Treinen met lage instapvloeren

Een opvallende ontwikkeling sinds de eeuwwisseling in het openbaar vervoer is de invoering van treinen en trams met een verlaagde instapvloer. Dat is comfortabel, maar wat veel mensen niet weten is dat het ook gevolgen heeft voor geluid en trillingen. In dit artikel leggen we uit hoe dat komt.

Door de instapvloer op gelijke hoogte te brengen met het perron wordt het comfort van reizigers vergroot. Voor mindervaliden wordt de trein of tram een toegankelijker vervoermiddel. De nieuwe generatie Sprinters (SNG) van de NS is zelfs uitgerust met een uitschuifbare treeplank, zodat de toegankelijkheid voor mensen in rolstoelen nog verder verbeterd is.

In de dagelijkse praktijk zien we dat het verlagen van de instapvloeren ook voor geluid en trillingen gevolgen heeft. We gaan in op drie geluidsaspecten die in relatie staan tot het concept van lage instaptreinen, te weten polygonisatie van de wielen (“vierkante wielen”), kleinere wielen en toename van de bronhoogte van apparatuur op de trein.

In onderstaande figuren zijn de jaren van introductie van trams en treinen in Nederland afgezet tegen de hoogte van de instapvloer.Invoerjaar van tram- en treinmaterieel uitgezet tegen vloerhoogte

Polygonisatie

De laatste jaren zien we dat het invoeren van treinen en trams met lage instapvloeren tot problemen kan leiden op het gebied van trillingen en laag-frequent geluid. Vanwege de beperkte ruimte onder deze trams, zijn de traditionele draaistellen met een centraal scharnierpunt vervangen door truckstellen. Truckstellen hebben een flexibele ophanging die een rotatie van enkele graden mogelijk maakt en zijn bovendien voorzien van onafhankelijk draaiende wielen. Bij verschillende trams die gebruik maken van dit concept zien we problemen met polygonisatie. In onderstaande figuur is een meetresultaat te zien waarop polygonisatie uitvergroot is weergegeven. Polygonen zijn te zien als golfvormige slijtage van de omtrek van het wiel, waarbij het aantal golftoppen kan variëren en daarmee ook de frequentie van de trillingen die ze opwekken. Deze vorm van slijtage aan de tramwielen veroorzaakt sterke trillingen die voelbaar kunnen zijn in de woningen langs de spoorbaan en als zeer hinderlijk ervaren kunnen worden.
 

Gepolygoniseerd wiel, met meetresultaat

Er kunnen verschillende mechanismen ten grondslag liggen aan het slijtageproces. Er lopen in Europa verschillende onderzoekstrajecten naar dit fenomeen. Het probleem met polygonen is dat ze de neiging hebben zichzelf te verergeren, waardoor de slijtage snel toeneemt. Sterke polygonen zijn moeilijk volledig te verwijderen, waardoor de trillingsproblemen snel terugkomen. 

Een maatregel die wordt toegepast om polygonisatie te beheersen, is het periodiek meten van de mate van polygonisatie van de wielen en het onderhoud daarop af te stemmen. Door de ontwikkeling van polygonen te monitoren en ze in een vroeg stadium weg te nemen met een herprofilering van de wielen, keren ze minder snel weer terug.

Kleinere wieldiameter

Verlaagde instapvloeren gaan vaak gepaard met de toepassing van wielen met een kleinere diameter. Voor het rolgeluid heeft dat in principe een positief effect. Het bekendste effect is dat een kleiner wiel een kleiner oppervlak heeft dat geluid afstraalt en dus zal dit de geluidsbijdrage van het wiel afnemen. Maar er is nog een tweede effect dat te maken heeft met de verschuiving van de eigenfrequenties (de frequenties waarbij het wiel makkelijk geluid afstraalt). Bij een kleiner wiel verschuiven de eigenfrequenties naar een hogere waarde. Dit heeft als gevolg dat bij het rijden van het wiel over de rail er bij een kleiner wiel minder eigenfrequenties worden aangeslagen en dus zal het rolgeluid hierdoor afnemen. 
Een kleiner wiel is dus gunstig voor het geluid, maar het effect is wel beperkt. Dit komt omdat voertuigen met lage instapvloer vooral bij relatief lage snelheden rijden. Bij die snelheden levert de geluidsafstraling van het railsysteem een grotere bijdrage aan het totale geluid dan de geluidsafstraling van de wielen. Dus het verlagen van wielbijdrage levert maar een beperkte afname van het totale (wiel+rail) rolgeluid. 

Hoge geluidsbronnen

Het verlagen van de vloer van een trein, zorgt ervoor dat onder de vloer weinig ruimte beschikbaar is voor systemen. Bij trams hebben we gezien dat dit heeft geleid tot de introductie van truckstellen en bij treinen heeft het effect op de plaats van de hulpsystemen. In het verleden werden deze bronnen vooral laag in de trein gemonteerd tussen de draaistellen. We zien de laatste jaren de trend dat apparatuur zoals luchtbehandelingssystemen, airco's steeds meer hoog in de trein wordt geplaatst. Deze trend is ook bij het meest recente spoorwegmaterieel (Flirt en SNG) doorgezet naar statische omvormers en compressors, die langere tijd nog vooral onder de trein gelokaliseerd werden.

Hoge geluidsbronnen op Flirt

Op de eerste foto's van de Intercity Nieuwe Generatie, die momenteel getest wordt, is te zien dat ook hier ten minste een groot deel van de systemen boven op de trein is gelokaliseerd.

Voor het geluid van de treinen op het doorgaande spoornet is een hoge of lage plaatsing van deze bronnen niet relevant ten opzichte van het rolgeluid. Het geluidsvermogen van treinen rijdend op snelheid wordt vooral afgestraald door het spoor en de treinwielen en bij hogere snelheden treedt aerodynamisch geluid op.
De hoge geluidsbronnen zijn echter wel zeer relevant voor geluid op emplacementen. Deze plaatsen waar treinen worden opgesteld of service ontvangen, liggen veelal midden in steden, met woningen rondom. Door de groei van het treinvervoer in de afgelopen jaren en de verwachte groei voor het komende decennium is het geluid van treinen op emplacementen een blijvend aandachtspunt.
Het voordeel van lage bronnen zat voor geluid in verschillende zaken. Doordat het geluid dicht op het ballastbed werd uitgestraald, werd het relatief goed geabsorbeerd. Bovendien kon het geluid van lage bronnen makkelijker worden gereduceerd door het plaatsen van een geluidsscherm. Voor hoge bronnen dient een scherm 2 tot 3 meter hoger te worden. Dit is in een stedelijke omgeving ongewenst.
 
Hier staat tegenover dat uit onze geluidsmetingen blijkt dat nieuw materieel de afgelopen jaren stiller is geworden. 
 
Hierboven zijn de algemene trends beschreven die wij de afgelopen jaren hebben gezien. In de praktijk blijkt het zinvol te zijn per trein te bekijken hoe de verschillende componenten samenwerken en waar optimalisering mogelijk is.