楊玉芬, 李明明, 高曉旸

(吉林大學(xué) a. 網(wǎng)絡(luò)中心; b. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

現(xiàn)在, 乙醇汽油的使用已得到大范圍推廣。機(jī)動(dòng)車(chē)在十字路口怠速等待通行的短暫停車(chē)時(shí), 由于在寒冷地帶的機(jī)動(dòng)車(chē)排氣管滴水導(dǎo)致路面結(jié)冰, 形成非均勻點(diǎn)狀冰路面, 使路面附著系數(shù)發(fā)生變化, 從而影響車(chē)輛的行駛安全性[1]。筆者研究滴水量、 路面環(huán)境對(duì)車(chē)輛行駛安全的影響程度及關(guān)系具有現(xiàn)實(shí)和理論意義。目前我國(guó)科研工作者已對(duì)寒冷季節(jié)時(shí)路面大范圍均勻結(jié)冰導(dǎo)致的路面附著系數(shù)變化進(jìn)行了具體分析[2], 但對(duì)非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面的研究仍是空白。因而, 筆者針對(duì)這種狀況展開(kāi)了一系列的研究, 希望最終研究成果可為在非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面上車(chē)輛行駛安全性做準(zhǔn)確分析與評(píng)估, 并且為后續(xù)的研究提供理論依據(jù), 從而可讓機(jī)動(dòng)車(chē)更安全地行駛在公路上。

1 研究對(duì)象

由于我國(guó)北方不同地區(qū)冬季降雪及氣溫狀況有很大差別, 大范圍研究各地區(qū)的氣象狀況將給項(xiàng)目的進(jìn)行以及分析帶來(lái)極大不便, 綜合考慮多種因素后, 筆者擬在長(zhǎng)春市進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的采集?？紤]到水只有在0 ℃以下時(shí)才會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的狀態(tài), 并且城市通常在早晚上下班高峰時(shí)期才會(huì)出現(xiàn)交通擁堵的狀況[3]。在考慮氣溫的前提下, 由于汽車(chē)經(jīng)過(guò)路面時(shí)會(huì)帶走一部分積雪, 并且汽車(chē)從積雪路面行駛過(guò)后會(huì)產(chǎn)生一部分熱量, 造成少量的積雪融化形成冰, 所以實(shí)驗(yàn)研究必須將路面積雪深度大于5 mm以及日降水量特別大的天氣排除在外(這里暫不考慮特殊的干擾因素, 比如人為灑融雪劑以及工人大范圍鏟雪對(duì)路面狀況的影響)。

表1 項(xiàng)目研究范圍內(nèi)的日期

注：由于2010年出現(xiàn)了較大范圍的持續(xù)降雪, 導(dǎo)致對(duì)項(xiàng)目研究范圍有一定的影響, 但特殊的天氣不能代表長(zhǎng)春的天氣狀況, 所以該項(xiàng)目的研究仍具有其價(jià)值所在。

經(jīng)過(guò)對(duì)2008年～2011年長(zhǎng)春地區(qū)日平均氣溫、 日最高氣溫、 日最低氣溫、 日降水量及日積雪深度等數(shù)據(jù)的采集與分析, 確定了在研究范圍內(nèi)的天數(shù)如表1所示。

由表1可看出, 每年的11月中旬到次年的3月中旬時(shí)間段在研究范圍內(nèi), 即路面極易形成非均勻冰面的天氣。

2 非均勻冰面的模擬實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)1 000輛車(chē)的排量統(tǒng)計(jì)與加權(quán)計(jì)算, 得到平均車(chē)排量為1.88 L。乙醇汽油燃燒產(chǎn)生水量的理論計(jì)算根據(jù)乙醇汽車(chē)中各組分的百分比及化學(xué)成分的各自燃燒方程式, 可得到完全燃燒狀態(tài)下乙醇汽油燃燒物中的水含量為16.666 7 g/min, 即0.277 8 g/s。汽車(chē)尾氣中水致路面結(jié)冰量的測(cè)量通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛怠速時(shí)尾氣中排放出的水致路面結(jié)冰量的測(cè)量, 可為非均勻冰面的模擬提供數(shù)據(jù)與理論支撐。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量, 最終得到汽車(chē)怠速時(shí), 尾氣中水致路面結(jié)冰量為0.104 1 g/s。

通過(guò)項(xiàng)目前的準(zhǔn)備, 筆者計(jì)算乙醇汽油完全燃燒時(shí)產(chǎn)生水的量, 并且有怠速時(shí)尾氣中水導(dǎo)致路面結(jié)冰量的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)比對(duì)。實(shí)驗(yàn)中, 考慮到水噴灑到路面上有一部分的損失及蒸發(fā)損耗, 所以實(shí)驗(yàn)擬采取0.250 0 g/s的水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)非均勻冰面模擬時(shí)水的噴灑量, 并且通過(guò)觀察生活中路面上非均勻冰面的形狀, 最終確定了實(shí)驗(yàn)中非均勻冰面的形狀與大小[4-6]。在干燥路面上, 車(chē)速增加, 附著系數(shù)幾乎沒(méi)有變化, 而在非均勻點(diǎn)狀冰路面上, 附著系數(shù)則隨速度的增加而急劇變小。制動(dòng)加速度即剎車(chē)時(shí)的加速度, 制動(dòng)加速度增大速度減小, 速度減小的過(guò)程中附著系數(shù)也隨之發(fā)生變化, 所以筆者對(duì)汽車(chē)的制動(dòng)加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 分析。最后應(yīng)用V-box(Virtual Box)設(shè)備對(duì)車(chē)輛在非均勻冰面上制動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、 處理和分析。

利用V-box對(duì)非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面第1次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 其結(jié)果如圖1所示。

圖1 非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面第1次制動(dòng)加速曲線圖

計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力穩(wěn)定時(shí)制動(dòng)加速度的平均值, 得a=-0.388 06g(g=9.8 m/s2)。利用V-box對(duì)非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面第2次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[7-9], 其結(jié)果如圖2所示。

圖2 非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面第2次制動(dòng)加速曲線圖

計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力穩(wěn)定時(shí)制動(dòng)加速度的平均值, 得a=-0.370 81g。

綜上, 制動(dòng)穩(wěn)定時(shí)制動(dòng)加速度a=-0.379 44g, 即非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面附著系數(shù)為ψ=-0.379 44。

利用V-box對(duì)普通路面第1次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[10,11], 其結(jié)果如圖3所示。

圖3 普通路面第1次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度曲線圖

計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力穩(wěn)定時(shí)制動(dòng)加速度的平均值, 得a=-0.479 38g。

利用V-box對(duì)普通路面第2次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 其結(jié)果如圖4所示。

圖4 普通路面第2次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度曲線圖

計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力穩(wěn)定時(shí)制動(dòng)加速度的平均值, 得a=-0.479 38g。

綜上, 普通路面附著系數(shù)為ψ=-0.479 38。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察與分析并經(jīng)過(guò)相關(guān)資料的查閱, 可得理論情況下各種路況的附著系數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 各種路面上的附著系數(shù)

制動(dòng)距離是指駕駛員踩下制動(dòng)踏板產(chǎn)生作用至汽車(chē)完全停止時(shí), 輪胎在路面上出現(xiàn)明顯的拖印的距離。制動(dòng)距離的長(zhǎng)短與行駛的速度、 制動(dòng)力、 附著系數(shù)有關(guān)。行駛速度越高, 制動(dòng)距離越長(zhǎng), 行駛速度與制動(dòng)距離的平方成正比。制動(dòng)力是指駕駛員踩下制動(dòng)踏板后, 阻礙并促使車(chē)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)的力。制動(dòng)力的大小, 除與踩下制動(dòng)踏板的行程有關(guān)外, 還取決于車(chē)輪與地面的附著系數(shù), 道路越光滑(如結(jié)冰路面), 附著系數(shù)越小, 制動(dòng)距離越長(zhǎng)。制動(dòng)距離越小, 汽車(chē)的制動(dòng)性能就越好, 安全性越高。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)偏差較小, 所以, 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的普通路面的附著系數(shù)及非均勻路面的附著系數(shù)均較為合理, 可用于下面的結(jié)論分析。

綜上, 可得到以下結(jié)論。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩者情形的比較可以看出, 在非均勻點(diǎn)狀結(jié)冰路面上制動(dòng)距離明顯比普通路面上的制動(dòng)距離長(zhǎng), 當(dāng)起始制動(dòng)車(chē)速為40 km/h時(shí), 二者的制動(dòng)距離相差S1-S2=3.46 m。

實(shí)驗(yàn)中, 采用的實(shí)驗(yàn)車(chē)輛的額定排量是1.6 L, 此時(shí)獲得的非均勻冰面的附著系數(shù)ψ=0.379 44, 但在項(xiàng)目初期, 經(jīng)過(guò)對(duì)長(zhǎng)春車(chē)排量的統(tǒng)計(jì)后得到平均車(chē)排量是1.88 L, 如果采用1.88 L排量作為實(shí)驗(yàn)依據(jù), 則得到的非均勻冰面的附著系數(shù)更小, 此時(shí), 相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離更大, 即對(duì)駕駛的安全性影響更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

在車(chē)輛較為擁堵的大城市, 車(chē)輛總是在合理的行車(chē)速度范圍內(nèi)以可達(dá)到的最大速度行駛, 因此, 當(dāng)交通指示燈由綠燈突然變成紅燈的一瞬間, 車(chē)輛要由其原來(lái)的行駛狀態(tài)變成靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)制動(dòng)距離的長(zhǎng)短就可對(duì)整個(gè)行車(chē)速度及駕駛安全性造成很大的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)氣象資料的調(diào)研與分析可知, 在不同年份中, 在一年內(nèi), 雖然在研究范圍內(nèi)的天數(shù)不是很多, 但這對(duì)城市交通安全狀況的影響確實(shí)不容忽視, 在車(chē)輛眾多的城市里, 每個(gè)細(xì)微的安全隱患都應(yīng)該極力發(fā)掘并排除。在長(zhǎng)春這個(gè)交通相對(duì)不是很發(fā)達(dá)的城市里, 非均勻冰面對(duì)汽車(chē)駕駛安全的影響尚如此之大, 那么在天氣較冷、交通較為發(fā)達(dá)的城市里, 汽車(chē)尾氣排水致路面所結(jié)的非均勻冰面會(huì)對(duì)駕駛安全帶來(lái)更大的負(fù)面影響。

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