基于搞滑系數的積雪路段案例車速研究

聞宇航，馮晨陽，劉紫秋，胡昌耀，李天昊，沈強儒，朱翊晗

（南通大學 交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019）

引言

近年來，國內外對于積雪路面的抗滑系數研究包括實車試驗、仿真模擬等。荊忠倩［1］通過臺架-汽車動力模型得到汽車在道路上行駛的阻力與車速表現為二次關系。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，道路阻力的變化。GABTE等［3］利用云吸收輻射與人工神經網絡計算道路積雪厚度和分布范圍。姚冬冬等［4］運用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、車速及車輛質量對抗滑系數的影響顯著。

1 積雪路面安全車速

1.1 安全距離與安全車速

安全距離指當駕駛員發現前方的障礙物，從反應到采取制動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—后方駕駛人在制動過程中的行駛距離，m。

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

駕駛員的制動時間Ls是指駕駛員接收到外界信息后，反應并開始制動直至車輛停止所需要的時間。當高速公路上遭遇降雪或降雨，駕駛人的心理緊張會導致部分駕駛人的反應時間會超過1.7 s［6］。取Ls=1.7 s作為駕駛員在緊急狀況下的反應時間。

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 試驗設計

1.2.1 試驗原理

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

使用制動距離法，即測量車輛由開始制動到完全停止所經過的路程得到數據，通過制動方程求出抗滑系數，由此確定抗滑系數與不同路面條件、車輛條件的關系。

1.2.2 試驗設備及方法

試驗條件：（1）兩種試驗車型，普通小型車（1 300 kg）和 大 型 車（1 800 kg），輪 胎 參 數 為185/70 R13標準。（2）坡度設置為0°，車速設置為30～45 km/h。（3）溫度保持在0 ℃，江淮等地降雪持續時間為2～3 d，根據中國氣象局發布的數據，將路面積雪量設置為0～20 mm進行試驗。實驗儀器采用手持式GPS MAP60cs的顯示值作為測試車。試驗場地見圖1。

圖1 試驗場地設計

實車試驗場地采用多次累計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行試驗，累計得到試驗數據見表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 試驗數據分析

1.3.1 數據處理

將不同積雪厚度與不同車速所得的制動距離進行分析，通過制動方程可以得到相應的抗滑系數，所得結果見圖2～圖5。

圖2 小型車抗滑系數與積雪厚度的關系

（1）由圖3～圖5發現，車速從35～45 km/h 變化時，路面抗滑系數變化趨勢相似，且在同一積雪厚度下，抗滑系數相差較小，由此可得車速對路面抗滑系數的影響較小。（2）圖4大型車的變化趨勢比圖2小型車陡，斜率更穩定，當車重較大時，積雪厚度和抗滑系數更趨于線性關系。（2）圖2看出，在積雪厚度＜5 mm、5～10 mm、10～20 mm范 圍中，抗滑系數改變較大。積雪厚度＜5 mm 時，抗滑系數處于最低值。

圖3 小型車抗滑系數與車速的關系

圖4 大型車抗滑系數與積雪厚度的關系

圖5 大型車抗滑系數與車速的關系

由表1～表4數據進行線性回歸分析，通過擬合得到道路抗滑系數與速度、積雪厚度的關系：

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

為了檢驗該模型的顯著性水平，對公式（5）進行回歸方程F檢驗，其中R2=0.903 5，結果見表5。說明該回歸方程中，積雪厚度能夠顯著影響因變量，而車速影響較小，符合試驗數據規律，模型可靠性良好。

表5 模型回歸系數顯著性統計檢驗

2 安全車速建議值

不同降雪強度下車輛在行駛遭遇障礙物時能保證行車安全的速度結果見表6。在道路能見度＜100 m，車輛的安全車速＜20 km/h時，應關閉道路；能見度在100～200 m時，道路結冰導致路面抗滑系數過低，安全車速＜20 km/h時，也應該關閉道路，以防事故發生［8］。

表6 積雪天氣下安全車速限制值

3 結語

（1）通過車輛在積雪路段行車過程中的相關因素得出安全車速關于抗滑系數、視距、坡度的計算公式。（2）通過實車試驗，建立積雪厚度和路面抗滑系數的關系模型，得出抗滑系數與車速、車重成冪函數關系，與積雪厚度成對數關系，并運用顯著性檢驗確定模型的可靠性。（3）根據試驗結果確定小型車與大型車在不同抗滑條件下的安全車速。（4）由于試驗設備等因素的影響未能進一步推導出推廣模型，以后可進行深入研究。