農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形研究

方新雷，宋廣鋒，張　雷，賀映全

(1.武漢建工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430023；2.中國(guó)建筑第三工程局有限公司，湖北 武漢 430074；

3.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形研究

方新雷1，宋廣鋒2，張雷3，賀映全3

(1.武漢建工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430023；2.中國(guó)建筑第三工程局有限公司，湖北 武漢 430074；

3.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

摘要：以農(nóng)業(yè)園道路的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)作為研究對(duì)象，分析了農(nóng)業(yè)園道路與傳統(tǒng)公路在縱斷面技術(shù)指標(biāo)上存在的差異，從汽車爬坡過(guò)程的穩(wěn)定要求、驅(qū)動(dòng)力平衡和汽車外形對(duì)爬坡坡度的限制三個(gè)方面討論了農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，為農(nóng)業(yè)園道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)園道路；縱斷面線形；最大縱坡

中圖分類號(hào)：U412.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4824(2015)06-0104-04

收稿日期：2015-09-07

作者簡(jiǎn)介：方新雷(1986-)，男，湖北咸寧人，武漢建工集團(tuán)股份有限公司工程師，碩士。

Abstract：Taking the profile design indices of agriculture park roads as the research object, this paper analyzes the differences between the agriculture park roads and the conventional roads and discusses the technical indices in the design of the agriculture park roads from three aspects such as the stability, the balance of driving force, and the shape of cars when cars climb, which may offer a reliable theoretical reference for the design of agriculture park road plan.

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)園道路的設(shè)計(jì)大多采用傳統(tǒng)公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。即使個(gè)別省市在地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)農(nóng)業(yè)園道路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有所提及，但僅僅是在概念上進(jìn)行了細(xì)微的調(diào)整。隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)園在我國(guó)各地得到了迅猛發(fā)展。因此，如何構(gòu)建符合農(nóng)業(yè)園道路內(nèi)在要求的縱斷面線形設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，是設(shè)計(jì)更加合理、更加符合實(shí)際情況的農(nóng)業(yè)園道路亟待解決的問(wèn)題。本文選擇農(nóng)業(yè)園道路的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)作為研究對(duì)象，與傳統(tǒng)公路作相應(yīng)的比較，探討研究符合農(nóng)業(yè)園道路特點(diǎn)的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的建設(shè)提供理論依據(jù)[1]。

傳統(tǒng)公路的最大縱坡是基于道路的設(shè)計(jì)速度來(lái)確定，即要求汽車在爬坡的過(guò)程中速度不得低于設(shè)計(jì)速度，此時(shí)道路縱坡遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車的實(shí)際爬坡能力。由于農(nóng)業(yè)園道路設(shè)計(jì)速度通常低于傳統(tǒng)公路，采用傳統(tǒng)公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)園道路顯然與實(shí)際情況不相符。為了充分發(fā)揮汽車的爬坡性能，以節(jié)省項(xiàng)目投資、減少對(duì)環(huán)境的影響，本文將從汽車的爬坡穩(wěn)定要求、驅(qū)動(dòng)力要求以及車身對(duì)農(nóng)業(yè)園道路的最大縱坡要求三個(gè)方面研究農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形[2-3]。

1汽車爬坡過(guò)程的穩(wěn)定要求

汽車在道路上行駛過(guò)程中，要保證汽車安全穩(wěn)定行駛，則汽車上坡過(guò)程中需滿足汽車縱向不傾覆和汽車縱向不滑移兩個(gè)穩(wěn)定條件。汽車等速上坡示意圖如圖1所示。

圖1　汽車等速上坡示意圖

為保證汽車縱向不傾覆，則可以建立如下爬坡力學(xué)模型。汽車產(chǎn)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)是汽車前輪的法向力FZ1=0，此時(shí)汽車可能就會(huì)繞后輪發(fā)生傾覆現(xiàn)象。對(duì)汽車后輪著地點(diǎn)取力矩平衡，汽車產(chǎn)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)是汽車前輪的法向力FZ1=0，此時(shí)汽車可能就會(huì)繞后輪發(fā)生傾覆現(xiàn)象。對(duì)汽車后輪著地點(diǎn)取力矩平衡，則有：

宋廣鋒(1990-)，男，江西宜春人，中國(guó)建筑第三工程局有限公司工程師，碩士。

張雷(1990-)，男，安徽安慶人，湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院碩士研究生。

GL2cosα-Ghgsinα0=0

(1)

(2)

式中：α0表示傾覆臨界坡度角，i表示傾覆臨界的最大縱坡。

為保證汽車縱向不滑移，對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪是后輪的汽車，根據(jù)與地面的附著條件可以得到汽車驅(qū)動(dòng)輪在縱向不產(chǎn)生滑移的臨界狀態(tài)為[1]：

Gsinαφ=φGk

(3)

因?yàn)閟inαφ≈tanαφ=iφ，則

(4)

式中：αφ表示產(chǎn)生縱向滑移臨界狀態(tài)時(shí)的坡角，i表示產(chǎn)生縱向滑移臨界狀態(tài)時(shí)的縱坡，φ表示附著系數(shù)，Gk表示作用在驅(qū)動(dòng)輪的荷載。一般情況下，小汽車為總重的0.5～0.65倍，載重汽車為總重的0.65～0.8倍。表1是各類路面上附著系數(shù)φ的平均值。

表1　各類路面上附著系數(shù)的平均值

由上述兩個(gè)條件可知，L2/hg≈1，而φGk遠(yuǎn)小于1。因此，要保證汽車縱向穩(wěn)定，需滿足：

(5)

即：iφ

即汽車在坡道上行駛時(shí)，在發(fā)生縱向傾覆之前就會(huì)發(fā)生縱向滑移。因此，只要保證了汽車縱向不滑移，就能夠保證汽車上坡時(shí)不發(fā)生縱向傾覆，可以得到汽車縱向穩(wěn)定行駛的條件為：

(6)

表2　各類路面上汽車的最大爬坡能力(%)

2汽車爬坡過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力平衡

由一般常識(shí)可知，汽車爬坡過(guò)程除了要滿足穩(wěn)定條件外，汽車還必須有足夠的動(dòng)力，汽車的驅(qū)動(dòng)力越小，爬坡能力也越弱。因此汽車在爬坡的過(guò)程中還必須滿足動(dòng)力平衡條件。圖2是汽車汽車爬坡受力示意圖。

圖2　汽車爬坡受力示意圖

由驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著條件決定的牽引力需要滿足[4]：

(7)

式中Fz表示驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力，φ表示附著系數(shù)，f表示滾動(dòng)摩阻力系數(shù)，Rw表示空氣阻力。因此得到上坡阻力為：

(8)

表3是各類路面滾動(dòng)阻力系數(shù)f值。

表3　各類路面滾動(dòng)阻力系數(shù)f值

由發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩所決定的牽引力，需要滿足如下條件：

Ft2=Temaxig1ig2ηt/r

(9)

式中：Temax表示汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，ig1表示變速器的頭檔傳動(dòng)比，ig2表示主減速器傳動(dòng)比，ηt表示傳動(dòng)系傳動(dòng)效率，r表示車輪半徑。對(duì)于具有分動(dòng)器、輪邊減速器和液力傳動(dòng)裝置等的汽車，上式應(yīng)計(jì)入相應(yīng)的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。

本文提到的空氣阻力Rw是指汽車在行駛過(guò)程中空氣對(duì)其形成的一種反向作用力，其計(jì)算公式為：

(10)

式中：V為汽車行駛速度(單位：m/s)，A為汽車車身的橫截面面積(單位：m2)，Cw為風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)阻系數(shù)Cw是一個(gè)無(wú)單位的系數(shù)。依據(jù)車的外形不同，Cw取值一般在0.3～0.6之間，一般大多數(shù)轎車的風(fēng)阻系數(shù)在0.28～0.4間，流線性較好的汽車其風(fēng)阻系數(shù)可達(dá)到0.25左右。

依據(jù)上述理論，取農(nóng)業(yè)園道路設(shè)計(jì)速度的最大值V=12 km/h，取Cw=0.4。計(jì)算得代表車型的空氣阻力如表4所示。

表4　各類汽車爬坡時(shí)的空氣阻力(單位：N)

由表4，空氣阻力在汽車低速行駛時(shí)非常小，均不超過(guò)300 N，因此在汽車爬坡計(jì)算時(shí)可忽略空氣阻力的影響。

文中汽車最大牽引力Ft2以?shī)W迪Q5 2010款2.0TSI車型作為樣本進(jìn)行計(jì)算[5]。查奧迪Q5發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，取不同轉(zhuǎn)速時(shí)功率和轉(zhuǎn)矩的具體參數(shù)值，如表5所示。

表5　汽車外特性中的功率與轉(zhuǎn)矩離算數(shù)據(jù)表

結(jié)合車型參數(shù),查閱奧迪Q5傳動(dòng)系傳動(dòng)比如表6所示。

表6　汽車外特性中的功率與轉(zhuǎn)矩離算數(shù)據(jù)表

由圖3可以看出：當(dāng)奧迪Q5處于Ⅰ擋，最大牽引力為12.44 kN，此時(shí)的速度為29.3 km /h。由于農(nóng)業(yè)園道路的設(shè)計(jì)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到29.3 km/h，因此牽引力也達(dá)不到最大值12.44 kN。

圖3　奧迪Q5的各檔位牽引力

3汽車外形對(duì)爬坡坡度的限制

汽車在坡道行駛時(shí)，除了穩(wěn)定性能和動(dòng)力性能要滿足要求外，坡道還必須符合汽車外形的要求，即要符合汽車的接近角和離地高度的要求。

接近角是指汽車在滿載靜止時(shí)，汽車最前點(diǎn)向前輪所引切線與地面的夾角(見(jiàn)圖4)。接近角越大，汽車在進(jìn)行越野上坡行駛時(shí)，就不容易發(fā)生觸頭，汽車的性能就越好。一般小汽車的接近角在35°左右，而越野車的接近角更大。

離去角是指汽車在滿載靜止時(shí)，自車身最后點(diǎn)向后車輪引切線與路面之間的夾角(見(jiàn)圖4)，它反映了汽車離開(kāi)障礙物時(shí)，不發(fā)生碰撞的能力。離去角越大，則汽車的越過(guò)障礙物的性能越好。一般小汽車的離去角35°左右。

圖4　汽車接近角、離去角示意圖

4結(jié)論

針對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)道路與傳統(tǒng)公路存在的差異，本文從汽車爬坡過(guò)程的穩(wěn)定要求、汽車爬坡過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力平衡和汽車外形對(duì)爬坡坡度的三個(gè)方面討論了農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)園道路的行車速度非常小，汽車的爬坡能力需要滿足汽車爬坡穩(wěn)定性要求，并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算農(nóng)業(yè)園道路的縱坡設(shè)計(jì)值。以汽車的驅(qū)動(dòng)力為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算出奧迪Q5車型動(dòng)力系統(tǒng)所能提供的最大爬坡坡度為35.21°。以汽車的外形尺寸為依據(jù)，估算出農(nóng)業(yè)園道路縱坡的最大坡度為30°。本文提出的農(nóng)業(yè)園道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)可為農(nóng)業(yè)園道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]曹春陽(yáng).道路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：27-33.

[2]方新雷.農(nóng)業(yè)園道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及生態(tài)設(shè)計(jì)理念的研究[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

[3]Mathur S, Soni S K, Murty A. Utilization of industrial wastes in low-volume roads[J]. Transportation Research Record, 1999, 1652:246-256.．

[4]邵慧強(qiáng)，王望予，林紅月，等.FF汽車爬坡能力的研究[J].兵工學(xué)報(bào)，1998(3)：263-266.

[5]包凡彪.汽車動(dòng)力性計(jì)算方法與特性圖形繪制的應(yīng)用[J].工程與試驗(yàn)，2011，51(3)：79-83.

Study on Vertical Alignment of Agricultural Park Road

Fang Xinlei1，Song Guangfeng2，Zhang Lei3，He Yingquan3

(1.WuhanConstructionEngineeringCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430023,China;

2.ThirdConstructionEngineeringBureauCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430074,China；

3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China)

Key Words： agricultural park road; longitudinal section alignment; maximal longitude

(責(zé)任編輯：張凱兵)