台铁最惨事故,什么会造成列车脱轨

来源:科普中国发布时间:2018-10-29

逝者安息。唏嘘之余,我们用科学思维对事故原因进行理性分析。

  北京时间201810211650分,一辆满载乘客的列车在台湾省东北部的宜兰县境内脱轨。目前已知18名乘客死亡,171名乘客受伤,尤姓司机员受伤。事故导致东部干线上下行线中断行车,经过台铁工程人员抢修后,于201810220512分恢复西正线单线双向通行。 

  本次事故为台铁TEMU2000型电力动车组自2012年投入营运以来最严重的事故,也是1991年以来台湾省内发生的最严重铁路事故。有消息称,发生事故的TEMU2000型车辆是自日本引进的倾斜式列车,具有转弯不减速的功能,这一说法是否正确?列车脱轨的常见原因又有哪些呢? 

脱轨列车在现场形成W状,旁边右侧是事发弯道,来源:日媒报道    

  事故的简要背景是怎样的? 

  据报道,发生脱轨的列车为由树林开往台东的6432次普悠玛号列车,在高速通过新马车站时因不明原因导致全车出轨,第三节至第八节车厢翻覆(包含侧翻、翻落边坡),扭曲呈“W”形。由于这趟列车在新马站甩站通过,因此事发当时的时速可能高达140公里。 

事故发生后的现场情况,作者:Tom282f3CC0     

  发生事故的6432次普悠玛号列车在台铁车辆的运营序列中属于最高级别的“自强号”特快列车。普悠玛号201326日开始投入营运,与纵贯台湾省西部的台湾高铁相对应,现时普悠玛号主要行驶于东部干线的区间中,运营模式比照西部高铁,因而有“高铁二军”的说法。 

事故现场一片狼藉,来源:台媒报道    

  “普悠玛”一词来源于台湾卑南族原住民语,意为“集合,团结”。在台铁与台东县政府主导的征名活动中,普悠玛打败其他竞争对手,最终成为该列车的正式营运名。 

  “普悠玛”号列车的车体采用TEMU2000型电力动车组,由日本车辆制作株式会社提供,属于中长距离用车体倾斜式交流电力列车。该车型采用铝合金车体,最高设计时速150km/h,最高营运时速140km/h。 

拍摄自台铁汐止站的TEMU2000型电力动车组,作者:Rsa on Wiki     

  倾斜式列车真的可以拐弯不减速? 

  倾斜式列车,又名摆式列车,是一种在转弯时可以侧向倾斜的列车。相对于普通列车,在设计过弯时速允许的范围内,倾斜式列车确实能以更高的速度通过弯道。这一优点让倾斜式列车在多弯道的山地铁路上获得了非常广泛的应用。日本和意大利等多山地的国家也因而在倾斜式列车的开发和应用方面拥有较高水平。 

  列车进入曲线轨道后,必然受到离心力的作用,此时轮对受到来自铁轨轴向的横向推力,以平衡离心力,保证列车仍然在轨道内部行驶。然而,当离心力达到一定程度后,就必须采取一系列措施来防止列车脱轨,例如降低运行速度,设置倾斜路基等。 

  当以上措施仍然不足以抵消离心力的影响时,列车自身如果能提供一定倾斜,则倾斜后的车体将产生一个与向心力同向的重力分量,进一步抵消离心力的影响。倾斜式列车就是在这种设计理念的基础上提出并发展起来的。 

  倾斜式列车目前已经发展出了多个技术分支,其中包括自然倾斜式、主动倾斜式以及空气弹簧倾斜式等主要流派。 

  自然倾斜式依靠连杆一类机械结构让列车在转弯时随着曲率和路基倾斜的变化而自然摆动,这是发展较早的倾斜式列车技术。早期的自然倾斜式列车在过弯之后通过自然摆动纠正倾斜形态的过程中,会像钟摆一样左右晃动,导致乘客晕车。目前通过各种技术手段已经可以极大地抑制该现象的发生。 

正在倾斜过弯的JR北海道Kiha 283系摆式柴油动车组,来源:出々吾壱 on Wiki     

  主动倾斜式通过一系列复杂的机电及传感器系统主动感知曲率和向心力大小,从而以电动和油压方式强制车体以必要的幅度倾斜,所以称为主动倾斜式。目前,欧洲各国的摆式列车普遍采用主动倾斜式作为技术基础。 

  空气弹簧倾斜式是较新的摆式列车技术,它利用转向架上空气弹簧的气压变化控制列车微幅倾斜,有着低成本与轻量化的好处,故也被称为简易型倾斜装置。此次发生事故的普悠玛特快列车采用的就是该技术。此外,最新型的N700系新干线也采用了这套简易系统来提升其过弯的速度。 

  较快的过弯速度可以极大提高运行效率,在采用摆式列车后,台湾省东部铁道干线的运行时间比之前缩短了三成左右。     

  列车脱轨的主要原因有哪些? 

  目前本次事故的最终原因还没有调查清楚,我们不妨来简单谈谈列车脱轨事故的主要诱因。造成列车脱轨的可能因素很多,总的来说可以分成四种。 

  第一,轨道、车辆运行造成的脱轨。 

  第二,灾害造成的脱轨,例如地震、强风、泥石流或者倾倒树木等造成的脱轨。 

  第三,大量降雪后,被列车压实的积雪可能在转辙器等处发生冰冻,在道岔处造成脱轨。 

  第四,列车在道口处与汽车碰撞后脱轨等。 

转辙器工作原理,作者:Emdx on Wiki     

  根据日本运输安全委员会对日本国内列车出轨事故原因的调查结果,脱轨最常见的诱因是道口处的交通事故和地质灾害,轨道和列车本身因素造成的事故并不常见。不过,由于事发现场并不存在上述其它诱因,本次发生在台湾的事故可以基本肯定是由轨道和列车本身的因素造成。 

日本运输安全委员会对2001年到2012年间日本国内脱轨事故的原因统计,来源:参考文献1     

  列车在轨道上运行的过程中,轮对周围的凸缘可以很好地保证列车不脱离轨道。理想状态下,列车在直线行驶时,位于铁轨内侧的轮对凸缘并不受到来自铁轨的作用。此时列车分散于每个车轮上的自重与轮轨产生的支持力平衡。 

  当列车高速经过弯道时,凸缘将受到来自轨道的横向力,车重和横向力间的相对大小关系将直接影响车辆脱轨的可能性。同样横向力的情况下,车重越大越不容易脱轨,可以简单理解为越重的车越稳。同样车重的情况下,横向力越大越容易脱轨,可以简单理解为拐弯越急、车速越快就越漂。 

  当铁轨某处发生意外状况时,列车某处车轮可能会瞬间处于失重状态,此处车重瞬间降低,横向力无需很大就可以让凸轮边缘“跳”上铁道,发生脱轨。如轨道存在异物、或路基因灾害发生悬空时都可能令车辆发生瞬间跳动失重,此时如果有横向力作用就很可能发生脱轨。此外,铁轨边缘如果发生磨损,也会增大脱轨事故发生的概率。 

单侧轮对与铁轨作用时的几种情况,来源:Afterbrunel on Wiki     

  当代高速列车普遍采用铝合金等轻质材料作为车体,车重较小,脱轨几率大于重载列车,因此如何尽量减小过弯时的横向力就尤为关键。铁路铺设条件较好的地区,可以尽量选择合理的路线来规避大量弯道,但山地丘陵地区则不得不慎重考虑弯道时的行车安全。 

  列车脱轨的具体机理仍是一个非常复杂的问题,难以用三言两语说清,本文只是帮助读者建立一个大致的概念。本次事故目前仍然在紧张的救援抢险阶段,后续的事故分析需要漫长的过程,最终结论可能还有待进一步揭示,希望灾难早日远离台湾同胞。 

    

  参考文献: 

  1.  https://bunken.rtri.or.jp/PDF/cdroms1/0009/2014/0009000194.pdf 

  2.  Iwnicki, Simon, ed. (2006). Handbook of Railway Vehicle Dynamics. Boca Raton, Fl: Taylor and Francis. ISBN 978-0-8493-3321-7 

  3.  http://www7b.biglobe.ne.jp/~nagase_rail/rail_discuss_No12.html 

  4.  https://entamescramble.com/6630.html  

(本文中标明来源的图片均已获得授权)     

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