公路長(zhǎng)下坡車輛制動(dòng)能量回收裝置及應(yīng)用分析

李博正 王哲

【摘要】：我國(guó)已建成通車的公路，因丘陵、山地和高原等的影響，有不少連續(xù)長(zhǎng)下坡路段，運(yùn)輸車輛在該路段行駛過(guò)程中，大量的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱量，極易導(dǎo)致制動(dòng)失靈，造成車輛追尾、沖出公路等車毀人亡的重特大交通事故。針對(duì)這一嚴(yán)峻情況，本文提出了一種公路長(zhǎng)下坡車輛制動(dòng)能量回收與利用裝置，它可將車輛下坡時(shí)的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能送入電網(wǎng)，即可有效利用制動(dòng)能量，又能降低車輛因制動(dòng)失靈導(dǎo)致重特大事故的概率，提高公路運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

【關(guān)鍵詞】：長(zhǎng)下坡路段 制動(dòng)能量回收 發(fā)電

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

1.我國(guó)公路長(zhǎng)下坡情況簡(jiǎn)析

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2014年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截止到2014年末，全國(guó)公路總里程為446.39萬(wàn)公里，其中高速公路里程為11.19萬(wàn)公里[1]，預(yù)計(jì)到2015年底將達(dá)到12.3萬(wàn)公里。

我國(guó)地域遼闊，有約60%的國(guó)土是丘陵、山地和高原，在我國(guó)已建成通車的公路有不少穿越這些地區(qū)。這些地區(qū)地形起伏和地勢(shì)落差大，需要采用連續(xù)升坡或連續(xù)降坡的方法克服高差，下坡時(shí)不少公路有連續(xù)長(zhǎng)下坡路段，其中比較典型的見(jiàn)表1所示[2]。

從表1可見(jiàn)，我國(guó)這幾條公路的連續(xù)長(zhǎng)下坡路段，坡長(zhǎng)一般超過(guò)4km、平均坡度大于3%。運(yùn)輸車輛在這些長(zhǎng)下坡路段行駛過(guò)程中，其勢(shì)能將轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，重力驅(qū)動(dòng)車輛加速，必須采用制動(dòng)器等制動(dòng)裝置抵消重力作用，保障車輛以安全的速度行駛。在車輛下坡持續(xù)制動(dòng)過(guò)程中，大量的勢(shì)能在車輛制動(dòng)轂內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量，使制動(dòng)轂升溫，如果制動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、要轉(zhuǎn)化的勢(shì)能過(guò)大，都會(huì)引起制動(dòng)轂溫度過(guò)高，導(dǎo)致制動(dòng)失靈，造成追尾、沖出公路等車毀人亡的重特大交通事故。

北京八達(dá)嶺高速公路進(jìn)京方向55km 至49km的長(zhǎng)下坡路段，自1998 年11 月至2003 年9 月，共發(fā)生重特大交通事故32 起， 受傷62 人、死亡49人， 平均每公里10人。在這些交通事故中，車輛制動(dòng)失效是直接原因，長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)容易使車輛制動(dòng)轂和輪胎的溫度迅速上升，制動(dòng)轂溫度接近700 攝氏度，容易引起制動(dòng)失效[3]。2005年12月4日20時(shí)許，該路段49公里處一輛載有77.74噸電石的嚴(yán)重超載大貨車因制動(dòng)失靈，追撞上同方向行駛的一輛大客車，造成24人死亡、1人重傷、2人輕傷和6人輕微傷的特大交通事故[4]。

運(yùn)輸車輛，特別是載重貨車在連續(xù)長(zhǎng)下坡路段行駛過(guò)程中，由于制動(dòng)失靈等原因?qū)е碌奶卮蟆⒅卮蠼煌ㄊ鹿蕰r(shí)有發(fā)生，是重大惡性交通事故的發(fā)生率最高的路段，已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。在公安部督辦治理的全國(guó)29處公路危險(xiǎn)路段中，屬于連續(xù)長(zhǎng)下坡的事故多發(fā)路段就有16處，高達(dá)55%。在這些事故中，載重車輛是事故車輛的主體，約占60%～80%，其中超載導(dǎo)致的制動(dòng)失靈是主要禍根和直接誘因[2]，亟待治理和解決。

解決該重要問(wèn)題的途徑有：1）盡量降低運(yùn)輸車輛總重量，嚴(yán)禁超載，從而減少重力和勢(shì)能；2）提高制動(dòng)器的性能、壽命和可靠性；3）盡量降低公路坡度，減少重力沿行駛方向的分量。更為重要是，要在現(xiàn)有線路條件和車輛制動(dòng)方式都不變的前提下，尋求一項(xiàng)既能延長(zhǎng)制動(dòng)器壽命、又能有效利用車輛制動(dòng)能量的新方法，變害為利，提高我國(guó)公路交通的安全性。

2. 公路長(zhǎng)下坡運(yùn)輸車輛制動(dòng)能量計(jì)算與分析

假設(shè)一輛總重量為 （單位為kg），在一條坡度角為 度（線路坡度定義為 ）的筆直路線上下坡行駛。車輛受力情況見(jiàn)圖1所示。

在圖1中，車輛受力共有：垂直地面方向的重力 、與行駛路面垂直方向的路面支撐力 、與行駛速度方向一致的牽引力 、與行駛速度方向相反的摩擦力 和風(fēng)阻力 。由于車輛行駛速度較低，可忽略風(fēng)阻力的作用，根據(jù)牛頓定律[5]，可列出車輛的運(yùn)動(dòng)方程為：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，八達(dá)嶺高速公路進(jìn)京方向的日均交通流量為14萬(wàn)輛，既有數(shù)量眾多的2噸以下的小轎車，又有大量的最大載重超過(guò)10噸的大貨車（超載時(shí)有時(shí)達(dá)20噸以上），如按照每輛車平均3噸來(lái)計(jì)算，該路段每輛車的平均制動(dòng)能量為1.92度電，按日均交通流量為14萬(wàn)輛計(jì)算，則每日的總制動(dòng)能量為26.88萬(wàn)度電，每年（365天）的總制動(dòng)能量為9811.2萬(wàn)度電，近1億度電，數(shù)量極為可觀。這些能量主要通過(guò)制動(dòng)器轉(zhuǎn)化為熱量，白白浪費(fèi)掉了，十分可惜。更為嚴(yán)重的是，這些制動(dòng)能量是導(dǎo)致重特大交通事故的主要誘因。

4. 一種新型的公路長(zhǎng)下坡運(yùn)輸車輛制動(dòng)能量回收與利用裝置

針對(duì)目前我國(guó)公路長(zhǎng)下坡路段車輛制動(dòng)能量巨大、被白白浪費(fèi)且可能會(huì)導(dǎo)致重大交通故的嚴(yán)峻情況，本文提出了一種公路長(zhǎng)下坡車輛制動(dòng)能量回收與利用裝置，見(jiàn)圖2所示。

圖2所示的車輛制動(dòng)能量回收與利用裝置由路面摩擦圓滾、升速齒輪、發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)逆變器和升壓變壓器組成。在連續(xù)下坡道路面每隔一段距離挖一溝槽，將摩擦圓滾放置在溝槽上部，并讓圓滾頂部盡量露出路面，使其與路面行駛車輛車輪保持足夠的接觸面積。摩擦圓滾與升速齒輪的低速齒輪同軸連接，升速齒輪的高速齒輪與一臺(tái)中速發(fā)電機(jī)同軸連接，發(fā)電機(jī)的輸出線與并網(wǎng)逆變器的輸入端連接，并網(wǎng)逆變器的輸出端與升壓變壓器的原邊連接，升壓變壓器的副邊接入電網(wǎng)。升速齒輪和發(fā)電機(jī)均放置在溝槽內(nèi)，并網(wǎng)逆變器和升壓變壓器放置在公路旁的建筑物內(nèi)。

工作原理是：車輛在下坡道前行時(shí)，在其前輪與摩擦圓滾輪開(kāi)始接觸到后輪脫離接觸這段時(shí)間內(nèi)，車輪驅(qū)動(dòng)摩擦圓滾轉(zhuǎn)動(dòng)，并由升速齒輪升速，驅(qū)動(dòng)中速發(fā)電機(jī)發(fā)電，并網(wǎng)逆變器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電變換成幅值和頻率都恒定的三相交流電，并通過(guò)升壓變壓器接入電網(wǎng)。

摩擦圓滾輪的半徑為 （米），車輛行駛速度 （km/h）與滾動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速 （轉(zhuǎn)/分）之間的關(guān)系為： 。摩擦圓滾輪的半徑選為 ，車輛以50～90km/h速度勻速行駛，則對(duì)應(yīng)的摩擦圓滾輪的轉(zhuǎn)速為265.39～477.71轉(zhuǎn)/分。升速齒輪的升速比設(shè)定為1：6，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1592.34～2866.26轉(zhuǎn)/分。

跟據(jù)前一節(jié)對(duì)八達(dá)嶺高速公路進(jìn)京方向6.6km下坡段制動(dòng)能量的計(jì)算結(jié)果，該下坡路段每日的總制動(dòng)能量為26.88萬(wàn)度電，如果每10米安裝一套制動(dòng)能量回收裝置，整個(gè)下坡段共安裝660套。按照每日50%的制動(dòng)能量被制動(dòng)能量回收裝置轉(zhuǎn)化為電能并送入電網(wǎng)，為13.44萬(wàn)度，每一套制動(dòng)能量回收裝置平均轉(zhuǎn)化203.64度電，每套裝置的平均功率為 ，考慮到過(guò)載和極端情況，發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)可選為30kW、3000轉(zhuǎn)/分。并網(wǎng)逆變器和升壓變壓器的容量可選為40kVA左右。

4. 應(yīng)用效益分析

以北京八達(dá)嶺高速公路進(jìn)京方向下坡段為例，該路段則每年的總制動(dòng)能量為9811.2萬(wàn)度電，按照50%轉(zhuǎn)化電能計(jì)算，為4905.6萬(wàn)度電。據(jù)北京市發(fā)改委統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北京市83%的居民每月用電量均在240度以內(nèi)，每年小于2880度。可見(jiàn)，僅北京八達(dá)嶺高速公路進(jìn)京方向下坡段制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化的電能就可滿足北京市至少1.7萬(wàn)戶家庭的用電需求。

以同樣的計(jì)算方法，按照每輛車平均3噸、日均單向交通流量為2.5萬(wàn)輛（八達(dá)嶺高速公路按來(lái)14萬(wàn)輛），分別計(jì)算京珠北高速公路、漳龍高速公路、元磨高速公路、嵩待二級(jí)公路、通建高速公路、玉元高速公路、湟倒高速公路和國(guó)道312（亭口坡二級(jí)公路）下坡路段的年制動(dòng)總能量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

這9條典型連續(xù)長(zhǎng)下坡路段的年制動(dòng)總能量合計(jì)高達(dá)39550.87萬(wàn)度電，近4億度。假設(shè)只有50%的制動(dòng)能量能轉(zhuǎn)化為電能送入電網(wǎng)，這9條路段每年也將有近2億度電送入電網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，更為重要的是可明顯降這些路段重特大交通事故的發(fā)生概率。

5. 結(jié)語(yǔ)

公路長(zhǎng)下坡路段已成為我國(guó)公路特重大型交通事故高發(fā)區(qū)段，車輛制動(dòng)失效是直接誘因，本文提出的一種車輛制動(dòng)能量回收裝置沿公路長(zhǎng)下坡道布置，將車輛制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能送入電網(wǎng)，計(jì)算結(jié)果表明，僅北京八達(dá)嶺高速公路進(jìn)京方向下坡段制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化的電能就可滿足北京市至少1.7萬(wàn)戶家庭的用電需求，9條路段每年也將有近2億度電送入電網(wǎng)，即可發(fā)電上網(wǎng)，又能降低交通事故發(fā)生概率，推廣前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.2014年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，http：//www.moc.gov.cn。

[2]云南省山區(qū)高速公路連續(xù)長(zhǎng)下坡路段交通安全綜合治理技術(shù)研究，子課題一：安全預(yù)評(píng)估技術(shù)的研究---調(diào)查報(bào)告. 云南蒙新高速公路建設(shè)指揮部，云南省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，北京中路安交通科技有限公司，2006年10月。

[3]韓鳳春， 馬社強(qiáng). 山區(qū)高速公路交通事故特征及防控體系研究[ J ]，公路交通科技，2005（12），p135-139.

[4]八達(dá)嶺高速車禍續(xù)，剎車失靈奪走24條生命. 京華時(shí)報(bào)，2005年12月06日（第一版）.

[5]新課標(biāo)高中課本教材教科書(shū)-物理[M].人民教育出版社，2014.