关于高速轨道交通系统安全性的探讨【摘 要】 通过分析高速轮轨铁路交通事故,得出发生脱轨的可能性是评价轨道交通系统安全性的主要依据的结论;然后通过分析比较轮轨系统和磁浮系统在构造上和技术上防止脱轨的各种措施,得出磁浮系统的安全性高于轮轨系统的结论。 【关键词】 高速轨道交通系统; 安全性; 轮轨系统; 磁浮系统; 脱轨 当今世界,随着社会经济的发展,人们劳动生产率提高,对出行的效率的要求也就随之提高,因此我们热切的追求运输速度的提高;加上科学技术的高度发展,高速轨道交通就应运而生了。 高速轨道交通系统分为两大体系:一是高速轮轨铁路系统,以日本的新干线、法国的TGV系统、德国的ICE系统等为代表;另一是高速磁悬浮铁路系统,以德国的TR系统(常导)和日本的MLX系统(超导)为代表。(由于德国的TR系统技术较为成熟,且目前世界上唯一一条商业运营的磁浮铁路———我国上海高速磁浮铁路客运专线就是采用的这一系统,因此本文只考虑磁浮系统中的德国TR系统。) 安全是旅行的必要条件,安全性是旅客选择交通工具时考虑的重要因素,而且随着经济的发展,人民生活水平的提高,旅客越来越重视出行的安全性了。也就是说,某一种交通系统的安全性将在很大程度上决定了这一系统能吸引客流量的多少,影响着这一系统的市场占有率。 由于各种交通工具的技术特点和运营条件不同,其安全程度也有差异。现在的有关研究中用单位旅客周转量的伤亡人数指标来定量的描述安全性的。根据多年的统计资料,高速轮轨铁路的事故死伤率为0.018人/亿人公里,低于高速公路的19.200人/亿人公里和航空的0. 140人/亿人公里;而对于高速磁浮铁路,由于至今在世界范围内仍缺乏商业运营经验,故暂时没有这方面的统计资料。本文旨在从对轮轨铁路交通事故进行调查分析入手,找出引发事故并导致严重人员伤亡的主要原因,然后通过对比分析轮轨和磁浮这两种系统在构造和技术上防止这一现象发生的各种措施来比较这两种系统的安全性。1高速轮轨铁路交通事故的调查分析 通过媒体搜集到近十年内伤亡比较严重的国外轮轨铁路交通事故案例: (1)1998年6月3日,德国铁路一列高速列车在从慕尼黑驶往汉堡途中的埃舍德水镇脱轨,撞塌一座公路大桥,造成100多人死亡,这是德国近20年来最严重的一起铁路交通事故。(新闻来源:新华社) (2)当地时间2004年12月14日下午,印度北部旁遮普邦发生两列火车迎头相撞事故。约50人在事故中丧生,另有150人受伤。(新闻来源:新华网) (3)印尼东爪哇杰姆波尔地区2004年5月26日凌晨3点15分发生一起火车与客车相撞的恶性事故,造成7人死亡、21人受伤。此次事故的所有伤亡人员均为客车司乘人员。据目击者称,当时这辆巴士正在穿越一个铁路道口,而一列火车恰好迎面而来与之相撞。据当地警方透露,此次事故完全是人为造成的,因为当时道口看守没有按规定及时放下路口的栏杆。(新闻来源:国际在线) 通过对上述3例伤亡严重的轮轨铁路交通事故的分析,可根据事故原因将它们分为三类:第一类,列车在运行中自动脱轨而造成的事故。这类事故一般是列车在运行中由于系统内部(轨道和车辆)的某种原因导致列车脱轨造成事故,可称之为内因型事故;第二类,列车在运行中与轨道上的另外一列列车相撞(追尾或迎头相撞)而造成的事故。这类事故一般是由于行车指挥工作人员的过错而造成的,属于人为事故;第三类,列车在运行过程中与穿越轨道的其他车辆相撞而造成的事故。这类事故一般是由于铁路与其他道路平交路口缺少必要的管理人员或者管理人员玩忽职守而造成的,也属于人为事故;且这类事故的伤亡人员绝大多数甚至全部是穿越轨道的车辆上的司乘人员,对列车上的乘客伤害则很小。第二类和第三类事故可统称为外因型事故。对于外因型事故,由于它是人为因素造成的,通过加强对行车指挥人员的管理、严格工作纪律、增强工作人员的安全意识与责任感、在铁路与其他道路的交叉路口安排必要的管理人员及设置警示标志等措施,在很大程度上是可以避免的;而对于内因型事故,它是由轮轨系统内部因素造成的,只要采用这一交通系统,其构造特点、技术特点和运营条件就决定了会有一定的概率发生列车在运行中的自行脱轨,从而导致这一类事故的发生。也就是说,这类事故的起因即运行中自行脱轨由系统本身的特性所决定,在某种意义上说是无法避免的。综上,我们可以得出结论,脱轨(指运行中的自行脱轨,下同)是高速轮轨系统最大的安全隐患,发生脱轨的可能性应该是评价其安全性的主要依据。由于同属于高速轨道交通系统,这一结论也适用于高速磁浮系统。故可通过比较两种系统对脱轨的各种防范措施来比较两种系统的安全性。2 轮轨系统对脱轨的各种防范措施分析2.1脱轨原因分析 通常车辆脱轨不是由单一因素,而是由多种因素的不利组合造成的。2.1.1轨道状态 (1)外轨超高设置不当,未被平衡的超高导致车轮轮重的增减载; (2)轨道顺坡、三角坑、不均匀支承等会使车体产生扭曲,从而引起各车轮轮重的增减载和加剧横向摇摆; （3)轨道横向不平顺、小半径曲线、道岔以及轨缝等局部不平顺都可能引起较大的横向力。2.1.2 车辆状态 (1)车辆装载不均衡,旅客或货物偏载影响各车轮轮重的分配。空车比重车容易脱轨; (2)不同运行速度对车辆脱轨有不同影响,当车轮通过曲线时低速运行比高速运行容易脱轨; (3)反向运行即机车推进时,车辆之间的车钩作用力是压缩力,使前后转向架侧向力增大,同时有可能使车辆向上撅起,使其轮重减载; (4)风力对脱轨安全性也是不利的。 综上所述,引起车辆脱轨的原因很多,而从脱轨时受力分析的角度来看,影响车辆脱轨的因素可分为两大类:一类是使轮重减小的;一类是使轮轨之间的横向力加大的。应从这两个方面有针对性的采取相应措施予以防止。2.2 轮轨系统在构造上防止脱轨的分析 轮轨铁路是用两股钢轨直接支承机车车辆的车轮,并引导其前进的。车轮与钢轨接触的面称为踏面;为防止车轮脱轨,踏面内侧制成凸缘称之为轮缘;钢轨与车轮接触的部分称之为轨头,轨头的外形是由不同半径的复曲线所组成;再加上轮对的宽度略小于轨距,这样轮对就被限制在两股钢轨之间,由钢轨引导前进(如图1所示)。
基于以上构造原理,当列车高速运行时,如果由于某种原因产生较大的横向力,使机车车辆发生剧烈横向摆动时,就很容易发生脱轨现象;另一方面,轮对是靠重力作用才置于钢轨之上的,如果由于某种原因使得某一个车轮增减载,则两个车轮轮重大小不同,则轮重较轻的那一个车轮倾向于向上翘起,当达到一定的程度时,就会发生脱轨现象。2.3轮轨系统在技术上防止脱轨的分析 轮轨系统在技术上防止脱轨主要表现在曲线地段外轨超高的设置和最小曲线半径的取值上。2.3.1外轨超高 当列车在曲线上行驶时,由于惯性离心力的作用,将机车车辆推向外股钢轨,加大了外股钢轨的压力,因此需要把曲线地段外轨适当抬高,使列车的自身重力产生一个向心的水平分力,以抵消惯性离心力,避免列车脱轨,提高线路的安全性。超高的计算公式如下:h=7.6V2max/R 式中:h为所需的外轨超高度;Vmax为该段线路的最大行车速度;R为曲线半径。 据此,如果列车行驶速度V超出了设计的最大行车速度Vmax,则线路设置超高h后所提供的向心力就不足以抵消惯性离心力(欠超高);当超速达一定的程度,欠超高超过了允许值,则发生脱轨现象。2.3.2最小曲线半径 脱轨系数(轮轨间横向作用力Q与垂向力P的比值)是避免列车脱轨的重要控制指标,在高速轮轨铁路中,采用Q/P≤0.8。而在列车高速运行条件下,轮轨铁路的曲线半径对脱轨系数的影响很显著。因此,脱轨系数就制约着线路所允许的最小曲线半径的取值。也就是说,最小曲线半径的取值必须满足脱轨系数Q/P≤0.8。 高速铁路最小曲线半径的计算公式为: Vmax为该段线路的最大行车速度;[h+hp]为实设超高(h)与欠超高(hp)之和的允许值。 据此,当列车超速行驶(V>Vmax)或者外轨超高由于磨损或设置不当而使[h+hp]变小时,Rmin的值就会变大;这样,列车行驶在小曲线上时就容易不满足脱轨系数Q/P≤0.8,而导致列车脱轨。3 磁浮系统对脱轨的各种防范措施分析3.1磁浮系统在构造上防止脱轨的分析 磁浮铁路系统(德国的TR系统)在构造上采取了避免脱轨的措施:列车环保线路,几乎排除了列车脱轨的可能性(如图2所示)。除非当车体遭到严重破坏至溃散的程度,车体才有可能从轨道上脱落,而一般的横向力或者撞击是不会导致其脱轨的。可见,从构造上看,TR系统发生脱轨的可能性很小。3.2磁浮系统在技术上防止脱轨的分析 TR系统在技术上采取了能够最大限度的保障行车安全的可靠性很强的设计,防止脱轨的措施主要体现在车辆系统和运行控制系统两个方面。3.2.1 车辆系统 (1)磁浮转向架(悬浮架)。磁浮列车每节车厢设有四个悬浮架,每个悬浮架在车体两侧的底部各安装一个悬浮与推进电磁铁(如图2所示);相邻两个悬浮架之间也在每侧有一个悬浮与推进电磁铁相连,即车辆两侧由悬浮与推进电磁铁首尾相接布满全车,这样,当有若干个电磁铁失效时剩余的大部分电磁铁仍能提供足够的悬浮力保证列车安全运行。另外,每个电磁铁的两端分别有两个独立的控制点,如果一个控制点发生故障,另一个仍能控制该电磁铁继续工作;这样,采用了电气冗余设计,大大提高了系统的可靠性。 导向与制动电磁铁的安装设计与悬浮与推进电磁铁相类似,个别电磁铁出现故障不会导致列车运行事故。 (2)二次悬挂系统。二次悬挂系统设置了摆杆结构,摆杆与悬浮架相连,可以同时产生侧向和纵向运动,这就保证了列车运行在曲线上时,悬浮架相对于车厢可以有侧向运动自由度。当列车运行中遇到侧向风力或者存在未被平衡的离心加速度时,车厢将产生测滚运动。为了衰减车辆的测滚运动,车厢与磁浮转向架设计了防测滚稳定器,通过液压装置减轻车厢的测滚效应。 (3)电气设备。列车在运行中,电磁铁与轨道之间的悬浮间隙控制在8～10mm。间隙信息是通过间隙传感器反馈到车载控制系统,由控制系统自动作出调整。每个电磁铁由两套独立的控制电路进行控制;每套控制电路又设置两个间隙测量单元。如果一个间隙传感器失效,相邻的控制电路仍能反馈间隙信号。这就保证了列车运行中悬浮间隙的稳定性。3.2.2 运行控制系统 运行控制系统指挥协调整个磁浮列车系统的运行,类似于人体的大脑和神经系统。它包括所有用于安全保护、控制、执行和计划的设备,还包括用于设备之间相互通讯的设备。它采用了检测技术、有线和无线通讯技术、数据处理技术和自动控制技术等,保证了磁浮列车高速安全地运行,并能根据运行中车辆、线路的状况,随时调整运行计划,迅速处理运行中的各种突发事件,大大减小发生事故的可能性。4 结束语 通过以上对比分析轮轨系统和磁浮系统在构造上和技术上防止脱轨的各种措施,可以得出结论:磁浮系统发生脱轨的可能性更小,较轮轨系统具有更好的安全性。由于至今在世界范围内仍没有长大干线高速磁悬浮铁路的商业运营经验,故本文只能从理论上进行一些分析,而且本人水平有限,有不当之处,望专家学者们指正。参考文献[1] 刘万明.高速铁路主要技术经济问题研究[M].成都:西南交通大学出版社,2003.[2] 陈应先.高速铁路线路与车站设计[M].北京:中国铁道出版社,2001.[3] 郝瀛.铁道工程[M].北京:中国铁道出版社,1999.
基于以上构造原理,当列车高速运行时,如果由于某种原因产生较大的横向力,使机车车辆发生剧烈横向摆动时,就很容易发生脱轨现象;另一方面,轮对是靠重力作用才置于钢轨之上的,如果由于某种原因使得某一个车轮增减载,则两个车轮轮重大小不同,则轮重较轻的那一个车轮倾向于向上翘起,当达到一定的程度时,就会发生脱轨现象。2.3轮轨系统在技术上防止脱轨的分析 轮轨系统在技术上防止脱轨主要表现在曲线地段外轨超高的设置和最小曲线半径的取值上。2.3.1外轨超高 当列车在曲线上行驶时,由于惯性离心力的作用,将机车车辆推向外股钢轨,加大了外股钢轨的压力,因此需要把曲线地段外轨适当抬高,使列车的自身重力产生一个向心的水平分力,以抵消惯性离心力,避免列车脱轨,提高线路的安全性。超高的计算公式如下:h=7.6V2max/R 式中:h为所需的外轨超高度;Vmax为该段线路的最大行车速度;R为曲线半径。 据此,如果列车行驶速度V超出了设计的最大行车速度Vmax,则线路设置超高h后所提供的向心力就不足以抵消惯性离心力(欠超高);当超速达一定的程度,欠超高超过了允许值,则发生脱轨现象。2.3.2最小曲线半径 脱轨系数(轮轨间横向作用力Q与垂向力P的比值)是避免列车脱轨的重要控制指标,在高速轮轨铁路中,采用Q/P≤0.8。而在列车高速运行条件下,轮轨铁路的曲线半径对脱轨系数的影响很显著。因此,脱轨系数就制约着线路所允许的最小曲线半径的取值。也就是说,最小曲线半径的取值必须满足脱轨系数Q/P≤0.8。 高速铁路最小曲线半径的计算公式为: Vmax为该段线路的最大行车速度;[h+hp]为实设超高(h)与欠超高(hp)之和的允许值。 据此,当列车超速行驶(V>Vmax)或者外轨超高由于磨损或设置不当而使[h+hp]变小时,Rmin的值就会变大;这样,列车行驶在小曲线上时就容易不满足脱轨系数Q/P≤0.8,而导致列车脱轨。3 磁浮系统对脱轨的各种防范措施分析3.1磁浮系统在构造上防止脱轨的分析 磁浮铁路系统(德国的TR系统)在构造上采取了避免脱轨的措施:列车环保线路,几乎排除了列车脱轨的可能性(如图2所示)。除非当车体遭到严重破坏至溃散的程度,车体才有可能从轨道上脱落,而一般的横向力或者撞击是不会导致其脱轨的。可见,从构造上看,TR系统发生脱轨的可能性很小。3.2磁浮系统在技术上防止脱轨的分析 TR系统在技术上采取了能够最大限度的保障行车安全的可靠性很强的设计,防止脱轨的措施主要体现在车辆系统和运行控制系统两个方面。3.2.1 车辆系统 (1)磁浮转向架(悬浮架)。磁浮列车每节车厢设有四个悬浮架,每个悬浮架在车体两侧的底部各安装一个悬浮与推进电磁铁(如图2所示);相邻两个悬浮架之间也在每侧有一个悬浮与推进电磁铁相连,即车辆两侧由悬浮与推进电磁铁首尾相接布满全车,这样,当有若干个电磁铁失效时剩余的大部分电磁铁仍能提供足够的悬浮力保证列车安全运行。另外,每个电磁铁的两端分别有两个独立的控制点,如果一个控制点发生故障,另一个仍能控制该电磁铁继续工作;这样,采用了电气冗余设计,大大提高了系统的可靠性。 导向与制动电磁铁的安装设计与悬浮与推进电磁铁相类似,个别电磁铁出现故障不会导致列车运行事故。 (2)二次悬挂系统。二次悬挂系统设置了摆杆结构,摆杆与悬浮架相连,可以同时产生侧向和纵向运动,这就保证了列车运行在曲线上时,悬浮架相对于车厢可以有侧向运动自由度。当列车运行中遇到侧向风力或者存在未被平衡的离心加速度时,车厢将产生测滚运动。为了衰减车辆的测滚运动,车厢与磁浮转向架设计了防测滚稳定器,通过液压装置减轻车厢的测滚效应。 (3)电气设备。列车在运行中,电磁铁与轨道之间的悬浮间隙控制在8～10mm。间隙信息是通过间隙传感器反馈到车载控制系统,由控制系统自动作出调整。每个电磁铁由两套独立的控制电路进行控制;每套控制电路又设置两个间隙测量单元。如果一个间隙传感器失效,相邻的控制电路仍能反馈间隙信号。这就保证了列车运行中悬浮间隙的稳定性。3.2.2 运行控制系统 运行控制系统指挥协调整个磁浮列车系统的运行,类似于人体的大脑和神经系统。它包括所有用于安全保护、控制、执行和计划的设备,还包括用于设备之间相互通讯的设备。它采用了检测技术、有线和无线通讯技术、数据处理技术和自动控制技术等,保证了磁浮列车高速安全地运行,并能根据运行中车辆、线路的状况,随时调整运行计划,迅速处理运行中的各种突发事件,大大减小发生事故的可能性。4 结束语 通过以上对比分析轮轨系统和磁浮系统在构造上和技术上防止脱轨的各种措施,可以得出结论:磁浮系统发生脱轨的可能性更小,较轮轨系统具有更好的安全性。由于至今在世界范围内仍没有长大干线高速磁悬浮铁路的商业运营经验,故本文只能从理论上进行一些分析,而且本人水平有限,有不当之处,望专家学者们指正。参考文献[1] 刘万明.高速铁路主要技术经济问题研究[M].成都:西南交通大学出版社,2003.[2] 陈应先.高速铁路线路与车站设计[M].北京:中国铁道出版社,2001.[3] 郝瀛.铁道工程[M].北京:中国铁道出版社,1999.
