基于搞滑系數(shù)的積雪路段案例車速研究

聞?dòng)詈剑T晨陽(yáng)，劉紫秋，胡昌耀，李天昊，沈強(qiáng)儒，朱翊晗

（南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于積雪路面的抗滑系數(shù)研究包括實(shí)車試驗(yàn)、仿真模擬等。荊忠倩［1］通過(guò)臺(tái)架-汽車動(dòng)力模型得到汽車在道路上行駛的阻力與車速表現(xiàn)為二次關(guān)系。LIU［2］利用ADAMS/Car仿真軟件模擬車輛行駛在干燥、積水等路面時(shí)，道路阻力的變化。GABTE等［3］利用云吸收輻射與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算道路積雪厚度和分布范圍。姚冬冬等［4］運(yùn)用VISSIM軟件建立包含道路線形與積雪條件的速度生成模型。從事故成因看，積雪厚度、車速及車輛質(zhì)量對(duì)抗滑系數(shù)的影響顯著。

1 積雪路面安全車速

1.1 安全距離與安全車速

安全距離指當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方的障礙物，從反應(yīng)到采取制動(dòng)措施直至車輛能與前方障礙物保持一定距離。

式中：Ls—安全距離，m；LZD—后方駕駛?cè)嗽谥苿?dòng)過(guò)程中的行駛距離，m。

式中：v—后方車輛行駛速度，m/s；t1—后方駕駛員反應(yīng)時(shí)間，s；g—重力系數(shù)，取9.8 m/s2；μ—路面抗滑系數(shù)；i—道路坡度，%；

駕駛員的制動(dòng)時(shí)間Ls是指駕駛員接收到外界信息后，反應(yīng)并開(kāi)始制動(dòng)直至車輛停止所需要的時(shí)間。當(dāng)高速公路上遭遇降雪或降雨，駕駛?cè)说男睦砭o張會(huì)導(dǎo)致部分駕駛?cè)说姆磻?yīng)時(shí)間會(huì)超過(guò)1.7 s［6］。取Ls=1.7 s作為駕駛員在緊急狀況下的反應(yīng)時(shí)間。

由公式（3）可得積雪路況保證安全距離的最大車速限制值，即安全車速。

式中：Lh—行車視距，m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)原理

安全車速主要影響因素為視距與抗滑系數(shù)，行車視距根據(jù)天氣情況可得出，由此對(duì)抗滑系數(shù)進(jìn)行分析。影響積雪路段道路抗滑系數(shù)的基本因素可以歸納為車輛條件和路面的物理性能［7］。

使用制動(dòng)距離法，即測(cè)量車輛由開(kāi)始制動(dòng)到完全停止所經(jīng)過(guò)的路程得到數(shù)據(jù)，通過(guò)制動(dòng)方程求出抗滑系數(shù)，由此確定抗滑系數(shù)與不同路面條件、車輛條件的關(guān)系。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)條件：（1）兩種試驗(yàn)車型，普通小型車（1 300 kg）和 大 型 車（1 800 kg），輪 胎 參 數(shù) 為185/70 R13標(biāo)準(zhǔn)。（2）坡度設(shè)置為0°，車速設(shè)置為30～45 km/h。（3）溫度保持在0 ℃，江淮等地降雪持續(xù)時(shí)間為2～3 d，根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)，將路面積雪量設(shè)置為0～20 mm進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀器采用手持式GPS MAP60cs的顯示值作為測(cè)試車。試驗(yàn)場(chǎng)地見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)

實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)地采用多次累計(jì)噴灑固定體積的冰沙控制積雪形成的方法。在相同積雪厚度以不同車速進(jìn)行試驗(yàn)，累計(jì)得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表4。

表1 固定車速條件小型車

表2 固定積雪厚度小型車

表3 固定車速條件大型車

表4 固定積雪厚度大型車

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.3.1 數(shù)據(jù)處理

將不同積雪厚度與不同車速所得的制動(dòng)距離進(jìn)行分析，通過(guò)制動(dòng)方程可以得到相應(yīng)的抗滑系數(shù)，所得結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 小型車抗滑系數(shù)與積雪厚度的關(guān)系

（1）由圖3～圖5發(fā)現(xiàn)，車速?gòu)?5～45 km/h 變化時(shí)，路面抗滑系數(shù)變化趨勢(shì)相似，且在同一積雪厚度下，抗滑系數(shù)相差較小，由此可得車速對(duì)路面抗滑系數(shù)的影響較小。（2）圖4大型車的變化趨勢(shì)比圖2小型車陡，斜率更穩(wěn)定，當(dāng)車重較大時(shí)，積雪厚度和抗滑系數(shù)更趨于線性關(guān)系。（2）圖2看出，在積雪厚度＜5 mm、5～10 mm、10～20 mm范 圍中，抗滑系數(shù)改變較大。積雪厚度＜5 mm 時(shí)，抗滑系數(shù)處于最低值。

圖3 小型車抗滑系數(shù)與車速的關(guān)系

圖4 大型車抗滑系數(shù)與積雪厚度的關(guān)系

圖5 大型車抗滑系數(shù)與車速的關(guān)系

由表1～表4數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，通過(guò)擬合得到道路抗滑系數(shù)與速度、積雪厚度的關(guān)系：

式中：—抗滑系數(shù)；V—車輛行駛速度，km/h；M—車輛質(zhì)量，kg；T—積雪厚度，mm。

為了檢驗(yàn)該模型的顯著性水平，對(duì)公式（5）進(jìn)行回歸方程F檢驗(yàn)，其中R2=0.903 5，結(jié)果見(jiàn)表5。說(shuō)明該回歸方程中，積雪厚度能夠顯著影響因變量，而車速影響較小，符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律，模型可靠性良好。

表5 模型回歸系數(shù)顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

2 安全車速建議值

不同降雪強(qiáng)度下車輛在行駛遭遇障礙物時(shí)能保證行車安全的速度結(jié)果見(jiàn)表6。在道路能見(jiàn)度＜100 m，車輛的安全車速＜20 km/h時(shí)，應(yīng)關(guān)閉道路；能見(jiàn)度在100～200 m時(shí)，道路結(jié)冰導(dǎo)致路面抗滑系數(shù)過(guò)低，安全車速＜20 km/h時(shí)，也應(yīng)該關(guān)閉道路，以防事故發(fā)生［8］。

表6 積雪天氣下安全車速限制值

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)車輛在積雪路段行車過(guò)程中的相關(guān)因素得出安全車速關(guān)于抗滑系數(shù)、視距、坡度的計(jì)算公式。（2）通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)，建立積雪厚度和路面抗滑系數(shù)的關(guān)系模型，得出抗滑系數(shù)與車速、車重成冪函數(shù)關(guān)系，與積雪厚度成對(duì)數(shù)關(guān)系，并運(yùn)用顯著性檢驗(yàn)確定模型的可靠性。（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定小型車與大型車在不同抗滑條件下的安全車速。（4）由于試驗(yàn)設(shè)備等因素的影響未能進(jìn)一步推導(dǎo)出推廣模型，以后可進(jìn)行深入研究。