高速公路上坡路段半掛汽車列車行駛速度特性試驗研究

束海波，邵毅明

(1. 重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

0 引 言

近年來，隨著公路貨運車輛向重型化和拖掛化發(fā)展，半掛汽車列車在高速公路交通組成中的比例逐漸升高。半掛汽車列車外廓尺寸和載質(zhì)量大，對高速公路上其他車輛運行干擾較大，對交通流暢通性和交通安全都產(chǎn)生較大影響。通過對2013—2017年全國高速公路重特大交通事故統(tǒng)計資料[1]整理發(fā)現(xiàn)，半掛汽車列車是造成高速公路上重特大交通事故的主要車型，比例為21.96%；而尾隨相撞是半掛汽車列車在高速公路上發(fā)生重特大事故的主要形態(tài)，占40.43%。高速公路上坡路段是發(fā)生半掛汽車列車尾隨相撞事故的主要路段，由于動力不足，半掛汽車列車進入坡道后減速較快且幅度較大，增大了與同向行駛車輛之間的速度差，誘發(fā)后方車輛變道，干擾其他車道車輛運行，增大安全隱患，若后方車輛車速較快且跟車距離較近，避讓不及則會導致追尾。

在交通安全領(lǐng)域中，對上坡路段車輛運行的安全分析主要與車輛行駛速度特性相關(guān)。國外對大型載重汽車行駛速度特性的研究較早，文獻[2]給出了不同縱坡度下大型載重汽車運行車速曲線圖；P.MISAGHI等[3]采集了自由流狀態(tài)下20個雙車道上大型載重汽車行駛速度數(shù)據(jù)，建立了雙車道行駛速度預測模型。孟憲強等[4]對高速公路縱坡上中型車自由流運行速度特性進行研究，并建立了比功率與運行速度、坡長、坡度的函數(shù)關(guān)系模型；蘇波等[5]基于大貨車制動性能進行了山區(qū)高速公路坡度坡長限制研究；賀玉龍等[6]基于實測數(shù)據(jù)對比分析了中美公路車輛運行速度與交通安全的相關(guān)性；鐘小明等[7]基于大量實測數(shù)據(jù)分析了中型車在高速公路自由流運行狀態(tài)下的運行速度變化規(guī)律，并建立了中型車運行速度模型；雷斌等[8]建立了長大上坡路段載重汽車運行速度預測模型，計算了不同比功率下車輛爬坡性能曲線；許金良等[9]基于速度預測模型，繪制了高速公路上坡路段不同坡度、坡長、比功率下的車輛運行速度曲線；徐進等[10]采集了重慶地區(qū)多條上坡路段車輛運行速度值，研究了山地城市長上坡路段大型車運行速度的變化特性。

綜上，現(xiàn)有關(guān)于高速公路上坡路段車輛行駛速度特性的研究主要針對中型車，對半掛汽車列車行駛速度特性分析較少，且研究多基于調(diào)查統(tǒng)計、預測模型或仿真分析。由于實車道路試驗費用高且存在一定危險性等原因，目前采用實車試驗方法研究半掛汽車列車行駛速度特性還鮮有報道。基于此，筆者以半掛汽車列車為研究對象，在重慶山區(qū)高速公路選取上坡試驗路段，測試了該車在不同縱坡路段的行駛速度，分析了不同入坡初速度、不同坡度等對半掛汽車列車上坡行駛速度的影響及速度變化特性。本研究為相關(guān)半掛汽車列車行駛速度仿真及預測模型提供了試驗數(shù)據(jù)，為高速公路上坡路段的交通安全改善提供了科學依據(jù)。

1 車輛上坡運動方程

為合理確定試驗方案，筆者先對車輛上坡運行過程進行理論分析。根據(jù)汽車理論[11]，車輛運動方程如式(1)：

(1)

車輛驅(qū)動力如式(2)：

(2)

故，車輛上坡運動方程如式(3)：

(3)

式中：Ft為驅(qū)動力；Ff為滾動阻力；FW為空氣阻力；Fn為坡度阻力；Fj為加速阻力；Pe為發(fā)動機有效功率；G為作用于車輛上的重力；f為滾動阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；n為坡度；m為車輛質(zhì)量；a為運行加速度；v為行駛速度；x為車輛位移；ti為i時刻車輛行駛時間，括號內(nèi)帶ti變量為ti時刻對應變量值。

由車輛上坡運動方程可看出，車輛進入上坡路段后行駛速度變化主要與入坡初速度、加速度、坡度大小等因素有關(guān)。

2 試驗方案

2.1 試驗道路

筆者選取G42高速重慶萬州—梁平段其中的4段不同縱坡值直線路段進行試驗，選擇試驗路段考慮的主要因素有坡度、坡長、交通量等，如表1。

表1 試驗路段選擇Table 1 Selection of test section

2.2 試驗車輛

目前，高速公路上行駛的半掛汽車列車多為五軸和六軸列車，試驗租用物流公司的兩列六軸集裝箱半掛汽車列車進行測試，列車由東風牌天龍重卡牽引車和中集通華牌三軸半掛車組成。牽引車驅(qū)動型式為6×2，整備質(zhì)量為8.2 t，發(fā)動機額定功率為250 kW，半掛車最大允許總質(zhì)量為37 t，車輛比功率為4.98 kW/t，制動器類型為鼓式，輔助制動裝置為淋水輔助制動。試驗中，試驗車1的總質(zhì)量為43.2 t，試驗車2的總質(zhì)量為44.7 t。

2.3 試驗儀器

本試驗委托具有專業(yè)檢驗資質(zhì)的國家機動車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(重慶)進行，試驗儀器為委托單位定期標定的儀器。試驗主要使用VBOXⅢ系統(tǒng)測試車輛行駛速度、加速度、行駛里程、經(jīng)度、緯度等信息數(shù)據(jù)，GPS天線安裝在駕駛室頂部縱向中心處。系統(tǒng)外接一個觸發(fā)器，用于在車輛到達入坡起點時給出脈沖信息，以方便在測試數(shù)據(jù)中找到入坡點。

2.4 試驗方法

車輛入坡初速度、坡度大小是影響車輛上坡行駛速度的重要因素。試驗選取不同坡度(2.2%、2.9%、3.5%)試驗路段，分別測試試驗車輛以80、90、100 km/h的不同初速度駛?cè)肫碌篮蟮乃俣取⒓铀俣取⑿旭偫锍痰葦?shù)據(jù)。試驗由委托單位國家機動車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(重慶)測試人員進行，試驗中環(huán)境溫度32 ℃，風速0.7 m/s。

試驗方法及過程如下：試驗車輛在進入試驗路段后以自由流狀態(tài)下車速正常行駛；在到達上坡測試路段起點樁號前，駕駛員將車速維持到規(guī)定的入坡初速度(80、90、100 km/h)，變速器掛高速擋(9擋)；車輛到達入坡起點樁號時，按下連接VBOXⅢ系統(tǒng)的觸發(fā)器，給出脈沖信息，在記錄測試數(shù)據(jù)中同步記錄下入坡起點位置信息；車輛駛?cè)肷掀侣范魏螅{駛員按照駕駛經(jīng)驗適時進行換擋操作(變速箱擋位由9擋逐級降至6擋)以維持最大速度上坡行駛；車輛駛離上坡路段后，恢復自由流狀態(tài)下車速正常行駛，完成一次測試，VBOXⅢ系統(tǒng)自動記錄下車輛行駛速度、加速度、行駛里程等數(shù)據(jù)。

表2 試驗次數(shù)Table 2 Test times

由于在高速公路上車輛調(diào)頭必須要在高速公路出入口進行，因此同一路段進行重復測試需要較長時間。試驗結(jié)合時間及費用情況，在不同試驗路段、不同入坡初速度測試中，每列試驗車輛分別測試1～2次，兩列車輛共測試16次，試驗次數(shù)如表2。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 入坡初速度對上坡行駛速度影響

為得出入坡初速度對車輛上坡行駛速度的影響，選取初速度分別為80、90、100 km/h。在平均縱坡為3.5%的試驗路段，測試了車輛以不同入坡初速度上坡運行時的速度變化特征，如圖1。

圖1 入坡初速度與行駛速度關(guān)系Fig. 1 Relationship between initial speed and operating speed

由圖1可看出：車輛以不同初始速度進入同一縱坡段后，車速迅速降低，之后駕駛員通過換擋操作，車速有一定回升，雖然其速度變化規(guī)律不同，但車輛最后都會達到一個穩(wěn)定速度，即在同一坡度上，車輛最大持續(xù)爬坡速度相同。

3.2 坡度對最大持續(xù)爬坡速度影響

在分析坡度對車輛最大持續(xù)爬坡速度的影響時，分別選取2.2%、2.9%、3.5%這3種不同縱坡試驗路段進行測試。當入坡初速度為80 km/h時，得出坡度與最大持續(xù)爬坡速度的關(guān)系，如圖2。

圖2 坡度與最大持續(xù)爬坡速度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between slope gradient and maximum continuous climbing speed

從圖2可看出：在不同坡度上，車輛最大持續(xù)爬坡速度不同，坡度越大，最大持續(xù)爬坡速度越小，試驗測得2.2%、2.9%、3.5%這3種不同坡度上車輛最大持續(xù)爬坡速度分別為45、36、28 km/h。根據(jù)JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》[12]中規(guī)定，設(shè)計速度為100 km/h的高速公路，連續(xù)上坡方向載重汽車行駛速度低于55 km/h的容許最低速度時應設(shè)置爬坡車道。試驗測得3種不同坡度上車輛的最大持續(xù)爬坡速度均低于容許最低速度。

3.3 坡度對上坡行駛速度下降變化影響

為得出坡度對車輛上坡行駛速度下降變化的影響，選取2.2%、2.9%、3.5%這3種不同縱坡。測試了車輛以入坡初速度80 km/h上坡時行駛速度隨時間變化的特征，如圖3。

圖3 坡度與行駛速度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between slope gradient and operating speed

由圖3可看出：在不同坡度上，車輛行駛速度下降變化差異較明顯，坡度越大，速度下降越快。在2.2%的坡度上，速度由80 km/h下降到50 km/h時長約為1 min；而在3.5%的坡度上，速度由80 km/h下降到50 km/h的時長僅為35 s。

4 車輛追尾分析

為分析車輛追尾半掛汽車列車情況，筆者選擇同車道跟車行駛的車輛為5座以下小轎車，并設(shè)定如下交通場景：小轎車跟車行駛的車速為100 km/h(根據(jù)測試路段限速規(guī)定)，考慮高速公路在道路條件良好的情況下，小轎車行駛速度受坡道的影響很小，近似認為小轎車上坡行駛中速度仍保持100 km/h。在進入上坡路段前跟車距離為100 m(根據(jù)文獻[13]規(guī)定：機動車在高速公路上行駛車速超過100 km/h時，安全車距為100 m以上)；在整個行駛過程中小轎車不變換車道，故半掛汽車列車與小轎車之間的進入坡道的初始時間差為3.6 s。

4.1 入坡初速度對追尾影響

為分析半掛汽車列車在不同入坡初速度下可能被追尾的情況，選擇坡度為3.5%，入坡初速度分別為80、90、100 km/h的測試結(jié)果。根據(jù)設(shè)定的小轎車跟車行駛場景，得到半掛汽車列車在不同入坡初速度下被小轎車追尾的特性，見圖4。

圖4 入坡初速度與追尾的關(guān)系Fig. 4 Relationship between initial speed and rear-end

由圖4可看出：半掛汽車列車入坡初速度對小轎車追尾影響較大，當小轎車以100 km/h的速度勻速上坡行駛時，追尾發(fā)生時間隨半掛汽車列車入坡初始速度的降低而縮短；半掛汽車列車的入坡初速度為100 km/h時，小轎車駛?cè)肫露群?1 s發(fā)生追尾，進入坡度距離為485 m，而入坡初速度為80 km/h時，小轎車駛?cè)肫露群?4 s即發(fā)生追尾，進入坡度距離僅為290 m。

4.2 坡度對追尾影響

為分析坡度對車輛追尾的影響，筆者分別選取2.2%、2.9%、3.5%這3種不同縱坡，半掛汽車列車入坡初速度分別為80 km/h的測試結(jié)果。根據(jù)設(shè)定小轎車跟車行駛場景，得到半掛汽車列車在不同坡度下被小轎車追尾的特性，見圖5。

圖5 坡度與追尾的關(guān)系Fig. 5 Relationship between slope gradient and rear-end

由圖5可看出：追尾發(fā)生的時間和距離隨坡度增大而呈現(xiàn)縮短趨勢，但差異不大，與半掛汽車列車入坡初速度相比，坡度大小值對追尾的影響較小。

5 結(jié) 論

1)半掛汽車列車以不同初速度進入同一縱坡段后，隨著入坡距離增加，車速逐漸降低，雖速度變化規(guī)律不同，但車輛最大持續(xù)爬坡速度相同。

2)在不同坡度上，車輛行駛速度下降變化差異較明顯，最大持續(xù)爬坡速度也不同，坡度越大，速度下降越快，最大持續(xù)爬坡速度也越小。

3)半掛汽車列車入坡初速度對追尾事故影響較大，小轎車追尾半掛汽車列車時間隨半掛汽車列車入坡初速度的降低而縮短；縱坡坡度大小對小轎車追尾半掛汽車列車有影響，但影響較小。