長大下坡路段重型車輛剎車轂溫度預測模型的建立與應用

金龍祥，左仁廣

(1.云南省瀘西縣交通局，云南瀘西652400;2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

隨著我國西部大開發(fā)的深入，山區(qū)公路建設取得了巨大成就。與此同時，山區(qū)公路的交通安全問題日益凸顯。由于地形的限制，山區(qū)公路存在較多的長大縱坡。山區(qū)公路交通事故統(tǒng)計資料顯示，一半以上交通事故發(fā)生在長大縱坡上，其中絕大多數發(fā)生在下坡路段。目前國內外的相關研究較少，應用于工程實踐指導的相關規(guī)范、指南亦未頒布。鑒于此，本文對山區(qū)公路的長大下坡路段安全關鍵技術展開研究。

1 長大下坡路段事故致因分析

1.1 長大下坡路段事故形態(tài)

總體來說，長大縱坡路段的事故類型有如下兩種:(1)上坡車輛速度差過大、視距不良等原因造成的追尾事故;(2)下坡時重型車輛制動失靈造成車輛失控釀成事故。

上述兩種事故類型中，下坡的事故，即后者的比例又占了事故的絕大多數。如何針對制動失靈造成車輛失控提出有效的解決措施，已成為對于公路長大下坡路段安全研究的關鍵。

1.2 長大下坡路段事故致因分析

道路交通事故按其空間分布特性可分為分散型和密集型。分散型分布的交通事故其成因多與駕駛員或其他道路使用者的不安全行為有關，密集型分布的事故多與道路線形、交通設施和交通環(huán)境等因素有關。事故密集型分布的路段通常稱為事故多發(fā)路段。事故多發(fā)路段與公路設計有非常密切的聯(lián)系。長大下坡路段易發(fā)生因剎車失靈引起的交通事故，也屬于密集型分布。

長大下坡路段的事故成因，相應地分為駕駛員因素(主觀因素)、汽車因素和道路因素(客觀因素)。主觀因素并非本文研究重點，因此本文著重分析汽車因素和道路因素。限于篇幅，本文略去分析過程，得出了影響汽車在長大下坡路段失控的主要原因是道路坡度大、滑行距離長、車輛載重大等因素。

2 長大下坡路段重型車輛剎車轂溫度測定試驗

本節(jié)將考慮車輛載重、車輛下坡速度、距坡頂距離和下坡坡度等四個因素對公路長大下坡路段上行駛車輛的剎車轂溫度的影響，進行試驗設計，以期為下一步找出剎車轂溫度與車輛載重、車輛下坡速度、距坡頂距離和下坡坡度等因素的定量關系提供樣本數據。

2.1 試驗目的

本試驗的目的在于獲得載重車輛在限定條件下下坡時剎車轂溫度值，并以之為依據，建立相應的回歸模型

(1)根據所得數據定量地分析各影響因素對于剎車轂溫度值的影響情況;

(2)通過對試驗結果的分析，建立長大下坡路段重型車輛溫度預測模型。

2.2 試驗條件

本試驗將研究車輛載重、車輛下坡速度、距坡頂距離和下坡坡度四個因素對公路長大下坡路段上行駛車輛的剎車轂溫度的影響，因此須在不同的車輛載重、車輛下坡速度、距坡頂距離和下坡坡度組合下進行剎車轂溫度測量，具體條件見表1。

表1 試驗條件

2.3 試驗內容

本試驗將在選定的試驗路段，令選定車型的載重貨車以指定方式從坡頂滑行至坡底，期間每隔指定的距離即測量試驗車前輪與后輪的溫度。為使試驗結果具有較大可信性，每次試驗須進行3次，取平均值為實驗結果。

(1)將試驗車滿載(15 t)，停至長大縱坡的坡頂。待其剎車轂溫度降至正常溫度(40℃左右)時，空檔在坡上滑行，速度升至40 km/h時在道路旁做一明顯記號A。勻速滑行至距離A點500 m處，停車，迅速測量剎車轂溫度，記錄;

(2)將試驗車開回坡頂，待其剎車轂溫度降至正常溫度時，空檔滑行，滑行至距A點1 000 m處時，停車，迅速測量剎車轂溫度，記錄。以此類推，分別測得500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m處剎車轂溫度;

(3)重復以上步驟，測得另一坡相應500 m、1 000 m處剎車轂溫度;

(4)速度改為 30 km/h，重復以上步驟(1)、(2)、(3);

(5)速度改為 20 km/h，重復以上步驟(1)、(2)、(3);

(6)將試驗車載重卸掉5 t(車載重10 t)，重復步驟(1)～(5);

(7)將試驗車載重卸掉5 t(車載重5 t)，重復步驟(1)～(5)。

2.4 試驗結果

除去1次因情況危急而試驗失敗，以及3次情況危險而取消試驗以外，試驗一共取得59組有效數據。

3 長大下坡路段重型車輛溫度預測模型的建立

3.1 剎車轂溫度數據分析

基于上節(jié)取得的數據進行分析，如圖1所示:

圖1 前后輪剎車轂溫度升高比較圖

貨車的剎車設計一般為后輪先剎車，前輪稍后，這樣有利于駕駛員控制方向。因此無論從時間前后上還是剎車力度上，均可解釋后輪溫度高于前輪(圖1)。

由于本研究的目的在于對公路長大下坡的安全進行研究，所以必須考慮最壞的情況，因此，后文中建立公路長大下坡路段重型車輛溫度預測模型時以后輪剎車轂溫度數據為依據。

車輛載重越大，其重力勢能越大，其通過剎車轂的摩擦轉化成的熱能就越多，因此，車輛載重越大，剎車轂的溫度越高如圖2。

圖2 試驗車載重增大剎車轂溫度升高

汽車速度越大時，剎車的強度越小，相反，汽車的速度越小，為了保持較小的行駛速度，剎車轂與蹄片之間越緊密，摩擦更劇烈，則剎車轂溫度越高如圖3。

圖3 試驗車輛車速增大剎車轂溫度升高圖

下坡距離越長，則制動時間越長，剎車轂摩擦時間越長，則其溫度越高如圖4。

圖4 試驗地點距坡頂距離增大剎車轂溫度升高圖

下坡坡度越大，則車輛重力在平行車輛行駛方向分力越大，在其它因素一定的情況下，為了產生更大的制動力，剎車轂的摩擦也必然加劇，因此，下坡坡度越大，則剎車轂溫度越高如圖5。

圖5 坡度增大剎車轂溫度變化圖

3.2 長大下坡路段重型車輛剎車轂溫度預測模型的建立

利用SPSS統(tǒng)計軟件建立的回歸模型如下式所示(建模過程從略):

式中:T為剎車轂溫度(℃);G為車輛載重(t);V為車輛的下坡速度(km/h);S為車輛距坡頂的距離(m);i為長大下坡路段的坡度(%)。

4 基于剎車轂溫度預測的避險車道設計

避險車道的設置，目前無相應的規(guī)范標準，具體工程操作時往往出現(xiàn)兩種情況:(1)應該設避險車道而未設，這樣容易在公路長大下坡路段造成安全隱患;(2)不該設置避險車道而設置，這樣不僅達不到消險的目的，而且加大了工程投資，造成不必要的浪費。

本節(jié)將從剎車轂溫度預測的角度出發(fā)，試圖探索一種合理可行的避險車道設置方法。

4.1 剎車轂衰退溫度的確定

重型車輛在長大下坡路段行駛時，制動器需要較長時間連續(xù)地作較大強度的制動，剎車轂溫度常在300℃以上，有時高達600℃ ～700℃。正常制動時，剎車轂的溫度在200℃左右，摩擦系數約為0.3～0.4;但在更高的溫度，摩擦系數會有很大降低，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。原有的室內試驗也表明，一般情況下，當剎車轂的溫度不超過200℃時，車輛剎車轂的制動效能不會發(fā)生明顯的衰退。目前在剎車轂中廣泛采用模壓材料、編織材料、和粉末冶金摩擦材料作為剎車轂摩擦材料，這些材料在250℃以上時不能承受較高的單位壓力，磨損會加快。美國聯(lián)邦公路局(FHWA)開發(fā)的坡度嚴重度分級系統(tǒng)把汽車剎車轂溫度是否超過260℃作為是否設置避險車道的依據。綜合國內的研究結論，并參考國外的研究成果，現(xiàn)把剎車轂衰退溫度定為260℃。

4.2 避險車道位置的確定

根據本文所建立的公路長大下坡路段剎車轂溫度預測模型，在剎車轂失效溫度確定的情況下，就可以得出在不同載重、不同坡度、不同下坡速度情況下剎車轂溫度達到失效溫度(260℃)時距坡頂的距離，即:

根據上式可以測試車輛的載重、下坡的速度以及長大下坡的坡度反算出公路長大下坡的安全長度。借此對公路縱斷面的安全性進行評價。對于安全性評價結果有問題的路段，考慮到避險車道的造價昂貴，可以適當調整縱斷面設計，但由于地形的限制，常常無法將縱斷面設計修改至滿足條件，這個時候，就要考慮在危險的地方設置避險車道。

5 結束語

隨著我國西部大開發(fā)的深入，山區(qū)公路的建設必將取得更大的成就，同時，設計者也將面對更多的長大縱坡相關的設計問題，本文的研究結論可用于山區(qū)公路設計階段的縱斷面線形評價，從安全角度輔助優(yōu)化道路的縱斷面設計，同時可用于避險車道選址，對提高公路長大下坡路段安全性提供理論依據與應用參考。

［1］A Policy no Geometric Design of Highways and Streets(Green Book)［S］.American Association of State Highway Transportation officials(AASHTO)，2001

［2］2Roadway Design Guidelines［S］.Arizona Department of Transportion，2004

［3］Geometric Design Guide［S］.South African National Roads Agency，2003

［4］周榮貴，孫家鳳，吳萬陽，等.公路縱坡坡度與坡長限制［R］.交通行業(yè)重點實驗室，2006－03－13

［5］韓文彬，李顯生.道路線形與交通事故關系研究［D］.長春:吉林大學，2007

［6］張小東，高建平，孔令旗.高速公路連續(xù)長下坡路段行車安全分析［J］.山東交通科技，2005(1):17－19

［7］余強.汽車下坡持續(xù)制動性能研究［D］.西安:西安公路交通大學，2000:3－4