基于Virtual Box非均勻點狀冰路面的安全性分析

楊玉芬, 李明明, 高曉旸

(吉林大學 a. 網(wǎng)絡(luò)中心; b. 計算機科學與技術(shù)學院, 長春 130012)

0 引 言

現(xiàn)在, 乙醇汽油的使用已得到大范圍推廣。機動車在十字路口怠速等待通行的短暫停車時, 由于在寒冷地帶的機動車排氣管滴水導致路面結(jié)冰, 形成非均勻點狀冰路面, 使路面附著系數(shù)發(fā)生變化, 從而影響車輛的行駛安全性[1]。筆者研究滴水量、 路面環(huán)境對車輛行駛安全的影響程度及關(guān)系具有現(xiàn)實和理論意義。目前我國科研工作者已對寒冷季節(jié)時路面大范圍均勻結(jié)冰導致的路面附著系數(shù)變化進行了具體分析[2], 但對非均勻點狀結(jié)冰路面的研究仍是空白。因而, 筆者針對這種狀況展開了一系列的研究, 希望最終研究成果可為在非均勻點狀結(jié)冰路面上車輛行駛安全性做準確分析與評估, 并且為后續(xù)的研究提供理論依據(jù), 從而可讓機動車更安全地行駛在公路上。

1 研究對象

由于我國北方不同地區(qū)冬季降雪及氣溫狀況有很大差別, 大范圍研究各地區(qū)的氣象狀況將給項目的進行以及分析帶來極大不便, 綜合考慮多種因素后, 筆者擬在長春市進行實驗和數(shù)據(jù)的采集。考慮到水只有在0 ℃以下時才會出現(xiàn)結(jié)冰的狀態(tài), 并且城市通常在早晚上下班高峰時期才會出現(xiàn)交通擁堵的狀況[3]。在考慮氣溫的前提下, 由于汽車經(jīng)過路面時會帶走一部分積雪, 并且汽車從積雪路面行駛過后會產(chǎn)生一部分熱量, 造成少量的積雪融化形成冰, 所以實驗研究必須將路面積雪深度大于5 mm以及日降水量特別大的天氣排除在外(這里暫不考慮特殊的干擾因素, 比如人為灑融雪劑以及工人大范圍鏟雪對路面狀況的影響)。

表1 項目研究范圍內(nèi)的日期

注：由于2010年出現(xiàn)了較大范圍的持續(xù)降雪, 導致對項目研究范圍有一定的影響, 但特殊的天氣不能代表長春的天氣狀況, 所以該項目的研究仍具有其價值所在。

經(jīng)過對2008年～2011年長春地區(qū)日平均氣溫、 日最高氣溫、 日最低氣溫、 日降水量及日積雪深度等數(shù)據(jù)的采集與分析, 確定了在研究范圍內(nèi)的天數(shù)如表1所示。

由表1可看出, 每年的11月中旬到次年的3月中旬時間段在研究范圍內(nèi), 即路面極易形成非均勻冰面的天氣。

2 非均勻冰面的模擬實驗

經(jīng)過對1 000輛車的排量統(tǒng)計與加權(quán)計算, 得到平均車排量為1.88 L。乙醇汽油燃燒產(chǎn)生水量的理論計算根據(jù)乙醇汽車中各組分的百分比及化學成分的各自燃燒方程式, 可得到完全燃燒狀態(tài)下乙醇汽油燃燒物中的水含量為16.666 7 g/min, 即0.277 8 g/s。汽車尾氣中水致路面結(jié)冰量的測量通過對實驗車輛怠速時尾氣中排放出的水致路面結(jié)冰量的測量, 可為非均勻冰面的模擬提供數(shù)據(jù)與理論支撐。經(jīng)試驗測量, 最終得到汽車怠速時, 尾氣中水致路面結(jié)冰量為0.104 1 g/s。

通過項目前的準備, 筆者計算乙醇汽油完全燃燒時產(chǎn)生水的量, 并且有怠速時尾氣中水導致路面結(jié)冰量的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)比對。實驗中, 考慮到水噴灑到路面上有一部分的損失及蒸發(fā)損耗, 所以實驗擬采取0.250 0 g/s的水進行實驗非均勻冰面模擬時水的噴灑量, 并且通過觀察生活中路面上非均勻冰面的形狀, 最終確定了實驗中非均勻冰面的形狀與大小[4-6]。在干燥路面上, 車速增加, 附著系數(shù)幾乎沒有變化, 而在非均勻點狀冰路面上, 附著系數(shù)則隨速度的增加而急劇變小。制動加速度即剎車時的加速度, 制動加速度增大速度減小, 速度減小的過程中附著系數(shù)也隨之發(fā)生變化, 所以筆者對汽車的制動加速度進行數(shù)據(jù)采集、 分析。最后應用V-box(Virtual Box)設(shè)備對車輛在非均勻冰面上制動時數(shù)據(jù)進行采集、 處理和分析。

利用V-box對非均勻點狀結(jié)冰路面第1次制動時制動加速度進行數(shù)據(jù)采集, 其結(jié)果如圖1所示。

圖1 非均勻點狀結(jié)冰路面第1次制動加速曲線圖

計算制動過程中制動力穩(wěn)定時制動加速度的平均值, 得a=-0.388 06g(g=9.8 m/s2)。利用V-box對非均勻點狀結(jié)冰路面第2次制動時制動加速度進行數(shù)據(jù)采集[7-9], 其結(jié)果如圖2所示。

圖2 非均勻點狀結(jié)冰路面第2次制動加速曲線圖

計算制動過程中制動力穩(wěn)定時制動加速度的平均值, 得a=-0.370 81g。

綜上, 制動穩(wěn)定時制動加速度a=-0.379 44g, 即非均勻點狀結(jié)冰路面附著系數(shù)為ψ=-0.379 44。

利用V-box對普通路面第1次制動時制動加速度進行數(shù)據(jù)采集[10,11], 其結(jié)果如圖3所示。

圖3 普通路面第1次制動時制動加速度曲線圖

計算制動過程中制動力穩(wěn)定時制動加速度的平均值, 得a=-0.479 38g。

利用V-box對普通路面第2次制動時制動加速度進行數(shù)據(jù)采集, 其結(jié)果如圖4所示。

圖4 普通路面第2次制動時制動加速度曲線圖

計算制動過程中制動力穩(wěn)定時制動加速度的平均值, 得a=-0.479 38g。

綜上, 普通路面附著系數(shù)為ψ=-0.479 38。通過對實驗數(shù)據(jù)的觀察與分析并經(jīng)過相關(guān)資料的查閱, 可得理論情況下各種路況的附著系數(shù)(見表2)。

表2 各種路面上的附著系數(shù)

制動距離是指駕駛員踩下制動踏板產(chǎn)生作用至汽車完全停止時, 輪胎在路面上出現(xiàn)明顯的拖印的距離。制動距離的長短與行駛的速度、 制動力、 附著系數(shù)有關(guān)。行駛速度越高, 制動距離越長, 行駛速度與制動距離的平方成正比。制動力是指駕駛員踩下制動踏板后, 阻礙并促使車輪停止轉(zhuǎn)動的力。制動力的大小, 除與踩下制動踏板的行程有關(guān)外, 還取決于車輪與地面的附著系數(shù), 道路越光滑(如結(jié)冰路面), 附著系數(shù)越小, 制動距離越長。制動距離越小, 汽車的制動性能就越好, 安全性越高。由于實驗結(jié)果與理論數(shù)據(jù)偏差較小, 所以, 實驗測得的普通路面的附著系數(shù)及非均勻路面的附著系數(shù)均較為合理, 可用于下面的結(jié)論分析。

綜上, 可得到以下結(jié)論。

經(jīng)過對上述兩者情形的比較可以看出, 在非均勻點狀結(jié)冰路面上制動距離明顯比普通路面上的制動距離長, 當起始制動車速為40 km/h時, 二者的制動距離相差S1-S2=3.46 m。

實驗中, 采用的實驗車輛的額定排量是1.6 L, 此時獲得的非均勻冰面的附著系數(shù)ψ=0.379 44, 但在項目初期, 經(jīng)過對長春車排量的統(tǒng)計后得到平均車排量是1.88 L, 如果采用1.88 L排量作為實驗依據(jù), 則得到的非均勻冰面的附著系數(shù)更小, 此時, 相對應的制動距離更大, 即對駕駛的安全性影響更大。

3 結(jié) 語

在車輛較為擁堵的大城市, 車輛總是在合理的行車速度范圍內(nèi)以可達到的最大速度行駛, 因此, 當交通指示燈由綠燈突然變成紅燈的一瞬間, 車輛要由其原來的行駛狀態(tài)變成靜止狀態(tài)。此時制動距離的長短就可對整個行車速度及駕駛安全性造成很大的影響。經(jīng)過對氣象資料的調(diào)研與分析可知, 在不同年份中, 在一年內(nèi), 雖然在研究范圍內(nèi)的天數(shù)不是很多, 但這對城市交通安全狀況的影響確實不容忽視, 在車輛眾多的城市里, 每個細微的安全隱患都應該極力發(fā)掘并排除。在長春這個交通相對不是很發(fā)達的城市里, 非均勻冰面對汽車駕駛安全的影響尚如此之大, 那么在天氣較冷、交通較為發(fā)達的城市里, 汽車尾氣排水致路面所結(jié)的非均勻冰面會對駕駛安全帶來更大的負面影響。

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