(浙江省永康市第二中學(xué)，浙江 金華 321300)

高鐵上為什么沒有安全帶

徐恩

(浙江省永康市第二中學(xué)，浙江 金華 321300)

本文通過對汽車安全帶和高鐵系統(tǒng)控制的分析，解釋了“高鐵上為什么沒有安全帶”這一問題。

安全帶;高鐵；加速度；防撞系統(tǒng)

2011年7月23日浙江甬溫線發(fā)生重大鐵路交通事故，由北京南站開往福州站的D301次列車與杭州站開往福州南站的D3115次列車發(fā)生追尾，此次事故確認(rèn)共有六節(jié)車廂脫軌，造成重大損失。其中一條帶有質(zhì)問性質(zhì)的報道開始引起人們的注意：“時速700公里的飛機(jī)有安全帶，時速120公里的大巴有安全帶，為什么速度居中、時速350公里的高鐵上沒有安全帶？”這一問題引起了人們的熱烈討論：是為了減少高鐵成本，還是人們不愿系安全帶？如果有安全帶，這次事故會不會減少傷亡？為了回答這一問題，筆者對汽車安全帶和高鐵系統(tǒng)的特點(diǎn)，做出了兩方面的分析。

1 汽車安全帶

1955年飛機(jī)設(shè)計(jì)師尼爾斯到沃爾沃汽車公司工作以后發(fā)明了三點(diǎn)式安全帶(圖1)。1963年沃爾沃汽車公司開始把三點(diǎn)式汽車安全帶注冊，并在自產(chǎn)的汽車上裝配。汽車安全帶是為了在碰撞時對乘員進(jìn)行約束以及避免碰撞時乘員與方向盤及儀表板等發(fā)生二次碰撞或避免碰撞時沖出車外導(dǎo)致死傷的安全裝置。

圖1

圖2

汽車安全帶的主要結(jié)構(gòu)組成包括：織帶、卷收器、固定機(jī)構(gòu)。織帶用尼龍或聚酯等合成纖維織成，卷收器的作用是貯存織帶和鎖止織帶拉出，它是安全帶中最復(fù)雜的機(jī)械件。固定機(jī)構(gòu)包括帶扣、鎖舌、固定銷和固定座等(如圖2)。

汽車安全帶的工作原理是：安全帶要系在髖部和胸前，應(yīng)該橫跨在骨盆和胸腔之上形成一個水平放置的V字；卷收器里面是一個棘輪機(jī)構(gòu)，正常情況下乘員可以在座椅上自由拉動織帶，但當(dāng)織帶從卷收器連續(xù)拉出過程一旦停止或當(dāng)車輛遇到緊急狀態(tài)時，棘輪機(jī)構(gòu)就會作鎖緊動作將織帶自動鎖死，阻止織帶拉出。待沖擊力峰值過去或人已受到氣囊的保護(hù)時，立即適當(dāng)放松安全帶，避免因拉力過大而使人肋骨受傷。

圖3

安全帶在試驗(yàn)中的受力分析：在GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》整車碰撞實(shí)驗(yàn)中，安全帶總承受力分析簡化如圖3，車輛在碰撞過程中，由于受到碰撞壁障的作用力,車輛產(chǎn)生非常大的加速度，車上假人由于慣性,繼續(xù)往前移動，此時，安全帶鎖止，約束住假人。假人所受到的外力為：肩帶作用力、腰帶作用力和座椅摩擦力，由于座椅摩擦力相對較小，可以忽略不計(jì)。假設(shè)假人對安全帶肩帶和腰帶的作用力分別為F1和F2，假人的最大加速度為a,質(zhì)量為m,作用在安全帶上總的力為F，則有：F=F1+F2=ma,例如在某次碰撞試驗(yàn)中，安全帶張力曲線和假人加速度曲線分別如圖4、圖5所示。試驗(yàn)假人其身體重量參數(shù)為：上軀干重量為m1=27.54kg,下軀干重量為m2=34.47kg，由圖6知：胸部最大加速度a1=49.08g,骨盤最大加速度a2=49.22g,胸部對安全帶最大作用力F1=m1×a1=27.54×49.08×9.8N=13246.30N；骨盤對安全帶腰帶的最大作用力F2=m2×a2=34.47×49.22×9.8N=16626.81N,F=F1+F2=29873.11N。而普通成年人的臂力在300N～600N之間，可見，當(dāng)汽車發(fā)生事故時，用雙臂撐住身體是做不到的，安全帶發(fā)揮了巨大的作用，降低了乘員的生命危險，但安全帶不保證乘員100%生命安全，只是大大降低了危險傷害系數(shù)。

圖4

圖5

2 高鐵各系統(tǒng)的控制分析

2.1 對高速列車加速度的控制

圖6

從宏觀上看，高速列車只是向前運(yùn)動，但事實(shí)上，高速列車的運(yùn)動共有6個自由度，即縱向(x軸方向)、橫向(y軸方向)、垂向(z軸方向)的直線運(yùn)動以及圍繞x,y,z三軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(如圖6)。

當(dāng)我們乘坐汽車加速或飛機(jī)起飛加速時，我們的身體會后傾，但乘坐高鐵時沒有出現(xiàn)這種情況，甚至有人把一支香煙立在座椅的小桌板上，即使列車從零加速到300km/h，香煙一直挺立在那里，為什么？這就是對列車縱向加速度的嚴(yán)格控制。有人會說:只要把加速度設(shè)計(jì)得小一些，身體的后傾程度不就小了嗎？不全對，加速度值太小，則會影響列車加減速時間，例如加速度值為0.1m/s2，則加速到300km/h，大概需要約14min?？梢姴荒軉慰繙p小加速度來實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的平穩(wěn)度(CRH380A動車組啟動加速度為0.55m/s2)。實(shí)際上，列車運(yùn)行的平穩(wěn)度不是取決于加速度的值，而是取決于加加速度，即加速度對時間的導(dǎo)數(shù)(單位:m/s3)，這個值越小，列車運(yùn)行時就越平穩(wěn)。

對縱向加加速度、加速度的嚴(yán)格控制交由高速列車的電機(jī)控制系統(tǒng)來完成，即對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精準(zhǔn)控制，如CRH380A動車組的加加速度要求必須小于0.75m/s3。

同理，高速列車橫向、垂向振動的加速度也有嚴(yán)格控制，這主要交由兩條鋼軌來控制，高速鐵路采用長鋼軌且是無砟軌道，對軌道的平順度有嚴(yán)格的控制。CRH380A型高速動車組以300km/h運(yùn)行時，橫向最大加速度只有0.42m/s2，使我們乘坐高鐵時不會出現(xiàn)前傾后仰、左右劇烈晃動，具有很好的平穩(wěn)性和舒適度?？梢?，對高速列車三維方向的加速度嚴(yán)格控制是不需要安全帶的第一個原因。

2.2 對追尾的控制

上面分析的第一個原因是列車安全運(yùn)行時的控制，那萬一發(fā)生追尾怎么辦？這就交由列車的列控系統(tǒng)對信號的嚴(yán)格控制，來防止追尾事故的發(fā)生。列控系統(tǒng)比較復(fù)雜，簡單地理解，就是通過技術(shù)手段，把運(yùn)行線路分成許多一定長度的“閉塞”區(qū)間，當(dāng)某列列車進(jìn)入某個“閉塞”區(qū)間，該區(qū)間就被占用，紅燈亮起，不允許其他列車進(jìn)入該區(qū)間，綠燈時表示前方“閉塞”區(qū)間無車占用，可以進(jìn)入該區(qū)間(如圖8)。

圖8

閉塞原則的實(shí)現(xiàn)需要有一定的技術(shù)手段，我國是采用軌道電路來實(shí)現(xiàn)控制的，以京廣高鐵的列控系統(tǒng)為例，全線等分為一個個2km長的“閉塞”區(qū)間，使后方車輛“知道”前方車輛的距離大于2km，這就使車輛的安全性得到保障；通過以上分析，由高速列車的列控系統(tǒng)和軌道電路控制的閉塞原則來防止追尾是不需要安全帶的第二個原因。

2.3 安全防撞座椅系統(tǒng)的控制

上面分析的第二個原因是列控系統(tǒng)和軌道電路正常工作時，那它們?nèi)f一不正常工作了，不就是要發(fā)生追尾了嗎？對，溫州7·23事故就是由于遭遇雷擊，導(dǎo)致信號故障而發(fā)生追尾的。這時高鐵上的安全防撞座椅就要發(fā)揮作用了，它是一張科技含量很高的座椅，當(dāng)發(fā)生碰撞、人體向前撞擊時，座椅能及時發(fā)生“潰散”變形，吸收撞擊的能量，減少身體傷害。那又有人會說，這么好的座椅再加上一條安全帶不就更安全了嗎？英國運(yùn)輸研究室的理論研究和實(shí)際測試表明，當(dāng)高速列車發(fā)生縱向碰撞時，雖然少部分乘客因安全帶的固定作用避免了被甩出車外的危險，但更多的乘客卻因此失去逃生的空間，更容易受到車廂結(jié)構(gòu)坍塌所造成的傷害，因此歐洲鐵路安全權(quán)威人士得出結(jié)論：加裝安全帶弊大于利,這是不需要安全帶的第三個原因。