(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。

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(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 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(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。