台灣發生27年來最慘重事故，是什麼讓列車脫軌？

北京時間2018年10月21日16時50分，一輛滿載乘客的列車在台灣省東北部的宜蘭縣境內脫軌。目前已知18名乘客死亡，171名乘客受傷，尤姓司機員受傷。事故導致東部幹線上下行線中斷行車，經過台鐵工程人員搶修後，於2018年10月22日05時12分恢復西正線單線雙向通行。

本次事故為台鐵TEMU2000型電力動車組自2012年投入營運以來最嚴重的事故，也是1991年以來台灣省內發生的最嚴重鐵路事故。有消息稱，發生事故的TEMU2000型車輛是自日本引進的傾斜式列車，具有轉彎不減速的功能，這一說法是否正確？列車脫軌的常見原因又有哪些呢？

^{脫軌列車在現場形成W狀，旁邊右側是事發彎道，來源：日媒報道}

事故的簡要背景是怎樣的？

據報道，發生脫軌的列車為由樹林開往台東的6432次普悠瑪號列車，在高速通過新馬車站時因不明原因導致全車出軌，第三節至第八節車廂翻覆（包含側翻、翻落邊坡），扭曲呈"W"形。由於這趟列車在新馬站甩站通過，因此事發當時的時速可能高達140公里。

^{事故發生後的現場情況，作者：Tom282f3，CC0}

發生事故的6432次普悠瑪號列車在台鐵車輛的運營序列中屬於最高級別的"自強號"特快列車。普悠瑪號2013年2月6日開始投入營運，與縱貫台灣省西部的台灣高鐵相對應，現時普悠瑪號主要行駛於東部幹線的區間中，運營模式比照西部高鐵，因而有"高鐵二軍"的說法。

^{事故現場一片狼藉，來源：台媒報道}

"普悠瑪"一詞來源於台灣卑南族原住民語，意為"集合，團結"。在台鐵與台東縣政府主導的征名活動中，普悠瑪打敗其他競爭對手，最終成為該列車的正式營運名。

"普悠瑪"號列車的車體採用TEMU2000型電力動車組，由日本車輛製作株式會社提供，屬於中長距離用車體傾斜式交流電力列車。該車型採用鋁合金車體，最高設計時速150km/h，最高營運時速140km/h。

^{拍攝自台鐵汐止站的TEMU2000型電力動車組，作者：Rsa on Wiki}

傾斜式列車真的可以拐彎不減速？

傾斜式列車，又名擺式列車，是一種在轉彎時可以側向傾斜的列車。相對於普通列車，在設計過彎時速允許的範圍內，傾斜式列車確實能以更高的速度通過彎道。這一優點讓傾斜式列車在多彎道的山地鐵路上獲得了非常廣泛的應用。日本和義大利等多山地的國家也因而在傾斜式列車的開發和應用方面擁有較高水平。

列車進入曲線軌道後，必然受到離心力的作用，此時輪對受到來自鐵軌軸向的橫向推力，以平衡離心力，保證列車仍然在軌道內部行駛。然而，當離心力達到一定程度後，就必須採取一系列措施來防止列車脫軌，例如降低運行速度，設置傾斜路基等。

當以上措施仍然不足以抵消離心力的影響時，列車自身如果能提供一定傾斜，則傾斜後的車體將產生一個與向心力同向的重力分量，進一步抵消離心力的影響。傾斜式列車就是在這種設計理念的基礎上提出並發展起來的。

傾斜式列車目前已經發展出了多個技術分支，其中包括自然傾斜式、主動傾斜式以及空氣彈簧傾斜式等主要流派。

自然傾斜式依靠連桿一類機械結構讓列車在轉彎時隨著曲率和路基傾斜的變化而自然擺動，這是發展較早的傾斜式列車技術。早期的自然傾斜式列車在過彎之後通過自然擺動糾正傾斜形態的過程中，會像鐘擺一樣左右晃動，導致乘客暈車。目前通過各種技術手段已經可以極大地抑制該現象的發生。

^{正在傾斜過彎的JR北海道Kiha 283系擺式柴油動車組，來源：出々吾壱 on Wiki}

主動傾斜式通過一系列複雜的機電及感測器系統主動感知曲率和向心力大小，從而以電動和油壓方式強制車體以必要的幅度傾斜，所以稱為主動傾斜式。目前，歐洲各國的擺式列車普遍採用主動傾斜式作為技術基礎。

空氣彈簧傾斜式是較新的擺式列車技術，它利用轉向架上空氣彈簧的氣壓變化控制列車微幅傾斜，有著低成本與輕量化的好處，故也被稱為簡易型傾斜裝置。此次發生事故的普悠瑪特快列車採用的就是該技術。此外，最新型的N700系新幹線也採用了這套簡易系統來提升其過彎的速度。

較快的過彎速度可以極大提高運行效率，在採用擺式列車後，台灣省東部鐵道幹線的運行時間比之前縮短了三成左右。

列車脫軌的主要原因有哪些？

目前本次事故的最終原因還沒有調查清楚，我們不妨來簡單談談列車脫軌事故的主要誘因。造成列車脫軌的可能因素很多，總的來說可以分成四種。

第1， 軌道、車輛運行造成的脫軌。

第2， 災害造成的脫軌，例如地震、強風、泥石流或者傾倒樹木等造成的脫軌。

第3， 大量降雪後，被列車壓實的積雪可能在轉轍器等處發生冰凍，在道岔處造成脫軌。

第4，列車在道口處與汽車碰撞後脫軌等。

^{轉轍器工作原理，作者：Emdx on Wiki}

根據日本運輸安全委員會對日本國內列車出軌事故原因的調查結果，脫軌最常見的誘因是道口處的交通事故和地質災害，軌道和列車本身因素造成的事故並不常見。不過，由於事發現場並不存在上述其它誘因，本次發生在台灣的事故可以基本肯定是由軌道和列車本身的因素造成。

^{日本運輸安全委員會對2001年到2012年間日本國內脫軌事故的原因統計，來源：參考文獻1}

列車在軌道上運行的過程中，輪對周圍的凸緣可以很好地保證列車不脫離軌道。理想狀態下，列車在直線行駛時，位於鐵軌內側的輪對凸緣並不受到來自鐵軌的作用。此時列車分散於每個車輪上的自重與輪軌產生的支持力平衡。

當列車高速經過彎道時，凸緣將受到來自軌道的橫向力，車重和橫向力間的相對大小關係將直接影響車輛脫軌的可能性。同樣橫向力的情況下，車重越大越不容易脫軌，可以簡單理解為越重的車越穩。同樣車重的情況下，橫向力越大越容易脫軌，可以簡單理解為拐彎越急、車速越快就越漂。

當鐵軌某處發生意外狀況時，列車某處車輪可能會瞬間處於失重狀態，此處車重瞬間降低，橫向力無需很大就可以讓凸輪邊緣"跳"上鐵道，發生脫軌。如軌道存在異物、或路基因災害發生懸空時都可能令車輛發生瞬間跳動失重，此時如果有橫向力作用就很可能發生脫軌。此外，鐵軌邊緣如果發生磨損，也會增大脫軌事故發生的概率。

^{單側輪對與鐵軌作用時的幾種情況，來源：Afterbrunel on Wiki}

當代高速列車普遍採用鋁合金等輕質材料作為車體，車重較小，脫軌幾率大於重載列車，因此如何盡量減小過彎時的橫向力就尤為關鍵。鐵路鋪設條件較好的地區，可以盡量選擇合理的路線來規避大量彎道，但山地丘陵地區則不得不慎重考慮彎道時的行車安全。

列車脫軌的具體機理仍是一個非常複雜的問題，難以用三言兩語說清，本文只是幫助讀者建立一個大致的概念。本次事故目前仍然在緊張的救援搶險階段，後續的事故分析需要漫長的過程，最終結論可能還有待進一步揭示，希望災難早日遠離台灣同胞。

參考文獻：

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

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

出品：科普中國

製作：可可

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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作者寫於2018-10-23喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

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