高鐵上為什么沒有安全帶

(浙江省永康市第二中學，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，浙江 金華 321300)

本文通過對汽車安全帶和高鐵系統控制的分析，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

2011年7月23日浙江甬溫線發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次列車發生追尾，此次事故確認共有六節車廂脫軌，造成重大損失。其中一條帶有質問性質的報道開始引起人們的注意：“時速700公里的飛機有安全帶，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的特點，做出了兩方面的分析。

1 汽車安全帶

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

圖1

圖2

汽車安全帶的主要結構組成包括：織帶、卷收器、固定機構。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，它是安全帶中最復雜的機械件。固定機構包括帶扣、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構，正常情況下乘員可以在座椅上自由拉動織帶，但當織帶從卷收器連續拉出過程一旦停止或當車輛遇到緊急狀態時，棘輪機構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時，立即適當放松安全帶，避免因拉力過大而使人肋骨受傷。

圖3

安全帶在試驗中的受力分析：在GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》整車碰撞實驗中，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,車輛產生非常大的加速度，車上假人由于慣性,繼續往前移動，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。假設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。試驗假人其身體重量參數為：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，當汽車發生事故時，用雙臂撐住身體是做不到的，安全帶發揮了巨大的作用，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。

圖4

圖5

2 高鐵各系統的控制分析

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動，但事實上，高速列車的運動共有6個自由度，即縱向(x軸方向)、橫向(y軸方向)、垂向(z軸方向)的直線運動以及圍繞x,y,z三軸的旋轉運動(如圖6)。

當我們乘坐汽車加速或飛機起飛加速時，我們的身體會后傾，但乘坐高鐵時沒有出現這種情況，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格控制。有人會說:只要把加速度設計得小一些，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。可見不能單靠減小加速度來實現列車運行的平穩度(CRH380A動車組啟動加速度為0.55m/s2)。實際上，列車運行的平穩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數(單位:m/s3)，這個值越小，列車運行時就越平穩。

對縱向加加速度、加速度的嚴格控制交由高速列車的電機控制系統來完成，即對電機輸出轉矩進行精準控制，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格的控制。CRH380A型高速動車組以300km/h運行時，橫向最大加速度只有0.42m/s2，使我們乘坐高鐵時不會出現前傾后仰、左右劇烈晃動，具有很好的平穩性和舒適度。可見，對高速列車三維方向的加速度嚴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行時的控制，那萬一發生追尾怎么辦？這就交由列車的列控系統對信號的嚴格控制，來防止追尾事故的發生。列控系統比較復雜，簡單地理解，就是通過技術手段，把運行線路分成許多一定長度的“閉塞”區間，當某列列車進入某個“閉塞”區間，該區間就被占用，紅燈亮起，不允許其他列車進入該區間，綠燈時表示前方“閉塞”區間無車占用，可以進入該區間(如圖8)。

圖8

閉塞原則的實現需要有一定的技術手段，我國是采用軌道電路來實現控制的，以京廣高鐵的列控系統為例，全線等分為一個個2km長的“閉塞”區間，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 安全防撞座椅系統的控制

上面分析的第二個原因是列控系統和軌道電路正常工作時，那它們萬一不正常工作了，不就是要發生追尾了嗎？對，溫州7·23事故就是由于遭遇雷擊，導致信號故障而發生追尾的。這時高鐵上的安全防撞座椅就要發揮作用了，它是一張科技含量很高的座椅，當發生碰撞、人體向前撞擊時，座椅能及時發生“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？英國運輸研究室的理論研究和實際測試表明，當高速列車發生縱向碰撞時，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，更容易受到車廂結構坍塌所造成的傷害，因此歐洲鐵路安全權威人士得出結論：加裝安全帶弊大于利,這是不需要安全帶的第三個原因。