长大下坡路段重型车辆刹车毂温度预测模型的建立与应用

金龙祥，左仁广

(1.云南省泸西县交通局，云南泸西652400;2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

随着我国西部大开发的深入，山区公路建设取得了巨大成就。与此同时，山区公路的交通安全问题日益凸显。由于地形的限制，山区公路存在较多的长大纵坡。山区公路交通事故统计资料显示，一半以上交通事故发生在长大纵坡上，其中绝大多数发生在下坡路段。目前国内外的相关研究较少，应用于工程实践指导的相关规范、指南亦未颁布。鉴于此，本文对山区公路的长大下坡路段安全关键技术展开研究。

1 长大下坡路段事故致因分析

1.1 长大下坡路段事故形态

总体来说，长大纵坡路段的事故类型有如下两种:(1)上坡车辆速度差过大、视距不良等原因造成的追尾事故;(2)下坡时重型车辆制动失灵造成车辆失控酿成事故。

上述两种事故类型中，下坡的事故，即后者的比例又占了事故的绝大多数。如何针对制动失灵造成车辆失控提出有效的解决措施，已成为对于公路长大下坡路段安全研究的关键。

1.2 长大下坡路段事故致因分析

道路交通事故按其空间分布特性可分为分散型和密集型。分散型分布的交通事故其成因多与驾驶员或其他道路使用者的不安全行为有关，密集型分布的事故多与道路线形、交通设施和交通环境等因素有关。事故密集型分布的路段通常称为事故多发路段。事故多发路段与公路设计有非常密切的联系。长大下坡路段易发生因刹车失灵引起的交通事故，也属于密集型分布。

长大下坡路段的事故成因，相应地分为驾驶员因素(主观因素)、汽车因素和道路因素(客观因素)。主观因素并非本文研究重点，因此本文着重分析汽车因素和道路因素。限于篇幅，本文略去分析过程，得出了影响汽车在长大下坡路段失控的主要原因是道路坡度大、滑行距离长、车辆载重大等因素。

2 长大下坡路段重型车辆刹车毂温度测定试验

本节将考虑车辆载重、车辆下坡速度、距坡顶距离和下坡坡度等四个因素对公路长大下坡路段上行驶车辆的刹车毂温度的影响，进行试验设计，以期为下一步找出刹车毂温度与车辆载重、车辆下坡速度、距坡顶距离和下坡坡度等因素的定量关系提供样本数据。

2.1 试验目的

本试验的目的在于获得载重车辆在限定条件下下坡时刹车毂温度值，并以之为依据，建立相应的回归模型

(1)根据所得数据定量地分析各影响因素对于刹车毂温度值的影响情况;

(2)通过对试验结果的分析，建立长大下坡路段重型车辆温度预测模型。

2.2 试验条件

本试验将研究车辆载重、车辆下坡速度、距坡顶距离和下坡坡度四个因素对公路长大下坡路段上行驶车辆的刹车毂温度的影响，因此须在不同的车辆载重、车辆下坡速度、距坡顶距离和下坡坡度组合下进行刹车毂温度测量，具体条件见表1。

表1 试验条件

2.3 试验内容

本试验将在选定的试验路段，令选定车型的载重货车以指定方式从坡顶滑行至坡底，期间每隔指定的距离即测量试验车前轮与后轮的温度。为使试验结果具有较大可信性，每次试验须进行3次，取平均值为实验结果。

(1)将试验车满载(15 t)，停至长大纵坡的坡顶。待其刹车毂温度降至正常温度(40℃左右)时，空档在坡上滑行，速度升至40 km/h时在道路旁做一明显记号A。匀速滑行至距离A点500 m处，停车，迅速测量刹车毂温度，记录;

(2)将试验车开回坡顶，待其刹车毂温度降至正常温度时，空档滑行，滑行至距A点1 000 m处时，停车，迅速测量刹车毂温度，记录。以此类推，分别测得500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m处刹车毂温度;

(3)重复以上步骤，测得另一坡相应500 m、1 000 m处刹车毂温度;

(4)速度改为 30 km/h，重复以上步骤(1)、(2)、(3);

(5)速度改为 20 km/h，重复以上步骤(1)、(2)、(3);

(6)将试验车载重卸掉5 t(车载重10 t)，重复步骤(1)～(5);

(7)将试验车载重卸掉5 t(车载重5 t)，重复步骤(1)～(5)。

2.4 试验结果

除去1次因情况危急而试验失败，以及3次情况危险而取消试验以外，试验一共取得59组有效数据。

3 长大下坡路段重型车辆温度预测模型的建立

3.1 刹车毂温度数据分析

基于上节取得的数据进行分析，如图1所示:

图1 前后轮刹车毂温度升高比较图

货车的刹车设计一般为后轮先刹车，前轮稍后，这样有利于驾驶员控制方向。因此无论从时间前后上还是刹车力度上，均可解释后轮温度高于前轮(图1)。

由于本研究的目的在于对公路长大下坡的安全进行研究，所以必须考虑最坏的情况，因此，后文中建立公路长大下坡路段重型车辆温度预测模型时以后轮刹车毂温度数据为依据。

车辆载重越大，其重力势能越大，其通过刹车毂的摩擦转化成的热能就越多，因此，车辆载重越大，刹车毂的温度越高如图2。

图2 试验车载重增大刹车毂温度升高

汽车速度越大时，刹车的强度越小，相反，汽车的速度越小，为了保持较小的行驶速度，刹车毂与蹄片之间越紧密，摩擦更剧烈，则刹车毂温度越高如图3。

图3 试验车辆车速增大刹车毂温度升高图

下坡距离越长，则制动时间越长，刹车毂摩擦时间越长，则其温度越高如图4。

图4 试验地点距坡顶距离增大刹车毂温度升高图

下坡坡度越大，则车辆重力在平行车辆行驶方向分力越大，在其它因素一定的情况下，为了产生更大的制动力，刹车毂的摩擦也必然加剧，因此，下坡坡度越大，则刹车毂温度越高如图5。

图5 坡度增大刹车毂温度变化图

3.2 长大下坡路段重型车辆刹车毂温度预测模型的建立

利用SPSS统计软件建立的回归模型如下式所示(建模过程从略):

式中:T为刹车毂温度(℃);G为车辆载重(t);V为车辆的下坡速度(km/h);S为车辆距坡顶的距离(m);i为长大下坡路段的坡度(%)。

4 基于刹车毂温度预测的避险车道设计

避险车道的设置，目前无相应的规范标准，具体工程操作时往往出现两种情况:(1)应该设避险车道而未设，这样容易在公路长大下坡路段造成安全隐患;(2)不该设置避险车道而设置，这样不仅达不到消险的目的，而且加大了工程投资，造成不必要的浪费。

本节将从刹车毂温度预测的角度出发，试图探索一种合理可行的避险车道设置方法。

4.1 刹车毂衰退温度的确定

重型车辆在长大下坡路段行驶时，制动器需要较长时间连续地作较大强度的制动，刹车毂温度常在300℃以上，有时高达600℃ ～700℃。正常制动时，刹车毂的温度在200℃左右，摩擦系数约为0.3～0.4;但在更高的温度，摩擦系数会有很大降低，出现热衰退现象。原有的室内试验也表明，一般情况下，当刹车毂的温度不超过200℃时，车辆刹车毂的制动效能不会发生明显的衰退。目前在刹车毂中广泛采用模压材料、编织材料、和粉末冶金摩擦材料作为刹车毂摩擦材料，这些材料在250℃以上时不能承受较高的单位压力，磨损会加快。美国联邦公路局(FHWA)开发的坡度严重度分级系统把汽车刹车毂温度是否超过260℃作为是否设置避险车道的依据。综合国内的研究结论，并参考国外的研究成果，现把刹车毂衰退温度定为260℃。

4.2 避险车道位置的确定

根据本文所建立的公路长大下坡路段刹车毂温度预测模型，在刹车毂失效温度确定的情况下，就可以得出在不同载重、不同坡度、不同下坡速度情况下刹车毂温度达到失效温度(260℃)时距坡顶的距离，即:

根据上式可以测试车辆的载重、下坡的速度以及长大下坡的坡度反算出公路长大下坡的安全长度。借此对公路纵断面的安全性进行评价。对于安全性评价结果有问题的路段，考虑到避险车道的造价昂贵，可以适当调整纵断面设计，但由于地形的限制，常常无法将纵断面设计修改至满足条件，这个时候，就要考虑在危险的地方设置避险车道。

5 结束语

随着我国西部大开发的深入，山区公路的建设必将取得更大的成就，同时，设计者也将面对更多的长大纵坡相关的设计问题，本文的研究结论可用于山区公路设计阶段的纵断面线形评价，从安全角度辅助优化道路的纵断面设计，同时可用于避险车道选址，对提高公路长大下坡路段安全性提供理论依据与应用参考。

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