山區(qū)公路長陡下坡路段大型汽車制動器溫度研究*
——以317國道鷓鴣山隧道西引道為例

張詩波， 查治涌， 龐劭榮， 張璐， 邱健斌

(1.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 四川 成都 610039；2.四川西華交通司法鑒定中心， 四川 成都 610039)

受地形、地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)等方面因素的控制，西部山區(qū)許多二級公路采用長陡下坡來克服地勢高差，由此帶來一系列交通安全問題。汽車在連續(xù)下陡坡段行駛時，為保持速度平穩(wěn)，不得不采取連續(xù)制動來控制車速，造成制動器溫度升高，嚴(yán)重時造成制動失效，繼而引發(fā)惡性交通事故。據(jù)統(tǒng)計，在全國29處公路危險路段中，長下坡路段占55.6%。公安部2018年公布的全國十大事故多發(fā)的公路長下坡路段中，一半為山區(qū)非高速公路。有資料顯示，在連續(xù)長下坡路段，由于制動器故障或制動失效導(dǎo)致車輛失控所引起的事故占比達(dá)40%，其中大型車輛所占比例為48%。針對該問題，余強(qiáng)提出采用發(fā)動機(jī)制動、排氣制動和電渦流緩行器聯(lián)合作用的持續(xù)制動方式，何勇提出采用淋水降溫措施。該文依托317國道鷓鴣山隧道西引道4.4 km長陡下坡路段交通事故預(yù)防整改項目，對通過該路段大型車輛制動器溫度進(jìn)行實地測量，研究大型車輛經(jīng)過長陡下坡行駛后制動器的溫度特征。

1 汽車制動器溫度上升機(jī)理

汽車制動器分為盤式與鼓式兩大類，由于鼓式制動器具有成本較低、制動力大等優(yōu)點，載重貨車等大型車輛通常采用鼓式制動器。鼓式制動器的主要零件為制動蹄、制動塊、制動鼓、制動輪缸及回位彈簧等，汽車制動時，駕駛員踏下制動踏板，制動塊向外張開，壓緊對應(yīng)的制動輪，摩擦片與制動輪的內(nèi)側(cè)相互摩擦從而使汽車減速或停止。但鼓式制動器由于自身結(jié)構(gòu)原因其散熱性較差，制動過程中產(chǎn)生熱量并存于制動鼓中，使制動鼓溫度上升，在連續(xù)下坡段連續(xù)制動時制動鼓溫度急劇上升，導(dǎo)致制動效果衰減甚至失效，從而引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。為保證制動鼓制動效能穩(wěn)定，需對其進(jìn)行散熱。制動器生熱之后的散熱方式主要有傳導(dǎo)散熱、輻射散熱和對流散熱3種，通常輻射散熱與傳導(dǎo)散熱在制動器內(nèi)散熱占比相當(dāng)，占散熱量的5%～10%，大部分熱量是通過對流散熱方式散失。

在不同溫度下，鼓式制動器的制動表現(xiàn)有所差異。溫度沒有超過300 ℃時，制動器效能穩(wěn)定，制動效果好，一般不會由于制動器本身原因造成車輛制動失效。從微觀上看，化合物相對較穩(wěn)定，出現(xiàn)化學(xué)熱降解的概率小，能保持良好的制動效能。而溫度超過300 ℃時，制動器會隨著溫度的升高出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象，制動效能大大降低。這是由于制動蹄摩擦片上含有大量有機(jī)化合物，它們會析出氣體或液體存于制動鼓中，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，制動效能減弱，嚴(yán)重時引發(fā)制動失效。

2 鷓鴣山隧道西引道道路概況及事故狀況

2.1 道路概況

國道317線鷓鴣山隧道西引道(以下簡稱西引道)連接坡頂西洞口和坡底三家寨，全長4.4 km，于2005年建成通車。該道路采用山嶺、重丘二級公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度40 km/h。坡頂(隧道洞口)海拔約3 300 m，起終點高差約220 m，平均縱坡約5%。按照J(rèn)TG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》，西引道平均縱坡和連續(xù)坡長指標(biāo)符合長陡下坡的界定。圖1為西引道的平面線形。

圖1 西引道平面線形示意圖

西引道不僅坡陡、坡長，而且平縱線形復(fù)雜，急彎多，坡度大，彎坡組合多。其中6處縱坡最大坡度達(dá)6%，最小平曲線半徑為100 m，平均每公里平面交點5.05個，平均每公里縱坡變更3.2次，平曲線長度占路線總長度的85.13%，豎曲線長度占路線總長度的37.5%。由于鷓鴣山隧道為馬爾康通往成都的最便捷通道[汶馬(汶川—馬爾康)高速公路通車前]，也是川藏公路北線的必經(jīng)之地，加之川西北旅游資源豐富，西引道高峰期的單日交通量超過7 000輛/d，其中貨車占比約為1/3(按自然數(shù)量)。

2.2 事故狀況

根據(jù)馬爾康市公安局交警大隊的事故記錄，2014年2月—2016年5月，在西引道共發(fā)生58起簡易程序交通事故，其中單車事故29起、雙車事故25起、三車事故2起、五車事故2起；2010年10月—2016年4月，西引道上共發(fā)生8起有人員傷亡的嚴(yán)重事故(見表1)，其中重大事故1起、一般事故7起。在這些人員傷亡事故中，一半事故發(fā)生在長下坡的坡底(三家寨大橋)，1/4發(fā)生在回頭曲線處，1/4發(fā)生在“3.13路段”(見圖1)。2012年3月13日發(fā)生在K289+400處彎道的大型客車失控沖出護(hù)欄墜崖造成15人死亡、6人受傷的事故最嚴(yán)重(見圖2)，因該事故影響重大，事故發(fā)生路段被稱為“3.13路段”。在長陡下坡路段行駛時車輛連續(xù)制動導(dǎo)致制動效能降低或失效是事故成因之一。

表1 西引道路段典型事故案例

圖2 “3.13”重大交通事故照片

3 制動器溫度數(shù)據(jù)采集

3.1 檢測設(shè)備

使用FLUKE Ti125熱成像儀(見圖3)檢測制動器溫度。該儀器將探測到的紅外熱量轉(zhuǎn)換為電信號，并對顯示器上生成的熱成像和溫度進(jìn)行計算，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。它可快速、高效、準(zhǔn)確地檢測貨車制動器溫度最高的位置和數(shù)值，并以熱圖的方式保存，完成一輛車的檢測只需數(shù)十秒。

圖3 FLUKE Ti125熱成像儀

表2 FLUKE Ti125熱成像儀的主要技術(shù)參數(shù)

3.2 溫度采集對象

制動器溫度采集對象設(shè)定為貨車與客車，貨車包括重型、中型、輕型及微型汽車。除第一軸外(貨車主要的承重軸為后軸，第一軸制動器溫度一般不會高于后軸)，其他每根軸左右輪上的制動器均需檢測，并記錄車輛是否裝載貨物、下坡是否淋水、是否掛車、牌照屬地等。

3.3 檢測過程

西引道坡底路側(cè)較平坦，可容納少量車輛臨時?？?。由轄區(qū)交警將完成下坡的貨車攔截指揮至臨時停車區(qū)，停車后將熱成像儀在距制動器約15 cm處(見圖4)對準(zhǔn)制動器內(nèi)壁，在小范圍移動過程中觀察顯示屏上熱成像和溫度數(shù)值，當(dāng)屏幕上目標(biāo)輪廓清晰、出現(xiàn)最大數(shù)值(見圖5)時保存熱成像并告知記錄人員，同時記錄制動器所對應(yīng)的位置、貨物裝載情況、是否淋水等。檢測在5月底一工作日的上午開展，當(dāng)天天氣晴朗，共檢測67輛車，獲得242個制動器溫度數(shù)據(jù)。

圖4 對大型車輛制動鼓溫度進(jìn)行檢測

圖5 熱成像儀畫面

4 檢測結(jié)果與分析

從單車最高溫度、同軸左右輪溫度差異、有無載貨溫度差異、有無淋水溫度差異四方面對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究西引道路段大型汽車制動器溫度特征。

4.1 單車最高溫度

對所檢測的67輛車各輪制動器溫度最高值進(jìn)行統(tǒng)計，制作直方圖(見圖6)和分布圖(見圖7)。

圖6 單車各制動鼓溫度最大值直方圖

圖7 單車各制動鼓溫度最大值分布圖

從圖6、圖7可看出：絕大部分車輛的制動鼓溫度最大值低于300 ℃，有2輛車(占3%)的制動鼓溫度超過300 ℃，最高溫度達(dá)329.6 ℃；有9輛車的制動鼓最高溫度超過250 ℃，占14%；單車制動鼓溫度最大值超過200 ℃的車輛有18輛，占27%。超過250 ℃特別是超過300 ℃的車輛，其制動效能將顯著下降，車輛處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，若處置不當(dāng)，極易釀成追尾事故或彎道失控事故。盡管西引道的坡度和坡長只是“入門級”的長陡下坡，但仍然有少量車輛的制動器溫度超標(biāo)，這是該路段貨車制動衰退或失效事故相對頻發(fā)的最主要原因。

4.2 同軸左右輪溫度差異

將所檢測的67輛車、共121根軸左右輪制動器溫度差值以50 ℃為間隔進(jìn)行統(tǒng)計，制作差值分布圖(見圖8)。

圖8 同軸左右輪制動鼓溫度差異分布

從圖8可看出：雖然大部分車輛左右輪制動器溫度差異在50 ℃以內(nèi)，但仍然有2%的車輛同軸左右輪制動器溫度差值超過150 ℃。制動系統(tǒng)制動力分布不均、左右制動器淋水大小差異、駕駛員操作習(xí)慣、制動摩擦材料差異等都會造成左右輪制動器溫度差異過大。同軸左右輪制動器溫度差異過大，制動時左右輪獲得的制動力不同，會影響制動時方向穩(wěn)定性，增加駕駛員的應(yīng)急處置風(fēng)險。西引道為連續(xù)彎坡路段，左右輪制動器工作狀態(tài)差異較大的車輛在通過彎道時發(fā)生越線行駛或沖出路外的風(fēng)險高于其他車輛。

4.3 有無載貨溫度差異

所檢測的67輛車中，未搭載貨物/乘客的車輛僅5輛，占7.5%，其中最高溫度為216 ℃，且同軸左右輪制動鼓溫度差異均小于100 ℃；汽車制動鼓溫度排名前七的均為載貨/載客車輛。連續(xù)下坡時，與空車相比，重車在達(dá)到與空車相同的制動效果時會更多地磨損摩擦盤，因而制動鼓溫度更高。

4.4 有無淋水溫度差異

將所檢測的67輛車的溫度數(shù)據(jù)按下坡時是否淋水進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖9。

67輛車中，23輛在下長陡下坡時沒有淋水。從圖9可看出：沒有淋水的車輛中，制動鼓溫度最高達(dá)329.6 ℃，淋水車輛的制動鼓溫度最高為313.7 ℃，淋水車輛的制動鼓溫度更低。車輛淋水器可有效降低制動鼓溫度，加快熱量散失，是避免汽車剎車失靈的有效手段。

圖9 排名前十的有無淋水系統(tǒng)制動鼓溫度對比

5 結(jié)論

通過對鷓鴣山隧道西引道上大型汽車制動器溫度的實地檢測，對單車制動器最高溫度、同軸左右輪溫度差異及有無載貨、淋水時溫度差異進(jìn)行對比分析，得出如下結(jié)論：在經(jīng)歷4.4 km長、平均縱坡為5%的長陡下坡后，單車制動器溫度可達(dá)300 ℃；同軸制動鼓溫度差異高的不在少數(shù)，單車同軸溫度差異不可忽略；載貨/載客車輛制動器溫度更高，危險性更高；采用淋水措施可有效降低制動器溫度。