日本是地震灾害常发的国家。地震会导致地面、山体、建(构)筑物等的破坏,当然也包括铁路,如1923年发生的关东大地震使铁路遭受了巨大的损失。为此,日本铁路采取了多种措施,以减轻甚至规避地震对铁路车辆和基础设施造成的破坏。
表1列出了1995年以后发生过列车脱轨事故的日本国内地震,所幸没有乘客和乘务员因这些地震导致的列车脱轨而死亡。1995年兵库县南部地震导致多座铁路高架桥梁坍塌或移位,地震的晃动也造成了客运列车脱轨(图1)。地震后,相关铁路公司对高架桥桥墩等进行了加固,并修改了关于新建构筑物抗震性的设计标准。在2005年新泻县中越海域地震中,1列停在车站的电动列车由于剧烈倾斜而脱轨(图2)。2011年东北地区太平洋海域地震导致1列货运列车(集装箱货车)脱轨。由此可知,当大地震发生时,不论何种车辆都可能发生脱轨。为避免上述脱轨事故的发生,日本铁路行业采取了多种措施,包括在地震发生时使列车迅速紧急制动,以及防止其进入地震影响区等。例如,新干线列车采用早期地震预警系统,该系统可在检测或预测到强烈地震晃动时,自动紧急制动;对于常规线路列车,则由驾驶员根据早期地震预警信息手动实施制动。
表1 发生过列车脱轨事故的日本国内地震(1995年以后)
图1 1995年兵库县南部地震中脱轨的列车
图2 2005年新泻县中越海域地震中脱轨的电动列车
即使采取上述措施,也有可能发生列车脱轨,例如,在2004年新泻县中越地震、2011年东北地区太平洋海域地震以及2016年熊本地震(前震)中,均发生了新干线列车脱轨(图3)。在2004年新泻县中越地震中,1列新干线列车在高速行驶时脱轨,这让人们意识到需要进一步提高地震时列车行驶的安全性。因此,在该地震后,日本铁路行业大力推进轨道和车辆部件中抗震装置的研发,以使列车在地震时不易脱轨,即使脱轨也不会大幅偏离轨道。
图3 因地震晃动而脱轨的新干线列车(日本国内仅3例)
本章将介绍防止列车地震时脱轨及偏离轨道的技术。这些技术是面向新干线开发的,目前正在各运营线路大力推广。
为防止新干线列车在地震中脱轨,日本参考现有常规线路上安装的防爬轨脱轨保护装置,开发了新型防脱轨保护装置(图4)。在发生地震时,该装置可通过与车轮的内侧面接触来限制轮对的横向移动。为应对地震时产生的巨大荷载,研发人员进一步加强了装置的强度。此外,其具有特殊的构造,可通过铰链折叠在钢轨内侧,从而降低对轨道日常维护作业的影响。目前,本技术已在东海道及九州新干线中得到应用。
图4 防脱轨保护装置以及防偏离限制器
防偏离限制器安装在车辆的转向架下部(图4),如果车辆轮对越过防脱轨保护装置发生脱轨,防偏离限制器会通过与防脱轨保护装置内侧接触,阻止车辆进一步偏离轨道。
防偏离导向装置呈L型,设置于轮对轴箱下端,在轮对脱轨后,车轮侧面或防偏离导向装置会与轨道接触、摩擦,从而阻止轮对及车辆大幅度偏离轨道。为防止轮对在脱轨后与钢轨产生碰撞,导致轨道连接装置损坏,从而造成轨道倾覆,研发人员开发了安装于钢轨下方的防轨道倾覆装置(图5)。这2种装置已在东北/北海道新干线及上越/北陆新干线中使用。实践证明,在2011年东北地区太平洋海域地震中,新干线列车脱轨时,防偏离导向装置发挥了阻止列车大幅度偏离轨道的作用。
图5 防偏离导向装置以及防轨道倾覆装置
防偏离保护装置安装在2根钢轨之间,用于防止列车脱轨后进一步偏离轨道(图6)。该装置与2根钢轨之间均保持足够的距离,以避免列车在脱轨后与对面列车和隧道壁等发生碰撞;由于两者之间的距离较大,因此不会影响轨道维护作业。本技术已应用于山阳新干线。
图6 防偏离保护装置
在开展提高地震中车辆安全性的技术研发时,不可能制造地震进行列车行驶试验,只能通过数值模拟推测地震中的车辆行为,并据此进行安全性评估。日本铁道综合技术研究所(以下简称“铁道综研”)开发的车辆动力学仿真软件(VDS)是一种数值模拟程序,其不仅能够进行常规的车辆动力学分析,还可以分析在剧烈振动轨道上(地震时)行驶车辆的行为。研究人员利用该仿真软件分析了2004年新泻县中越地震、2011年东北地区太平洋海域地震和2016年熊本地震(前震)中新干线脱轨事故的脱轨机制。当使用VDS对地震中轨道上车辆的行为进行分析时,首先通过对构筑物的地震响应分析(地基地震响应分析、构筑物动力学分析)推导出轨道的地震响应,再将其用作VDS的输入参数,进而分析车辆行为(图7)。地震时的车辆行为分析着眼于轮对与轨道的横向相对位移,在其值达到±70 mm时判定为轮对脱轨,此时轮对的状态如图8所示,即轮缘完全位于轨道顶面上,车轮偏离轨道。
为分析车辆在地震时对于脱轨的基本耐受能力,研发人员绘制了正弦波激振时安全界限曲线图(图9),由图可知车辆易脱轨的振动频率范围及振幅。图中横坐标为施加在轨道上的正弦波频率,纵坐标为使车辆保持不脱轨(即安全)状态的临界振幅。
图7 利用VDS分析地震时构筑物上车辆的行为
图8 地震时车辆行为分析的脱轨判定标准
图9 针对正弦波激振的安全界限曲线图
铁道综研一直致力于研究在日常运营中可使车辆稳定高速行驶、安全通过弯道,并保证乘客乘坐舒适性,在极端条件(如地震时)下可防止车辆脱轨的车辆部件,下面列举其中2种部件。
该横向阻尼器安装在转向架上,除在日常运营中具备原有横向阻尼器的阻尼力特性外,还能够在地震中活塞速度加快时产生更大的阻尼力,从而减小地震时车辆的摇晃,使之不容易发生脱轨(图10)。
图10 新型横向阻尼器及防碰撞限制器
通过在大型振动台上进行转向架振动试验,以及使用试验车辆进行运行试验,铁道综研对该阻尼器的效果进行了确认。
该防碰撞限制器在地震时的工作原理如图11所示。该限制器在原有车体横向位移限制器的基础上,添加了防碰撞机构,可在荷载巨大的地震工况下扩大限制器游隙,增大横向阻尼器的行程,从而使之产生更有效的阻尼力。通过在大型振动台上进行转向架振动实验,研究人员已证实该限制器对于提高车辆地震时的安全性具有显著效果。
图11 防碰撞限制器在地震时的工作原理
目前,日本铁路运营商已计划扩大上述防止车辆脱轨或偏离轨道技术在新干线线路上的部署和应用。今后,铁道综研还将研究和开发针对常规线路的措施。