一種通過安培力消能的避險(xiǎn)車道方案

楊永志 李明 龔小根

摘 要：針對(duì)高速公路失控車輛車速高、破壞力強(qiáng)、制動(dòng)難等問題特點(diǎn)，本文通過電磁理論提出了一種新的避險(xiǎn)車道制動(dòng)方案，利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的安培力對(duì)高速行駛的失控車輛進(jìn)行制動(dòng)。首先，對(duì)制動(dòng)的原理進(jìn)行闡述，推導(dǎo)了制動(dòng)過程中安培力的計(jì)算公式并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磁場(chǎng)觸發(fā)裝置和通電電路;然后利用MATLAB軟件對(duì)制動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬并分析相關(guān)參數(shù)對(duì)制動(dòng)效果的影響;最后與傳統(tǒng)的避險(xiǎn)車道制動(dòng)效果進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)電磁制動(dòng)做出展望。

關(guān)鍵詞：電磁;制動(dòng);避險(xiǎn)車道;安培力

引言：避險(xiǎn)車道作為提高交通安全的一種道路設(shè)計(jì)措施在國(guó)內(nèi)外公路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡路段或長(zhǎng)下坡路段中，起著至關(guān)重要的作用。但是由于避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)理論目前并不是很完善，在實(shí)際應(yīng)用中依然存在著較多的問題和難關(guān)，傳統(tǒng)避險(xiǎn)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為車輛的重力勢(shì)能和熱能，但是當(dāng)山區(qū)高速公路長(zhǎng)陡下坡路段設(shè)置的避險(xiǎn)車道受地形影響制動(dòng)床長(zhǎng)度不足或坡度較小時(shí)，失控車輛依然可能沖出避險(xiǎn)車道或者車頭撞擊防撞設(shè)施造成二次事故。因此，我們提出利用電磁感應(yīng)原理，在傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道的基礎(chǔ)上，增設(shè)安培力制動(dòng)設(shè)施，以加強(qiáng)相同距離內(nèi)的制動(dòng)效果，減少制動(dòng)降低山區(qū)高速公路事故的帶來經(jīng)濟(jì)損失和提高公路的交通安全水平。

1.原理分析及公式推導(dǎo)

通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到作用力，設(shè)電流的強(qiáng)度大小為I、通電導(dǎo)線為長(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線，設(shè)定磁場(chǎng)為理想的勻強(qiáng)磁并設(shè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B（如圖1），則在磁場(chǎng)中通電導(dǎo)體受到的安培力大小為。

2.系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

本方案的制動(dòng)系統(tǒng)主要由磁場(chǎng)觸發(fā)裝置和通電導(dǎo)體板兩部分組成。磁場(chǎng)由兩排通電螺線圈提供，沿避險(xiǎn)車道的兩側(cè)并排布置矩形狀的螺線圈，兩排線圈中間形成類勻強(qiáng)磁場(chǎng)，每排線圈間隔1/4線圈長(zhǎng)度，減少相鄰線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互干擾。同時(shí)線圈的軸線方向與避險(xiǎn)車道方向垂直，以保證磁場(chǎng)產(chǎn)生的制動(dòng)效果最佳見圖2。兩側(cè)的矩形線圈通以大功率的直流電流，并且附帶兩個(gè)“丁”字形電源開關(guān)見圖3。在避險(xiǎn)車道上空7-8m建造一個(gè)鋼制框架，框架中央布置一條長(zhǎng)直導(dǎo)軌用于懸掛通電導(dǎo)體電路板。當(dāng)超速汽車進(jìn)入避險(xiǎn)車道時(shí)，撞擊懸掛在避險(xiǎn)車道中央的帶有通電導(dǎo)體棒的制動(dòng)板，此制動(dòng)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(shí)的破壞能力;內(nèi)部是一排豎直導(dǎo)體棒，當(dāng)汽車撞擊時(shí)觸動(dòng)開關(guān)，使導(dǎo)體棒通電。同時(shí)，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(gè)“丁”字形開關(guān)沿避險(xiǎn)車道方向一個(gè)張開，一個(gè)閉合。超速汽車進(jìn)入避險(xiǎn)車道，撞擊電路板使導(dǎo)體棒通電，電路板外部的鋼制棒體觸發(fā)線圈的第一個(gè)張開開關(guān)使其閉合，兩側(cè)線圈同時(shí)通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生安培力，方向和行駛方向相反，起到降低車速的作用，當(dāng)汽車運(yùn)動(dòng)到第二個(gè)閉合開關(guān)的位置，觸發(fā)開關(guān)斷開，第一排的磁場(chǎng)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(guān)閉合，第二排線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)一步降低車速，其中的時(shí)間間隔只有磁場(chǎng)存在時(shí)間的1/4，即汽車在整個(gè)減速過程中，安培力制動(dòng)時(shí)間占總時(shí)間的3/4。

通電螺線管埋設(shè)示意圖如圖2所示。磁場(chǎng)系統(tǒng)由在車道上埋設(shè)的蓄電池以及四象斬波器供電，電壓可達(dá)到440V，電流可維持在120A左右。制動(dòng)效果的計(jì)算及效果對(duì)比：設(shè)定制動(dòng)板的導(dǎo)體棒有7根，間距為d，結(jié)合畢奧薩法爾定律可得7根導(dǎo)體棒各自位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3.制動(dòng)過程中的能量分析

4.總結(jié)與展望

本文主要介紹了一種新型的電磁制動(dòng)方法并將之與傳統(tǒng)的避險(xiǎn)車道結(jié)合，利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的安培力對(duì)失控車輛進(jìn)行制動(dòng)，可以在段距離內(nèi)增大制動(dòng)效果，并且可以結(jié)合相應(yīng)地形情況調(diào)節(jié)參數(shù)以調(diào)整制動(dòng)效果。解決了地形缺陷對(duì)傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道制動(dòng)效果的限制問題。同時(shí)，由于安培力做功時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，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(dòng)手段，同時(shí)制動(dòng)板的氣囊設(shè)計(jì)保證了制動(dòng)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(chǎng)，對(duì)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(yīng)電流，對(duì)電池的容量以及過流保護(hù)設(shè)施要求較高，實(shí)際運(yùn)用過程中需要有一定的技術(shù)保障。另外，隨著以后電磁技術(shù)的發(fā)展和興盛，磁場(chǎng)的布設(shè)手段更加成熟后，可以將安培力制動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步完善降低成本并投入使用。

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