公路下坡段緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)研究

李澤

（保定交通建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河北保定071015）

1 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)時(shí)，考慮到高差、地形、地質(zhì)條件等因素，為降低成本并保護(hù)環(huán)境，越嶺路段所用連續(xù)縱坡往往較大且較長(zhǎng)。 這種縱坡組合路段不利于載重車輛的安全下坡，具體表現(xiàn)為制動(dòng)器的“熱衰退”。 而在長(zhǎng)陡下坡路段設(shè)計(jì)緩坡可有效減緩車輛制動(dòng)轂負(fù)荷，增加行車安全性。

JTG D20—2017 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱“2017版規(guī)范”）明確：5.2 kW/t 功率重量比的六軸鉸接列車為國(guó)內(nèi)主導(dǎo)貨運(yùn)車輛，比起JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]（以下簡(jiǎn)稱 “2006 版規(guī)范”） 及A Policy on Geometric Design of Highways and Streets[3]（以下簡(jiǎn)稱“AASHTO 規(guī)范”）所規(guī)定的貨運(yùn)主導(dǎo)車型的整體性能偏低，但2017 版規(guī)范所規(guī)定的緩坡坡度和坡長(zhǎng)指標(biāo)仍與2006 版規(guī)范的規(guī)定相同。2017 版規(guī)范中的緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)可能不符合現(xiàn)行貨車在連續(xù)下坡段的行車需要， 因此， 與時(shí)俱進(jìn)地調(diào)整連續(xù)下坡緩和坡段指標(biāo)非常有必要。 此外，從現(xiàn)有研究看，關(guān)于連續(xù)下坡路段安全性設(shè)計(jì)的研究多是基于交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果提出改善措施[4-5]，如限速、標(biāo)志線等。 而連續(xù)下坡路段緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)的研究較少。 曹杰[6]雖然探討了緩坡臨界縱坡和坡長(zhǎng)的指標(biāo)設(shè)計(jì)， 但其所依托的是9.33 kW/h 功重比的車型，不同于現(xiàn)有貨車主導(dǎo)車型。 合理的緩坡指標(biāo)設(shè)計(jì)可有效減小車輛制動(dòng)轂溫度和行駛速度， 對(duì)降低貨車下坡段制動(dòng)次數(shù)及行駛風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。 綜上可知，為確保山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡段貨車行駛的安全， 按照現(xiàn)有貨車標(biāo)準(zhǔn)探討連續(xù)下坡段緩坡指標(biāo)的合理設(shè)計(jì)非常有必要。

此次所依托主導(dǎo)車型為東風(fēng)DFL4251A15 六軸鉸接列車，基于該車輛的下坡受力狀態(tài)，分析其在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的基礎(chǔ)上，在各設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度下的緩坡臨界縱坡值，以期為高速公路連續(xù)下坡指標(biāo)的設(shè)計(jì)提供參考。

2 受力分析

2.1 主導(dǎo)車型選擇

在探討公路縱坡指標(biāo)時(shí)，為確保所得結(jié)果的說服力、真實(shí)性及代表性等， 需根據(jù)實(shí)際情況選取現(xiàn)階段主流車型作為研究對(duì)象。 按照J(rèn)TG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中的說明，本文選取滿載狀態(tài)下的六軸鉸接列車為研究對(duì)象。 主導(dǎo)車型組成部分包括東風(fēng)DFL4251A15 牽引車及半掛車。

2.2 下坡受力情況

參考文獻(xiàn)[7]分析發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下六軸載貨汽車的受力情況：牽引車鉸接至半掛車中，在進(jìn)行受力分析時(shí)假設(shè)：（1）直線縱坡上，車輛鉸鏈位置僅傳遞力；（2）視車輛為剛體。 受力分析見圖1。

圖1 受力分析示意圖

根據(jù)受力平衡原理， 可得車輛在下坡路段持續(xù)制動(dòng)時(shí)的平衡方程為：

式（1）～式（8）中，i 為坡度，取tanα=i；Tb為動(dòng)力矩；ig為變速器變速比；i0為主減速比；η 為傳動(dòng)效率；r 為車輪半徑；δ 為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量指數(shù)；CD為空氣阻力；A 為迎風(fēng)面積；p=1.226 N·s2·m-4；w 為車輛荷載；δ1=0.03-0.05；δ2=0.04-0.05；ik為變速箱速度比；v 為速度；f 為靜摩擦力；m 為車輛質(zhì)量；dv/dt 為速率隨間變化率。

根據(jù)上述受力分析，可計(jì)算得坡度與運(yùn)行速度的關(guān)系式，并以此構(gòu)建檔位-速度-臨界坡度模型。 而從該模型中又可計(jì)算出各行駛速度及檔位下的緩坡臨界坡度。

3 連續(xù)下坡緩坡坡度指標(biāo)

從行車動(dòng)力學(xué)上看，道路在某坡度值時(shí)，貨車下坡僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)即可保持勻速行駛，而當(dāng)?shù)缆菲露戎敌∮谠撝禃r(shí)，車輛將減速行駛，該坡度值即為臨界縱坡。 當(dāng)貨車進(jìn)入該緩坡時(shí)，車輛將保持勻速運(yùn)動(dòng)或減速，有助于車輛低檔前進(jìn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力，此時(shí)車輛主制動(dòng)器處于非工作狀態(tài)，因此，此時(shí)的制動(dòng)鼓可有效散熱降溫，有助于車輛制動(dòng)性能的恢復(fù)。

從式（1）～式（8）可得：

式中，g 為重力加速度，取g=9.8 m/s2。

在通過發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，式（3）中Tb和轉(zhuǎn)速間為二次函數(shù)關(guān)系[8]：

式中，n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

令：

聯(lián)立式（2）～式（6）和式（11）可得：

式中，u1、u2、u3為扭矩系數(shù)；C1、C2、C3為阻力系數(shù)；δ0為車輛空擋時(shí)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；將式（10）中sinα 看成i，聯(lián)立式（10）和式（12），可得：

從JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，高速公路設(shè)計(jì)速度應(yīng)大于100 km/h，環(huán)境限制時(shí)可采用80 km/h。 在連續(xù)下坡段， 司機(jī)常會(huì)降速掛低擋， 而各擋位有各自的速度范圍。 80 km/h 和100 km/h 下坡速度各自的對(duì)應(yīng)擋位為11 擋和12 擋。因此，所采用緩坡坡度控制指標(biāo)為11 擋和12 擋發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下的臨界坡度。 此外，大型車在0%～6%下坡坡度下一般有40～80 km/h 的行駛速度，因此，以40 km/h 作為貨車最低容許速度，結(jié)合各擋位的速度范圍，可得緩坡坡度在設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度下的設(shè)計(jì)指標(biāo)建議值。 具體見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下連續(xù)下坡緩坡坡度控制指標(biāo)建議值

表1 中緩坡坡度指坡度設(shè)計(jì)控制值， 當(dāng)貨車行駛在小于坡度設(shè)計(jì)控制值的坡度上時(shí)，有助于貨車減速降檔，且制動(dòng)轂保持在降溫狀態(tài)，有利于恢復(fù)制動(dòng)性能。 表1 中緩坡坡度均比2.5%的規(guī)范建議值小，所取值跟行車速度有聯(lián)系，且有更詳細(xì)劃分，更利于確保連續(xù)下坡段的貨車行車安全，可為后續(xù)類似設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)語

本文根據(jù)下坡路段貨車受力情況，結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，探討了發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)條件下有效確保行車安全的臨界緩坡值。 所得結(jié)論有： 提出了貨車在下坡路段僅使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)即可保持勻速行駛的下坡臨界緩坡值， 得出各擋位和各行駛速度下緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)。 此次所提出緩坡設(shè)計(jì)指標(biāo)建議值可有效降低制動(dòng)轂使用強(qiáng)度及次數(shù)，降低制動(dòng)轂溫度，可為后續(xù)類似設(shè)計(jì)提供參考。