丁劍濤 裴王簡(jiǎn)

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安 710043)

在我國(guó)山區(qū)公路中，長(zhǎng)陡坡路段、小半徑曲線段和連續(xù)彎坡路段占有很大比例。隨著公路貨運(yùn)量的增加和鉸接列車朝著載重化發(fā)展，六軸鉸接列車成為我國(guó)公路貨物運(yùn)輸?shù)闹鲗?dǎo)車型[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在長(zhǎng)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(guò)了40%[2]。由于鉸接列車的載質(zhì)量大、質(zhì)心較高，對(duì)道路幾何線形設(shè)計(jì)提出了更高的要求。而我國(guó)JTG B01-2014 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及JTG D20-2017 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中縱坡的研究車型為三軸載重貨車。我國(guó)山區(qū)高速公路近幾年發(fā)生的重特大交通事故，一定程度上也說(shuō)明車不適應(yīng)路的結(jié)構(gòu)性矛盾愈加突出。道路幾何線形對(duì)行車安全至關(guān)重要，彎坡組合路段對(duì)交通安全的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)平、豎曲線的影響及兩者影響的簡(jiǎn)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(qū)公路交通事故的主要因素。因此，有必要對(duì)鉸接汽車在山區(qū)公路彎坡組合路段的行車風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究以分析鉸接列車側(cè)滑/側(cè)翻影響因素居多，多數(shù)受到實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)獲取的客觀條件制約，無(wú)法確定各因素的影響程度。其中，文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)車輛以設(shè)計(jì)速度行駛在平曲線路段時(shí)，縱向坡度和最大超高值對(duì)車輛的側(cè)滑和側(cè)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(tài)，給出了車軸側(cè)滑與車輪側(cè)滑狀態(tài)的關(guān)系。郭忠印等[6]建立了載重汽車在長(zhǎng)下坡與連續(xù)彎道組合路段行駛過(guò)程中側(cè)滑、側(cè)翻和緊急制動(dòng)條件下臨界車速的理論計(jì)算模型，確定了路段的安全服務(wù)水平。現(xiàn)有研究中多選取小客車和貨車作為研究對(duì)象，研究的道路幾何線形多以平曲線為主，缺乏對(duì)鉸接列車在山區(qū)公路彎坡組合路段行車風(fēng)險(xiǎn)的深入研究。本文擬采用TruckSim仿真軟件構(gòu)建六軸鉸接列車的動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究道路幾何線形、行駛速度、不良天氣條件等對(duì)鉸接列車行車風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，并進(jìn)行不同天氣條件下彎坡組合路段鉸接列車行車風(fēng)險(xiǎn)分析，為重載車輛在彎坡組合路段運(yùn)行安全和山區(qū)道路幾何設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 行車風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)價(jià)指標(biāo)

橫向穩(wěn)定性是影響鉸接列車在彎坡組合路段運(yùn)行安全的重要因素。在車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，當(dāng)路面與輪胎間附著力不足以抵抗所受的離心力時(shí)，鉸接列車會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著折疊、甩尾的危險(xiǎn)駕駛工況[7]。鉸接列車的質(zhì)心位置較高，會(huì)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(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)輪胎脫離路面時(shí)，便出現(xiàn)“非絆倒型側(cè)翻”現(xiàn)象[8]。側(cè)向臨界附著系數(shù)能夠較好地表征車輛是否發(fā)生側(cè)滑。孫川等[9]指出用橫向荷載偏移率(LTR)表征車輛側(cè)翻，具有較高可信度。因此，本文選取側(cè)向臨界附著系數(shù)和橫向荷載偏移率作為分別表征車輛側(cè)滑、側(cè)翻的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1 側(cè)向臨界附著系數(shù)

側(cè)向臨界附著系數(shù)是指汽車每個(gè)車輪所受的側(cè)向力與垂直力比值的絕對(duì)值最大值。如果路面提供給輪胎的側(cè)向力不足以抵消車輛轉(zhuǎn)向所必需的離心力，車輛就會(huì)發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，側(cè)向臨界附著系數(shù)μ(z)計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Fy為輪胎側(cè)向力，kN；Fz為輪胎垂直力,kN。

n為車軸數(shù)；FyLno和FyLni分別為第n軸左邊外側(cè)和內(nèi)側(cè)的輪胎側(cè)向力，kN；FyRno和FyRni分別為第i軸右邊外側(cè)和內(nèi)側(cè)的輪胎側(cè)向力，kN；FzLno和FzLni分別為第i軸左邊外側(cè)和內(nèi)側(cè)的輪胎垂直力，kN；FzRno和FzRni分別為第i軸右邊外側(cè)和內(nèi)側(cè)的輪胎垂直力，kN。

1.2 橫向荷載轉(zhuǎn)移率

橫向荷載轉(zhuǎn)移率(lateral load transfer rate，LTR)定義為車輛內(nèi)側(cè)車輪荷載轉(zhuǎn)移到外側(cè)車輪的荷載總量與兩側(cè)輪胎垂直荷載和之比，其取值在±1之間，其計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。

(2)

在較多文獻(xiàn)中LTR的極限值取為0.9；LTR=0.8時(shí)，車輛具有較高側(cè)翻危險(xiǎn)程度；LTR=0.6時(shí)，車輛具有一定的側(cè)翻趨勢(shì)。本文中鉸接列車控制側(cè)翻的預(yù)警閾值取0.6。

2 彎坡組合路段行車風(fēng)險(xiǎn)影響因素仿真分析

2.1 構(gòu)建人-車-路動(dòng)力學(xué)仿真模型

采用基于車輛動(dòng)力學(xué)的Trucksim仿真軟件進(jìn)行模擬，標(biāo)定車輛模型、構(gòu)建道路模型和駕駛?cè)丝刂品绞?。根?jù)我國(guó)路線規(guī)范[10]中鉸接列車外輪廓尺寸和最大載質(zhì)量對(duì)Trucksim中的3A Cab Over w/3A Euro Trailer的車輛模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。其中額定載質(zhì)量取30 000 kg，其外廓尺寸按照規(guī)范取值：總長(zhǎng)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(shù)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(gòu)建3D道路模型。在路面摩阻系數(shù)模塊[friction：mu viaS-Lgrid]中，輸入路面潮濕磨光狀況對(duì)應(yīng)的道路附著系數(shù)0.40。Trucksim中駕駛員模型主要由轉(zhuǎn)向控制模塊和速度控制模塊組成。其中轉(zhuǎn)向控制模塊設(shè)定車輛沿道路的預(yù)先設(shè)定軌跡模擬實(shí)際轉(zhuǎn)向駕駛行為。速度控制模塊是基于預(yù)瞄跟隨理論建立的，在閉環(huán)控制系統(tǒng)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(jù)JTD D20-2017 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)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(duì)山區(qū)公路彎坡組合路段鉸接列車行車風(fēng)險(xiǎn)的影響作用，本次實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 考慮不同參數(shù)條件下的仿真設(shè)計(jì)

利用Trucksim對(duì)鉸接列車進(jìn)行不同工況的仿真分析，不同道路參數(shù)對(duì)側(cè)向臨界附著系數(shù)的影響見(jiàn)圖2、不同道路參數(shù)對(duì)橫向荷載轉(zhuǎn)移率的影見(jiàn)圖3。

圖2 不同道路參數(shù)對(duì)側(cè)向臨界附著系數(shù)的影響

圖3 不同道路參數(shù)對(duì)橫向荷載轉(zhuǎn)移率的影響

2.1.2仿真結(jié)果分析

設(shè)計(jì)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(nèi)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(dòng)；50～100 m為直線段，超高為2%，由于車輛完成了速度過(guò)渡，車身姿態(tài)趨于穩(wěn)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(dòng)，故μ和LTR在一定數(shù)值范圍內(nèi)變動(dòng)；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(tài)逐漸恢復(fù)；400～500 m為直線段，超高為2%，車身姿態(tài)平穩(wěn)。總體上而言，μ和LTR與圓曲線半徑、超高呈反比關(guān)系，與行駛速度呈正比，與道路縱坡無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

2.2 多因素分析

本次實(shí)驗(yàn)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(shù)恒定為0.4。實(shí)驗(yàn)需要考慮4種影響因素，每種影響因素有4組數(shù)據(jù)，選取正交實(shí)驗(yàn)表為L(zhǎng)16(45)。不同仿真場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)臨界附著系數(shù)μ和橫向荷載轉(zhuǎn)移率LTR參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 穩(wěn)態(tài)臨界附著系數(shù)μ的離差及方差分析結(jié)果

表3 穩(wěn)態(tài)橫向荷載轉(zhuǎn)移率LTR的離差及方差分析結(jié)果

從表2、表3可以看出，R、v、e這3個(gè)因素的F值均高于臨界值，說(shuō)明行車速度v和圓曲線半徑R對(duì)行車安全的影響很大，而道路超高e對(duì)行車安全影響一般，縱坡坡度i對(duì)行車安全影響較小。相比車輛側(cè)滑，彎坡組合路段道路幾何設(shè)計(jì)指標(biāo)取值變化更容易造成鉸接列車發(fā)生非羈絆側(cè)翻事故，具體表現(xiàn)為車輛發(fā)生側(cè)滑前已經(jīng)發(fā)生了側(cè)翻，穩(wěn)態(tài)臨界附著系數(shù)未持續(xù)出現(xiàn)大于路面附著系數(shù)的現(xiàn)象。

3 評(píng)價(jià)模型的建立及風(fēng)險(xiǎn)分析

由以上分析可知，圓曲線半徑、行駛速度、道路超高對(duì)鉸接列車在彎坡組合路段車輛的側(cè)滑/側(cè)翻有顯著影響，使用MATLAB對(duì)多因素分析實(shí)驗(yàn)中的16組正交仿真數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)式(3)。

μ=f1(R,v,e)

LTR=f2(R,v,e)

(3)

使用MATLAB對(duì)上述16組正交仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合優(yōu)度r2均大于0.9,擬合度較高，可得各影響因素與行車風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系見(jiàn)式(4)。

(4)

分別取設(shè)計(jì)速度為40，60，80，100 km/h對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑和最大縱坡坡度組合，超高值取8%。環(huán)境工況設(shè)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(jì)算鉸接列車在彎坡組合路段的行車風(fēng)險(xiǎn)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鉸接列車彎坡組合路段行車風(fēng)險(xiǎn)分析

續(xù)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(tài)，鉸接列車按設(shè)計(jì)速度行駛，不會(huì)發(fā)生側(cè)滑/側(cè)翻。若超速行駛，行車風(fēng)險(xiǎn)會(huì)急劇增加，當(dāng)超速大于10 km/h時(shí)交接列車發(fā)生側(cè)翻。

2) 暴雨天氣時(shí)，路面?zhèn)认蚋街禂?shù)降低至0.21，鉸接列車按照設(shè)計(jì)速度行駛也不會(huì)發(fā)生側(cè)滑/側(cè)翻，說(shuō)明暴雨對(duì)彎坡組合路段鉸接列車的行車風(fēng)險(xiǎn)影響不大。

3) 積雪冰凍天氣，路面附著系數(shù)較低，鉸接列車按照設(shè)計(jì)速度行駛，不會(huì)發(fā)生羈絆型側(cè)翻，但會(huì)發(fā)生側(cè)滑的行車危險(xiǎn)。

4) 在低附著系數(shù)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(cè)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(cè)翻。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 本文以現(xiàn)代汽車動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用Trucksim建立人-車-路動(dòng)力學(xué)仿真模型，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，單因素及多因素分析結(jié)果均表明圓曲線半徑、行駛速度對(duì)鉸接列車側(cè)滑/側(cè)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(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)為非羈絆側(cè)翻，路面附著系數(shù)較低時(shí)，鉸接列車則發(fā)生側(cè)滑。

3) 道路幾何設(shè)計(jì)時(shí)使用路線規(guī)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(shè)計(jì)速度能夠安全運(yùn)行。但當(dāng)冰雪積凍天氣或鉸接列車超速時(shí)，鉸接列車易發(fā)生側(cè)滑/側(cè)翻事故。

4) 山區(qū)公路管理中，應(yīng)加強(qiáng)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(fā)生側(cè)翻。

5) 未考慮車輛緊急制動(dòng)等特殊駕駛情況對(duì)車輛行車風(fēng)險(xiǎn)的影響作用，鉸接列車行車風(fēng)險(xiǎn)模型需要進(jìn)一步完善。后續(xù)將進(jìn)一步考慮車輛緊急制動(dòng)、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。