公路覆水服役環境下彎坡路段車輛停車視距研究

劉德敬 田畢江 李維東 高銀鈞 岳 松

(云南南景高速公路有限公司1) 普洱 676299) (云南省交通規劃設計研究院有限公司2) 昆明 650200) (云南省數字交通重點實驗室3) 昆明 650200) (同濟大學交通運輸工程學院4) 上海 201804)

0 引 言

我國公路廣泛分布于多降雨地區,很多公路由于各種原因存在一定的排水問題,覆水彎坡路面車輛緊急制動容易滑移失穩,存在較大安全隱患.目前國內外對公路停車視距計算已有相關標準和研究,文獻[1]中停車視距由兩部分構成:駕駛員在反應時間內車輛的行駛距離和車輛制動至停止所行駛的距離.文獻[2]對運行速度協調性及視距評價采用V85.文獻[3]中基于駕駛者反應時間和車輛平均減速度計算停車視距,駕駛者反應時間取2.5 s,并給出了車輛平均減速度,車輛平均減速度取值3.4 m/s2.中、美規范中均給出了不同設計速度公路的車輛停車視距建議值,但未考慮曲線路段車輛離心力對于制動性能的影響.

陳東升[3]對中、美、法三國規范有關停車視距的規定進行對比分析研究.王聰[4]通過行駛速度建議值修正停車視距計算公式,對比計算橫凈距和公路既有橫凈距,研究了公路視距加寬值.倪佳瑋等[5]結合項目采用法國規范中平面視距的計算方法計算典型段落的停車視距,并與法國規范的要求值進行對比研究.王永平等[6]通過對停車視距機理及視距橫凈距與曲線半徑關系的分析,深入闡述高速公路停車視距問題并提出一些針對性的措施.萬鑫梅等[7]基于停車視距指標,通過對團霧天氣中不同能見度下的安全車距進行預警.

綜上所述,目前國內外對公路停車視距計算相關標準和研究多考慮直線路段駕駛員視認反應過程及車輛制動性能,以及道路曲線路段視距橫凈距與曲線半徑的關系,未考慮從車輛通過曲線路段的受力角度對車輛制動性能的影響[8-9].文中研究融合公路路線參數、路面附著系數以及水膜厚度檢測數據,考慮一定安全系數,提出覆水彎坡路段路面行駛車輛行駛制動距離模型,結合駕駛員的視認反應時間等因素,得到覆水彎坡路段路面行駛車輛停車視距,為降雨天氣下各級公路的車輛停車視距計算及跟車距離預警提供參考.

1 車輛制動滑移條件分析

相比于直線路段,車輛在彎坡路段行駛時,不僅需考慮道路縱坡坡度和道路超高值,還需要考慮車輛轉向曲率半徑及路面附著系數[10].在彎道路段,車輛的離心力使車輛有向彎道外側滑移的趨勢,尤其對于降雨環境下的低附著系數路面,車輛在彎道高速行駛并制動時極易出現側滑.車輛在彎坡路段的受力情況見圖1,在路面的平衡運動方程式見式(1).

圖1 彎坡路段汽車受力情況

(1)

式中:f為車輛所受摩擦力,kN;Fx為車輛所受摩擦力沿道路縱向x的分力;Fy為車輛所受摩擦力沿道路橫向y的分力.

車輛在道路彎坡路段沿路面的受力見式(2)～(3),路面摩擦系數見式(4),最大附著系數見式(5).

(2)

Fx=mgsinicosα±max

(3)

μ=-4.73lgh+45.15

(4)

(5)

式中:m為車輛質量,kg;V為車輛沿道路縱向行駛時的質心速度,km/h;g為地區重力加速度,9.8 m/s2;R為道路平面曲率半徑,m;i為路面縱坡坡度,rad;α為路面橫坡坡度或超高值,rad;μ為路面摩擦系數;fmax為道路路面可給車輛提供的最大摩擦力,kN;h為道路路面水膜厚度,mm.

2 基于公路線形參數車輛最大制動減速度

道路覆水路面附著系數較低時高速行駛的車輛緊急制動容易發生側滑,現以降雨環境下車輛制動場景為例,研究高速行車條件下車輛允許的最大制動減速度及最小制動距離[11-12].

由式(1)～式(5)可知:在其他參數確定時,可求得道路為車輛提供最大路面附著系數fmax時,車輛最大制動減速度a與路面水膜厚度h關系函數.路面水膜厚度h與降雨強度、道路線形及排水設計等有關,通過水膜厚度檢測器可對道路水膜厚度進行檢測.以縱坡2%的圓曲線路段為例,對于公路路線設計規范中設計速度100 km/h的公路,當超高值θ=4%時,R最小可取500 m,因此令R=500,600,700,800 m,假設小客車質量1 550 kg,可求解下坡行駛的車輛最大制動減速度a見圖2.

圖2 最大制動減速度曲線

由圖2可知:其他條件相同時,圓曲線半徑越小,車輛所能采用的制動減速度越小,且隨著圓曲線半徑降低,制動減速度降低的幅度增大;隨著路表水膜厚度增大,制動減速度值逐漸減速降低,且越來越趨于線性.

3 覆水彎坡道路車輛停車視距研究

高速公路、一級公路的視距應采用停車視距,每條車道的停車視距不應小于表1中的規定值.

表1 高速公路、一級公路停車視距

停車視距S為

S=S1+S2+S3

(6)

(7)

(8)

S3∈[5,10]

(9)

式中:S1為駕駛員在反應時間內行駛的距離,m;S2為駕駛員開始制動到剎車停止所行駛的距離,m;S3為制動停止時與前車保持的安全距離,m;K為制動系數,可取1.2～1.4.

圖3 車輛制動距離模型計算值

(10)

(11)

由圖3可知:車輛制動距離隨道路水膜厚度增大而增大,增幅逐步降低,隨著道路半徑增大,車輛制動距離逐漸減小.

4 覆水彎坡道路車輛制動距離模型

表2 試驗車輛參數設置

圖4 本文車輛制動距離模型計算值與規范值及仿真試驗值對比

由圖4可知:

1) 模型計算車輛制動距離隨道路半徑增大而減小,規范公式沒有考慮圓曲線路段車輛的離心力,對于不同圓曲線半徑,其計算結果均與直線路段相同.

2) 仿真試驗車輛制動距離也隨道路半徑增大而減小,與模型計算結果具有相同的趨勢;相比模型未考慮安全系數K時L值,仿真試驗車輛制動距離增大了0.093～0.112倍,接近車輛ABS滑移率,即在不考慮滑移率的情況下,本文車輛制動距離模型值與仿真試驗結果接近,而安全系數K取1.2,富裕值為0.2,大于車輛ABS最大滑移率0.15,存在一定富裕,從而驗證了本文彎坡覆水路面車輛制動距離計算模型的可靠性.

3) 隨著圓曲線半徑增大,模型計算結果與規范公式計算結果相差越小,隨著水膜厚度增大,本文試驗結果與公式計算結果相差越大;在道路半徑較小時,規范公式計算結果較仿真試驗結果相差較大,在道路半徑較大時,規范公式計算結果較仿真試驗結果相差較小.

圖5 車輛制動距離與道路半徑及路面水膜厚度的關系

10-5R2-0.091 27h2-3.789 8×10-4Rh,

(R2=0.986)

(12)

式中:R為道路半徑,m;h為路面水膜厚度,mm.

該案例(道路縱坡2%,超高4%,車輛以速度100 km/h速度下坡行駛),車輛制動距離隨道路半徑增大而降低,隨路面水膜厚度增大而增大,與上文分析結果一致.因此,對于該道路路段,可以避免復雜多元方程求解過程,依據式(12)對車輛制動距離進行預測.

對于降雨天氣下道路覆水服役的情況,車輛通過彎道路段時具有較高的側滑風險,因此跟車距離可采用停車視距.因此可依據式(12)對車輛跟車距離進行預警.

對于布設有道路路面水膜厚度檢測器及車路通訊裝置的側滑危險路段,可將直線、緩和曲線及圓曲線路段路面水膜厚度數據經由交通信息管理平臺傳輸至車輛,由車載電腦根據自車信息計算最大制動減速度及制動距離,進而計算出停車視距,最后通過視覺或觸感方式對駕駛員進行跟車預警.

表3 彎坡覆水路面駕駛員跟車距離預警等級示例

(13)

由表3可知:當η≤1時為預警最高等級,車輛跟車距離小于停車視距,不滿足規范要求;當η>1.2時駕駛員跟車距離富裕20%,可不對駕駛員跟車距離進行預警,η值可根據路段線形及周邊環境情況進行設置.

5 結 論

1) 針對公路覆水彎坡路面車輛緊急制動容易滑移失穩而目前停車視距計算未充分考慮曲線線形的問題,融合公路路線參數、路面附著系數,水膜厚度檢測數據,提出覆水彎坡路段路面行駛車輛行駛制動距離模型.

2) 在考慮一定安全系數的前提下,覆水彎坡路段路面行駛車輛行駛制動距離模型可結合駕駛員的視認反應時間等因素,得到公路覆水彎坡路段路面行駛車輛停車視距.

3) 提出公路覆水彎坡路段駕駛員跟車距離預警模型,并給出預警等級劃分示例,可為駕駛員跟車行駛進行預警.

4) 研究可用于降雨天氣下各級公路的車輛停車視距計算,輔助多降雨地區的公路線形設計,也可為跟車距離預警提供參考.后續會考慮車輛輪胎紋理與路面的附著能力展開研究.