貨車制動(dòng)在公路長大下坡安全研究中的應(yīng)用

杜博英，方守恩，遲 爽

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，上海200092，duboying@126.com; 2.黑龍江省公路工程造價(jià)管理總站，哈爾濱150008)

公路長大下坡的惡性交通事故一直較為頻發(fā)和集中，據(jù)2008年事故白皮書［1］統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在陡坡、連續(xù)下坡上的交通事故死亡率約為事故平均死亡率的2倍.究其事故原因，很大程度上是由于坡度較長、較陡，汽車制動(dòng)較為頻繁，制動(dòng)器的摩擦片溫度過高而導(dǎo)致剎車失靈.

歐美發(fā)達(dá)國家在公路縱坡安全研究方面起步較早，針對長大下坡路段貨車制動(dòng)失效專題制定了一些能夠有效解決長大下坡安全問題的標(biāo)準(zhǔn)和指南.美國聯(lián)邦高速公路管理局(FHWA)研發(fā)了GSRS［2－7］制動(dòng)器溫度的評估系統(tǒng)，系統(tǒng)基于恒定的下坡速度和發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率而研發(fā)，沒有考慮近年來常用的輔助制動(dòng)系統(tǒng)對制動(dòng)器溫度的影響.法國的研究機(jī)構(gòu)SETRA認(rèn)為［8］:當(dāng)坡長與坡度滿足特定值時(shí)，制動(dòng)器200℃可作為風(fēng)險(xiǎn)判定條件.由于研究方法和國情的局限性，這些研究基本上都不能應(yīng)用于我國.

目前在我國，有效、直觀、量化的評價(jià)一條道路的安全性手段不多，指導(dǎo)性方法多以后期工程改善或交通工程輔助設(shè)施為主，安全性規(guī)范、指南一類的國家標(biāo)準(zhǔn)少之又少，而目前應(yīng)用較為廣泛的運(yùn)行車速也存在著一定的局限性:在長直線、長大下坡路段，運(yùn)行速度的上限無法真正反映出車輛的運(yùn)行狀況，在道路設(shè)計(jì)看來某些合乎規(guī)范、近乎“完美”的均衡設(shè)計(jì)往往是潛伏著重大安全隱患的死亡路段.本文首次提出了變速制動(dòng)器溫度模型，將運(yùn)行車速這一動(dòng)態(tài)變化值納入模型，為我國公路長大下坡的安全研究提出新的研究思路.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)包括野外實(shí)測試驗(yàn)和室內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn).野外試驗(yàn)實(shí)施地點(diǎn)選擇漳龍高速公路K74+ 097.00～K85+187.00，該路段是全國知名的長大下坡事故多發(fā)路段.漳龍高速公路04年底全線開通，僅78天內(nèi)，發(fā)生制動(dòng)失靈沖出道路的交通事故38起，5人死亡6人重傷.僅在K73+800至K78+800下坡路段，2005和2006兩年共發(fā)生事故72起，全部因?yàn)橹苿?dòng)失效引起.本次野外試驗(yàn)包括下坡路段制動(dòng)鼓升溫試驗(yàn)和上坡路段制動(dòng)鼓降溫試驗(yàn)，采用德國歐普士(Optris CTLT20CB15)非接觸紅外測溫儀、CTM－8C機(jī)動(dòng)車非接觸測速儀及多功能測試車.

實(shí)驗(yàn)人員在駕駛室內(nèi)，根據(jù)非接觸式測速儀讀數(shù)，對應(yīng)100 m整樁號記錄貨車速度，同時(shí)記錄試驗(yàn)車的變速器檔位變化.試驗(yàn)分別在滿載、80%、70%、60%荷載下，測定了4 300多個(gè)有效制動(dòng)器升溫?cái)?shù)據(jù)，人工分為26組，平均每組160多個(gè).其中14組溫度數(shù)據(jù)是在使用制動(dòng)器和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)測得，其余12組是在使用制動(dòng)器和排氣制動(dòng)條件下(不一定全程都開排氣制動(dòng))測得.降溫?cái)?shù)據(jù)8組、690個(gè)溫度數(shù)據(jù).試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分，實(shí)時(shí)、連續(xù)，能夠客觀的反映制動(dòng)器溫度變化.

室內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)利用同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院AVL發(fā)動(dòng)機(jī)臺架設(shè)備，將代表車型發(fā)動(dòng)機(jī)CA6DL1－26與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)逐項(xiàng)比對，采用各項(xiàng)指標(biāo)與代表車型相似的發(fā)動(dòng)機(jī)YC6G270－20進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)力測定，量化代表車型發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)時(shí)飛盤輸出的制動(dòng)扭矩和制動(dòng)功率.

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)，在各轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)的制動(dòng)力矩和制動(dòng)功率如表1所示.

表1 YC6G270－20發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和排氣制動(dòng)的制動(dòng)指標(biāo)表

2 貨車變速制動(dòng)器溫度模型

在車輛在長大下坡的行駛過程中，若無驅(qū)動(dòng)力作用，汽車處于無燃油燃燒狀態(tài)，即汽車處于無化學(xué)能轉(zhuǎn)化成汽車的動(dòng)能等其他能量的階段(點(diǎn)剎車耗油忽略不計(jì))，所以在這個(gè)階段，主要是汽車本身的下坡勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和其他能量的問題.汽車在下坡過程中，轉(zhuǎn)化成的其他能量主要有汽車下坡時(shí)的克服滾動(dòng)阻力做的功(輪胎非報(bào)死)，抵抗風(fēng)阻做的功，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功以及制動(dòng)器的摩擦生熱等能量.其中發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)消耗的能量可用發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)得出.因此根據(jù)能量守恒定律求出制動(dòng)器制動(dòng)吸熱功率，進(jìn)而求解溫度方程.

大貨車以速度v在坡度為i的坡度上下坡時(shí)，其制動(dòng)鼓一方面由于制動(dòng)摩擦力而吸熱，另一方面由于熱輻射和對流換熱而散熱，而制動(dòng)鼓溫度被近似視為是均勻的，因此制動(dòng)鼓溫度T是行駛時(shí)間t的函數(shù)，假設(shè)t=0時(shí)，T=T0，當(dāng)Δt很小時(shí)，從t時(shí)刻到t+Δt時(shí)刻，制動(dòng)鼓溫度從T升至T+ΔT，建立方程:

滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)或排氣制動(dòng)、制動(dòng)器散熱等功率計(jì)算不再贅述，只列出最終求解的變速制動(dòng)器溫度模型.

式中:Pr為貨車制動(dòng)器耗熱能速率(W);Pr為對流換熱的熱流量速率(W);Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)飛盤消耗的制動(dòng)功率(W);v為運(yùn)行車速(m/s);G為車輛總重(N);i為下坡坡度;T0為制動(dòng)鼓初始溫度(℃);β為制動(dòng)力分配系數(shù);i0、ik分別為主減速比及各檔減速比;Rt為后輪滾動(dòng)半徑(m);Ag2、mg分別為制動(dòng)鼓外表面積(m2)和制動(dòng)鼓質(zhì)量(kg); Ta為環(huán)境溫度(℃);cg為制動(dòng)鼓比熱容(J·(kg·℃)－1).

試驗(yàn)車不供油發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，

不供油排氣制動(dòng)時(shí)，

3 臨界坡度Ⅰ、Ⅱ的確定

在下坡路段，貨車存在兩種臨界坡度，當(dāng)坡度等于臨界坡度Ⅰ時(shí)，貨車可掛空檔勻速行駛;當(dāng)坡度等于臨界坡度Ⅱ時(shí)，貨車僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)或排氣制動(dòng)機(jī)可保持穩(wěn)定行駛;坡度小于臨界坡度Ⅰ時(shí)，可認(rèn)為不需要任何制動(dòng)方式;當(dāng)坡度超過臨界坡度Ⅱ時(shí)，需要依靠主制動(dòng)器控制車速;當(dāng)坡度介于二者之間，即為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)或排氣制動(dòng)的坡度區(qū)間，此時(shí)，主制動(dòng)器不但不吸熱，若溫度大于環(huán)境溫度Ta，還存在熱對流.因此，本節(jié)首先確定臨界坡度Ⅰ、Ⅱ，然后遵照能量守恒理論，分別求解臨界坡度Ⅰ、Ⅱ下的溫升理論模型，最后再通過8組降溫試驗(yàn)，進(jìn)行此時(shí)的溫度模型檢驗(yàn)與修正.必須要說明的是，臨界坡度并不是一成不變的，與貨車變速器檔位、下坡車速及荷載等諸多因素都有密切的聯(lián)系，本文僅提出各對應(yīng)設(shè)計(jì)速度下的臨界坡度，便于設(shè)計(jì)人員使用.

3.1 臨界坡度Ⅰ的確定

假設(shè)大貨車在下坡時(shí)沒有使用任何制動(dòng)方式，掛空檔滑行，此時(shí)大貨車所受行駛阻力有風(fēng)阻力和車輪滾動(dòng)摩阻力，受力方程:

此時(shí)的下坡坡度本文定義為臨界坡度Ⅰ.當(dāng)試驗(yàn)車滿載時(shí)，帶入?yún)?shù)計(jì)算可得在各種速度下對應(yīng)的臨界坡度Ⅰ如表2所示.

表2 滿載時(shí)的臨界坡度Ⅰ

3.2 臨界坡度Ⅱ的確定

顯然，如果坡度大于臨界坡度Ⅰ，但小于某個(gè)值，在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力(排氣制動(dòng))、路面摩阻力和空氣阻力的作用下大貨車不使用主制動(dòng)器也不會(huì)加速下坡.本文將此時(shí)的最大值稱為臨界坡度Ⅱ.臨界坡度Ⅱ與貨車變速器檔位、下坡車速及荷載有關(guān).

理論上，根據(jù)汽車的動(dòng)力性能，當(dāng)大貨車掛低檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生很大的制動(dòng)力.但在實(shí)際中，駕駛員并不會(huì)在連續(xù)下坡過程中掛低檔，因?yàn)檫@并不符合駕駛員“多拉快跑”的期望.根據(jù)對大貨車駕駛員的問卷表明:類似試驗(yàn)車的8檔位貨車下坡時(shí)，一般情況掛8檔，較少掛7檔，掛6檔及更低檔的情況非常少.因此，本節(jié)只計(jì)算大貨車8檔制動(dòng)時(shí)的臨界情況.

在滿載情況下8檔發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)、排氣制動(dòng)下各車速分別對應(yīng)的臨界坡度Ⅱ如表3所示.

表3 滿載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的臨界坡度Ⅱ

4 我國公路長大下坡安全評價(jià)

4.1 安全評價(jià)指標(biāo)

ΔV為相鄰路段運(yùn)行速度差，km/h;T為貨車制動(dòng)器溫度，℃;運(yùn)行車速主要針對平曲線小半徑，貨車制動(dòng)器溫度主要針對長大縱坡安全而提出，二者各有側(cè)重，互為補(bǔ)充與制約.這種結(jié)合對于平縱綜合安全評價(jià)尤為重要.

當(dāng)大貨車在長大下坡行駛時(shí)，駕駛員會(huì)采取連續(xù)制動(dòng)或點(diǎn)制動(dòng)控制行車速度達(dá)到安全期望值，制動(dòng)器升溫幾乎不可避免，從而增加大貨車發(fā)生事故的幾率.關(guān)于制動(dòng)器安全溫度，在前述論述中，周榮貴等通過試驗(yàn)得出結(jié)論［9］:制動(dòng)器溫度在200℃以內(nèi)為安全，在200～300℃之間為較為安全，超過300℃為不安全;長安大學(xué)的研究［10］認(rèn)為:290℃時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)效能將為正常情況下的66%，300℃時(shí)將為60%，制動(dòng)距離增加到1.67倍，290～300℃可作為制動(dòng)效能下降的臨界值比較合適;美國的相關(guān)研究［2］將260℃作為制動(dòng)器安全溫度，法國的相關(guān)研究［8］認(rèn)為制動(dòng)器溫度超過200℃便會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn).本文采用300℃作為制動(dòng)效能下降的臨界值，即制動(dòng)器的安全溫度.

4.2 安全風(fēng)險(xiǎn)等級

長大縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)表見表4.

表4 長大縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)表

縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅰ，縱斷線形良好，高差升降控制合理有序，平面線形設(shè)計(jì)一般，存在行車速度可容許波動(dòng);有條件應(yīng)在設(shè)計(jì)階段調(diào)整平面線形，以保持運(yùn)行與設(shè)計(jì)的一致性和路段之間的一致性.

縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ，縱斷線形良好，高差升降控制合理有序，平面線形設(shè)計(jì)較差.高+低配合不協(xié)調(diào)的，建議調(diào)整路段平曲線指標(biāo);與設(shè)計(jì)初衷不相符的，建議作提高設(shè)計(jì)等級的比選.

縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ，縱斷升降坡過快，平面線形優(yōu)良.建議設(shè)置減速帶、交通標(biāo)志以控制下坡車速，設(shè)置降溫池等降低貨車制動(dòng)溫度;視工程造價(jià)和周邊地形作避險(xiǎn)車道的設(shè)置比選.

縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅳ，縱斷升降坡過快，平面線形一般.建議設(shè)置避險(xiǎn)車道，并附以其它交通工程措施，如減速帶、降溫池、交通標(biāo)志等，以策安全.

縱坡安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅴ，平縱均嚴(yán)重超標(biāo)，建議作重新展線處理.

5 結(jié)語

變速制動(dòng)器溫度模型表明下坡坡度、車輛荷載、運(yùn)行速度、檔位是引起制動(dòng)器溫度變化的重要原因.雖然得出了初步變速溫度模型，但仍需不同區(qū)域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以充實(shí).變速制動(dòng)器溫度模型從理論上量化了我國公路長大下坡的安全評價(jià)指標(biāo)，從平縱兩方面對長大下坡的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià).通過典型示范工程的安全評價(jià)可以看出，長大下坡的安全僅是道路設(shè)計(jì)者能夠提出的工程、經(jīng)濟(jì)容許最大量化值，真正的安全在于各部門的聯(lián)合治理、全社會(huì)的高度重視.

［1］ 中華人民共和國公安部.2008年全國道路交通事故白皮書［R］.北京:公安部，2009.

［2］ BOWMAN B L.Grade severity rating system users manual［R］.［S.l］:Federal Highway Administration，1989.

［3］ HARWOOD D W，COUNCIL F M，HAUER E.Prediction of the expected safety performance of rural twolane highways［R］.Washington DC:The U.S.Federal Highway Administration，2000:15－25.

［4］ Base models-Prediction of the Expected Performance of Rural Two-Lane Highways(FHWA-RD-99-207)［EB/ OL］.［2009－10－10］http://www.tfhrc.gov/safety/ pubs/99207/03.htm#bsae.

［5］ BOWMAN B L，COLEMAN J A.Impact of fuel conservation measures on safe truck downgrade speed［J］. Journal of Transportation Engineering，1989，115(4): 351－369.

［6］ FIRESTINE M，CUNNINGHAM D，MCGEE H.Reducing runaway truck accidents through weight-based advisory speeds［R］.McLean:Federal Highway Administration，1989.

［7］ BOWMAN B L，COLEMAN J A.Grade severity rating system［J］.ITE Journal，1990，60(7):19－24.

［8］ 王佐，孫忠寧，張江洪.歐洲高速公路長大縱坡設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.公路，2008(9):58－61.

［9］ 周榮貴.公路縱坡坡度與坡長限制的研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2004.

［10］劉浩學(xué)，周榮貴.連續(xù)長大下坡路段安全保障技術(shù)研究［R］.西安:長安大學(xué)，2007:7.