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科学时报:铁路高速中的安全考量

2011年06月23日17:26《科学时报》李浩鸣 成舸我要评论(0)
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  ——透视我国高速铁路安全保障体系

科学时报:铁路高速中的安全考量

  新中国成立以来建设里程最长、投资最大、标准最高的京沪高铁即将开通,届时可实现京沪两地单日往返。

  与此同时,由于京沪高铁列车行车速度快,跨越地域线路长,列车安全运行问题受到广泛关注。高速列车的安全性究竟如何?我国高铁安全保障技术体系如何构建?带着这些问题,本报记者专访了参与高速列车系统研制的中国南车有关研发机构和生产单位的专家,拟向读者对高速列车安全性作一解读。

  

  □本报记者 李浩鸣 成舸

  300公里时速的安全空间

  世界高速铁路的发展已有近50年的历史。1964年开通的日本东海道新干线,是世界上第一个商业营运速度达到时速200公里以上的高速铁路系统。即将在京沪高铁上开行的CRH380A高速动车组最高运行时速可达380公里,持续运行时速可达350公里。

  然而,最终300公里的定速仍然引发了质疑。有人担心高速列车的安全保障性不足。

  衡量列车运行安全性的一个重要指标是“脱轨系数”。国际标准规定,无论运行速度多高,脱轨系数都不得大于0.8。而我国CRH380A动车组实测中的脱轨系数小于0.13,远低于国际标准。中国南车董事长赵小刚在接受媒体的一次采访时说:“这表明我们研制的速度级别更高的CRH380A反而比我们引进的速度级别低一些的原型车更加安全。”据了解,目前已在武广、京津等高铁线路上投入使用的250公里时速的CRH2型高速列车,起初试验时的脱轨系数只有0.73,而CRH2C型高速列车在以350公里时速运行时,这一系数降低到了0.34。脱轨系数的大大降低,显示了安全性能的提升。

  新一代高速动车组CRH380A的总体设计师、中国南车四方股份公司副总工程师梁建英在接受采访时说:“可以肯定的是,并不是速度越快,列车越容易脱轨。”她认为,速度与脱轨可能性之间并不存在必然联系。

  据了解,铁路运输行业通常把铁路运行的平均速度和最高速度之比称为“平高比”。以法国为例,法国的高速列车V-150在2007年4月的试验中曾跑出574.8公里每小时的高速,超过我国在2010年京津城际铁路试验时跑出的486公里时速,甚至超过了日本的磁悬浮。但是其运营最高速定为360公里/小时,不仅低于我国在沪杭高铁上跑出的每小时416公里的运营最高时速,也低于CRH380的最高设计时速380公里。按照我国铁道部确定的300公里的平均运行时速,京沪高铁车速还有约20%的余量。专家告诉记者:“这意味着,列车已留出较大的速度安全空间。”

  由中国南车集团研制的CRH380A动车组在京津、武广、郑西、沪杭、京沪高铁进行的线路试验,累计达152大类,2800余项,试验运行里程近百万公里,参与单位近百家。特别是在京沪高铁上的线路试验,该试验从2010年11月开始,长达150余天,总试验里程72164公里,分别进行了18大类54项型式试验,31大类126项科学研究试验,以及8大类40项车—桥—线—网—环境联调联动试验,共有27列CRH380A和CRH380AL动车组参加试运行,总运行里程为86万公里,充分验证了上线动车组的运行可靠性。

  根据铁道部的部署,京沪高铁上除了将开行CRH380新一代高速动车组外,还将开行19列时速在200至250公里的动车组。由于这种“高低速混跑”现象的存在,“从单列车来看,效率下降了,但是从整个线路的运营来看,效率却增加了,而且安全余量也得到了进一步扩大。”

  有院士专家经过仔细分析后认为:每小时300公里,是发达国家进行了大量安全研究后得出的结论,目前京沪高铁降到这个标准,无疑进一步确保了列车运营的安全。

  “埃舍德”事故之后

  

  据不完全统计,自2000年以来,欧洲、亚洲的高速铁路线上还未见到一例因机车本身原因造成人员伤亡事故的报道。2010年,俄罗斯曾报道过一起高铁事故,一名行人在穿越铁轨时被高速驶来的列车撞死。不过,当时的线路环境既没有封闭,也没有在铁路沿线安装有效的报警装置。这显然是高速铁路运输管理不到位造成的。可见,速度并不是衡量高速铁路唯一的标准,相应的配套系统同样重要。这和“好马配好鞍”是一样的道理。

  1998年 6 月 3 日,德国发生了 “埃舍德”高铁事故。这场灾难导致了101人丧生,是世界高铁发展史上迄今为止唯一因列车自身问题导致重大人员伤亡的事故,自此之后,欧洲的高速铁路发展一度放缓。而与此同时,这次事故极大地促进了高速铁路安全技术的发展和运营管理水平的提升。

  “埃舍德”高铁事故调查结果表明,“埃舍德”事故是由一系列原因导致的。其导火索是列车第二节车厢的双层金属车轮表面因疲劳出现裂纹,导致行驶过程中断裂。遗憾的是,虽然事发前已有8名职员将有缺陷车轮在行驶中发出的噪音和震荡向有关部门发出投诉,但运营方德国铁路公司却并未引起注意,直到事发当日列车出发前最后一次检测时,值班检修师仍然未能发现这一故障。

  对于高铁史上这次唯一因机车本身故障而发生的事故,中国南车的专家们感到难以理解,“金属疲劳并不是瞬间产生,而是一点一滴地积累而成,所以如果能严格按照科学方法来检测,应该是完全可以避免的”。

  试想,如果车轮轮毂表面的磨损能够在设计时充分考虑,如果其磨损情况在日常检查时得到了有效记录,如果磨损记录能引起运营管理部门重视,如果裂纹产生后能在第一时间被发现并及时更换,如果断裂的钢圈扎进车厢里,机车能自动报警,如果驾驶员能在接到乘客报警后及时刹车,如果脱轨后的车厢没有撞到穿过线路的路桥……也就是说,只要其中任何一个问题节点抓住了,“埃舍德”事故就不会发生。

  中国南车四方股份公司副总经理、技术中心主任马云双认为,高速铁路的安全保障是一个综合系统,对于轮和轨接触时的安全性,气流影响引起的安全性,火灾等事故引起的安全性,系统出现故障引起的安全性等等,每一个环节都必须做系统的考虑,以做到万无一失。遗憾的是,这次事故发生前,所有环节的补救机会都失去了。

  据资料显示,德国“埃舍德”事故后,高铁工程师们已将那种箍着钢条的双彀钢轮彻底摈弃,转而采用整块钢材切割而成的单彀钢轮。之后,工程师又改变了钢轮安放的位置,将其从车厢下挪到两节车厢之间。因为经过计算,这样的改变能减少钢轮的磨损,从而让高铁变得更加安全。

  然而,还有一个重要的技术原因也被忽视。据外电报道,当时的德国普遍缺乏包括金属疲劳在内的车轮真实损耗的探测专业设备。据了解,目前我国对高速列车的检测手段已经大大提高,各种先进探伤装备得到了广泛应用,这还只是众多专业检测设备中的一种。而检测体系也已经非常严格,不仅包括基础探伤和精密探伤等常规检测,对于某些关键部件,还需要采用特殊的方法和设备进行多次检测。

  此外,由于列车运行管理问题导致线路停运的情况,在日本新干线发生过多次。最近的一次是在2011年1月17日,当时5条高速线路停运了约75分钟,究其原因,是东京运行总部用于综合管理和监控新干线运行情况的电脑网络出现了故障。这类问题在全球常速铁路营运中也常有出现,从行车事故影响度分析,这将导致铁路运输效率降低以及损害铁路企业的社会形象,但列车安全性问题在这类事故发生时并不突出。

  行车安全从“脚”开始

  

  即将奔驰在京沪高铁上的新一代高速动车组列车CRH380,由中国南车和中国北车分别研制完成,其中南车研制的CRH380A系列高速列车投入运营比例将达到53%。

  据中国南车专家介绍,高速铁路的安全保障体系是一个由若干子系统组成的综合系统,包括高速列车、轨道和线路基础等。就列车安全性而言,有六大主要方面:运行安全性、气动安全性、结构安全性、制动安全性、故障导向安全性、运营维护安全性,以及防火安全性等。

  列车在高速运行时可能遭遇的突发情况可谓不胜枚举,要保证列车在正常运行时不脱轨,出现意外故障时能及时停下来。无论列车的速度多快,控制好它的“脚”,是保障列车运行安全的基本要求。

  列车的“脚”就是“转向架”, 相当于汽车的底盘,这是连接列车车厢和铁轨的部件。整个系统由车轮、减震、传动、制动装置等组成,是决定车辆行驶安全的关键部件。高速列车的轨道实际上并非绝对平整,而是存在非常细微的起伏。当列车高速运行时,轨道在纵向和横向上的这种不平整会加大列车的振动,而两车高速交会时产生的瞬间气流变化则会导致这种振动加剧,使列车失稳,影响安全。

  为保证转向架的安全性,设计师们不仅给转向架安装了一系列减震装置,还按照超常载荷进行了疲劳强度设计。1000万次的疲劳强度试验表明,CRH380A的转向架安全系数大于2.7。列车只有在行驶超过26万公里后,才需要更换一次制动闸片。这一距离相当于在全长1318公里的京沪高铁上跑100个来回。

  不仅如此,为防止转向架上的轴承因温度过高导致类似汽车的“抱死”现象发生,设计人员在车轮轴承、电机轴承、齿轮箱轴承上都安装了温度传感器,一旦超温,车辆控制系统就自动限速。此外,转向架还通过了多种部件失效情况下的运行检测。比如让转向架上的弹簧断裂、让减震装置停止工作等等。试验表明,尽管这样,火车在300公里时速下依旧可以安全停车。

  和“脱轨”相比,高速列车更需要克服的是向上的升力。一般而言,飞机时速达到270至280公里时就可以起飞了。与这种气流绕飞机机翼产生升力的原理类似,列车在高速行驶时,气流也会使车的上下表面产生气压差,导致尾车周围产生气动升力。不同的是,对飞机而言,向上的“升力”是需要利用的,而对于“贴地飞行”的高速列车来说,却是必须予以克服的,因为它会加大列车高速行驶时的抖动,降低运行的稳定性和安全性。

  据专家介绍,CRH380列车采用了一种叫做“导流槽”的设计,通过在车头两侧设置导流槽,引导气流产生向下的压力,以抵消气动升力的影响。它就像一双强有力的手,牢牢地抓住铁轨,不让火车飞起来。试验表明,CRH380A的尾车气动升力接近于零。

  如果说防止脱轨主要靠轮和轨之间的合作,那么制动就需要动力系统的配合了。从某种程度上说,紧急制动是抵御一切可能风险的最终选择。我国新一代高速动车组采用了电制动与气制动相结合的双制动系统,共设置了7级制动模式。根据国际标准,以300公里的速度运行时,紧急制动距离要求小于3800米,以350公里时速运行时,要求小于6500米。“由于很好地利用了电制动,这一目标得到了较好的实现。”而且,由于运用了电制动模式,制动件的损耗大为降低。

  中国南车株洲所参与了电气系统的研制。在此间专家看来,由列车速度导致失控的可能性几乎不存在。据介绍,CRH380A电气系统由1台牵引变压器,2台牵引变流器和8台电机组成。为了保障动力的绝对可靠和安全,中国南车株洲所建立了一套完备的电气系统试验体系,从机车还没问世开始,相关部件安全检测就已经开始。而作为动力系统的核心部件,CRH380A的变流器采取了层层保护体系,对于可能出现的任何意外,都可以通过保护性断电来实现紧急电制动,以保障列车安全。

  同时专家们还认为,“不能做太多层保护,否则系统的可用性会变差,目的是既可靠又好用”。此外,动车组采用的分散式动力模式,将动力分散到各节车厢而不是集中在机车头一节,不仅预留了较大的“动力余量”,还使得系统的可靠性大大提高。正是由于这种“动力冗余”的系统设计和“多层保护” 机制的存在,“动力的可靠性和安全性是有绝对保障的”。

  试验表明,在电气复合制动和空气制动模式下,列车以300公里时速运行时实行紧急制动,制动距离为3786米,小于标准要求的3800米。而且,制动盘热容量充足,能满足动车组在任何状态下安全平稳停车。

  

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