李澤
(保定交通建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,河北保定071015)
山區(qū)高速公路建設(shè)時(shí),考慮到高差、地形、地質(zhì)條件等因素,為降低成本并保護(hù)環(huán)境,越嶺路段所用連續(xù)縱坡往往較大且較長(zhǎng)。 這種縱坡組合路段不利于載重車輛的安全下坡,具體表現(xiàn)為制動(dòng)器的“熱衰退”。 而在長(zhǎng)陡下坡路段設(shè)計(jì)緩坡可有效減緩車輛制動(dòng)轂負(fù)荷,增加行車安全性。
JTG D20—2017 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱“2017版規(guī)范”)明確:5.2 kW/t 功率重量比的六軸鉸接列車為國(guó)內(nèi)主導(dǎo)貨運(yùn)車輛,比起JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡(jiǎn)稱 “2006 版規(guī)范”) 及A Policy on Geometric Design of Highways and Streets[3](以下簡(jiǎn)稱“AASHTO 規(guī)范”)所規(guī)定的貨運(yùn)主導(dǎo)車型的整體性能偏低,但2017 版規(guī)范所規(guī)定的緩坡坡度和坡長(zhǎng)指標(biāo)仍與2006 版規(guī)范的規(guī)定相同。2017 版規(guī)范中的緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)可能不符合現(xiàn)行貨車在連續(xù)下坡段的行車需要, 因此, 與時(shí)俱進(jìn)地調(diào)整連續(xù)下坡緩和坡段指標(biāo)非常有必要。 此外,從現(xiàn)有研究看,關(guān)于連續(xù)下坡路段安全性設(shè)計(jì)的研究多是基于交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果提出改善措施[4-5],如限速、標(biāo)志線等。 而連續(xù)下坡路段緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)的研究較少。 曹杰[6]雖然探討了緩坡臨界縱坡和坡長(zhǎng)的指標(biāo)設(shè)計(jì), 但其所依托的是9.33 kW/h 功重比的車型,不同于現(xiàn)有貨車主導(dǎo)車型。 合理的緩坡指標(biāo)設(shè)計(jì)可有效減小車輛制動(dòng)轂溫度和行駛速度, 對(duì)降低貨車下坡段制動(dòng)次數(shù)及行駛風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。 綜上可知,為確保山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡段貨車行駛的安全, 按照現(xiàn)有貨車標(biāo)準(zhǔn)探討連續(xù)下坡段緩坡指標(biāo)的合理設(shè)計(jì)非常有必要。
此次所依托主導(dǎo)車型為東風(fēng)DFL4251A15 六軸鉸接列車,基于該車輛的下坡受力狀態(tài),分析其在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的基礎(chǔ)上,在各設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度下的緩坡臨界縱坡值,以期為高速公路連續(xù)下坡指標(biāo)的設(shè)計(jì)提供參考。
在探討公路縱坡指標(biāo)時(shí),為確保所得結(jié)果的說(shuō)服力、真實(shí)性及代表性等, 需根據(jù)實(shí)際情況選取現(xiàn)階段主流車型作為研究對(duì)象。 按照J(rèn)TG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中的說(shuō)明,本文選取滿載狀態(tài)下的六軸鉸接列車為研究對(duì)象。 主導(dǎo)車型組成部分包括東風(fēng)DFL4251A15 牽引車及半掛車。
參考文獻(xiàn)[7]分析發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下六軸載貨汽車的受力情況:牽引車鉸接至半掛車中,在進(jìn)行受力分析時(shí)假設(shè):(1)直線縱坡上,車輛鉸鏈位置僅傳遞力;(2)視車輛為剛體。 受力分析見(jiàn)圖1。
圖1 受力分析示意圖
根據(jù)受力平衡原理, 可得車輛在下坡路段持續(xù)制動(dòng)時(shí)的平衡方程為:
式(1)~式(8)中,i 為坡度,取tanα=i;Tb為動(dòng)力矩;ig為變速器變速比;i0為主減速比;η 為傳動(dòng)效率;r 為車輪半徑;δ 為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量指數(shù);CD為空氣阻力;A 為迎風(fēng)面積;p=1.226 N·s2·m-4;w 為車輛荷載;δ1=0.03-0.05;δ2=0.04-0.05;ik為變速箱速度比;v 為速度;f 為靜摩擦力;m 為車輛質(zhì)量;dv/dt 為速率隨間變化率。
根據(jù)上述受力分析,可計(jì)算得坡度與運(yùn)行速度的關(guān)系式,并以此構(gòu)建檔位-速度-臨界坡度模型。 而從該模型中又可計(jì)算出各行駛速度及檔位下的緩坡臨界坡度。
從行車動(dòng)力學(xué)上看,道路在某坡度值時(shí),貨車下坡僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)即可保持勻速行駛,而當(dāng)?shù)缆菲露戎敌∮谠撝禃r(shí),車輛將減速行駛,該坡度值即為臨界縱坡。 當(dāng)貨車進(jìn)入該緩坡時(shí),車輛將保持勻速運(yùn)動(dòng)或減速,有助于車輛低檔前進(jìn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力,此時(shí)車輛主制動(dòng)器處于非工作狀態(tài),因此,此時(shí)的制動(dòng)鼓可有效散熱降溫,有助于車輛制動(dòng)性能的恢復(fù)。
從式(1)~式(8)可得:
式中,g 為重力加速度,取g=9.8 m/s2。
在通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí),式(3)中Tb和轉(zhuǎn)速間為二次函數(shù)關(guān)系[8]:
式中,n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
令:
聯(lián)立式(2)~式(6)和式(11)可得:
式中,u1、u2、u3為扭矩系數(shù);C1、C2、C3為阻力系數(shù);δ0為車輛空擋時(shí)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);將式(10)中sinα 看成i,聯(lián)立式(10)和式(12),可得:
從JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》可知,高速公路設(shè)計(jì)速度應(yīng)大于100 km/h,環(huán)境限制時(shí)可采用80 km/h。 在連續(xù)下坡段, 司機(jī)常會(huì)降速掛低擋, 而各擋位有各自的速度范圍。 80 km/h 和100 km/h 下坡速度各自的對(duì)應(yīng)擋位為11 擋和12 擋。因此,所采用緩坡坡度控制指標(biāo)為11 擋和12 擋發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下的臨界坡度。 此外,大型車在0%~6%下坡坡度下一般有40~80 km/h 的行駛速度,因此,以40 km/h 作為貨車最低容許速度,結(jié)合各擋位的速度范圍,可得緩坡坡度在設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度下的設(shè)計(jì)指標(biāo)建議值。 具體見(jiàn)表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下連續(xù)下坡緩坡坡度控制指標(biāo)建議值
表1 中緩坡坡度指坡度設(shè)計(jì)控制值, 當(dāng)貨車行駛在小于坡度設(shè)計(jì)控制值的坡度上時(shí),有助于貨車減速降檔,且制動(dòng)轂保持在降溫狀態(tài),有利于恢復(fù)制動(dòng)性能。 表1 中緩坡坡度均比2.5%的規(guī)范建議值小,所取值跟行車速度有聯(lián)系,且有更詳細(xì)劃分,更利于確保連續(xù)下坡段的貨車行車安全,可為后續(xù)類似設(shè)計(jì)提供參考。
本文根據(jù)下坡路段貨車受力情況,結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論,探討了發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下有效確保行車安全的臨界緩坡值。 所得結(jié)論有: 提出了貨車在下坡路段僅使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)即可保持勻速行駛的下坡臨界緩坡值, 得出各擋位和各行駛速度下緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)。 此次所提出緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)建議值可有效降低制動(dòng)轂使用強(qiáng)度及次數(shù),降低制動(dòng)轂溫度,可為后續(xù)類似設(shè)計(jì)提供參考。