(浙江省永康市第二中学，浙江 金华 321300)

高铁上为什么没有安全带

徐恩

(浙江省永康市第二中学，浙江 金华 321300)

本文通过对汽车安全带和高铁系统控制的分析，解释了“高铁上为什么没有安全带”这一问题。

安全带;高铁；加速度；防撞系统

2011年7月23日浙江甬温线发生重大铁路交通事故，由北京南站开往福州站的D301次列车与杭州站开往福州南站的D3115次列车发生追尾，此次事故确认共有六节车厢脱轨，造成重大损失。其中一条带有质问性质的报道开始引起人们的注意：“时速700公里的飞机有安全带，时速120公里的大巴有安全带，为什么速度居中、时速350公里的高铁上没有安全带？”这一问题引起了人们的热烈讨论：是为了减少高铁成本，还是人们不愿系安全带？如果有安全带，这次事故会不会减少伤亡？为了回答这一问题，笔者对汽车安全带和高铁系统的特点，做出了两方面的分析。

1 汽车安全带

1955年飞机设计师尼尔斯到沃尔沃汽车公司工作以后发明了三点式安全带(图1)。1963年沃尔沃汽车公司开始把三点式汽车安全带注册，并在自产的汽车上装配。汽车安全带是为了在碰撞时对乘员进行约束以及避免碰撞时乘员与方向盘及仪表板等发生二次碰撞或避免碰撞时冲出车外导致死伤的安全装置。

图1

图2

汽车安全带的主要结构组成包括：织带、卷收器、固定机构。织带用尼龙或聚酯等合成纤维织成，卷收器的作用是贮存织带和锁止织带拉出，它是安全带中最复杂的机械件。固定机构包括带扣、锁舌、固定销和固定座等(如图2)。

汽车安全带的工作原理是：安全带要系在髋部和胸前，应该横跨在骨盆和胸腔之上形成一个水平放置的V字；卷收器里面是一个棘轮机构，正常情况下乘员可以在座椅上自由拉动织带，但当织带从卷收器连续拉出过程一旦停止或当车辆遇到紧急状态时，棘轮机构就会作锁紧动作将织带自动锁死，阻止织带拉出。待冲击力峰值过去或人已受到气囊的保护时，立即适当放松安全带，避免因拉力过大而使人肋骨受伤。

图3

安全带在试验中的受力分析：在GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》整车碰撞实验中，安全带总承受力分析简化如图3，车辆在碰撞过程中，由于受到碰撞壁障的作用力,车辆产生非常大的加速度，车上假人由于惯性,继续往前移动，此时，安全带锁止，约束住假人。假人所受到的外力为：肩带作用力、腰带作用力和座椅摩擦力，由于座椅摩擦力相对较小，可以忽略不计。假设假人对安全带肩带和腰带的作用力分别为F1和F2，假人的最大加速度为a,质量为m,作用在安全带上总的力为F，则有：F=F1+F2=ma,例如在某次碰撞试验中，安全带张力曲线和假人加速度曲线分别如图4、图5所示。试验假人其身体重量参数为：上躯干重量为m1=27.54kg,下躯干重量为m2=34.47kg，由图6知：胸部最大加速度a1=49.08g,骨盘最大加速度a2=49.22g,胸部对安全带最大作用力F1=m1×a1=27.54×49.08×9.8N=13246.30N；骨盘对安全带腰带的最大作用力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之间，可见，当汽车发生事故时，用双臂撑住身体是做不到的，安全带发挥了巨大的作用，降低了乘员的生命危险，但安全带不保证乘员100%生命安全，只是大大降低了危险伤害系数。

图4

图5

2 高铁各系统的控制分析

2.1 对高速列车加速度的控制

图6

从宏观上看，高速列车只是向前运动，但事实上，高速列车的运动共有6个自由度，即纵向(x轴方向)、横向(y轴方向)、垂向(z轴方向)的直线运动以及围绕x,y,z三轴的旋转运动(如图6)。

当我们乘坐汽车加速或飞机起飞加速时，我们的身体会后倾，但乘坐高铁时没有出现这种情况，甚至有人把一支香烟立在座椅的小桌板上，即使列车从零加速到300km/h，香烟一直挺立在那里，为什么？这就是对列车纵向加速度的严格控制。有人会说:只要把加速度设计得小一些，身体的后倾程度不就小了吗？不全对，加速度值太小，则会影响列车加减速时间，例如加速度值为0.1m/s2，则加速到300km/h，大概需要约14min。可见不能单靠减小加速度来实现列车运行的平稳度(CRH380A动车组启动加速度为0.55m/s2)。实际上，列车运行的平稳度不是取决于加速度的值，而是取决于加加速度，即加速度对时间的导数(单位:m/s3)，这个值越小，列车运行时就越平稳。

对纵向加加速度、加速度的严格控制交由高速列车的电机控制系统来完成，即对电机输出转矩进行精准控制，如CRH380A动车组的加加速度要求必须小于0.75m/s3。

同理，高速列车横向、垂向振动的加速度也有严格控制，这主要交由两条钢轨来控制，高速铁路采用长钢轨且是无砟轨道，对轨道的平顺度有严格的控制。CRH380A型高速动车组以300km/h运行时，横向最大加速度只有0.42m/s2，使我们乘坐高铁时不会出现前倾后仰、左右剧烈晃动，具有很好的平稳性和舒适度。可见，对高速列车三维方向的加速度严格控制是不需要安全带的第一个原因。

2.2 对追尾的控制

上面分析的第一个原因是列车安全运行时的控制，那万一发生追尾怎么办？这就交由列车的列控系统对信号的严格控制，来防止追尾事故的发生。列控系统比较复杂，简单地理解，就是通过技术手段，把运行线路分成许多一定长度的“闭塞”区间，当某列列车进入某个“闭塞”区间，该区间就被占用，红灯亮起，不允许其他列车进入该区间，绿灯时表示前方“闭塞”区间无车占用，可以进入该区间(如图8)。

图8

闭塞原则的实现需要有一定的技术手段，我国是采用轨道电路来实现控制的，以京广高铁的列控系统为例，全线等分为一个个2km长的“闭塞”区间，使后方车辆“知道”前方车辆的距离大于2km，这就使车辆的安全性得到保障；通过以上分析，由高速列车的列控系统和轨道电路控制的闭塞原则来防止追尾是不需要安全带的第二个原因。

2.3 安全防撞座椅系统的控制

上面分析的第二个原因是列控系统和轨道电路正常工作时，那它们万一不正常工作了，不就是要发生追尾了吗？对，温州7·23事故就是由于遭遇雷击，导致信号故障而发生追尾的。这时高铁上的安全防撞座椅就要发挥作用了，它是一张科技含量很高的座椅，当发生碰撞、人体向前撞击时，座椅能及时发生“溃散”变形，吸收撞击的能量，减少身体伤害。那又有人会说，这么好的座椅再加上一条安全带不就更安全了吗？英国运输研究室的理论研究和实际测试表明，当高速列车发生纵向碰撞时，虽然少部分乘客因安全带的固定作用避免了被甩出车外的危险，但更多的乘客却因此失去逃生的空间，更容易受到车厢结构坍塌所造成的伤害，因此欧洲铁路安全权威人士得出结论：加装安全带弊大于利,这是不需要安全带的第三个原因。