山區公路彎坡組合路段鉸接列車行車風險仿真分析

丁劍濤 裴王簡

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司 西安 710043)

在我國山區公路中，長陡坡路段、小半徑曲線段和連續彎坡路段占有很大比例。隨著公路貨運量的增加和鉸接列車朝著載重化發展，六軸鉸接列車成為我國公路貨物運輸的主導車型[1]。相關數據表明，在長陡坡和彎坡組合路段大型車是事故車輛的主體，占50%～80%，致死事故中鉸接列車的參與比例超過了40%[2]。由于鉸接列車的載質量大、質心較高，對道路幾何線形設計提出了更高的要求。而我國JTG B01-2014 《公路工程技術標準》及JTG D20-2017 《公路路線設計規范》中縱坡的研究車型為三軸載重貨車。我國山區高速公路近幾年發生的重特大交通事故，一定程度上也說明車不適應路的結構性矛盾愈加突出。道路幾何線形對行車安全至關重要，彎坡組合路段對交通安全的影響要遠遠大于單個平、豎曲線的影響及兩者影響的簡單加和[3]。道路幾何線形、超速行駛及不良天氣條件是影響山區公路交通事故的主要因素。因此，有必要對鉸接汽車在山區公路彎坡組合路段的行車風險進行研究。

國內外相關研究以分析鉸接列車側滑/側翻影響因素居多，多數受到實驗條件和數據獲取的客觀條件制約，無法確定各因素的影響程度。其中，文獻[4]研究發現車輛以設計速度行駛在平曲線路段時，縱向坡度和最大超高值對車輛的側滑和側翻的安全閾值均有一定的影響。周峰等[5]分析車輛平曲線段的極限行駛狀態，給出了車軸側滑與車輪側滑狀態的關系。郭忠印等[6]建立了載重汽車在長下坡與連續彎道組合路段行駛過程中側滑、側翻和緊急制動條件下臨界車速的理論計算模型，確定了路段的安全服務水平。現有研究中多選取小客車和貨車作為研究對象，研究的道路幾何線形多以平曲線為主，缺乏對鉸接列車在山區公路彎坡組合路段行車風險的深入研究。本文擬采用TruckSim仿真軟件構建六軸鉸接列車的動力學仿真模型，研究道路幾何線形、行駛速度、不良天氣條件等對鉸接列車行車風險的影響程度，并進行不同天氣條件下彎坡組合路段鉸接列車行車風險分析，為重載車輛在彎坡組合路段運行安全和山區道路幾何設計提供理論依據。

1 行車風險分析及評價指標

橫向穩定性是影響鉸接列車在彎坡組合路段運行安全的重要因素。在車輛轉彎行駛時，當路面與輪胎間附著力不足以抵抗所受的離心力時，鉸接列車會產生側滑現象，同時伴隨著折疊、甩尾的危險駕駛工況[7]。鉸接列車的質心位置較高，會受到較大的離心力和橫向附著力組成的傾覆力矩作用，一旦傾覆力矩增加到使轉彎內側輪胎脫離路面時，便出現“非絆倒型側翻”現象[8]。側向臨界附著系數能夠較好地表征車輛是否發生側滑。孫川等[9]指出用橫向荷載偏移率(LTR)表征車輛側翻，具有較高可信度。因此，本文選取側向臨界附著系數和橫向荷載偏移率作為分別表征車輛側滑、側翻的評價指標。

1.1 側向臨界附著系數

側向臨界附著系數是指汽車每個車輪所受的側向力與垂直力比值的絕對值最大值。如果路面提供給輪胎的側向力不足以抵消車輛轉向所必需的離心力，車輛就會發生側滑現象，側向臨界附著系數μ(z)計算方法見式(1)。

(1)

式中：Fy為輪胎側向力，kN；Fz為輪胎垂直力,kN。

n為車軸數；FyLno和FyLni分別為第n軸左邊外側和內側的輪胎側向力，kN；FyRno和FyRni分別為第i軸右邊外側和內側的輪胎側向力，kN；FzLno和FzLni分別為第i軸左邊外側和內側的輪胎垂直力，kN；FzRno和FzRni分別為第i軸右邊外側和內側的輪胎垂直力，kN。

1.2 橫向荷載轉移率

橫向荷載轉移率(lateral load transfer rate，LTR)定義為車輛內側車輪荷載轉移到外側車輪的荷載總量與兩側輪胎垂直荷載和之比，其取值在±1之間，其計算方法見式(2)。

(2)

在較多文獻中LTR的極限值取為0.9；LTR=0.8時，車輛具有較高側翻危險程度；LTR=0.6時，車輛具有一定的側翻趨勢。本文中鉸接列車控制側翻的預警閾值取0.6。

2 彎坡組合路段行車風險影響因素仿真分析

2.1 構建人-車-路動力學仿真模型

采用基于車輛動力學的Trucksim仿真軟件進行模擬，標定車輛模型、構建道路模型和駕駛人控制方式。根據我國路線規范[10]中鉸接列車外輪廓尺寸和最大載質量對Trucksim中的3A Cab Over w/3A Euro Trailer的車輛模型參數進行標定。其中額定載質量取30 000 kg，其外廓尺寸按照規范取值：總長18.1 m、總寬2.55 m，總高4 m，前懸1.5 m，軸距7.0 m，后懸2.3 m，車軸數為6，車輪為前4后8。使用道路平面模塊[centerline geometry:Horizontal (X-Y) table]、縱斷面模塊[centerline elevation：ZvsS]、橫斷面模塊[off-center Elevation：dZviaS-Lgrid]構建3D道路模型。在路面摩阻系數模塊[friction：mu viaS-Lgrid]中，輸入路面潮濕磨光狀況對應的道路附著系數0.40。Trucksim中駕駛員模型主要由轉向控制模塊和速度控制模塊組成。其中轉向控制模塊設定車輛沿道路的預先設定軌跡模擬實際轉向駕駛行為。速度控制模塊是基于預瞄跟隨理論建立的，在閉環控制系統中車輛的行駛速度逐漸接近期望速度。

圖1 Trucksim中車輛建模

2.1 單因素分析

2.1.1仿真策略

根據JTD D20-2017 《公路路線設計規范》中設計速度對應道路圓曲線、縱坡、超高取值要求，研究圓曲線半徑R、超高e、縱坡坡度i、行駛速度v、對山區公路彎坡組合路段鉸接列車行車風險的影響作用，本次實驗的仿真設計見表1。

表1 考慮不同參數條件下的仿真設計

利用Trucksim對鉸接列車進行不同工況的仿真分析，不同道路參數對側向臨界附著系數的影響見圖2、不同道路參數對橫向荷載轉移率的影見圖3。

圖2 不同道路參數對側向臨界附著系數的影響

圖3 不同道路參數對橫向荷載轉移率的影響

2.1.2仿真結果分析

設計仿真道路取直-緩-圓的基本曲線單元組合。0～50 m為直線段內仿真車輛速度從0瞬間加速至恒定速度，μ和LTR略有微小的波動；50～100 m為直線段，超高為2%，由于車輛完成了速度過渡，車身姿態趨于穩定；100～200 m為緩和曲線段，線元曲率半徑逐漸減小，車身傾斜加重，μ和LTR急劇增大；200～300 m為圓曲線段，離心力恒定，受離心力和車輛懸掛裝置支撐的相互作用，車身以一定的幅度左右擺動，故μ和LTR在一定數值范圍內變動；300～400 m為緩和曲線段，線元曲率半徑逐漸增大，離心力逐漸減小，車身傾斜姿態逐漸恢復；400～500 m為直線段，超高為2%，車身姿態平穩。總體上而言，μ和LTR與圓曲線半徑、超高呈反比關系，與行駛速度呈正比，與道路縱坡無顯著相關關系。

2.2 多因素分析

本次實驗選取的圓曲線半徑分別為60，80，125，250 m，車輛行駛速度分別為50，60，70，80 km/h，道路縱坡分別為4%，5%，6%，7%，道路超高分別為4%，6%，8%，10%，路面摩阻系數恒定為0.4。實驗需要考慮4種影響因素，每種影響因素有4組數據，選取正交實驗表為L16(45)。不同仿真場景對應的穩態臨界附著系數μ和橫向荷載轉移率LTR參數見表2、表3。

表2 穩態臨界附著系數μ的離差及方差分析結果

表3 穩態橫向荷載轉移率LTR的離差及方差分析結果

從表2、表3可以看出，R、v、e這3個因素的F值均高于臨界值，說明行車速度v和圓曲線半徑R對行車安全的影響很大，而道路超高e對行車安全影響一般，縱坡坡度i對行車安全影響較小。相比車輛側滑，彎坡組合路段道路幾何設計指標取值變化更容易造成鉸接列車發生非羈絆側翻事故，具體表現為車輛發生側滑前已經發生了側翻，穩態臨界附著系數未持續出現大于路面附著系數的現象。

3 評價模型的建立及風險分析

由以上分析可知，圓曲線半徑、行駛速度、道路超高對鉸接列車在彎坡組合路段車輛的側滑/側翻有顯著影響，使用MATLAB對多因素分析實驗中的16組正交仿真數據進行回歸分析，可得μ、LTR與圓曲線半徑R、行駛速度v、超高的對應關系，見式(3)。

μ=f1(R,v,e)

LTR=f2(R,v,e)

(3)

使用MATLAB對上述16組正交仿真試驗數據進行回歸分析，擬合優度r2均大于0.9,擬合度較高，可得各影響因素與行車風險的關系見式(4)。

(4)

分別取設計速度為40，60，80，100 km/h對應的圓曲線最小半徑和最大縱坡坡度組合，超高值取8%。環境工況設定分別為：潮濕路面車輛超速限值取10 km/h；天氣狀況取正常、暴雨、積雪冰凍天氣，計算鉸接列車在彎坡組合路段的行車風險，其結果見表4。

表4 鉸接列車彎坡組合路段行車風險分析

續表4

從表4可以得出：

1) 正常天氣狀況，路面取潮濕、磨光狀態，鉸接列車按設計速度行駛，不會發生側滑/側翻。若超速行駛，行車風險會急劇增加，當超速大于10 km/h時交接列車發生側翻。

2) 暴雨天氣時，路面側向附著系數降低至0.21，鉸接列車按照設計速度行駛也不會發生側滑/側翻，說明暴雨對彎坡組合路段鉸接列車的行車風險影響不大。

3) 積雪冰凍天氣，路面附著系數較低，鉸接列車按照設計速度行駛，不會發生羈絆型側翻，但會發生側滑的行車危險。

4) 在低附著系數路面狀況下，鉸接列車彎坡組合路段行車事故類型主要為側滑；一般路面情況下，鉸接列車彎坡組合路段行車事故類型主要為非羈絆型側翻。

4 結語

1) 本文以現代汽車動力學理論為基礎，采用Trucksim建立人-車-路動力學仿真模型，采用正交實驗設計，單因素及多因素分析結果均表明圓曲線半徑、行駛速度對鉸接列車側滑/側翻影響顯著，超高影響一般，縱坡坡度影響不顯著。

2) 在一般路面情況下，彎坡組合路段鉸接列車行車風險主要體現為非羈絆側翻，路面附著系數較低時，鉸接列車則發生側滑。

3) 道路幾何設計時使用路線規范中圓曲線、縱坡、超高的極限值組合，正常天氣條件下鉸接列車按照設計速度能夠安全運行。但當冰雪積凍天氣或鉸接列車超速時，鉸接列車易發生側滑/側翻事故。

4) 山區公路管理中，應加強大型貨車的超速、超載管理，避免不良天氣條件下鉸接列車發生側翻。

5) 未考慮車輛緊急制動等特殊駕駛情況對車輛行車風險的影響作用，鉸接列車行車風險模型需要進一步完善。后續將進一步考慮車輛緊急制動、車輛重心高度等影響因素，提高模型的精確性和廣泛適用性。