李大鵬，賀玉龍，孫小端

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院，北京 100124)

下坡路段鉸接列車制動(dòng)器溫度預(yù)測(cè)模型研究

李大鵬，賀玉龍，孫小端

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院，北京 100124)

針對(duì)鉸接列車在高速公路下坡路段事故多發(fā)的特點(diǎn)，以鉸接列車為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)采集其在下坡路段運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)器溫度數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，利用多元回歸的方法建立了鉸接列車在采取淋水時(shí)制動(dòng)器溫度在下坡路段的預(yù)測(cè)模型。并用鉸接列車實(shí)際制動(dòng)器溫度變化數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)模型的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

鉸接列車；下坡；制動(dòng)器溫度

1 下坡路段能量的轉(zhuǎn)換

鉸接列車在下坡過(guò)程中，根據(jù)能量守恒原理可知鉸接列車重力勢(shì)能減少量將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰?，根?jù)鉸接列車在下坡的受力情況重力勢(shì)能將轉(zhuǎn)變?yōu)檩喬ヒ缘孛嬷g由于摩擦消耗的能量E1、車體與空氣摩擦消耗的能量高E2、淋水制動(dòng)由水帶走的能量E3以及車輛制動(dòng)器產(chǎn)生的內(nèi)能E4。

圖1 采取淋水制動(dòng)鉸接列車在下坡運(yùn)行時(shí)能量轉(zhuǎn)換示意圖

在對(duì)制動(dòng)器的溫度變化研究時(shí)，本文采用由實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接擬合鉸接列車重力勢(shì)能的減少與制動(dòng)器溫升的關(guān)系，而不進(jìn)行理論物理公式推導(dǎo)重力勢(shì)能與制動(dòng)器溫升的關(guān)系。

2 制動(dòng)器溫度數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)路段

試驗(yàn)條件：天氣良好、交通流處于自由流狀態(tài),路面干燥平整無(wú)病害，試驗(yàn)路段無(wú)重大變坡點(diǎn)。

根據(jù)試驗(yàn)條件選取奉溪高速K26+300～K46+490路段為測(cè)試下坡時(shí)鉸接列車制動(dòng)器溫度的試驗(yàn)路段，其為雙向四車道道路、平均坡度為2.5%，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，滿足試驗(yàn)要求。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括：V-BOXⅢ、熱電偶傳感器、筆記本電腦和供電設(shè)備等。

V-BOXⅢ包含有一個(gè)主天線、俯仰方位天線及側(cè)傾方位天線。將天線與電源接入V-BOXⅢ的主機(jī)，并將天線黏貼在車頂中央。在試驗(yàn)過(guò)程前，V-BOXⅢ能夠自動(dòng)搜尋衛(wèi)星信號(hào)并鎖定后就可以開始進(jìn)行試驗(yàn)，其能夠精確地測(cè)量鉸接列車的縱向速度、橫向速度、各向加速度等數(shù)據(jù)，放在駕駛室內(nèi)的V-BOXⅢ就會(huì)將鉸接列車運(yùn)行過(guò)程中測(cè)量的數(shù)據(jù)信息記錄在SD卡中。該儀器具有安裝方便快捷、采樣頻率高、外部SD卡支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)方式靈活多樣啟動(dòng)時(shí)間短、系統(tǒng)體積小，適合于車載環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它可直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱?dòng)勢(shì)信號(hào), 通過(guò)電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。具有裝配方便、抗震性能好、測(cè)量范圍大(-200°～1 300°)、耐壓性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 試驗(yàn)實(shí)施

為精確的測(cè)量制動(dòng)鼓在制動(dòng)過(guò)程中的溫度，將熱電偶安裝在制動(dòng)摩擦片靠近制動(dòng)鼓內(nèi)表面的位置。由于在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)鼓與制動(dòng)摩擦片處于摩擦狀態(tài)，因此熱電偶的安裝位置不能從制動(dòng)摩擦片中裸露出來(lái)與制動(dòng)鼓產(chǎn)生摩擦作用，在制動(dòng)摩擦片上打孔將熱電偶傳感器安裝在孔中。筆記本電腦與供電器置于鉸接列車駕駛室內(nèi)。試驗(yàn)前，檢查各試驗(yàn)設(shè)備是否工作正常確保能夠準(zhǔn)確的收集制動(dòng)器溫度數(shù)據(jù)；檢查設(shè)備后駕駛員根據(jù)其駕駛經(jīng)驗(yàn)在自由流狀態(tài)下行駛，在試驗(yàn)過(guò)程中工作人員時(shí)刻關(guān)注筆記本中制動(dòng)器溫度數(shù)據(jù)，防止有數(shù)據(jù)中斷的情況，試驗(yàn)結(jié)束后取出SD卡將試驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到筆記本電腦中。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出制動(dòng)器溫度數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 制動(dòng)器溫度原始數(shù)據(jù)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)VBO文件進(jìn)行整理分析并轉(zhuǎn)換到excel中如表1所示。

表1 鉸接列車制動(dòng)器溫度與坡長(zhǎng)關(guān)系表

由上表根據(jù)物理知識(shí)轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能與制動(dòng)器溫度升高值之間的關(guān)系如表2。

表2 鉸接列車制動(dòng)器溫度與重力勢(shì)能變化關(guān)系表

續(xù)表2

3 淋水時(shí)制動(dòng)器溫度預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

3.1 模型建立

為得到鉸接列車在下坡過(guò)程中其重力勢(shì)能與制動(dòng)器溫升之間的關(guān)系，通過(guò)SPSS對(duì)錯(cuò)誤！未找到引用源。的數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，并對(duì)重力勢(shì)能與制動(dòng)器溫升進(jìn)行擬合如圖，分析制動(dòng)器溫度的升高與重力勢(shì)能減少之間的關(guān)系。本文用K31+270～K44+720中14個(gè)路段的數(shù)據(jù)用于建立制動(dòng)器溫度預(yù)測(cè)模型，用K36+670～K37+040、K44+220～K44+720、K45+220～K45+880 3個(gè)路段的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

圖3 制動(dòng)器溫度與重力勢(shì)能變化關(guān)系擬合圖

表3 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值

表3可以看出二次關(guān)系的R2=0.947，且F值的顯著性的概率為0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯著水平α=0.05，說(shuō)明二次曲線擬合成效最好，因此采用最小二乘法擬合鉸接列車在采取淋水制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器溫度隨著車輛制重力勢(shì)能的減少而變化的關(guān)系曲線，擬合的關(guān)系式如式(1)

ΔT=aΔE2+bΔE+c

(1)

最小二乘法：使各殘差平方和最小。殘差ΔTt：實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定值Δti和預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值ΔTi之差。

(2)

+(aΔE2+bΔE+c)2]

(3)

要使殘差Δ最小，則需要?dú)埐瞀?duì)回歸系數(shù)a、b、c，求偏導(dǎo)等于0，即：

(4)

(5)

(6)

求解以上方程由

表可得：a=2.208 b=0.001 c=1.075

即：

ΔT=2.208×10-8×ΔE2+0.001×ΔE+1.075

(7)

式中：ΔT為制動(dòng)其溫度升高值，℃；ΔE為鉸接列車重力勢(shì)能減少量，kJ。

又根據(jù)物理原理鉸接列車在下坡行駛過(guò)程中其重量勢(shì)能變化值可以用縱坡坡度、坡長(zhǎng)、及鉸接列車的總質(zhì)量表示：

(8)

將公式(6)帶入公式(7)可得：

(9)

式中：a、b、c為回歸系數(shù)；i為縱坡坡度，%；G為鉸接列車總重量，t；S為行駛坡長(zhǎng)，m；T為制動(dòng)器溫度升高，℃。

由公式(9)可知鉸接列車在高速公路下坡路段運(yùn)行時(shí)制動(dòng)器的溫度變化與車輛的總重量、行駛的坡長(zhǎng)、縱坡坡度均成正比例的關(guān)系，即總重量越大、縱坡坡度越大、行駛坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，制動(dòng)器的溫度升高的越多。

3.2 模型驗(yàn)證

利用公式(8)計(jì)算奉溪高速K36+670～K37+040、K44+220～K44+720、K45+220～K45+880等三個(gè)路段下鉸接列車制動(dòng)器溫度升高值，與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證回歸模型的回歸精度，對(duì)比分析結(jié)果表4。

由表4可知，回歸預(yù)測(cè)制動(dòng)器溫升模型算出制動(dòng)器溫度升高值與實(shí)車測(cè)試出制動(dòng)器溫度升高值相差不大，誤差均小于10%，滿足精度要求。因此制動(dòng)器溫度預(yù)測(cè)模型能夠較好的反映鉸接列車在安裝淋水制動(dòng)時(shí)在高速公路下坡過(guò)程中制動(dòng)器溫度隨坡度、行駛坡長(zhǎng)的變化規(guī)律。

表4 鉸接列車在淋水制動(dòng)下制動(dòng)器溫升模型回歸效果

4 改善措施

(1)警示措施。根據(jù)漳州高速交警支隊(duì)統(tǒng)計(jì)的夏蓉高速連續(xù)下坡路段的事故進(jìn)行的調(diào)查可知：事故車輛在下坡過(guò)程中多采用空擋滑行頻繁踩剎車從而控制車速，而沒有采用低檔位的發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)的方式控制車速，導(dǎo)致制動(dòng)器溫度升高過(guò)快。因此在長(zhǎng)下坡路段應(yīng)該警告駕駛員禁止采用空擋行駛，并在連續(xù)下坡路段前方設(shè)置警告標(biāo)志牌提前告知鉸接列車駕駛員前方連續(xù)下坡路段。

(2)加水站。由于我國(guó)包括鉸接列車在內(nèi)的大型車輛多采用改裝加裝水箱，以使在下坡時(shí)向車輛剎車片淋水從而減低制動(dòng)器的溫度，從而減少剎車失靈的情況。因此有必要在連續(xù)下坡路段設(shè)置加水站已補(bǔ)充消耗的水分，且修建加水站造價(jià)要遠(yuǎn)小于修建應(yīng)急車道的費(fèi)用，因此可以在連續(xù)下坡路段設(shè)置加水站，為需要淋水制動(dòng)的鉸接列車進(jìn)行加水，以補(bǔ)充其在下坡制動(dòng)過(guò)程中消耗掉的水，提高鉸接列車在高速公路下坡路段的安全性。

(3)降溫池。鉸接列車在高速公路連續(xù)下坡路段頻繁制動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)器溫度升高，從而使制動(dòng)器制動(dòng)效能減少甚至失效。在合理的位置設(shè)置降溫池可以有效的減低制動(dòng)器溫度，恢復(fù)制動(dòng)器的制動(dòng)效能，進(jìn)而避免交通事故的發(fā)生。降溫池的水深不得超過(guò)車輛半個(gè)輪胎的高度，長(zhǎng)度大多為20～30m。同時(shí)為了防止車輛將降溫池中的水帶到主線路面，在降溫池的末端應(yīng)設(shè)置漏水和回流設(shè)施。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)鉸接列車在高速公路下坡路段制動(dòng)器溫度的變化數(shù)據(jù)，利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，利用能量守恒的原理，建立了鉸接列車在下坡路段制動(dòng)器溫度的預(yù)測(cè)模型。為提高鉸接列車在高速公路下坡路段的安全運(yùn)行提供理論參考。

[1] 周磊．連續(xù)下坡路段汽車行駛特性與制動(dòng)器制動(dòng)特性研究[D]．西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2007．

[2] 周榮貴．公路縱坡坡度與坡長(zhǎng)控制的研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)博士論文，2004．

[3] 高紅博．半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)方向穩(wěn)定性及控制策略研究[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)博士論文，2014.

2016-05-01

李大鵬(1992-)，男，河南安陽(yáng)內(nèi)黃人，碩士在讀，研究方向：交通安全。

U491

C

1008-3383(2017)02-0145-03