關于高速軌道交通系統安全性的探討【摘 要】 通過分析高速輪軌鐵路交通事故,得出發生脫軌的可能性是評價軌道交通系統安全性的主要依據的結論;然后通過分析比較輪軌系統和磁浮系統在構造上和技術上防止脫軌的各種措施,得出磁浮系統的安全性高于輪軌系統的結論。 【關鍵詞】 高速軌道交通系統; 安全性; 輪軌系統; 磁浮系統; 脫軌 當今世界,隨著社會經濟的發展,人們勞動生產率提高,對出行的效率的要求也就隨之提高,因此我們熱切的追求運輸速度的提高;加上科學技術的高度發展,高速軌道交通就應運而生了。 高速軌道交通系統分為兩大體系:一是高速輪軌鐵路系統,以日本的新干線、法國的TGV系統、德國的ICE系統等為代表;另一是高速磁懸浮鐵路系統,以德國的TR系統(常導)和日本的MLX系統(超導)為代表。(由于德國的TR系統技術較為成熟,且目前世界上唯一一條商業運營的磁浮鐵路———我國上海高速磁浮鐵路客運專線就是采用的這一系統,因此本文只考慮磁浮系統中的德國TR系統。) 安全是旅行的必要條件,安全性是旅客選擇交通工具時考慮的重要因素,而且隨著經濟的發展,人民生活水平的提高,旅客越來越重視出行的安全性了。也就是說,某一種交通系統的安全性將在很大程度上決定了這一系統能吸引客流量的多少,影響著這一系統的市場占有率。 由于各種交通工具的技術特點和運營條件不同,其安全程度也有差異。現在的有關研究中用單位旅客周轉量的傷亡人數指標來定量的描述安全性的。根據多年的統計資料,高速輪軌鐵路的事故死傷率為0.018人/億人公里,低于高速公路的19.200人/億人公里和航空的0. 140人/億人公里;而對于高速磁浮鐵路,由于至今在世界范圍內仍缺乏商業運營經驗,故暫時沒有這方面的統計資料。本文旨在從對輪軌鐵路交通事故進行調查分析入手,找出引發事故并導致嚴重人員傷亡的主要原因,然后通過對比分析輪軌和磁浮這兩種系統在構造和技術上防止這一現象發生的各種措施來比較這兩種系統的安全性。1高速輪軌鐵路交通事故的調查分析 通過媒體搜集到近十年內傷亡比較嚴重的國外輪軌鐵路交通事故案例: (1)1998年6月3日,德國鐵路一列高速列車在從慕尼黑駛往漢堡途中的埃舍德水鎮脫軌,撞塌一座公路大橋,造成100多人死亡,這是德國近20年來最嚴重的一起鐵路交通事故。(新聞來源:新華社) (2)當地時間2004年12月14日下午,印度北部旁遮普邦發生兩列火車迎頭相撞事故。約50人在事故中喪生,另有150人受傷。(新聞來源:新華網) (3)印尼東爪哇杰姆波爾地區2004年5月26日凌晨3點15分發生一起火車與客車相撞的惡性事故,造成7人死亡、21人受傷。此次事故的所有傷亡人員均為客車司乘人員。據目擊者稱,當時這輛巴士正在穿越一個鐵路道口,而一列火車恰好迎面而來與之相撞。據當地警方透露,此次事故完全是人為造成的,因為當時道口看守沒有按規定及時放下路口的欄桿。(新聞來源:國際在線) 通過對上述3例傷亡嚴重的輪軌鐵路交通事故的分析,可根據事故原因將它們分為三類:第一類,列車在運行中自動脫軌而造成的事故。這類事故一般是列車在運行中由于系統內部(軌道和車輛)的某種原因導致列車脫軌造成事故,可稱之為內因型事故;第二類,列車在運行中與軌道上的另外一列列車相撞(追尾或迎頭相撞)而造成的事故。這類事故一般是由于行車指揮工作人員的過錯而造成的,屬于人為事故;第三類,列車在運行過程中與穿越軌道的其他車輛相撞而造成的事故。這類事故一般是由于鐵路與其他道路平交路口缺少必要的管理人員或者管理人員玩忽職守而造成的,也屬于人為事故;且這類事故的傷亡人員絕大多數甚至全部是穿越軌道的車輛上的司乘人員,對列車上的乘客傷害則很小。第二類和第三類事故可統稱為外因型事故。對于外因型事故,由于它是人為因素造成的,通過加強對行車指揮人員的管理、嚴格工作紀律、增強工作人員的安全意識與責任感、在鐵路與其他道路的交叉路口安排必要的管理人員及設置警示標志等措施,在很大程度上是可以避免的;而對于內因型事故,它是由輪軌系統內部因素造成的,只要采用這一交通系統,其構造特點、技術特點和運營條件就決定了會有一定的概率發生列車在運行中的自行脫軌,從而導致這一類事故的發生。也就是說,這類事故的起因即運行中自行脫軌由系統本身的特性所決定,在某種意義上說是無法避免的。綜上,我們可以得出結論,脫軌(指運行中的自行脫軌,下同)是高速輪軌系統最大的安全隱患,發生脫軌的可能性應該是評價其安全性的主要依據。由于同屬于高速軌道交通系統,這一結論也適用于高速磁浮系統。故可通過比較兩種系統對脫軌的各種防范措施來比較兩種系統的安全性。2 輪軌系統對脫軌的各種防范措施分析2.1脫軌原因分析 通常車輛脫軌不是由單一因素,而是由多種因素的不利組合造成的。2.1.1軌道狀態 (1)外軌超高設置不當,未被平衡的超高導致車輪輪重的增減載; (2)軌道順坡、三角坑、不均勻支承等會使車體產生扭曲,從而引起各車輪輪重的增減載和加劇橫向搖擺; （3)軌道橫向不平順、小半徑曲線、道岔以及軌縫等局部不平順都可能引起較大的橫向力。2.1.2 車輛狀態 (1)車輛裝載不均衡,旅客或貨物偏載影響各車輪輪重的分配。空車比重車容易脫軌; (2)不同運行速度對車輛脫軌有不同影響,當車輪通過曲線時低速運行比高速運行容易脫軌; (3)反向運行即機車推進時,車輛之間的車鉤作用力是壓縮力,使前后轉向架側向力增大,同時有可能使車輛向上撅起,使其輪重減載; (4)風力對脫軌安全性也是不利的。 綜上所述,引起車輛脫軌的原因很多,而從脫軌時受力分析的角度來看,影響車輛脫軌的因素可分為兩大類:一類是使輪重減小的;一類是使輪軌之間的橫向力加大的。應從這兩個方面有針對性的采取相應措施予以防止。2.2 輪軌系統在構造上防止脫軌的分析 輪軌鐵路是用兩股鋼軌直接支承機車車輛的車輪,并引導其前進的。車輪與鋼軌接觸的面稱為踏面;為防止車輪脫軌,踏面內側制成凸緣稱之為輪緣;鋼軌與車輪接觸的部分稱之為軌頭,軌頭的外形是由不同半徑的復曲線所組成;再加上輪對的寬度略小于軌距,這樣輪對就被限制在兩股鋼軌之間,由鋼軌引導前進(如圖1所示)。
基于以上構造原理,當列車高速運行時,如果由于某種原因產生較大的橫向力,使機車車輛發生劇烈橫向擺動時,就很容易發生脫軌現象;另一方面,輪對是靠重力作用才置于鋼軌之上的,如果由于某種原因使得某一個車輪增減載,則兩個車輪輪重大小不同,則輪重較輕的那一個車輪傾向于向上翹起,當達到一定的程度時,就會發生脫軌現象。2.3輪軌系統在技術上防止脫軌的分析 輪軌系統在技術上防止脫軌主要表現在曲線地段外軌超高的設置和最小曲線半徑的取值上。2.3.1外軌超高 當列車在曲線上行駛時,由于慣性離心力的作用,將機車車輛推向外股鋼軌,加大了外股鋼軌的壓力,因此需要把曲線地段外軌適當抬高,使列車的自身重力產生一個向心的水平分力,以抵消慣性離心力,避免列車脫軌,提高線路的安全性。超高的計算公式如下:h=7.6V2max/R 式中:h為所需的外軌超高度;Vmax為該段線路的最大行車速度;R為曲線半徑。 據此,如果列車行駛速度V超出了設計的最大行車速度Vmax,則線路設置超高h后所提供的向心力就不足以抵消慣性離心力(欠超高);當超速達一定的程度,欠超高超過了允許值,則發生脫軌現象。2.3.2最小曲線半徑 脫軌系數(輪軌間橫向作用力Q與垂向力P的比值)是避免列車脫軌的重要控制指標,在高速輪軌鐵路中,采用Q/P≤0.8。而在列車高速運行條件下,輪軌鐵路的曲線半徑對脫軌系數的影響很顯著。因此,脫軌系數就制約著線路所允許的最小曲線半徑的取值。也就是說,最小曲線半徑的取值必須滿足脫軌系數Q/P≤0.8。 高速鐵路最小曲線半徑的計算公式為: Vmax為該段線路的最大行車速度;[h+hp]為實設超高(h)與欠超高(hp)之和的允許值。 據此,當列車超速行駛(V>Vmax)或者外軌超高由于磨損或設置不當而使[h+hp]變小時,Rmin的值就會變大;這樣,列車行駛在小曲線上時就容易不滿足脫軌系數Q/P≤0.8,而導致列車脫軌。3 磁浮系統對脫軌的各種防范措施分析3.1磁浮系統在構造上防止脫軌的分析 磁浮鐵路系統(德國的TR系統)在構造上采取了避免脫軌的措施:列車環保線路,幾乎排除了列車脫軌的可能性(如圖2所示)。除非當車體遭到嚴重破壞至潰散的程度,車體才有可能從軌道上脫落,而一般的橫向力或者撞擊是不會導致其脫軌的。可見,從構造上看,TR系統發生脫軌的可能性很小。3.2磁浮系統在技術上防止脫軌的分析 TR系統在技術上采取了能夠最大限度的保障行車安全的可靠性很強的設計,防止脫軌的措施主要體現在車輛系統和運行控制系統兩個方面。3.2.1 車輛系統 (1)磁浮轉向架(懸浮架)。磁浮列車每節車廂設有四個懸浮架,每個懸浮架在車體兩側的底部各安裝一個懸浮與推進電磁鐵(如圖2所示);相鄰兩個懸浮架之間也在每側有一個懸浮與推進電磁鐵相連,即車輛兩側由懸浮與推進電磁鐵首尾相接布滿全車,這樣,當有若干個電磁鐵失效時剩余的大部分電磁鐵仍能提供足夠的懸浮力保證列車安全運行。另外,每個電磁鐵的兩端分別有兩個獨立的控制點,如果一個控制點發生故障,另一個仍能控制該電磁鐵繼續工作;這樣,采用了電氣冗余設計,大大提高了系統的可靠性。 導向與制動電磁鐵的安裝設計與懸浮與推進電磁鐵相類似,個別電磁鐵出現故障不會導致列車運行事故。 (2)二次懸掛系統。二次懸掛系統設置了擺桿結構,擺桿與懸浮架相連,可以同時產生側向和縱向運動,這就保證了列車運行在曲線上時,懸浮架相對于車廂可以有側向運動自由度。當列車運行中遇到側向風力或者存在未被平衡的離心加速度時,車廂將產生測滾運動。為了衰減車輛的測滾運動,車廂與磁浮轉向架設計了防測滾穩定器,通過液壓裝置減輕車廂的測滾效應。 (3)電氣設備。列車在運行中,電磁鐵與軌道之間的懸浮間隙控制在8～10mm。間隙信息是通過間隙傳感器反饋到車載控制系統,由控制系統自動作出調整。每個電磁鐵由兩套獨立的控制電路進行控制;每套控制電路又設置兩個間隙測量單元。如果一個間隙傳感器失效,相鄰的控制電路仍能反饋間隙信號。這就保證了列車運行中懸浮間隙的穩定性。3.2.2 運行控制系統 運行控制系統指揮協調整個磁浮列車系統的運行,類似于人體的大腦和神經系統。它包括所有用于安全保護、控制、執行和計劃的設備,還包括用于設備之間相互通訊的設備。它采用了檢測技術、有線和無線通訊技術、數據處理技術和自動控制技術等,保證了磁浮列車高速安全地運行,并能根據運行中車輛、線路的狀況,隨時調整運行計劃,迅速處理運行中的各種突發事件,大大減小發生事故的可能性。4 結束語 通過以上對比分析輪軌系統和磁浮系統在構造上和技術上防止脫軌的各種措施,可以得出結論:磁浮系統發生脫軌的可能性更小,較輪軌系統具有更好的安全性。由于至今在世界范圍內仍沒有長大干線高速磁懸浮鐵路的商業運營經驗,故本文只能從理論上進行一些分析,而且本人水平有限,有不當之處,望專家學者們指正。參考文獻[1] 劉萬明.高速鐵路主要技術經濟問題研究[M].成都:西南交通大學出版社,2003.[2] 陳應先.高速鐵路線路與車站設計[M].北京:中國鐵道出版社,2001.[3] 郝瀛.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.
基于以上構造原理,當列車高速運行時,如果由于某種原因產生較大的橫向力,使機車車輛發生劇烈橫向擺動時,就很容易發生脫軌現象;另一方面,輪對是靠重力作用才置于鋼軌之上的,如果由于某種原因使得某一個車輪增減載,則兩個車輪輪重大小不同,則輪重較輕的那一個車輪傾向于向上翹起,當達到一定的程度時,就會發生脫軌現象。2.3輪軌系統在技術上防止脫軌的分析 輪軌系統在技術上防止脫軌主要表現在曲線地段外軌超高的設置和最小曲線半徑的取值上。2.3.1外軌超高 當列車在曲線上行駛時,由于慣性離心力的作用,將機車車輛推向外股鋼軌,加大了外股鋼軌的壓力,因此需要把曲線地段外軌適當抬高,使列車的自身重力產生一個向心的水平分力,以抵消慣性離心力,避免列車脫軌,提高線路的安全性。超高的計算公式如下:h=7.6V2max/R 式中:h為所需的外軌超高度;Vmax為該段線路的最大行車速度;R為曲線半徑。 據此,如果列車行駛速度V超出了設計的最大行車速度Vmax,則線路設置超高h后所提供的向心力就不足以抵消慣性離心力(欠超高);當超速達一定的程度,欠超高超過了允許值,則發生脫軌現象。2.3.2最小曲線半徑 脫軌系數(輪軌間橫向作用力Q與垂向力P的比值)是避免列車脫軌的重要控制指標,在高速輪軌鐵路中,采用Q/P≤0.8。而在列車高速運行條件下,輪軌鐵路的曲線半徑對脫軌系數的影響很顯著。因此,脫軌系數就制約著線路所允許的最小曲線半徑的取值。也就是說,最小曲線半徑的取值必須滿足脫軌系數Q/P≤0.8。 高速鐵路最小曲線半徑的計算公式為: Vmax為該段線路的最大行車速度;[h+hp]為實設超高(h)與欠超高(hp)之和的允許值。 據此,當列車超速行駛(V>Vmax)或者外軌超高由于磨損或設置不當而使[h+hp]變小時,Rmin的值就會變大;這樣,列車行駛在小曲線上時就容易不滿足脫軌系數Q/P≤0.8,而導致列車脫軌。3 磁浮系統對脫軌的各種防范措施分析3.1磁浮系統在構造上防止脫軌的分析 磁浮鐵路系統(德國的TR系統)在構造上采取了避免脫軌的措施:列車環保線路,幾乎排除了列車脫軌的可能性(如圖2所示)。除非當車體遭到嚴重破壞至潰散的程度,車體才有可能從軌道上脫落,而一般的橫向力或者撞擊是不會導致其脫軌的。可見,從構造上看,TR系統發生脫軌的可能性很小。3.2磁浮系統在技術上防止脫軌的分析 TR系統在技術上采取了能夠最大限度的保障行車安全的可靠性很強的設計,防止脫軌的措施主要體現在車輛系統和運行控制系統兩個方面。3.2.1 車輛系統 (1)磁浮轉向架(懸浮架)。磁浮列車每節車廂設有四個懸浮架,每個懸浮架在車體兩側的底部各安裝一個懸浮與推進電磁鐵(如圖2所示);相鄰兩個懸浮架之間也在每側有一個懸浮與推進電磁鐵相連,即車輛兩側由懸浮與推進電磁鐵首尾相接布滿全車,這樣,當有若干個電磁鐵失效時剩余的大部分電磁鐵仍能提供足夠的懸浮力保證列車安全運行。另外,每個電磁鐵的兩端分別有兩個獨立的控制點,如果一個控制點發生故障,另一個仍能控制該電磁鐵繼續工作;這樣,采用了電氣冗余設計,大大提高了系統的可靠性。 導向與制動電磁鐵的安裝設計與懸浮與推進電磁鐵相類似,個別電磁鐵出現故障不會導致列車運行事故。 (2)二次懸掛系統。二次懸掛系統設置了擺桿結構,擺桿與懸浮架相連,可以同時產生側向和縱向運動,這就保證了列車運行在曲線上時,懸浮架相對于車廂可以有側向運動自由度。當列車運行中遇到側向風力或者存在未被平衡的離心加速度時,車廂將產生測滾運動。為了衰減車輛的測滾運動,車廂與磁浮轉向架設計了防測滾穩定器,通過液壓裝置減輕車廂的測滾效應。 (3)電氣設備。列車在運行中,電磁鐵與軌道之間的懸浮間隙控制在8～10mm。間隙信息是通過間隙傳感器反饋到車載控制系統,由控制系統自動作出調整。每個電磁鐵由兩套獨立的控制電路進行控制;每套控制電路又設置兩個間隙測量單元。如果一個間隙傳感器失效,相鄰的控制電路仍能反饋間隙信號。這就保證了列車運行中懸浮間隙的穩定性。3.2.2 運行控制系統 運行控制系統指揮協調整個磁浮列車系統的運行,類似于人體的大腦和神經系統。它包括所有用于安全保護、控制、執行和計劃的設備,還包括用于設備之間相互通訊的設備。它采用了檢測技術、有線和無線通訊技術、數據處理技術和自動控制技術等,保證了磁浮列車高速安全地運行,并能根據運行中車輛、線路的狀況,隨時調整運行計劃,迅速處理運行中的各種突發事件,大大減小發生事故的可能性。4 結束語 通過以上對比分析輪軌系統和磁浮系統在構造上和技術上防止脫軌的各種措施,可以得出結論:磁浮系統發生脫軌的可能性更小,較輪軌系統具有更好的安全性。由于至今在世界范圍內仍沒有長大干線高速磁懸浮鐵路的商業運營經驗,故本文只能從理論上進行一些分析,而且本人水平有限,有不當之處,望專家學者們指正。參考文獻[1] 劉萬明.高速鐵路主要技術經濟問題研究[M].成都:西南交通大學出版社,2003.[2] 陳應先.高速鐵路線路與車站設計[M].北京:中國鐵道出版社,2001.[3] 郝瀛.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.
