下坡路段鉸接列車制動器溫度預測模型研究

李大鵬，賀玉龍，孫小端

(北京工業(yè)大學城市交通學院，北京 100124)

下坡路段鉸接列車制動器溫度預測模型研究

李大鵬，賀玉龍，孫小端

(北京工業(yè)大學城市交通學院，北京 100124)

針對鉸接列車在高速公路下坡路段事故多發(fā)的特點，以鉸接列車為研究對象，通過試驗采集其在下坡路段運行時的制動器溫度數(shù)據(jù)，運用SPSSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，利用多元回歸的方法建立了鉸接列車在采取淋水時制動器溫度在下坡路段的預測模型。并用鉸接列車實際制動器溫度變化數(shù)據(jù)對預測模型的精度進行了驗證。

鉸接列車；下坡；制動器溫度

1 下坡路段能量的轉(zhuǎn)換

鉸接列車在下坡過程中，根據(jù)能量守恒原理可知鉸接列車重力勢能減少量將會轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰浚鶕?jù)鉸接列車在下坡的受力情況重力勢能將轉(zhuǎn)變?yōu)檩喬ヒ缘孛嬷g由于摩擦消耗的能量E1、車體與空氣摩擦消耗的能量高E2、淋水制動由水帶走的能量E3以及車輛制動器產(chǎn)生的內(nèi)能E4。

圖1 采取淋水制動鉸接列車在下坡運行時能量轉(zhuǎn)換示意圖

在對制動器的溫度變化研究時，本文采用由實車試驗數(shù)據(jù)直接擬合鉸接列車重力勢能的減少與制動器溫升的關系，而不進行理論物理公式推導重力勢能與制動器溫升的關系。

2 制動器溫度數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗路段

試驗條件：天氣良好、交通流處于自由流狀態(tài),路面干燥平整無病害，試驗路段無重大變坡點。

根據(jù)試驗條件選取奉溪高速K26+300～K46+490路段為測試下坡時鉸接列車制動器溫度的試驗路段，其為雙向四車道道路、平均坡度為2.5%，設計速度為80 km/h，滿足試驗要求。

2.2 試驗儀器

試驗儀器包括：V-BOXⅢ、熱電偶傳感器、筆記本電腦和供電設備等。

V-BOXⅢ包含有一個主天線、俯仰方位天線及側(cè)傾方位天線。將天線與電源接入V-BOXⅢ的主機，并將天線黏貼在車頂中央。在試驗過程前，V-BOXⅢ能夠自動搜尋衛(wèi)星信號并鎖定后就可以開始進行試驗，其能夠精確地測量鉸接列車的縱向速度、橫向速度、各向加速度等數(shù)據(jù)，放在駕駛室內(nèi)的V-BOXⅢ就會將鉸接列車運行過程中測量的數(shù)據(jù)信息記錄在SD卡中。該儀器具有安裝方便快捷、采樣頻率高、外部SD卡支持數(shù)據(jù)存儲、實驗方式靈活多樣啟動時間短、系統(tǒng)體積小，適合于車載環(huán)境等優(yōu)點。

熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它可直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱觿菪盘? 通過電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。具有裝配方便、抗震性能好、測量范圍大(-200°～1 300°)、耐壓性能好等優(yōu)點。

2.3 試驗實施

為精確的測量制動鼓在制動過程中的溫度，將熱電偶安裝在制動摩擦片靠近制動鼓內(nèi)表面的位置。由于在制動過程中制動鼓與制動摩擦片處于摩擦狀態(tài)，因此熱電偶的安裝位置不能從制動摩擦片中裸露出來與制動鼓產(chǎn)生摩擦作用，在制動摩擦片上打孔將熱電偶傳感器安裝在孔中。筆記本電腦與供電器置于鉸接列車駕駛室內(nèi)。試驗前，檢查各試驗設備是否工作正常確保能夠準確的收集制動器溫度數(shù)據(jù)；檢查設備后駕駛員根據(jù)其駕駛經(jīng)驗在自由流狀態(tài)下行駛，在試驗過程中工作人員時刻關注筆記本中制動器溫度數(shù)據(jù)，防止有數(shù)據(jù)中斷的情況，試驗結(jié)束后取出SD卡將試驗數(shù)據(jù)儲存到筆記本電腦中。

2.4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)束后導出制動器溫度數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 制動器溫度原始數(shù)據(jù)

將試驗數(shù)據(jù)VBO文件進行整理分析并轉(zhuǎn)換到excel中如表1所示。

表1 鉸接列車制動器溫度與坡長關系表

由上表根據(jù)物理知識轉(zhuǎn)化為重力勢能與制動器溫度升高值之間的關系如表2。

表2 鉸接列車制動器溫度與重力勢能變化關系表

續(xù)表2

3 淋水時制動器溫度預測模型的構(gòu)建

3.1 模型建立

為得到鉸接列車在下坡過程中其重力勢能與制動器溫升之間的關系，通過SPSS對錯誤！未找到引用源。的數(shù)據(jù)繪制散點圖，并對重力勢能與制動器溫升進行擬合如圖，分析制動器溫度的升高與重力勢能減少之間的關系。本文用K31+270～K44+720中14個路段的數(shù)據(jù)用于建立制動器溫度預測模型，用K36+670～K37+040、K44+220～K44+720、K45+220～K45+880 3個路段的數(shù)據(jù)用于驗證模型的準確性。

圖3 制動器溫度與重力勢能變化關系擬合圖

表3 模型匯總和參數(shù)估計值

表3可以看出二次關系的R2=0.947，且F值的顯著性的概率為0，遠遠小于顯著水平α=0.05，說明二次曲線擬合成效最好，因此采用最小二乘法擬合鉸接列車在采取淋水制動時制動器溫度隨著車輛制重力勢能的減少而變化的關系曲線，擬合的關系式如式(1)

ΔT=aΔE2+bΔE+c

(1)

最小二乘法：使各殘差平方和最小。殘差ΔTt：實際試驗測定值Δti和預測模型預測值ΔTi之差。

(2)

+(aΔE2+bΔE+c)2]

(3)

要使殘差Δ最小，則需要殘差Δ對回歸系數(shù)a、b、c，求偏導等于0，即：

(4)

(5)

(6)

求解以上方程由

表可得：a=2.208 b=0.001 c=1.075

即：

ΔT=2.208×10-8×ΔE2+0.001×ΔE+1.075

(7)

式中：ΔT為制動其溫度升高值，℃；ΔE為鉸接列車重力勢能減少量，kJ。

又根據(jù)物理原理鉸接列車在下坡行駛過程中其重量勢能變化值可以用縱坡坡度、坡長、及鉸接列車的總質(zhì)量表示：

(8)

將公式(6)帶入公式(7)可得：

(9)

式中：a、b、c為回歸系數(shù)；i為縱坡坡度，%；G為鉸接列車總重量，t；S為行駛坡長，m；T為制動器溫度升高，℃。

由公式(9)可知鉸接列車在高速公路下坡路段運行時制動器的溫度變化與車輛的總重量、行駛的坡長、縱坡坡度均成正比例的關系，即總重量越大、縱坡坡度越大、行駛坡長越長，制動器的溫度升高的越多。

3.2 模型驗證

利用公式(8)計算奉溪高速K36+670～K37+040、K44+220～K44+720、K45+220～K45+880等三個路段下鉸接列車制動器溫度升高值，與實際觀測值進行對比，以驗證回歸模型的回歸精度，對比分析結(jié)果表4。

由表4可知，回歸預測制動器溫升模型算出制動器溫度升高值與實車測試出制動器溫度升高值相差不大，誤差均小于10%，滿足精度要求。因此制動器溫度預測模型能夠較好的反映鉸接列車在安裝淋水制動時在高速公路下坡過程中制動器溫度隨坡度、行駛坡長的變化規(guī)律。

表4 鉸接列車在淋水制動下制動器溫升模型回歸效果

4 改善措施

(1)警示措施。根據(jù)漳州高速交警支隊統(tǒng)計的夏蓉高速連續(xù)下坡路段的事故進行的調(diào)查可知：事故車輛在下坡過程中多采用空擋滑行頻繁踩剎車從而控制車速，而沒有采用低檔位的發(fā)動機輔助制動的方式控制車速，導致制動器溫度升高過快。因此在長下坡路段應該警告駕駛員禁止采用空擋行駛，并在連續(xù)下坡路段前方設置警告標志牌提前告知鉸接列車駕駛員前方連續(xù)下坡路段。

(2)加水站。由于我國包括鉸接列車在內(nèi)的大型車輛多采用改裝加裝水箱，以使在下坡時向車輛剎車片淋水從而減低制動器的溫度，從而減少剎車失靈的情況。因此有必要在連續(xù)下坡路段設置加水站已補充消耗的水分，且修建加水站造價要遠小于修建應急車道的費用，因此可以在連續(xù)下坡路段設置加水站，為需要淋水制動的鉸接列車進行加水，以補充其在下坡制動過程中消耗掉的水，提高鉸接列車在高速公路下坡路段的安全性。

(3)降溫池。鉸接列車在高速公路連續(xù)下坡路段頻繁制動導致制動器溫度升高，從而使制動器制動效能減少甚至失效。在合理的位置設置降溫池可以有效的減低制動器溫度，恢復制動器的制動效能，進而避免交通事故的發(fā)生。降溫池的水深不得超過車輛半個輪胎的高度，長度大多為20～30m。同時為了防止車輛將降溫池中的水帶到主線路面，在降溫池的末端應設置漏水和回流設施。

5 結(jié) 論

通過實際試驗鉸接列車在高速公路下坡路段制動器溫度的變化數(shù)據(jù)，利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，利用能量守恒的原理，建立了鉸接列車在下坡路段制動器溫度的預測模型。為提高鉸接列車在高速公路下坡路段的安全運行提供理論參考。

[1] 周磊．連續(xù)下坡路段汽車行駛特性與制動器制動特性研究[D]．西安：長安大學碩士論文，2007．

[2] 周榮貴．公路縱坡坡度與坡長控制的研究[D]．北京：北京工業(yè)大學博士論文，2004．

[3] 高紅博．半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動方向穩(wěn)定性及控制策略研究[D]．長春：吉林大學博士論文，2014.

2016-05-01

李大鵬(1992-)，男，河南安陽內(nèi)黃人，碩士在讀，研究方向：交通安全。

U491

C

1008-3383(2017)02-0145-03