聞?dòng)詈?,馮晨陽(yáng),劉紫秋,胡昌耀,李天昊,沈強(qiáng)儒,朱翊晗
(南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)于積雪路面的抗滑系數(shù)研究包括實(shí)車(chē)試驗(yàn)、仿真模擬等。荊忠倩[1]通過(guò)臺(tái)架-汽車(chē)動(dòng)力模型得到汽車(chē)在道路上行駛的阻力與車(chē)速表現(xiàn)為二次關(guān)系。LIU[2]利用ADAMS/Car仿真軟件模擬車(chē)輛行駛在干燥、積水等路面時(shí),道路阻力的變化。GABTE等[3]利用云吸收輻射與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算道路積雪厚度和分布范圍。姚冬冬等[4]運(yùn)用VISSIM軟件建立包含道路線形與積雪條件的速度生成模型。從事故成因看,積雪厚度、車(chē)速及車(chē)輛質(zhì)量對(duì)抗滑系數(shù)的影響顯著。
安全距離指當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方的障礙物,從反應(yīng)到采取制動(dòng)措施直至車(chē)輛能與前方障礙物保持一定距離。
式中:Ls—安全距離,m;LZD—后方駕駛?cè)嗽谥苿?dòng)過(guò)程中的行駛距離,m。
式中:v—后方車(chē)輛行駛速度,m/s;t1—后方駕駛員反應(yīng)時(shí)間,s;g—重力系數(shù),取9.8 m/s2;μ—路面抗滑系數(shù);i—道路坡度,%;
駕駛員的制動(dòng)時(shí)間Ls是指駕駛員接收到外界信息后,反應(yīng)并開(kāi)始制動(dòng)直至車(chē)輛停止所需要的時(shí)間。當(dāng)高速公路上遭遇降雪或降雨,駕駛?cè)说男睦砭o張會(huì)導(dǎo)致部分駕駛?cè)说姆磻?yīng)時(shí)間會(huì)超過(guò)1.7 s[6]。取Ls=1.7 s作為駕駛員在緊急狀況下的反應(yīng)時(shí)間。
由公式(3)可得積雪路況保證安全距離的最大車(chē)速限制值,即安全車(chē)速。
式中:Lh—行車(chē)視距,m。
1.2.1 試驗(yàn)原理
安全車(chē)速主要影響因素為視距與抗滑系數(shù),行車(chē)視距根據(jù)天氣情況可得出,由此對(duì)抗滑系數(shù)進(jìn)行分析。影響積雪路段道路抗滑系數(shù)的基本因素可以歸納為車(chē)輛條件和路面的物理性能[7]。
使用制動(dòng)距離法,即測(cè)量車(chē)輛由開(kāi)始制動(dòng)到完全停止所經(jīng)過(guò)的路程得到數(shù)據(jù),通過(guò)制動(dòng)方程求出抗滑系數(shù),由此確定抗滑系數(shù)與不同路面條件、車(chē)輛條件的關(guān)系。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法
試驗(yàn)條件:(1)兩種試驗(yàn)車(chē)型,普通小型車(chē)(1 300 kg)和 大 型 車(chē)(1 800 kg),輪 胎 參 數(shù) 為185/70 R13標(biāo)準(zhǔn)。(2)坡度設(shè)置為0°,車(chē)速設(shè)置為30~45 km/h。(3)溫度保持在0 ℃,江淮等地降雪持續(xù)時(shí)間為2~3 d,根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù),將路面積雪量設(shè)置為0~20 mm進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀器采用手持式GPS MAP60cs的顯示值作為測(cè)試車(chē)。試驗(yàn)場(chǎng)地見(jiàn)圖1。
圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)
實(shí)車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)地采用多次累計(jì)噴灑固定體積的冰沙控制積雪形成的方法。在相同積雪厚度以不同車(chē)速進(jìn)行試驗(yàn),累計(jì)得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1~表4。
表1 固定車(chē)速條件小型車(chē)
表2 固定積雪厚度小型車(chē)
表3 固定車(chē)速條件大型車(chē)
表4 固定積雪厚度大型車(chē)
1.3.1 數(shù)據(jù)處理
將不同積雪厚度與不同車(chē)速所得的制動(dòng)距離進(jìn)行分析,通過(guò)制動(dòng)方程可以得到相應(yīng)的抗滑系數(shù),所得結(jié)果見(jiàn)圖2~圖5。
圖2 小型車(chē)抗滑系數(shù)與積雪厚度的關(guān)系
(1)由圖3~圖5發(fā)現(xiàn),車(chē)速?gòu)?5~45 km/h 變化時(shí),路面抗滑系數(shù)變化趨勢(shì)相似,且在同一積雪厚度下,抗滑系數(shù)相差較小,由此可得車(chē)速對(duì)路面抗滑系數(shù)的影響較小。(2)圖4大型車(chē)的變化趨勢(shì)比圖2小型車(chē)陡,斜率更穩(wěn)定,當(dāng)車(chē)重較大時(shí),積雪厚度和抗滑系數(shù)更趨于線性關(guān)系。(2)圖2看出,在積雪厚度<5 mm、5~10 mm、10~20 mm范 圍中,抗滑系數(shù)改變較大。積雪厚度<5 mm 時(shí),抗滑系數(shù)處于最低值。
圖3 小型車(chē)抗滑系數(shù)與車(chē)速的關(guān)系
圖4 大型車(chē)抗滑系數(shù)與積雪厚度的關(guān)系
圖5 大型車(chē)抗滑系數(shù)與車(chē)速的關(guān)系
由表1~表4數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析,通過(guò)擬合得到道路抗滑系數(shù)與速度、積雪厚度的關(guān)系:
式中:—抗滑系數(shù);V—車(chē)輛行駛速度,km/h;M—車(chē)輛質(zhì)量,kg;T—積雪厚度,mm。
為了檢驗(yàn)該模型的顯著性水平,對(duì)公式(5)進(jìn)行回歸方程F檢驗(yàn),其中R2=0.903 5,結(jié)果見(jiàn)表5。說(shuō)明該回歸方程中,積雪厚度能夠顯著影響因變量,而車(chē)速影響較小,符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律,模型可靠性良好。
表5 模型回歸系數(shù)顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)
不同降雪強(qiáng)度下車(chē)輛在行駛遭遇障礙物時(shí)能保證行車(chē)安全的速度結(jié)果見(jiàn)表6。在道路能見(jiàn)度<100 m,車(chē)輛的安全車(chē)速<20 km/h時(shí),應(yīng)關(guān)閉道路;能見(jiàn)度在100~200 m時(shí),道路結(jié)冰導(dǎo)致路面抗滑系數(shù)過(guò)低,安全車(chē)速<20 km/h時(shí),也應(yīng)該關(guān)閉道路,以防事故發(fā)生[8]。
表6 積雪天氣下安全車(chē)速限制值
(1)通過(guò)車(chē)輛在積雪路段行車(chē)過(guò)程中的相關(guān)因素得出安全車(chē)速關(guān)于抗滑系數(shù)、視距、坡度的計(jì)算公式。(2)通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn),建立積雪厚度和路面抗滑系數(shù)的關(guān)系模型,得出抗滑系數(shù)與車(chē)速、車(chē)重成冪函數(shù)關(guān)系,與積雪厚度成對(duì)數(shù)關(guān)系,并運(yùn)用顯著性檢驗(yàn)確定模型的可靠性。(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定小型車(chē)與大型車(chē)在不同抗滑條件下的安全車(chē)速。(4)由于試驗(yàn)設(shè)備等因素的影響未能進(jìn)一步推導(dǎo)出推廣模型,以后可進(jìn)行深入研究。