal vibration of the rail transverse to a longitudinal axis of the rail, and the at least one actuator is preferably designed to excite a horizontal counter-vibration of the rail transverse to a longitudinal axis of the rail. This advantageously allows horizontal vibrations to be detected in addition to vertical vibrations. Vibrations of the rail transverse to the longitudinal axis of the rail are actively dampened in order to achieve comprehensive noise reduction, especially in a curve of the rail.
  • the at least one actuator preferably comprises at least a first actuator with a first axis of movement and a second actuator with a second axis of movement, wherein the first axis of movement and the second axis of movement are not aligned parallel to one another, preferably orthogonal to one another.
  • the at least one sensor preferably comprises at least a first sensor with a first measuring axis and a second sensor with a second measuring axis, wherein the first measuring axis and the second measuring axis are not aligned parallel to one another, preferably orthogonal to one another.
  • the two sensors, and possibly further sensors, can detect vibrations of the rail in different directions, in particular horizontally across the rail and vertically.
  • the system preferably comprises at least one energy supply unit for supplying the system with energy, wherein the energy supply unit comprises at least one energy generation element for local energy generation, preferably with a photovoltaic element and/or a piezoelectric element, and at least one energy storage device, for example an accumulator, for storing the energy generated with the energy generation element.
  • the energy supply unit comprises at least one energy generation element for local energy generation, preferably with a photovoltaic element and/or a piezoelectric element, and at least one energy storage device, for example an accumulator, for storing the energy generated with the energy generation element.
  • the power supply unit eliminates the need for a complex connection of the system to an external power supply, for example to a municipal power grid or a railway power grid.
  • the photovoltaic element can be arranged on a noise barrier, for example.
  • the piezoelectric element can be coupled to the rail, for example, to convert vibrations of the rail induced by a rail vehicle into electrical energy.
  • the system preferably comprises at least one transmission element for transmitting force between the at least one actuator and the rail, wherein the transmission element comprises a deflection element for deflecting an effective direction of the transmitted force, a gear element for translating the transmitted force and/or an overload protection device for limiting the transmitted force.
  • the transmission element comprises a deflection element for deflecting an effective direction of the transmitted force, a gear element for translating the transmitted force and/or an overload protection device for limiting the transmitted force.
  • the at least one actuator can act on the underside of the rail, for example, without having to be arranged directly under the rail. This protects the actuator from overload, for example due to the weight of the rail and a rail vehicle traveling on it, and makes it easier to access, for example for installation, maintenance and/or retrofitting.
  • An overload protection device such as a slip clutch, also protects the actuator from overload, for example due to the weight of the rail and a rail vehicle traveling on it.
  • the transmission element can be designed in particular for the mechanical coupling of several actuators, for example with different axes of movement, to the rail.
  • a particular advantage of the system is that it can be designed, for example by arranging the at least one actuator and the at least one sensor under the rail, in such a way that it does not hinder normal maintenance work on the rail, such as grinding down the top of the rail or replacing the rail. This is how the system differs from known systems for noise reduction, for example, in which sound absorbers are attached directly to the rail.
  • the support element comprises, for example, a railway sleeper for laying the rail on a ballast bed or an element, in particular a base, of a so-called fixed track for laying the rail.
  • the support element can in particular have features of standard railway sleepers or elements of the fixed track, for example with regard to shape, dimensions, material composition and/or fastening elements for the rail. This results in the advantage that the support element can be installed and removed quickly and inexpensively using standard devices and methods, in particular with an automated rail construction train.
  • the at least one actuator of the system is at least partially integrated into the support element and arranged under the rail in a recess of the support element.
  • other components of the system for example the at least one sensor, the at least one control unit, a supply unit and/or transmission element, can also be at least partially integrated into the support element.
  • the support element preferably comprises at least one inspection access for maintenance and/or for replacing the at least one actuator in an installed state of the support element supporting the rail.
  • the inspection access comprises, for example, a closable opening on an upper side of the support element next to the rail.
  • At least one actuator and, if necessary, other components of the system integrated into the support element can be maintained, replaced or retrofitted without having to dismantle the support element or the rail.
  • the support element can in particular initially be installed in a rail route without components of the system according to the invention in order to fulfil the function of a standard support element without significant additional costs. If necessary, a system according to the invention can then be retrofitted with little effort.
  • the support element can also, for example, initially be mounted with only one actuator to excite a vertical counter-vibration and later retrofitted with another actuator to excite a horizontal counter-vibration.
  • the system preferably comprises a number, in particular a plurality of sensors spaced apart along the rail, and a plurality of actuators spaced apart along the rail, wherein the number of sensors is preferably smaller than the plurality of actuators.
  • the number of sensors for detecting vibrations in the rail can be chosen to be smaller than the number of actuators for generating counter-vibrations without any significant loss in detection quality.
  • the vibrations detected by the sensors Vibrations can be evaluated by a single control unit or by several control units to control the actuators.
  • the counter-vibration can be calculated by the control unit from the detected vibration using methods known from the field of active noise compensation.
  • the detected vibration can be used by the control unit to detect the arrival of a train and preferably a train type of the arriving train.
  • the control unit can control the at least one actuator, for example to excite a general counter-oscillation, wherein the general counter-oscillation is designed to destructively interfere with a vibration of the rail generated by a train that normally runs on the rail in question.
  • a general counter-oscillation has the advantage that a counter-oscillation does not have to be calculated again for each arriving train, so that the control unit can be designed to be less powerful and more cost-effective.
  • the general counter-oscillation can be determined, for example, by a self-learning algorithm from previously detected vibrations.
  • the control unit controls the at least one actuator to excite a train-type-specific counter-oscillation as soon as the arrival of a train of a specific train type is detected.
  • the train type can be determined from the detected vibration and/or from an arrival time and a comparison with a train timetable.
  • the use of a train type-specific counter vibration is less computationally intensive than calculating the counter vibration from the detected vibration and generally allows for greater damping than a general counter vibration.
  • the train type-specific counter vibration can, for example, be determined by a self-learning algorithm from previously detected vibrations in connection with the associated train types.
  • the control unit can use at least one sensor of the system as an error sensor to measure a residual vibration that is transmitted to a support element and/or a substructure of the rail during the excitation of the counter-vibration.
  • the control unit controls the counter-vibration in a closed control loop such that the residual vibration is minimized.
  • a particular advantage of the invention is that it counteracts rail traffic noise where it is generated. This means that less space is needed for the construction of rail routes, as large noise barriers become superfluous.
  • a ban on trains at night can ideally be eliminated due to lower noise emissions, so that more trains can travel through noise-sensitive areas. Living near railway routes will result in lower Noise emissions much more attractive. This will increase the acceptance of rail transport as an efficient and environmentally friendly logistics system.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a rail transport route 300 according to the invention with a system 100 for actively damping acoustic vibrations of at least one rail 310 for rail transport.
  • a system 100 for actively damping acoustic vibrations of at least one rail 310 for rail transport In Figure 1
  • two parallel rails 310 of a track with two wheels R of a rail vehicle resting thereon are shown.
  • the system 100 comprises, for example, a sensor 110, for example a piezoelectric sensor, for detecting an acoustic vertical vibration of each rail 310, an actuator 120, for example a piezoelectric actuator, for exciting a vertical counter-vibration of the rail 310 and a control unit 130, for example a embedded computer system for controlling the actuators 120 depending on the vibrations detected by the sensors 110.
  • a sensor 110 for example a piezoelectric sensor
  • an actuator 120 for example a piezoelectric actuator, for exciting a vertical counter-vibration of the rail 310
  • a control unit 130 for example a embedded computer system for controlling the actuators 120 depending on the vibrations detected by the sensors 110.
  • the actuators 120 are mechanically coupled to the respective rail 310 and to a support element 200 supporting the rail 310, for example a railway sleeper, and mechanically connect, for example, an underside of the respective rail 310 to the support element 200.
  • the illustrated system 100 comprises a support element 150 arranged parallel to the actuator 120 with respect to a force transmission between the rail 310 and the support element 200 for the static support of the rail 310.
  • the support element 150 comprises, for example, a damping pad made of an elastomer, into which the respective actuator 120 can be integrated.
  • Figure 2 shows a further schematic representation of a rail transport route 300 according to the invention with a system 100.
  • a fastening element 220 for example a fastening clamp, which presses the rail 310 onto the support element 200, is also shown.
  • the fastening element 220 can in particular bring about a compressive preload on the actuator 120 arranged under the rail 310 in a support element 150, for example in a damping pad made of an elastomer.
  • the illustrated system 100 includes a pressure reducing element 160, for example a metal sleeve, which is arranged with respect to a force transmission between the actuator 120 and the support element 200 in order to limit a pressure exerted by the actuator 120 on the support element 200.
  • a pressure reducing element 160 for example a metal sleeve
  • the illustrated system 100 includes an error sensor 111 for measuring a residual vibration transmitted to the support element 200.
  • Figure 3 shows a further schematic representation of a rail traffic route 300 according to the invention with a system 100 for actively damping acoustic vibrations of at least one rail 310 for rail traffic.
  • the system 100 comprises, for example, a sensor 110, for example a piezoelectric sensor, for detecting an acoustic vertical vibration of the rail 310, an actuator 120, for example a piezoelectric actuator, for exciting a vertical counter-vibration of the rail 310 and a control unit 130, for example an embedded computer system, communicatively connected to the sensors 110 and the actuators 120 for controlling the actuator 120 depending on the vibration detected by the sensor 110.
  • the communicative connections are shown as dashed lines.
  • the actuator 120 is mechanically coupled to the rail 310 and to a support element 200 supporting the rail 310, for example a railway sleeper, and mechanically connects, for example, an underside of the rail 310 to the support element 200. These and the mechanical connections described below are shown as solid lines.
  • the illustrated system 100 comprises a support element 150 arranged parallel to the actuator 120 with respect to a force transmission between the rail 310 and the support element 200 for statically supporting the rail 310.
  • the support element 150 comprises, for example, a damping pad made of an elastomer, into which the actuator 120 can be integrated.
  • the rail 310 is preferably fastened to the support element 200 with at least one fastening element 220.
  • the at least one fastening element 220 comprises, for example, a superstructure W, superstructure K or superstructure KS known from track construction.
  • At least one damping element 155 for damping a vibration transmission from the rail 310 to the support element 200 with respect to a force transmission between the rail 310 and the support element 200 is arranged in series with the fastening element 220.
  • the damping element 155 can, for example, comprise a damping layer made of an elastomer, in particular a fiber-reinforced elastomer.
  • Figure 4 shows a further schematic representation of a rail transport route 300 according to the invention with a system 100.
  • the Figure 4 The system 100 shown differs from that shown in Figure 3 illustrated system 100 in that the actuator 110 does not touch the bottom of the Rail 310 is not mechanically connected to the support element 200, but is arranged in series with the fastening element 220 with respect to a force transmission between the rail 310 and the support element 200.
  • Figure 5 shows a schematic representation of a rail traffic route 300 according to the invention with at least one rail 310 and at least one system 100 for actively damping acoustic vibrations of the at least one rail 310.
  • the system 100 comprises a plurality of sensors 110 spaced apart from one another along the rail 310 (two sensors 110 shown as an example) and a plurality of actuators 120 spaced apart from one another along the rail 310 (three actuators 120 shown as an example), wherein the plurality of sensors 110 is smaller than the plurality of actuators 120.
  • the system 100 includes a control unit 130 communicatively connected to the sensors 110 and the actuators 120.
  • the communicative connections are shown as dashed lines.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Schienenverkehrsweg mit einem System und ein Verfahren zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen einer Schiene für den Schienenverkehr.
    • Stand der Technik
  • Viele Eisenbahnstrecken durchqueren lärmempfindliche Gebiete, beispielsweise Städte. Besonders in der Nacht, wenn viele Güterzüge unterwegs sind, kommt es zu einer erheblichen Lärmbelastung für die dort lebenden Menschen. Es wurde sogar festgestellt, dass der Schienenverkehrslärm medizinische Beschwerden verursacht.
  • Im für die meisten Zugfahrten relevanten Geschwindigkeitsbereich von etwa 40 km/h bis etwa 280 km/h wird die Geräuschemission von Zugfahrten hauptsächlich durch das am Rad-Schiene-Kontakt entstehende Rollgeräusch bestimmt. Rollgeräusche werden beim Abrollen der Räder auf dem Schienenfahrweg erzeugt. Die durch das Materialgefüge, Verschleiß und Korrosion bestimmte Oberflächen- und Strukturunregelmäßigkeiten der Schienen- und Radfahrflächen verursacht beim Abrollen überwiegend vertikale Anregungen der Radsätze und Schienen, welche diese zu Schwingungen anregen, die als Luftschall in die umgebende Luft und als Körperschall an den Unterbau der Schienen abgegeben werden.
  • Durch Schienenstöße, Herzstücke, Flachstellen sowie Auftragungen der Schienen kommt es zu weiteren impulshaften Geräuschen, die dem Rad-Schiene-System zuzuordnen sind.
  • Es gibt bereits einige passive Lösungsansätze auf dem Markt, wie z.B. Abdeckungen für die Schienen selbst, um die Übertragung von Luftschall zu reduzieren, oder Dämpfunterlagen unter Schienen oder Schwellen, um diese Teile vom Boden zu entkoppeln, um die Übertragung von Körperschall an den Unterbau der Schienen zu reduzieren. Außerdem gibt es auch Systeme, die in jedes Rad eines Eisenbahnwagens eingebaut werden, um Lärm verursachende Vibrationen an den Rädern selbst zu reduzieren.
  • Die genannten passiven Systeme können den freigesetzten Schalldruckpegel jedoch nur um bis zu 3 dB(A) reduzieren, insgesamt ist jedoch je nach Zuggeschwindigkeit ein Schalldruckpegel von weit über 60 dB(A) zu bewältigen.
  • Die Patentschrift EP 1 497 164 B1 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung der Schallübertragung von Schienenfahrzeugen. Dabei erfasst mindestens ein Schwingungssensor die störenden, durch einen Radsatz erzeugten und/oder übertragenen Schwingungen. Eine Vorrichtung zur Frequenzanalyse der Signale des mindestens einen Schwingungssensors ermittelt Frequenzen mit den stärksten harmonischen Anregungen. Die Restschwingungen, die auf den Wagenkasten übertragen werden, werden mittels eines Fehlersensors gemessen. Sodann werden Ansteuersignale für mindestens einen Aktuator unter Berücksichtigung der Signale des mindestens einen Fehlersensors generiert. Der mindestens eine Aktuator minimiert die Restschwingungen, die auf den Wagenkasten übertragen werden.
  • Die Patentschrift DE 198 24 125 C1 offenbart ein Verfahren zur aktiven Unterdrückung von fahrwerksbedingten Schwingungsanregungen, insbesondere von Luftschallanregungen, im Fahrgastraum von Schienenfahrzeugen. Dabei sind Schwingungssensoren vorgesehen, die Schwingungen der Zwischengestelle oder des Wagenkastens oberhalb der Primärfedern erfassen. Weiter sind Aktuatoren vorgesehen, mit denen Ausgleichskräfte parallel zu den jeweils einem Scheibenrad zugeordneten Primärfedern aufbringbar sind. Dabei erzeugt eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von den Schwingungen Ansteuersignale für die Aktuatoren, die aus Frequenzanteilen mit einem oder mehreren ganzzahligen Vielfachen einer Drehfrequenz des Scheibenrads bestehen. Dabei legt die Steuereinrichtung die Phasen und Amplituden der jeweiligen Frequenzanteile jeweils so fest, dass die Schwingungen minimiert werden.
  • Die Patentanmeldung DE 198 42 345 A1 offenbart ein Schienenfahrzeug mit einem Wagenaufbau, an dem mindestens eine Schwingungsabsorbereinrichtung zur energieeffizienten Dämpfung von Schwingungen des Wagenaufbaus vorgesehen ist, wobei die Schwingfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung abhängig von Steuersignalen wenigstens eines dem Wagenaufbau zugeordneten Schwingungssensors gesteuert ist. Die Schwingungsabsorbereinrichtung weist ein vorzugsweise als hydropneumatischer Aktuator ausgebildetes Feder- und Dämpferelement auf. Über den Aktuator ist eine passive Schwingungsabsorbermasse an den Wagenaufbau angekoppelt.
  • Die genannten Druckschriften beschreiben Systeme zur Dämpfung von Schwingungen, insbesondere akustischen Schwingungen, des Wagenaufbaus von Eisenbahnwagen, wodurch es zu einer verminderten Schallemission der Eisenbahnwagen kommt. Die Systeme sind allesamt vollständig in die Eisenbahnwagen integriert, sodass eine wirksame Lärmreduzierung nur dann erreicht wird, wenn alle ein lärmempfindliches Gebiet passierenden Eisenbahnwagen mit den genannten Systemen ausgestattet sind. Eine Ausrüstung ganzer Eisenbahnflotten mit den genannten Systemen würde erhebliche Kosten verursachen.
  • Die Druckschrift EP 0 456 499 A2 beschreibt ein Verfahren zur Lärmverminderung durch Gegenschall. Die Druckschrift DE 10 2006 028 740 A1 offenbart ein kontinuierliche elastische Schienenlagerung. Die Druckschrift DE 10 2009 044 339 A1 beschreibt eine Lärmschutzeinrichtung für einen Gleiskörper. Die Druckschrift EP 1 657 362 A1 offenbart angepasste Schwingungsdämpfer für Eisenbahnschienen. Die Druckschrift CN 110144770 A beschreibt eine sich selbst anpassende Dämpfungsvorrichtung für Gleise basierend auf RFID-Technologie. Die Druckschrift JP 2014-111897 A offenbart eine Dämpfungsvorrichtung, um durch einen vorbeifahrenden Zug verursachte Schwingungen zu dämpfen. Die Druckschrift DE 42 12 782 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Dämpfung der Schwingungen von Schienen.
    • Technische Aufgabe
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein kosteneffizientes System und Verfahren zur wirksamen Reduzierung von Lärmemissionen des Schienenverkehrs zu schaffen.
    • Technische Lösung
  • Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt einen Schienenverkehrsweg gemäß Anspruch 1 bereit, der die technische Aufgabe löst. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
    • Beschreibung der Ausführungsarten
  • Die Erfindung betrifft einen Schienenverkehrsweg, umfassend zumindest eine Schiene, insbesondere zumindest zwei Schienen, für den Schienenverkehr, einen die Schiene statisch unterstützenden Unterbau, ein Gegengewicht, wobei das Gegengewicht mit dem Unterbau mechanisch verbunden ist und/oder durch die Trägheit des Gegengewichts ortsfest fixiert ist, und ein System zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen einer Schiene für den Schienenverkehr, das System umfassend mindestens einen Sensor zumindest zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung der Schiene, mindestens einen Aktuator zumindest zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene und mindestens einer kommunikativ mit dem mindestens einen Sensor und dem mindestens einen Aktuator verbundenen Steuereinheit zur Steuerung des mindestens einen Aktuators abhängig von der durch den Sensor detektierten Schwingung.
  • Der Begriff "akustische Schwingung" bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Schwingung mit einer Frequenz im für Menschen hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, insbesondere im Frequenzbereich höchster Hörempfindlichkeit von 0,5 kHz bis 10 kHz.
  • Vorzugsweise umfassen die zumindest eine Schwingung und die zumindest eine Gegenschwingung jeweils ein, insbesondere zeitabhängiges, Schwingungsspektrum bzw. Gegenschwingungsspektrum mit jeweils einer Vielzahl voneinander unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden.
  • Die zumindest eine Schwingung der Schiene ist beispielsweise durch das Abrollen der Räder eines Schienenfahrzeugs auf der Schiene verursacht und bildet somit zusammen mit Schwingungen der Räder die Quelle für das Rad-Schiene-Geräusch des Schienenfahrzeugs.
  • Der mindestens eine Sensor kann beispielsweise einen an der Schiene angebrachten piezoelektrischen Sensor, magnetischen Induktionssensor und/oder mikro-elektromechanischen Sensor umfassen. Das System kann einen als Fehlersensor ausgestalteten Sensor zur Messung einer während der Überlagerung der Schwingung mit der Gegenschwingung an ein Tragelement und/oder einen Unterbau der Schiene übertragenen Restschwingung umfassen. Mit Hilfe des Fehlersensors kann die Steuereinheit die Gegenschwingung vorteilhafterweise in einem geschlossenen Regelkreis regeln.
  • Der mindestens eine Sensor und der mindestens eine Aktuator sind zumindest zur Detektion einer vertikalen Schwingung bzw. zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung ausgelegt, da Rad-Schiene-Geräusche in der Regel hauptsächlich von vertikalen Schwingungen des Rad-Schiene-Systems verursacht werden.
  • Die mindestens eine Steuereinheit umfasst vorzugsweise ein Computergerät, beispielsweise ein Ein-Chip-System, ein eingebettetes Computersystem, eine speicherprogrammierbare Steuerung, einen Netzwerk-Client und/oder einen Netzwerk-Server. Die mindestens eine Steuereinheit kann mit dem mindestens einen Sensor und/oder dem mindestens einen Aktuator kabellos und/oder kabelgebunden kommunikativ verbunden sein.
  • Die Gegenschwingung ist dazu eingerichtet, mit der detektierten Schwingung destruktiv zu interferieren. Durch eine Überlagerung mit der Gegenschwingung wird die Schwingung der Schiene somit nach dem Prinzip der aktiven Lärmkompensation gedämpft und eine Schallemission der Schiene verringert.
  • Der mindestens eine Aktuator ist mechanisch an die Schiene und an ein relativ zu einem Unterbau der Schiene ortsfestes Gegengewicht gekoppelt. Der Begriff "Unterbau" bezeichnet im Sinne der Erfindung die Gesamtheit der Konstruktionen, die die Schiene, insbesondere mittelbar über ein Gleisbett, statisch unterstützen. Dazu gehören neben den räumlichen Formen des Erdkörpers (z.B. Geländegleiche, Damm, Einschnitt und Anschnitt) auch eine Reihe von Kunstbauten (z. B. Stützmauern, Flügel- und Futtermauern, Brücken, Überführungsbauwerke und Durchlässe). Das Gegengewicht ist mit dem Unterbau mechanisch verbunden und/oder durch die Trägheit des Gegengewichts ortsfest fixiert. Durch die mechanische Verbindung mit dem Gegengewicht kann der Aktuator eine Gegenschwingung der Schiene relativ zu dem Unterbau erzeugen.
  • Dadurch, dass der mindestens eine Aktuator an die Schiene gekoppelt ist und die Schwingung der Schiene dämpft, wird insbesondere eine Übertragung von Körperschall von der Schiene an den Unterbau und an dessen Umgebung, beispielsweise an nahegelegene Gebäude, verringert. Außerdem wird auch eine Emission von Luftschall von der Schiene reduziert, insbesondere wenn der Unterbau ein Brückenbauwerk umfasst, das von durch die Schiene abgegebenen Körperschall seinerseits zu Schwingungen angeregt werden kann.
  • Eine Anordnung des mindestens einen Aktuators an der Schiene hat gegenüber einem vollständig in ein Schienenfahrzeug integrierten System den Vorteil, dass es für eine wirksame Lärmreduzierung in besonders betroffen Bereichen ausreicht, nur die dortigen Schienenabschnitte mit erfindungsgemäßen System auszustatten. Dadurch werden geringere Kosten verursacht, als wenn alle den Bereich passierenden Schienenfahrzeuge mit Systemen zur Lärmreduzierung ausgerüstet werden müssten.
  • Außerdem wäre, wenn die Schienenfahrzeuge von unterschiedlichen Betreibern betrieben werden, eine konzertierte Aktion aller Betreiber notwendig, um alle Schienenfahrzeuge mit Systemen zur Lärmreduzierung auszurüsten. Demgegenüber liegt die Verantwortung für den Schienenabschnitt in der Regel bei einem einzigen Schienennetzbetreiber, sodass eine Ausstattung des Abschnitts mit erfindungsgemäßen Systemen einfach umzusetzen ist, als eine Ausrüstung aller Schienenfahrzeuge mit Systemen zur Lärmreduzierung.
  • Der mindestens eine Aktuator umfasst vorzugsweise mindestens einen piezoelektrischen Aktuator. Ein piezoelektrischer Aktuator hat den Vorteil, dass er besonders wartungsarm und langlebig ist, was insbesondere für eine Anordnung an der Schiene vorteilhaft ist, um die im Verhältnis zu Schienenfahrzeugen längeren Wartungsintervalle der Schiene nicht zu verkürzen.
  • Der mindestens eine Aktuator ist vorzugsweise zur Anregung einer Gegenschwingung der Schiene in einem geeigneten Frequenzbereich, Amplitudenbereich und Leistungsbereich zur Kompensation typischer durch den Rad-Schiene-Kontakt von Schienenfahrzeugen erzeugten Schwingungen ausgelegt.
  • Der mindestens eine Aktuator umfasst vorzugsweise mindestens einen gestapelten piezoelektrischen Aktuator. Indem mehrere gleichartige oder verschiedenartige piezoelektrische Aktuatoren zu einem gestapelten piezoelektrischen Aktuator kombiniert werden, kann der Frequenzbereich, Amplitudenbereich und/oder Leistungsbereich des Aktuators für die Anregung der Gegenschwingung besonders geeignet ausgelegt werden.
  • Insbesondere kann durch eine variable Ansteuerung einzelner Aktuatoren eines gestapelten Aktuators der Frequenzbereich, Amplitudenbereich und/oder Leistungsbereich des gestapelten Aktuators im Betrieb des Systems dynamisch an die detektierte Schwingung angepasst werden.
  • Das Gegengewicht umfasst ein die Schiene tragendes Tragelement. Dadurch kann auf ein separates Gegengewicht verzichtet werden, sodass das System besonders kostengünstig und einfach installiert werden kann. Das Tragelement umfasst beispielsweise eine Bahnschwelle, ein Element, insbesondere einen Sockel, einer sogenannten festen Fahrbahn und/oder ein Element des Unterbaus der Schiene, worauf die Schiene verlegt ist.
  • Der mindestens eine Aktuator verbindet vorzugsweise eine Unterseite der Schiene mechanisch mit dem Tragelement. An der Unterseite der Schiene ist eine besonders effiziente Ankopplung zur Erzeugung einer vertikalen Gegenschwingung möglich. Im einfachsten Fall liegt die Schiene direkt auf dem mindestens einen Aktuator auf.
  • Das System umfasst vorzugsweise mindestens ein bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene und dem Tragelement parallel zu dem mindestens einen Aktuator angeordnetes, Stützelement zur statischen Unterstützung der Schiene. Das Stützelement verhindert, dass der mindestens eine Aktuator durch eine Gewichtskraft der Schiene und gegebenenfalls eines Schienenfahrzeugs darauf überlastet wird.
  • Das Stützelement kann beispielsweise eine Dämpfschicht aus einem, insbesondere faserverstärkten, Elastomer umfassen, wie sie beispielsweise als Besohlung oder Dämpfunterlage von Bahnschwellen verwendet wird. Die Dämpfschicht erlaubt eine von dem Aktuator angeregte Bewegung der Schiene und stellt durch eine endliche Kompressibilität einen minimalen Abstand zwischen der Schiene und dem Tragelement sicher, um den Aktuator vor einer Überlastung zu schützen.
  • Außerdem verringert die Dämpfschicht eine Übertragung eines durch die Gegenschwingung nicht ausgelöschten Anteils der Schwingung der Schiene an das Tragelement. Weiterhin erlaubt es die Dämpfschicht, die Schiene mit Hilfe von Befestigungselementen auf den mindestens einen Aktuator vorzuspannen. Eine Vorspannung ist insbesondere bei einem piezoelektrischen Aktuator von Vorteil, da ein piezoelektrischer Aktuator in der Regel eine wesentlich höhere, beispielsweise zehnmal höhere, Kraft in Druckrichtung als in Zugrichtung ausüben kann. Die Vorspannung unterstützt eine Bewegung der Schiene in Zugrichtung des Aktuators und wirkt einer Bewegung der Schiene in Druckrichtung des Aktuators entgegen.
  • Bezüglich einer Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Aktuator und dem Tragelement ist vorzugsweise ein Druckminderungselement zur Minderung eines von dem Aktuator auf das Tragelement ausgeübten Drucks angeordnet. Das Druckminderungselement erhöht beispielsweise eine Auflagefläche des Aktuators auf dem Tragelement und verringert dadurch den Druck. Das Druckminderungselement verringert eine mechanische Belastung des Tragelements, beispielsweise durch lokale Spannungskonzentrationen in dem Tragelement, und erhöht dadurch dessen Lebensdauer.
  • Das Druckminderungselement umfasst beispielsweise eine Hülse, zum Beispiel aus einem Metallblech, in der der mindestens eine Aktuator zumindest teilweise in dem Tragelement angeordnet ist.
  • Die Schiene ist vorzugsweise mit zumindest einem Befestigungselement an dem Tragelement befestigt. Das zumindest eine Befestigungselement umfasst beispielsweise eine Befestigungsklammer zum Anpressen der Schiene an das Tragelement und/oder einen aus dem Gleisbau bekannten Oberbau W, Oberbau K oder Oberbau KS.
  • Vorzugsweise ist der mindestens eine Aktuator bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene und dem Tragelement mit dem Befestigungselement in Reihe angeordnet, und/oder der Aktuator ersetzt das Befestigungselement. Eine Anordnung des mindestens einen Aktuators an dem Befestigungselement oder anstelle des Befestigungselements hat den Vorteil einer leichteren Zugänglichkeit als bei einer Anordnung an der Unterseite der Schiene, wodurch die Installation und Wartung des Aktuators und insbesondere eine Nachrüstung einer bestehenden Schiene mit dem Aktuator vereinfacht wird.
  • Vorzugsweise ist mindestens ein Dämpfelement zur Dämpfung einer Schwingungsübertragung von der Schiene auf das Tragelement bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene und dem Tragelement mit dem Befestigungselement in Reihe angeordnet, und/oder das Befestigungselement selbst ist, beispielsweise durch eine geeignete Form und/oder Materialwahl, zur Dämpfung einer Schwingungsübertragung von der Schiene auf das Tragelement ausgelegt.
  • Das Dämpfelement kann beispielsweise eine Dämpfschicht aus einem, insbesondere faserverstärkten, Elastomer umfassen, wie sie beispielsweise als Besohlung oder Dämpfunterlage von Bahnschwellen verwendet wird. Die Dämpfschicht verringert eine Übertragung eines durch die Gegenschwingung nicht ausgelöschten Anteils der Schwingung der Schiene an das Tragelement.
  • Wenn der mindestens eine Aktuator mit dem Befestigungselement in Reihe angeordnet ist, ist bevorzugt kein Dämpfelement mit dem gleichen Befestigungselement in Reihe angeordnet und das Befestigungselement selbst ist nicht schwingungsdämpfend ausgelegt, um eine Anregung der Schiene zu der Gegenschwingung durch den Aktuator nicht zu dämpfen.
  • Der mindestens eine Sensor ist vorzugsweise zur Detektion einer horizontalen Schwingung der Schiene quer zu einer Längsachse der Schiene ausgelegt, und der mindestens eine Aktuator ist vorzugsweise zur Anregung einer horizontalen Gegenschwingung der Schiene quer zu einer Längsachse der Schiene ausgelegt. Dadurch können vorteilhafterweise zusätzlich zu vertikalen auch horizontale Schwingungen der Schiene quer zur Längsachse der Schiene aktiv gedämpft werden, um eine umfassende Lärmreduzierung, insbesondere in einer Kurve der Schiene, zu erreichen.
  • Der mindestens eine Aktuator umfasst vorzugsweise zumindest einen ersten Aktuator mit einer ersten Bewegungsachse und einen zweiten Aktuator mit einer zweiten Bewegungsachse, wobei die erste Bewegungsachse und die zweite Bewegungsachse nicht parallel zueinander, bevorzugt orthogonal zueinander, ausgerichtet sind. Durch eine Überlagerung von Bewegungen der zwei Aktuatoren, und gegebenenfalls noch weiteren Aktuatoren, lassen sich Gegenschwingungen der Schiene in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere horizontal quer zur Schiene und vertikal, anregen. Die zwei oder mehr Aktuatoren können als gestapelter Aktuator zusammengefasst sein.
  • Der mindestens eine Sensor umfasst vorzugsweise zumindest einen ersten Sensor mit einer ersten Messachse und einen zweiten Sensor mit einer zweiten Messachse, wobei die erste Messachse und die zweite Messachse nicht parallel zueinander, bevorzugt orthogonal zueinander, ausgerichtet sind. Durch die zwei Sensoren, und gegebenenfalls noch weitere Sensoren, lassen sich Schwingungen der Schiene in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere horizontal quer zur Schiene und vertikal, detektieren.
  • Das System umfasst vorzugsweise mindestens eine Energieversorgungseinheit zur Versorgung des Systems mit Energie, wobei die Energieversorgungseinheit mindestens ein Energiegewinnungselement zur lokalen Energiegewinnung, bevorzugt mit einem Photovoltaikelement und/oder einem piezoelektrischen Element, und mindestens einen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator, zur Speicherung der mit dem Energiegewinnungselement gewonnenen Energie umfasst.
  • Durch die Energieversorgungseinheit kann ein aufwändiger Anschluss des Systems an eine externe Energieversorgung, beispielsweise an ein städtisches Stromnetz oder an ein Bahnstromnetz, entfallen.
  • Das Photovoltaikelement kann beispielsweise an einer Lärmschutzwand angeordnet sein. Das piezoelektrische Element kann beispielsweise zur Umwandlung von durch ein Schienenfahrzeug induzierten Schwingungen der Schiene in elektrische Energie an die Schiene gekoppelt sein.
  • Das System umfasst vorzugsweise mindestens ein Übertragungselement zur Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Aktuator und der Schiene, wobei das Übertragungselement ein Umlenkelement zur Umlenkung einer Wirkrichtung der übertragenen Kraft, eine Getriebeelement zur Übersetzung der übertragenen Kraft und/oder eine Überlastsicherung zur Begrenzung der übertragenen Kraft umfasst.
  • Mit Hilfe eines Umlenkelements, beispielsweise mit einem Hebelsystem und/oder einer Keilumlenkung, kann der mindestens eine Aktuator beispielsweise auf die Unterseite der Schiene wirken, ohne direkt unter der Schiene angeordnet sein zu müssen. Dadurch wird der Aktuator vor einer Überlastung, beispielsweise durch eine Gewichtskraft der Schiene und eines darauf fahrenden Schienenfahrzeugs, geschützt und ist leichter zugänglich, beispielsweise zur Installation, Wartung und/oder Nachrüstung.
  • Eine Überlastsicherung, beispielsweise eine Rutschkupplung, schützt den Aktuator ebenfalls vor einer Überlastung, beispielsweise durch eine Gewichtskraft der Schiene und eines darauf fahrenden Schienenfahrzeugs.
  • Das Übertragungselement kann insbesondere zur mechanischen Ankopplung mehrerer Aktuatoren, beispielsweise mit voneinander unterschiedlichen Bewegungsachsen, an die Schiene ausgelegt sein.
  • Ein besonderer Vorteil des Systems liegt darin, das es, beispielsweise durch eine Anordnung des zumindest einen Aktuators und des zumindest einen Sensors unter der Schiene, so ausgestaltet sein kann, dass es übliche Wartungsarbeiten an der Schiene, beispielsweise ein Abschleifen einer Oberseite der Schiene oder einen Austausch der Schiene, nicht behindert. Darin unterscheidet sich das System beispielsweise von bekannten Systemen zur Lärmreduzierung, bei denen Schallabsorber direkt an der Schiene angebracht werden.
  • Das Tragelement umfasst beispielsweise eine Bahnschwelle zur Verlegung der Schiene auf einem Schotterbett oder ein Element, insbesondere einen Sockel, einer sogenannten festen Fahrbahn zur Verlegung der Schiene. Das Tragelement kann insbesondere Merkmale fachüblicher Bahnschwellen oder Elemente der festen Fahrbahn, beispielsweise bezüglich Form, Maßen, Materialzusammensetzung und/oder Befestigungselementen für die Schiene, aufweisen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Tragelement mit fachüblichen Vorrichtungen und Verfahren, insbesondere mit einem automatisierten Schienenbauzug, schnell und kostengünstig eingebaut und ausgebaut werden kann.
  • Der mindestens eine Aktuator des Systems ist zumindest teilweise in das Tragelement integriert und unter der Schiene in einer Vertiefung des Tragelements angeordnet. Darüber hinaus können auch weitere Bestandteile des Systems, beispielsweise der mindestens eine Sensor, die mindestens eine Steuereinheit, eine Versorgungseinheit und/oder Übertragungselement, zumindest teilweise in das Tragelement integriert sein. Durch eine Integration oder zumindest Teil-Integration des Systems in das Tragelement kann das System besonders einfach und schnell zusammen mit dem Tragelement installiert werden.
  • Das Tragelement umfasst bevorzugt zumindest einen Revisionszugang zur Wartung und/oder zum Austausch des mindestens einen Aktuators in einem die Schiene tragenden Einbauzustand des Tragelements. Der Revisionszugang umfasst beispielsweise eine verschließbare Öffnung an einer Oberseite des Tragelements neben der Schiene.
  • Durch den Revisionszugang kann der zumindest eine Aktuator, und gegebenenfalls weitere in das Tragelement integrierte Bestandteile des Systems, gewartet, ausgetauscht oder nachgerüstet werden, ohne dafür das Tragelement oder die Schiene zu demontieren.
  • Das Tragelement kann insbesondere zunächst ohne Komponenten des erfindungsgemäßen Systems in einem Schienenverkehrsweg montiert werden, um dort ohne nennenswerte Mehrkosten die Funktion eines fachüblichen Tragelements zu erfüllen. Bei Bedarf kann dann ein erfindungsgemäßen System mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.
  • Das Tragelements kann auch beispielsweise zunächst mit nur einem Aktuator zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung montiert und später mit einem weiteren Aktuator zur Anregung einer horizontalen Gegenschwingung nachgerüstet werden.
  • Das System umfasst vorzugsweise eine Anzahl, insbesondere eine Mehrzahl von entlang der Schiene voneinander beabstandeten, Sensoren und eine Vielzahl von entlang der Schiene voneinander beabstandeter Aktuatoren, wobei die Anzahl der Sensoren bevorzugt kleiner als die Vielzahl der Aktuatoren ist.
  • Aufgrund der guten Schallleitung entlang der Schiene kann die Anzahl der Sensoren zur Detektion von Schwingungen der Schiene ohne nennenswerte Einbußen bei der Detektionsqualität geringer gewählt werden als die Vielzahl der Aktuatoren zur Erzeugung von Gegenschwingungen. Die von den Sensoren detektierten Schwingungen können von einer einzigen Steuereinheit oder auch von mehreren Steuereinheiten zur Steuerung der Aktuatoren ausgewertet werden.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene für den Schienenverkehr eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges, umfassend zumindest folgende von der mindestens einen Steuereinheit des Systems zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene des Schienenverkehrsweges ausgeführte Schritte:
    1. a) automatisches Detektieren zumindest einer vertikalen Schwingung der Schiene mit mindestens einem Sensor,
    2. b) automatisches Anregen zumindest einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene mit mindestens einem Aktuator,
    3. c) wobei die Gegenschwingung dazu eingerichtet ist, mit der detektierten Schwingung destruktiv zu interferieren, und
    4. d) wobei der mindestens eine Aktuator mechanisch an die Schiene und an ein die Schiene tragendes Tragelement gekoppelt ist.
  • Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zum erfindungsgemäßen System.
  • Die Gegenschwingung kann von der Steuereinheit mit aus dem Bereich der aktiven Lärmkompensation bekannten Verfahren aus der detektierten Schwingung berechnet werden. Alternativ kann die detektierte Schwingung von der Steuereinheit dazu verwendet werden, eine Ankunft eines Zuges und bevorzugt einen Zugtyp des ankommenden Zuges zu detektieren.
  • Sobald die Ankunft eines Zuges detektiert wurde, kann die Steuereinheit den zumindest einen Aktuator beispielsweise zur Anregung einer allgemeinen Gegenschwingung ansteuern, wobei die allgemeine Gegenschwingung dazu ausgelegt ist, mit einer von einem üblicherweise auf der betreffenden Schiene verkehrenden Zug erzeugten Schwingung der Schiene destruktiv zu interferieren. Die Verwendung einer allgemeinen Gegenschwingung hat den Vorteil, dass nicht für jeden ankommenden Zug erneut eine Gegenschwingung berechnet werden muss, sodass die Steuereinheit weniger leistungsstark und kostengünstiger ausgelegt sein kann. Die allgemeine Gegenschwingung kann beispielsweise durch einen selbstlernenden Algorithmus aus zuvor detektierten Schwingungen bestimmt werden.
  • Vorzugsweise steuert die Steuereinheit den zumindest einen Aktuator zur Anregung einer zugtypspezifischen Gegenschwingung an, sobald die Ankunft eines Zuges eines bestimmten Zugtyps detektiert wird. Der Zugtyp kann dabei aus der detektierten Schwingung und/oder aus einer Ankunftszeit und einem Abgleich mit einem Zugfahrplan ermittelt werden. Die Verwendung einer zugtypspezifischen Gegenschwingung ist weniger rechenintensiv als eine Berechnung der Gegenschwingung aus der detektierten Schwingung und erlaubt in der Regel eine stärkere Dämpfung als eine allgemeine Gegenschwingung. Die zugtypspezifische Gegenschwingung kann beispielsweise durch einen selbstlernenden Algorithmus aus zuvor detektierten Schwingungen in Verbindung mit den zugehörigen Zugtypen bestimmt werden.
  • Die Steuereinheit kann zumindest einen Sensor des Systems als Fehlersensor verwenden, um eine Restschwingung, die während des Anregens der Gegenschwingung an ein Tragelement und/oder einen Unterbau der Schiene übertragen wird, zu messen. Vorzugsweise regelt die Steuereinheit die Gegenschwingung in einem geschlossenen Regelkreis derart, dass die Restschwingung minimiert wird.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise zumindest folgende von der mindestens einen Steuereinheit ausgeführte Schritte:
    1. a) automatisches Detektieren zumindest einer horizontalen Schwingung der Schiene mit mindestens einem Sensor,
    2. b) automatisches Anregen zumindest einer horizontalen Gegenschwingung der Schiene mit dem mindestens einen Aktuator,
    3. c) wobei die Gegenschwingung dazu eingerichtet ist, mit der detektierten Schwingung destruktiv zu interferieren.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dem Schienenverkehrslärm dort entgegenzuwirken, wo er entsteht. Dadurch wird insbesondere weniger Platz für den Bau von Schienenverkehrswegen benötigt wird - da große Lärmschutzwände überflüssig werden.
  • Weniger Schwingungen in den Schienen können außerdem den Verschleiß von Rädern und Schienen verringern. Durch einen geringeren Verschleiß der Räder können Rad-Schiene-Geräusche auch auf Streckenabschnitten, die kein erfindungsgemäßes System umfassen, reduziert werden.
  • Ein Fahrverbot für Züge in der Nacht kann durch geringere Schallemissionen idealerweise entfallen, sodass mehr Züge durch lärmempfindliche Bereiche fahren können. Das Wohnen in der Nähe von Schienenverkehrswegen wird geringere Schallemissionen viel attraktiver. Dies wird die Akzeptanz des Schienenverkehrs als effizientes und umweltfreundliches Logistiksystem erhöhen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung und anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Gegenstände dargestellt sind. Merkmale, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Merkmale nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.
    • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges.
    • Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges.
    • Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges.
    • Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges.
    • Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrswegs.
    Fig.1
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges 300 mit einem System 100 zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen zumindest einer Schiene 310 für den Schienenverkehr. In Figur 1 sind beispielshaft zwei parallel verlaufende Schienen 310 eines Gleises mit zwei darauf aufliegenden Rädern R eines Schienenfahrzeugs dargestellt.
  • Das System 100 umfasst beispielsweise jeweils einen Sensor 110, beispielsweise einen piezoelektrischen Sensor, zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung jeder Schiene 310, jeweils einen Aktuator 120, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktuator, zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene 310 und eine kommunikativ mit den Sensoren 110 und den Aktuatoren 120 verbundene (Verbindungen nicht dargestellt) Steuereinheit 130, beispielsweise ein eingebettetes Computersystem, zur Steuerung der Aktuatoren 120 abhängig von den durch die Sensoren 110 detektierten Schwingungen.
  • Die Aktuatoren 120 sind mechanisch an die jeweilige Schiene 310 und an ein die Schiene 310 tragendes Tragelement 200, beispielsweise eine Bahnschwelle, gekoppelt und verbinden beispielsweise eine Unterseite der jeweiligen Schiene 310 mechanisch mit dem Tragelement 200.
  • Das dargestellte System 100 umfasst jeweils ein bezügliche einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 parallel zu dem Aktuator 120 angeordnetes Stützelement 150 zur statischen Unterstützung der Schiene 310.
  • Das Stützelement 150 umfasst beispielsweise eine Dämpfunterlage aus einem Elastomer, in die der jeweilige Aktuator 120 integriert sein kann.
    • Fig.2
  • Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges 300 mit einem System 100.
  • Im Unterschied zu Figur 1 ist in Figur 2 nur eine Schiene 310 mit jeweils einem daran angeordneten Sensor 110 und Aktuator 120 gezeigt.
  • Außerdem ist auch ein Befestigungselement 220, beispielsweise eine Befestigungsklammer, das die Schiene 310 auf das Tragelement 200 presst, dargestellt. Das Befestigungselement 220 kann insbesondere eine kompressive Vorspannung auf den unter der Schiene 310 in einem Stützelement 150, beispielsweise in einer Dämpfunterlage aus einem Elastomer, angeordneten Aktuator 120 bewirken.
  • Das dargestellte System 100 umfasst ein Druckminderungselement 160, beispielsweise eine Metallhülse, das bezüglich einer Kraftübertragung zwischen dem Aktuator 120 und dem Tragelement 200 angeordnet ist, um einen von dem Aktuator 120 auf das Tragelement 200 ausgeübten Druck zu begrenzen.
  • Das dargestellte System 100 umfasst einen Fehlersensor 111 zur Messung einer an das Tragelement 200 übertragenen Restschwingung.
    • Fig.3
  • Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges 300 mit einem System 100 zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen zumindest einer Schiene 310 für den Schienenverkehr.
  • Das System 100 umfasst beispielsweise einen Sensor 110, beispielsweise einen piezoelektrischen Sensor, zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung der Schiene 310, einen Aktuator 120, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktuator, zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene 310 und eine kommunikativ mit den Sensoren 110 und den Aktuatoren 120 verbundene Steuereinheit 130, beispielsweise ein eingebettetes Computersystem, zur Steuerung des Aktuators 120 abhängig von der durch den Sensor 110 detektierten Schwingung. Die kommunikativen Verbindungen sind als gestrichelte Linien dargestellt.
  • Der Aktuator 120 ist mechanisch an die Schiene 310 und an ein die Schiene 310 tragendes Tragelement 200, beispielsweise eine Bahnschwelle, gekoppelt und verbindet beispielsweise eine Unterseite der Schiene 310 mechanisch mit dem Tragelement 200. Diese und die im Folgenden beschriebenen mechanischen Verbindungen sind als durchgezogene Linien dargestellt.
  • Das dargestellte System 100 umfasst ein bezügliche einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 parallel zu dem Aktuator 120 angeordnetes Stützelement 150 zur statischen Unterstützung der Schiene 310.
  • Das Stützelement 150 umfasst beispielsweise eine Dämpfunterlage aus einem Elastomer, in die der Aktuator 120 integriert sein kann.
  • Die Schiene 310 ist vorzugsweise mit zumindest einem Befestigungselement 220 an dem Tragelement 200 befestigt. Das zumindest eine Befestigungselement 220 umfasst beispielsweise einen aus dem Gleisbau bekannten Oberbau W, Oberbau K oder Oberbau KS.
  • Vorzugsweise ist mindestens ein Dämpfelement 155 zur Dämpfung einer Schwingungsübertragung von der Schiene 310 auf das Tragelement 200 bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 mit dem Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet.
  • Das Dämpfelement 155 kann beispielsweise eine Dämpfschicht aus einem, insbesondere faserverstärkten, Elastomer umfassen.
    • Fig.4
  • Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrsweges 300 mit einem System 100.
  • Das in Figur 4 dargestellte System 100 unterscheidet sich von dem in Figur 3 dargestellten System 100 darin, dass der Aktuator 110 nicht die Unterseite der Schiene 310 mechanisch mit dem Tragelement 200 verbindet, sondern bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 mit dem Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß ist auch eine nicht dargestellte Kombination zumindest eines gemäß Figur 3 angeordneten Aktuators 110 mit zumindest einem gemäß Figur 4 angeordneten Aktuator 110 möglich.
  • Wenn ein Aktuator 110 mit dem Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet ist, ist bevorzugt kein Dämpfelement 155 mit dem gleichen Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet.
    • Fig.5
  • Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrswegs 300 mit zumindest einer Schiene 310 und mindestens einem System 100 zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der zumindest einen Schiene 310. Das System 100 umfasst eine Mehrzahl von entlang der Schiene 310 voneinander beabstandeter Sensoren 110 (exemplarisch zwei Sensoren 110 gezeigt) und eine Vielzahl von entlang der Schiene 310 voneinander beabstandeter Aktuatoren 120 (exemplarisch drei Aktuatoren 120 gezeigt), wobei die Mehrzahl der Sensoren 110 kleiner als die Vielzahl der Aktuatoren 120 ist.
  • Das System 100 umfasst eine kommunikativ mit den Sensoren 110 und den Aktuatoren 120 verbundene Steuereinheit 130. Die kommunikativen Verbindungen sind als gestrichelte Linien dargestellt.
  • Weitere Bestandteile des Systems 100 sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
    • Liste der Bezugszeichen
  • 100 System 200 Tragelement
    110 Sensor 220 Befestigungsmittel
    111 Fehlersensor 300 Schienenverkehrsweg
    120 Aktuator 310 Schiene
    130 Steuereinheit R Rad
    150 Stützelement
    155 Dämpfelement
    160 Druckminderungselement

Claims (13)

  1. Schienenverkehrsweg (300), umfassend eine Schiene (310) für den Schienenverkehr, einen die Schiene (310) statisch unterstützenden Unterbau, ein Gegengewicht, wobei das Gegengewicht mit dem Unterbau mechanisch verbunden ist und/oder durch die Trägheit des Gegengewichts ortsfest fixiert ist, und ein System (100) zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene (310), das System (100) umfassend
    a) mindestens einen Sensor (110) eingerichtet zumindest zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung der Schiene (310),
    b) mindestens einen Aktuator (120) eingerichtet zumindest zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene (310) und
    c) mindestens eine kommunikativ mit dem mindestens einen Sensor (110) und dem mindestens einen Aktuator (120) verbundene Steuereinheit (130) zur Steuerung des mindestens einen Aktuators (120) abhängig von der durch den Sensor (110) detektierten vertikalen Schwingung,
    d) wobei die Gegenschwingung dazu eingerichtet ist, mit der detektierten vertikalen Schwingung destruktiv zu interferieren, und
    e) wobei der mindestens eine Aktuator (120) mechanisch an die Schiene (310) und das Gegengewicht angekoppelt ist,
    f) wobei das Gegengewicht ein die Schiene (310) tragendes Tragelement (200) umfasst, und
    g) wobei der mindestens eine Aktuator (120) des Systems (100) zumindest teilweise in das die Schiene (310) tragende Tragelement (200) integriert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Aktuator (120) unter der Schiene (310) in einer Vertiefung des Tragelements (200) angeordnet ist.
  2. Schienenverkehrsweg (300) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Aktuator (120) mindestens einen piezoelektrischen Aktuator, bevorzugt mindestens einen gestapelten piezoelektrischen Aktuator, umfasst.
  3. Schienenverkehrsweg (300)nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Sensor (110) zur Detektion einer horizontalen Schwingung der Schiene (310) quer zu einer Längsachse der Schiene (310) ausgelegt ist.
  4. Schienenverkehrsweg (300)nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Aktuator (120) eine Unterseite der Schiene (310) mechanisch mit dem Tragelement (200) verbindet.
  5. Schienenverkehrsweg (300)nach Anspruch 4,
    gekennzeichnet durch
    mindestens ein bezügliche einer Kraftübertragung zwischen der Schiene (310) und dem Tragelement (200) parallel zu dem mindestens einen Aktuator (120) angeordnetes Stützelement (150) zur statischen Unterstützung der Schiene (310).
  6. Schienenverkehrsweg (300)nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bezüglich einer Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Aktuator (120) und dem Tragelement (200) ein Druckminderungselement (160) zur Minderung eines von dem Aktuator (120) auf das Tragelement (200) ausgeübten Drucks angeordnet ist.
  7. Schienenverkehrsweg (300)nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schiene (310) mit zumindest einem Befestigungselement (220) an dem Tragelement (200) befestigt ist, wobei der mindestens eine Aktuator (120) bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene (310) und dem Tragelement (200) mit dem Befestigungselement (220) in Reihe angeordnet ist.
  8. Schienenverkehrsweg (300)nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Aktuator (120) zumindest einen ersten Aktuator mit einer ersten Bewegungsachse und einen zweiten Aktuator mit einer zweiten Bewegungsachse umfasst, wobei die erste Bewegungsachse und die zweite Bewegungsachse nicht parallel zueinander, bevorzugt orthogonal zueinander, ausgerichtet sind.
  9. Schienenverkehrsweg (300)nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    gekennzeichnet durch
    mindestens ein Übertragungselement zur Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Aktuator (120) und der Schiene (310), wobei das Übertragungselement ein Umlenkelement zur Umlenkung einer Wirkrichtung der übertragenen Kraft, eine Getriebeelement zur Übersetzung der übertragenen Kraft und/oder eine Überlastsicherung zur Begrenzung der übertragenen Kraft umfasst.
  10. Schienenverkehrsweg (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Aktuator (120) zur Anregung einer horizontalen Gegenschwingung der Schiene (310) quer zu einer Längsachse der Schiene (310) ausgelegt ist.
  11. Schienenverkehrsweg (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Tragelement (200) zumindest einen Revisionszugang (210) zur Wartung und/oder zum Austausch des mindestens einen Aktuators (120) in einem die Schiene (310) tragenden Einbauzustand des Tragelements (200) umfasst.
  12. Schienenverkehrsweg (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das System (100) eine Anzahl von, bevorzugt eine Mehrzahl von entlang der Schiene (310) voneinander beabstandeten, Sensoren (110) und eine Vielzahl von entlang der Schiene (310) voneinander beabstandeten Aktuatoren (120) umfasst, wobei die Anzahl der Sensoren (110) bevorzugt kleiner als die Vielzahl der Aktuatoren (120) ist.
  13. Verfahren zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene (310) für den Schienenverkehr eines Schienenverkehrsweges (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend zumindest folgende von der mindestens einen Steuereinheit (130) des Systems (100) zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene (310) des Schienenverkehrsweges (300) ausgeführte Schritte:
    a) automatisches Detektieren zumindest einer vertikalen Schwingung der Schiene (310) mit dem mindestens einen Sensor (110) des Systems (100),
    b) automatisches Anregen zumindest einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene (310) mit dem mindestens einen Aktuator (120) des Systems (100),
    c) wobei die vertikale Gegenschwingung dazu eingerichtet ist, mit der detektierten vertikalen Schwingung destruktiv zu interferieren, und
    d) wobei der mindestens eine Aktuator (120) mechanisch an die Schiene (310) und an ein relativ zu einem Unterbau der Schiene (310) ortsfestes Gegengewicht gekoppelt ist.
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