方新雷，宋廣鋒，張　雷，賀映全

(1.武漢建工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430023；2.中國(guó)建筑第三工程局有限公司，湖北 武漢 430074；

3.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形研究

方新雷1，宋廣鋒2，張雷3，賀映全3

(1.武漢建工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430023；2.中國(guó)建筑第三工程局有限公司，湖北 武漢 430074；

3.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

摘要：以農(nóng)業(yè)園道路的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)作為研究對(duì)象，分析了農(nóng)業(yè)園道路與傳統(tǒng)公路在縱斷面技術(shù)指標(biāo)上存在的差異，從汽車(chē)爬坡過(guò)程的穩(wěn)定要求、驅(qū)動(dòng)力平衡和汽車(chē)外形對(duì)爬坡坡度的限制三個(gè)方面討論了農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，為農(nóng)業(yè)園道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)園道路；縱斷面線形；最大縱坡

中圖分類(lèi)號(hào)：U412.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4824(2015)06-0104-04

收稿日期：2015-09-07

作者簡(jiǎn)介：方新雷(1986-)，男，湖北咸寧人，武漢建工集團(tuán)股份有限公司工程師，碩士。

Abstract：Taking the profile design indices of agriculture park roads as the research object, this paper analyzes the differences between the agriculture park roads and the conventional roads and discusses the technical indices in the design of the agriculture park roads from three aspects such as the stability, the balance of driving force, and the shape of cars when cars climb, which may offer a reliable theoretical reference for the design of agriculture park road plan.

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)園道路的設(shè)計(jì)大多采用傳統(tǒng)公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。即使個(gè)別省市在地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)農(nóng)業(yè)園道路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有所提及，但僅僅是在概念上進(jìn)行了細(xì)微的調(diào)整。隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)園在我國(guó)各地得到了迅猛發(fā)展。因此，如何構(gòu)建符合農(nóng)業(yè)園道路內(nèi)在要求的縱斷面線形設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，是設(shè)計(jì)更加合理、更加符合實(shí)際情況的農(nóng)業(yè)園道路亟待解決的問(wèn)題。本文選擇農(nóng)業(yè)園道路的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)作為研究對(duì)象，與傳統(tǒng)公路作相應(yīng)的比較，探討研究符合農(nóng)業(yè)園道路特點(diǎn)的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的建設(shè)提供理論依據(jù)[1]。

傳統(tǒng)公路的最大縱坡是基于道路的設(shè)計(jì)速度來(lái)確定，即要求汽車(chē)在爬坡的過(guò)程中速度不得低于設(shè)計(jì)速度，此時(shí)道路縱坡遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車(chē)的實(shí)際爬坡能力。由于農(nóng)業(yè)園道路設(shè)計(jì)速度通常低于傳統(tǒng)公路，采用傳統(tǒng)公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)園道路顯然與實(shí)際情況不相符。為了充分發(fā)揮汽車(chē)的爬坡性能，以節(jié)省項(xiàng)目投資、減少對(duì)環(huán)境的影響，本文將從汽車(chē)的爬坡穩(wěn)定要求、驅(qū)動(dòng)力要求以及車(chē)身對(duì)農(nóng)業(yè)園道路的最大縱坡要求三個(gè)方面研究農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形[2-3]。

1汽車(chē)爬坡過(guò)程的穩(wěn)定要求

汽車(chē)在道路上行駛過(guò)程中，要保證汽車(chē)安全穩(wěn)定行駛，則汽車(chē)上坡過(guò)程中需滿(mǎn)足汽車(chē)縱向不傾覆和汽車(chē)縱向不滑移兩個(gè)穩(wěn)定條件。汽車(chē)等速上坡示意圖如圖1所示。

圖1　汽車(chē)等速上坡示意圖

為保證汽車(chē)縱向不傾覆，則可以建立如下爬坡力學(xué)模型。汽車(chē)產(chǎn)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)是汽車(chē)前輪的法向力FZ1=0，此時(shí)汽車(chē)可能就會(huì)繞后輪發(fā)生傾覆現(xiàn)象。對(duì)汽車(chē)后輪著地點(diǎn)取力矩平衡，汽車(chē)產(chǎn)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)是汽車(chē)前輪的法向力FZ1=0，此時(shí)汽車(chē)可能就會(huì)繞后輪發(fā)生傾覆現(xiàn)象。對(duì)汽車(chē)后輪著地點(diǎn)取力矩平衡，則有：

宋廣鋒(1990-)，男，江西宜春人，中國(guó)建筑第三工程局有限公司工程師，碩士。

張雷(1990-)，男，安徽安慶人，湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院碩士研究生。

GL2cosα-Ghgsinα0=0

(1)

(2)

式中：α0表示傾覆臨界坡度角，i表示傾覆臨界的最大縱坡。

為保證汽車(chē)縱向不滑移，對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪是后輪的汽車(chē)，根據(jù)與地面的附著條件可以得到汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪在縱向不產(chǎn)生滑移的臨界狀態(tài)為[1]：

Gsinαφ=φGk

(3)

因?yàn)閟inαφ≈tanαφ=iφ，則

(4)

式中：αφ表示產(chǎn)生縱向滑移臨界狀態(tài)時(shí)的坡角，i表示產(chǎn)生縱向滑移臨界狀態(tài)時(shí)的縱坡，φ表示附著系數(shù)，Gk表示作用在驅(qū)動(dòng)輪的荷載。一般情況下，小汽車(chē)為總重的0.5～0.65倍，載重汽車(chē)為總重的0.65～0.8倍。表1是各類(lèi)路面上附著系數(shù)φ的平均值。

表1　各類(lèi)路面上附著系數(shù)的平均值

由上述兩個(gè)條件可知，L2/hg≈1，而φGk遠(yuǎn)小于1。因此，要保證汽車(chē)縱向穩(wěn)定，需滿(mǎn)足：

(5)

即：iφ

即汽車(chē)在坡道上行駛時(shí)，在發(fā)生縱向傾覆之前就會(huì)發(fā)生縱向滑移。因此，只要保證了汽車(chē)縱向不滑移，就能夠保證汽車(chē)上坡時(shí)不發(fā)生縱向傾覆，可以得到汽車(chē)縱向穩(wěn)定行駛的條件為：

(6)

表2　各類(lèi)路面上汽車(chē)的最大爬坡能力(%)

2汽車(chē)爬坡過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力平衡

由一般常識(shí)可知，汽車(chē)爬坡過(guò)程除了要滿(mǎn)足穩(wěn)定條件外，汽車(chē)還必須有足夠的動(dòng)力，汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力越小，爬坡能力也越弱。因此汽車(chē)在爬坡的過(guò)程中還必須滿(mǎn)足動(dòng)力平衡條件。圖2是汽車(chē)汽車(chē)爬坡受力示意圖。

圖2　汽車(chē)爬坡受力示意圖

由驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著條件決定的牽引力需要滿(mǎn)足[4]：

(7)

式中Fz表示驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力，φ表示附著系數(shù)，f表示滾動(dòng)摩阻力系數(shù)，Rw表示空氣阻力。因此得到上坡阻力為：

(8)

表3是各類(lèi)路面滾動(dòng)阻力系數(shù)f值。

表3　各類(lèi)路面滾動(dòng)阻力系數(shù)f值

由發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩所決定的牽引力，需要滿(mǎn)足如下條件：

Ft2=Temaxig1ig2ηt/r

(9)

式中：Temax表示汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，ig1表示變速器的頭檔傳動(dòng)比，ig2表示主減速器傳動(dòng)比，ηt表示傳動(dòng)系傳動(dòng)效率，r表示車(chē)輪半徑。對(duì)于具有分動(dòng)器、輪邊減速器和液力傳動(dòng)裝置等的汽車(chē)，上式應(yīng)計(jì)入相應(yīng)的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。

本文提到的空氣阻力Rw是指汽車(chē)在行駛過(guò)程中空氣對(duì)其形成的一種反向作用力，其計(jì)算公式為：

(10)

式中：V為汽車(chē)行駛速度(單位：m/s)，A為汽車(chē)車(chē)身的橫截面面積(單位：m2)，Cw為風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)阻系數(shù)Cw是一個(gè)無(wú)單位的系數(shù)。依據(jù)車(chē)的外形不同，Cw取值一般在0.3～0.6之間，一般大多數(shù)轎車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)在0.28～0.4間，流線性較好的汽車(chē)其風(fēng)阻系數(shù)可達(dá)到0.25左右。

依據(jù)上述理論，取農(nóng)業(yè)園道路設(shè)計(jì)速度的最大值V=12 km/h，取Cw=0.4。計(jì)算得代表車(chē)型的空氣阻力如表4所示。

表4　各類(lèi)汽車(chē)爬坡時(shí)的空氣阻力(單位：N)

由表4，空氣阻力在汽車(chē)低速行駛時(shí)非常小，均不超過(guò)300 N，因此在汽車(chē)爬坡計(jì)算時(shí)可忽略空氣阻力的影響。

文中汽車(chē)最大牽引力Ft2以?shī)W迪Q5 2010款2.0TSI車(chē)型作為樣本進(jìn)行計(jì)算[5]。查奧迪Q5發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，取不同轉(zhuǎn)速時(shí)功率和轉(zhuǎn)矩的具體參數(shù)值，如表5所示。

表5　汽車(chē)外特性中的功率與轉(zhuǎn)矩離算數(shù)據(jù)表

結(jié)合車(chē)型參數(shù),查閱奧迪Q5傳動(dòng)系傳動(dòng)比如表6所示。

表6　汽車(chē)外特性中的功率與轉(zhuǎn)矩離算數(shù)據(jù)表

由圖3可以看出：當(dāng)奧迪Q5處于Ⅰ擋，最大牽引力為12.44 kN，此時(shí)的速度為29.3 km /h。由于農(nóng)業(yè)園道路的設(shè)計(jì)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到29.3 km/h，因此牽引力也達(dá)不到最大值12.44 kN。

圖3　奧迪Q5的各檔位牽引力

3汽車(chē)外形對(duì)爬坡坡度的限制

汽車(chē)在坡道行駛時(shí)，除了穩(wěn)定性能和動(dòng)力性能要滿(mǎn)足要求外，坡道還必須符合汽車(chē)外形的要求，即要符合汽車(chē)的接近角和離地高度的要求。

接近角是指汽車(chē)在滿(mǎn)載靜止時(shí)，汽車(chē)最前點(diǎn)向前輪所引切線與地面的夾角(見(jiàn)圖4)。接近角越大，汽車(chē)在進(jìn)行越野上坡行駛時(shí)，就不容易發(fā)生觸頭，汽車(chē)的性能就越好。一般小汽車(chē)的接近角在35°左右，而越野車(chē)的接近角更大。

離去角是指汽車(chē)在滿(mǎn)載靜止時(shí)，自車(chē)身最后點(diǎn)向后車(chē)輪引切線與路面之間的夾角(見(jiàn)圖4)，它反映了汽車(chē)離開(kāi)障礙物時(shí)，不發(fā)生碰撞的能力。離去角越大，則汽車(chē)的越過(guò)障礙物的性能越好。一般小汽車(chē)的離去角35°左右。

圖4　汽車(chē)接近角、離去角示意圖

4結(jié)論

針對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)道路與傳統(tǒng)公路存在的差異，本文從汽車(chē)爬坡過(guò)程的穩(wěn)定要求、汽車(chē)爬坡過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力平衡和汽車(chē)外形對(duì)爬坡坡度的三個(gè)方面討論了農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)園道路的行車(chē)速度非常小，汽車(chē)的爬坡能力需要滿(mǎn)足汽車(chē)爬坡穩(wěn)定性要求，并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算農(nóng)業(yè)園道路的縱坡設(shè)計(jì)值。以汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算出奧迪Q5車(chē)型動(dòng)力系統(tǒng)所能提供的最大爬坡坡度為35.21°。以汽車(chē)的外形尺寸為依據(jù)，估算出農(nóng)業(yè)園道路縱坡的最大坡度為30°。本文提出的農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)可為農(nóng)業(yè)園道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

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Study on Vertical Alignment of Agricultural Park Road

Fang Xinlei1，Song Guangfeng2，Zhang Lei3，He Yingquan3

(1.WuhanConstructionEngineeringCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430023,China;

2.ThirdConstructionEngineeringBureauCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430074,China；

3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China)

Key Words： agricultural park road; longitudinal section alignment; maximal longitude

(責(zé)任編輯：張凱兵)