高速公路長(zhǎng)大下坡路段貨車安全行駛影響因素的探討

邢 錦，苑中丹

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051）

0 引言

從1988年我國(guó)第一條高速公路在上海建成通車以來，我國(guó)高速公路建設(shè)一直處于高速發(fā)展階段。尤其是近10年來，我國(guó)的高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)。截至2009年底，高速公路通車總里程達(dá)到6.5萬(wàn)km，位列世界第二。

2004年12月17日，國(guó)務(wù)院審議通過《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》，采用放射線與縱橫網(wǎng)格相結(jié)合的布局方案，形成由中心城市向外放射以及橫連東西、縱貫?zāi)媳钡拇笸ǖ溃?條首都放射線、9條南北縱向線和18條東西橫向線組成，簡(jiǎn)稱為“7918網(wǎng)”，總規(guī)模約8.5萬(wàn)km。其中東部地區(qū)建設(shè)里程2.5萬(wàn)km，中部地區(qū)建設(shè)里程2.4萬(wàn)km，西部地區(qū)建設(shè)里程3.6萬(wàn)km。可以看出，“7918”網(wǎng)規(guī)劃中西部地區(qū)建設(shè)任務(wù)最為繁重，而我國(guó)西部地區(qū)地形極為復(fù)雜，多被山嶺覆蓋，高速公路建設(shè)必須克服很大高差，同時(shí)又要避免平面出現(xiàn)過多急彎設(shè)計(jì)。這樣就造成縱斷面設(shè)計(jì)中有較多的長(zhǎng)大下坡路段。長(zhǎng)大下坡歷來是我國(guó)高速公路交通事故率居高不下的路段，且重特大事故較多，事故車型中貨車比例相對(duì)較高。對(duì)事故形態(tài)分析表明，大部分事故是因?yàn)橹苿?dòng)失效而發(fā)生。車輛，尤其是重型車，在連續(xù)下坡路段持續(xù)的下坡行駛中，駕駛員為控制因下坡不斷增加的車速而頻繁采用剎車制動(dòng)，剎車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大量熱量被制動(dòng)器吸收，引起制動(dòng)器溫度升高，當(dāng)制動(dòng)器溫度過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)“熱衰退”現(xiàn)象，使得車輛制動(dòng)能力下降，甚至失效，最終導(dǎo)致車速無法控制而引起交通事故。這些路段雖然平縱線形指標(biāo)都符合現(xiàn)行《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，也設(shè)置了相應(yīng)的避險(xiǎn)車道，但交通事故發(fā)生的幾率仍較高。這是由于縱坡指標(biāo)的規(guī)定主要考慮的是重型車的爬坡性能和工程造價(jià)，而缺乏對(duì)重型車下坡安全性和駕駛員駕駛習(xí)慣的考慮。所以，研究長(zhǎng)大下坡貨車安全的影響因素，不僅對(duì)山區(qū)高速公路交通運(yùn)輸系統(tǒng)安全性的提高有著重要的意義，同時(shí)也對(duì)保護(hù)人民生命和社會(huì)財(cái)產(chǎn)有著積極的作用。

1 駕駛員的影響

1.1 駕駛員的反應(yīng)能力

駕駛員的反應(yīng)能力主要體現(xiàn)在制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間上。駕駛員從發(fā)現(xiàn)障礙物到制動(dòng)器起作用，這段延滯時(shí)間稱為制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。這一過程可用圖1來表示。

制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間包括三部分：一是反應(yīng)時(shí)間；二是判斷時(shí)間；三是動(dòng)作時(shí)間。駕駛員反應(yīng)的快慢與駕駛安全息息相關(guān)。因此在進(jìn)行長(zhǎng)大下坡道路設(shè)計(jì)、標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的安全裝置設(shè)計(jì)時(shí)，要將駕駛員的反應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去。不僅使駕駛員能夠及時(shí)地感知交通條件的變化，而且能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)，從容地進(jìn)行車輛控制，保證其下坡的安全性。

1.2 駕駛行為

在分析長(zhǎng)大下坡駕駛員駕駛行為時(shí)，主要考慮下坡使用檔位情況、采取制動(dòng)情況等方面問題。

大型車輛在長(zhǎng)大下坡中應(yīng)使用低檔位，采用發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)來平衡由于車輛自重帶來的下坡力，以減輕其行車制動(dòng)器的負(fù)荷強(qiáng)度。但在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)下坡時(shí)，駕駛員都采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的輔助制動(dòng)方式。調(diào)查顯示：大貨車駕駛員在下坡過程中多采用最高檔下坡，較少采用次高檔位，而更低檔位的使用率很低。這是因?yàn)轳{駛員在下坡過程中，往往抱有僥幸心理，考慮近期利益，總想多拉快跑而忽視行車安全。雖然在下坡過程中采用低檔位滑行會(huì)降低車速和緩解駕駛員的壓力，但由于高速低檔滑行會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，因此，出于對(duì)車輛的最小磨損和最短運(yùn)行時(shí)間的考慮，除了制動(dòng)失效的情況，大部分貨車駕駛員都盡可能采用較高檔位下坡。這一駕駛習(xí)慣應(yīng)在長(zhǎng)大下坡設(shè)計(jì)中充分考慮進(jìn)去。

在制動(dòng)使用方面，下坡過程中駕駛員均采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的輔助制動(dòng)方式；排氣制動(dòng)的使用率各地區(qū)差異較大。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)勢(shì)必會(huì)造成輪轂溫度的不斷上升，最終可能導(dǎo)致輪轂溫度超過極限溫度，造成剎車失靈。而使用排氣制動(dòng)后，輪轂溫度變化情況又會(huì)有所不同，圖2是車重23.06 t，車速50 km/h時(shí)，分別沒有使用排氣制動(dòng)掛8檔和使用排氣制動(dòng)掛8檔，制動(dòng)器溫度隨長(zhǎng)大下坡里程的變化情況。

從表1、表2和圖2、圖3中可以看出，不使用排氣制動(dòng)時(shí)，線性回歸斜率為0.24；使用排氣制動(dòng)時(shí)，線性回歸斜率為0.13。明顯使用排氣制動(dòng)后溫度升高速度較慢，也就是說使用排氣制動(dòng)對(duì)于貨車長(zhǎng)大下坡更加安全。但由于排氣制動(dòng)裝置不是所有的大貨車都安裝，而且使用率各地的差異也較大，所以在長(zhǎng)大下坡設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮非排氣制動(dòng)狀態(tài)下是否安全，因?yàn)槿绻诜桥艢庵苿?dòng)下，貨車下坡是安全的，那么使用排氣制動(dòng)裝置會(huì)更加安全。

表1 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值（一）

表2 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值（二）

2 車輛的影響

2.1 貨車自重的影響

貨車自重對(duì)下坡安全主要有兩方面的影響：一是對(duì)制動(dòng)器溫度的影響；二是對(duì)側(cè)向穩(wěn)定性的影響。

圖 4為同一輛載重貨車 27.75 t、23.06 t、20.09 t、16.91 t四個(gè)不同載重時(shí)，通過典型長(zhǎng)大下坡路段后的制動(dòng)器溫度變化情況，用stata進(jìn)行車重與制動(dòng)器溫度關(guān)系的趨勢(shì)圖分析，圖4為不同車重與制動(dòng)器溫度變化關(guān)系圖。

從圖4中可以看出，在同一路段上，車重越大，制動(dòng)器溫度變化越急劇，溫度變化幅度也越大。所以，這與重載車輛或者超載車輛是貨車發(fā)生事故的主要原因的實(shí)際情況相符合。超載使車輛制動(dòng)性能無法與實(shí)際車輛載重匹配，導(dǎo)致車輛制動(dòng)后，制動(dòng)器溫度急劇增高，發(fā)生制動(dòng)性能衰減，進(jìn)而引發(fā)追尾、墜山等惡性交通事故。現(xiàn)在許多生產(chǎn)載重汽車的廠商應(yīng)客戶需求紛紛私下改裝車輛，加高車廂槽幫、增加車輛載重能力或大噸位承載低噸位標(biāo)注，但是車輛制動(dòng)能力并沒有實(shí)質(zhì)性提高，因而為車輛超載導(dǎo)致的制動(dòng)失效埋下了隱患。

車重對(duì)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性也有一定的影響。貨車隨裝載貨物的增加，貨物的重心也在不斷提高，且不斷偏向車廂的一側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)車速過高，轉(zhuǎn)彎過急，致使離心力太大時(shí)，易產(chǎn)生側(cè)翻。

2.2 下坡車速的影響

貨車車速對(duì)下坡安全的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是不同車速對(duì)制動(dòng)器溫度的影響，即對(duì)制動(dòng)熱衰退的影響；二是對(duì)車輛側(cè)向穩(wěn)定性的影響。

首先，討論車速對(duì)制動(dòng)器溫度的影響。圖5為同一車輛、同一載重狀態(tài)下，分別以40 km/h，45 km/h，50 km/h，60 km/h四個(gè)不同車速通過典型長(zhǎng)大下坡路段后的制動(dòng)器溫度變化情況，用stata進(jìn)行車速與制動(dòng)器溫度關(guān)系的趨勢(shì)分析，從圖5中可看出車速與制動(dòng)器溫度變化。

從圖5中可以看出，在同一路段上，車速越小，制動(dòng)器溫度變化越急劇，溫度變化幅度也越大。所以從制動(dòng)器升溫變化角度考慮，同樣的車輛和行駛條件下，車速越快，制動(dòng)器升溫速度越慢，行駛越安全。

但車速對(duì)貨車的緊急制動(dòng)的影響恰恰是相反的。在這里我們假設(shè)一次緊急停車的時(shí)間足夠短，散熱可以被忽略，那么，貨車的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換為熱能，被輪轂吸收。所以，給出公式，表示這一關(guān)系：

式（1）中：M——車輛自重，kg；

V——計(jì)算車速，km/h；

Cg——輪轂比熱容，J/kg·℃；

mg——輪轂質(zhì)量，kg；

ΔT——輪轂升高溫度，℃；

KT——非線性系數(shù)。

從公式（1）可以看出，車輛在緊急制動(dòng)時(shí)，隨著車輛自重、車速的增加，制動(dòng)器需要吸收的熱量也不斷增加。所以，當(dāng)重載或超載貨車車速過高時(shí)，就會(huì)造成緊急制動(dòng)還沒有完成，制動(dòng)器溫度已經(jīng)超過極限溫度，剎車失靈，釀成嚴(yán)重的交通事故。

綜上所述，車速對(duì)制動(dòng)器溫度的影響是雙方面的：當(dāng)車輛在一般行駛而沒有進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，車速越高，制動(dòng)器升溫速度越慢，行駛越安全；當(dāng)車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，車速越高，制動(dòng)器溫度升高越快，安全性越低。

3 道路的影響

3.1 縱斷面的影響

長(zhǎng)大下坡路段的縱斷面形式往往是一個(gè)長(zhǎng)陡坡后加入一個(gè)較短的緩坡，然后再加入一個(gè)長(zhǎng)陡坡，以此類推。這種縱斷面形式最容易造成：大貨車下坡由于坡度過陡，一開始就頻繁制動(dòng)，為獲得一個(gè)較安全的車速；然后由于長(zhǎng)陡坡一個(gè)接一個(gè)，而緩坡距離又很短，所以就使車輛還沒有到達(dá)整個(gè)長(zhǎng)大下坡的坡底而制動(dòng)器溫度已經(jīng)超過極限溫度，剎車失靈，導(dǎo)致車禍。縱斷面設(shè)計(jì)中對(duì)長(zhǎng)大下坡貨車安全影響最大的就是縱坡和坡長(zhǎng)兩個(gè)因素，而這兩個(gè)因素又不能單獨(dú)隔離來看。法國(guó)SETRA關(guān)于長(zhǎng)大縱坡的研究成果表明，將d·p值作為風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（p為長(zhǎng)大下坡縱坡平均坡度，%；d為長(zhǎng)大下坡縱坡坡長(zhǎng)）。

當(dāng)d·p＜130時(shí),坡道上不會(huì)發(fā)生過度風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)d·p≥130且p≥3%時(shí)，坡道上的事故率開始隨著d·p值的增加而增加；當(dāng)p＜3%時(shí)，無論d·p值是多少均不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于長(zhǎng)大下坡路段，則有公式：

式（2）中：i——長(zhǎng)大下坡路段上的單一縱坡坡度；

l——單一縱坡坡長(zhǎng)；

∑i·l——長(zhǎng)大下坡路段累計(jì)的坡度×坡長(zhǎng)。

3.2 平曲線的影響

平曲線路段是山區(qū)高速公路交通事故的多發(fā)段。連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段如果伴有小半徑曲線段，在曲線段車輛轉(zhuǎn)彎，需要滿足轉(zhuǎn)彎車輛力的平衡。在彎道處，車輛行駛速度越快，所需離心力越大，要求路面提供的側(cè)向摩擦力越大，由此引起的駕駛操作越發(fā)困難。離心力的大小與曲線的曲率有關(guān)系，在同一速度條件下，曲率越大，即曲線半徑越小，離心力越大。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，半徑越小，交通事故越多，即曲率越大，事故率越大。尤其曲率在10以上時(shí)事故率急速增高，曲率與交通事故率的關(guān)系見表3。

表3 曲線與交通事故率的關(guān)系

因此，為保證人身安全，對(duì)曲線最小半徑有如下規(guī)定：

式（3）中：R——曲線最小半徑，m；

V——計(jì)算車速，km/h；

ih——最大超高橫坡；

μ——橫向力系數(shù)。

橫向力系數(shù)μ的大小，影響駕駛員和乘客的情緒緊張或舒適，如果μ過小，駕駛員為減少離心力會(huì)采用大回轉(zhuǎn)，車輛容易離開車道，增大了發(fā)生事故的可能性。另外，彎道上行駛的汽車在橫向力作用下輪胎會(huì)產(chǎn)生橫向變形，是輪胎的中間平面與輪跡前進(jìn)方向形成一個(gè)橫向偏移角，從而造成汽車方向操縱困難，特別是汽車的車速較高時(shí)，如果橫向偏移角超過5°，司機(jī)就很難保持駕駛方向的穩(wěn)定，從而導(dǎo)致翻車事故的發(fā)生。當(dāng)車輛剎車失靈，行車速度隨著坡長(zhǎng)增加而增加，速度達(dá)到一定數(shù)值，在一些曲線段就可能出現(xiàn)側(cè)翻、側(cè)滑沖出路外的危險(xiǎn)發(fā)生。

3.3 路面摩擦的影響

車輛在道路上行駛的安全性與路面特性有著極大的相關(guān)性，車輛在長(zhǎng)大下坡路段可能的基本駕駛行為均與路面的抗滑性能有關(guān)。汽車在行駛中，輪胎和路面間力的傳輸是通過摩擦力。摩擦力可分解為縱向摩擦力和橫向摩擦力。直線行駛的車輛縱向驅(qū)動(dòng)引力或剎車阻力與行車方向平行，與路面構(gòu)成最大縱向摩擦力；當(dāng)車輛前輪在縱軸方向有一定的偏角時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫（側(cè)）向力與路面構(gòu)成橫向摩擦力。當(dāng)縱向摩擦力和橫向摩擦力同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，其組合力不應(yīng)該超過最大摩擦力。

當(dāng)汽車在高速公路自由滑行時(shí)，在路面摩阻力產(chǎn)生的各種原因中，胎面橡膠的彈性變形是主要因素。汽車輪胎與路面的接觸區(qū)域?qū)a(chǎn)生法向和切向的相互作用力并相應(yīng)地使輪胎和支承路面變形，在高速公路上輪胎變形是主要的。滾動(dòng)阻力與輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、氣壓、路面種類以及行車速度有關(guān)。

當(dāng)大貨車在下坡過程中持續(xù)制動(dòng)時(shí)，車輪上還會(huì)有縱向力的作用，在輪胎與路面的接觸點(diǎn)處將會(huì)產(chǎn)生縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而使輪胎中心的縱向速度與其圓周上的線速度產(chǎn)生差異，這種差異的大小可用滑移率來表示。由于輪胎是一個(gè)彈性體，且輪胎與路面間的接觸區(qū)域是一個(gè)面積較大的近似矩形，在縱向力的作用下，輪胎可通過接觸區(qū)域的局部切向彈性變形來產(chǎn)生與路面間的摩擦力。但此時(shí)輪胎與路面間在接觸區(qū)域沒有發(fā)生宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此摩擦仍可看作是靜摩擦。此時(shí)摩擦力的大小與滑移率有關(guān)。

綜上，路面是車輛行駛的物質(zhì)載體，路面抗滑阻力是車輪滾動(dòng)的基礎(chǔ)。為了保證貨車在長(zhǎng)大下坡路段勻速行駛，如果路面摩擦系數(shù)越高，貨車需要主動(dòng)制動(dòng)的制動(dòng)力就越少，那么制動(dòng)器升溫就越慢，而側(cè)向滑移的可能性也越低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從駕駛員、車輛、道路三方面分別研究各個(gè)因素與長(zhǎng)大下坡貨車行駛安全性的關(guān)系。駕駛員的具體影響因素有：由于駕駛員受到反應(yīng)能力的限制所以不能頻繁轉(zhuǎn)換車速；低檔位制動(dòng)器升溫速度較慢，但駕駛員往往為了爭(zhēng)取最快的下坡速度而采用最高檔位下坡，使用次高檔位的情況都較少；一般情況下，均會(huì)采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，而使用排氣制動(dòng)的情況各地區(qū)不同。大貨車的具體影響因素有：車輛自重越大，制動(dòng)器溫度變化越快，貨物的重心越高且不斷偏向車廂的一側(cè)，轉(zhuǎn)彎過急時(shí)，越易產(chǎn)生側(cè)翻；一般行駛時(shí)，車速越高，制動(dòng)器升溫速度越慢，行駛越安全，而緊急制動(dòng)時(shí)，車速越高，制動(dòng)器溫度升高越快，安全性越低。道路的具體影響因素有：縱斷面隨下坡累計(jì)坡度×坡長(zhǎng)即高程差值的增加，制動(dòng)器升溫幅度也不斷增大；平曲線半徑越小，越易發(fā)生側(cè)翻和側(cè)移；路面摩擦系數(shù)越高，貨車需要主動(dòng)制動(dòng)的制動(dòng)力就越少，那么制動(dòng)器升溫就越慢，而側(cè)向滑移的可能性也越低。以上這些因素均是通過對(duì)制動(dòng)器升溫的變化和車輛側(cè)向穩(wěn)定性來影響貨車下坡的安全性，所以可以從保證這兩方面的安全性來保證貨車長(zhǎng)大下坡的安全性。