(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(bào)道開始引起人們的注意:“時(shí)速700公里的飛機(jī)有安全帶,時(shí)速120公里的大巴有安全帶,為什么速度居中、時(shí)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(huì)不會(huì)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。
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(shí)對乘員進(jìn)行約束以及避免碰撞時(shí)乘員與方向盤及儀表板等發(fā)生二次碰撞或避免碰撞時(shí)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(gè)水平放置的V字;卷收器里面是一個(gè)棘輪機(jī)構(gòu),正常情況下乘員可以在座椅上自由拉動(dòng)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(shí),棘輪機(jī)構(gòu)就會(huì)作鎖緊動(dòng)作將織帶自動(dòng)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(shí),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(dòng),此時(shí),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(shí),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(xiǎn),但安全帶不保證乘員100%生命安全,只是大大降低了危險(xiǎn)傷害系數(shù)。
圖4
圖5
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(dòng),但事實(shí)上,高速列車的運(yùn)動(dòng)共有6個(gè)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(dòng)以及圍繞x,y,z三軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如圖6)。
當(dāng)我們乘坐汽車加速或飛機(jī)起飛加速時(shí),我們的身體會(huì)后傾,但乘坐高鐵時(shí)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(huì)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(huì)影響列車加減速時(shí)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(dòng)車組啟動(dòng)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(shí)間的導(dǎo)數(shù)(單位:m/s3),這個(gè)值越小,列車運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)車組以300km/h運(yùn)行時(shí),橫向最大加速度只有0.42m/s2,使我們乘坐高鐵時(shí)不會(huì)出現(xiàn)前傾后仰、左右劇烈晃動(dòng),具有很好的平穩(wěn)性和舒適度。可見,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(gè)原因。
2.2 對追尾的控制
上面分析的第一個(gè)原因是列車安全運(yùn)行時(shí)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(hào)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(gè)“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(shí)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(gè)個(gè)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(gè)原因。
2.3 安全防撞座椅系統(tǒng)的控制
上面分析的第二個(gè)原因是列控系統(tǒng)和軌道電路正常工作時(shí),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(hào)故障而發(fā)生追尾的。這時(shí)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(shí),座椅能及時(shí)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(huì)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(shí),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(xiǎn),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(gè)原因。