楊永志 李明 龔小根

摘 要：針對高速公路失控車輛車速高、破壞力強、制動難等問題特點，本文通過電磁理論提出了一種新的避險車道制動方案，利用通電導體在磁場中產生的安培力對高速行駛的失控車輛進行制動。首先，對制動的原理進行闡述，推導了制動過程中安培力的計算公式并設計了相應的磁場觸發(fā)裝置和通電電路;然后利用MATLAB軟件對制動過程進行數(shù)值模擬并分析相關參數(shù)對制動效果的影響;最后與傳統(tǒng)的避險車道制動效果進行對比分析，并對電磁制動做出展望。

關鍵詞：電磁;制動;避險車道;安培力

引言：避險車道作為提高交通安全的一種道路設計措施在國內外公路建設中得到了廣泛的應用，尤其是在山區(qū)高速公路長大下坡路段或長下坡路段中，起著至關重要的作用。但是由于避險車道設計理論目前并不是很完善，在實際應用中依然存在著較多的問題和難關，傳統(tǒng)避險車道利用爬坡消能、摩擦消能、碰撞消能的方式將失控車輛的動能轉化為車輛的重力勢能和熱能，但是當山區(qū)高速公路長陡下坡路段設置的避險車道受地形影響制動床長度不足或坡度較小時，失控車輛依然可能沖出避險車道或者車頭撞擊防撞設施造成二次事故。因此，我們提出利用電磁感應原理，在傳統(tǒng)避險車道的基礎上，增設安培力制動設施，以加強相同距離內的制動效果，減少制動降低山區(qū)高速公路事故的帶來經濟損失和提高公路的交通安全水平。

1.原理分析及公式推導

通電導體在磁場中會受到作用力，設電流的強度大小為I、通電導線為長度為L的直導線，設定磁場為理想的勻強磁并設磁場強度為B（如圖1），則在磁場中通電導體受到的安培力大小為。

2.系統(tǒng)組成設計

本方案的制動系統(tǒng)主要由磁場觸發(fā)裝置和通電導體板兩部分組成。磁場由兩排通電螺線圈提供，沿避險車道的兩側并排布置矩形狀的螺線圈，兩排線圈中間形成類勻強磁場，每排線圈間隔1/4線圈長度，減少相鄰線圈產生的磁場的相互干擾。同時線圈的軸線方向與避險車道方向垂直，以保證磁場產生的制動效果最佳見圖2。兩側的矩形線圈通以大功率的直流電流，并且附帶兩個“丁”字形電源開關見圖3。在避險車道上空7-8m建造一個鋼制框架，框架中央布置一條長直導軌用于懸掛通電導體電路板。當超速汽車進入避險車道時，撞擊懸掛在避險車道中央的帶有通電導體棒的制動板，此制動板外部用橡膠以及汽車用的安全氣囊包裹，減少汽車撞擊時的破壞能力;內部是一排豎直導體棒，當汽車撞擊時觸動開關，使導體棒通電。同時，在電路板的外部綁扎著一根和車道寬度相等的鋼制棒體。正常條件下，線圈上的兩個“丁”字形開關沿避險車道方向一個張開，一個閉合。超速汽車進入避險車道，撞擊電路板使導體棒通電，電路板外部的鋼制棒體觸發(fā)線圈的第一個張開開關使其閉合，兩側線圈同時通電，產生磁場，通電導體棒在磁場中運動產生安培力，方向和行駛方向相反，起到降低車速的作用，當汽車運動到第二個閉合開關的位置，觸發(fā)開關斷開，第一排的磁場消失見圖3，由于前后兩排線圈間距不大，立即觸發(fā)第二排張開開關閉合，第二排線圈產生磁場，進一步降低車速，其中的時間間隔只有磁場存在時間的1/4，即汽車在整個減速過程中，安培力制動時間占總時間的3/4。

通電螺線管埋設示意圖如圖2所示。磁場系統(tǒng)由在車道上埋設的蓄電池以及四象斬波器供電，電壓可達到440V，電流可維持在120A左右。制動效果的計算及效果對比：設定制動板的導體棒有7根，間距為d，結合畢奧薩法爾定律可得7根導體棒各自位置處的磁場強度。

3.制動過程中的能量分析

4.總結與展望

本文主要介紹了一種新型的電磁制動方法并將之與傳統(tǒng)的避險車道結合，利用通電導體在磁場中產生的安培力對失控車輛進行制動，可以在段距離內增大制動效果，并且可以結合相應地形情況調節(jié)參數(shù)以調整制動效果。解決了地形缺陷對傳統(tǒng)避險車道制動效果的限制問題。同時，由于安培力做功時間持續(xù)較長，相比于常規(guī)的碰撞消能手段減少了車體的損傷，是一種有效的制動手段，同時制動板的氣囊設計保證了制動過程中的安全性。但是由于本方案所需的安培力較大，因此需要較大的磁場，對電流的數(shù)值要求較大，本文通過蓄電池以及四象斬波器獲得相應電流，對電池的容量以及過流保護設施要求較高，實際運用過程中需要有一定的技術保障。另外，隨著以后電磁技術的發(fā)展和興盛，磁場的布設手段更加成熟后，可以將安培力制動技術進一步完善降低成本并投入使用。

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