（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路平均纵坡的研究.pdf

s t u d yo na v e r a g el o n g i t u d i n a ls l o p eo f m o n t a n i ce x p r e s s w a y ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n g b o s u p e r v i s o r ：p r o f z h a o y i f e i c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 眦9m m 7叭川im 0 3眦7iiiii y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 上璃 2 0 1 0 年月o 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：上博 加如年月p 日 导师签名： 翘争越矿。 o 年b 只| 0 3 摘要 随着山区高速公路的建设发展，连续长大纵坡路段不断出现。多条山区高速公路的 运营表明，连续长大纵坡路段交通事故率高，危及行车安全。相关研究主要集中在单个 纵坡的坡度和坡长，缺少对山区高速公路连续长大纵坡路段的研究，规范中对于平均纵 坡的规定对于高速公路不具备指导意义，设计人员无章可循，导致连续纵坡的大小和长 度无法正确控制。因此，对山区高速公路平均纵坡进行研究，也迫切需要解决的问题。 论文通过大量收集相关资料和文献，在连续纵坡路段调查实验，通过数据的理论分 析，本文通过路段试验、场地试验和理论分析，对山区高速公路陡坡和缓坡以及平均纵 坡指标进行了研究，通过分析货车在纵坡路段的运行特性，结合未来载货车的发展趋势， 拟定了额定载质量1 2 t 的东风汽车e q 5 2 0 8 x x y 2 型载货车作为陕西山区高速公路设计 的主导车型，从理论上确定了主导车型加速上坡和减速冲坡的换档速度、平衡速度以及 爬坡性能曲线图，提出了不同速度折减量下的临界坡长值；通过实地速度观测分析，确 定了高速公路坡底货车的平均行驶速度；根据上坡路段容许的速度折减量( a v = 2 0 k m h ) ，提出了陕西山区高速公路各设计速度下不同纵坡坡长限制建议值，为山区高 速公路连续纵坡路段陡坡的设计提供了依据。实测大货车在山区高速公路连续纵坡路段 缓坡上的运行速度，研究了大货车的运行特征，提出了连续长大纵坡路段的缓坡期望值。 运用主制动器温度预测模型，提出了山区高速公路的平均纵坡指标值，并通过分析连续 纵坡路段的百万车公里事故率与坡长的关系，论证了平均纵坡指标适用范围值。 关键词：山区高速公路、连续纵坡路段、平均纵坡、缓坡、事故率、主制动器温升模型 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o u n t a i n o u sa r e ah i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，t h e r e w illb em o r ea n dm o r ec o n ti n u o u sl o n g it u d i n a lg r a d es e c ti o n s d a t as h o w s ，t h e r o a dt r a f f i ca c c i d e n t s ，s e r i o u s l ye n d a n g e r ss a f e t y t h er e l e v a n tr e s e a r c h f o c u s e so nt h el o n g i t u d i n a l g r a d e s i n g l ea n dl a c ko fi n t e g r i t y ，c o n t i n u o u s l o n g i t u d i n a lg r a d ep a r a g r a p h s n oc o m p l e t es p e c i f i c a t i o n sa n dt h ea v e r a g ev a l u e o ft h el o n g i t u d i n a lg r a d e ，i nd e s i g n ，d e s i g np e r s o n n e lt of o l l o w ，n oc h a p t e r f o rl o n g i t u d i n a lg r a d es i z ea n dl e n g t hi su n a b l et oc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h e m o u n t a i n o u sa r e ah i g h w a yf o ra na v e r a g eo fl o n g i t u d i n a l g r a d ec o n t r o lg r e w l o n g i t u d i n a lg r a d e ，s a f e t yi sv e r yn e c e s s a r ya n du r g e n tn e e d st os o l v et h e p r o b l e m t h r o u g hal a r g ec o ll e c t i o no fr e l a t e dd a t aa n dd o c u m e n t s ，i nt h er o a dt e s t i n v e s t i g a t i o nd a t a ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，at i m e o fv e h i c l e s ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h er a t e dl o a da n dp o w e rt ow e i g h t1 0 u p w a r d - l e a d i n gc o n t i n u o u sc a s t i n g t h et h a n7 0 1 5 i nl a r g ev e h i c l e sf o rt h e r e s e a r c hs c o p eo ft h ed o m in a n tm o d e l ，t h r o u g ht h em o u n t a i n o u sa r e ah i g h w a y f r e i g h tt r u c k sf o rl o n g i t u d i n a lg r a d es e c t i o n so ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d c o n t i n u o u su p h i l lr o a dc a p a c i t ya n a l y s i s ，r e s e a r c ha n dm o u n t a i n o u sh i g h w a ys l o p e l e n g t ha n da v e r a g el o n g i t u d i n a lg r a d es h o u l db el i m i t e dt od o w n h i l ld i r e c t i o n f o rt h em a i nc o n t r o lf a c t o r so fs a f e t yo fp r i n c i p l e ，a n a l y s i so ft h ec o n t i n u o u s l o n g i t u d i n a lg r a d er o a df r e i g h tt r u c k sr u n n i n gs p e e d ，s l o p es e c t i o n sg o o d su s e d c a rb r a k et e m p e r a t u r em o d e l ，t h r o u g ht h et e s ts e c t i o no f c o n t i n u o u sl o n g i t u d i n a l g r a d ed a t aa n a l y s i s ，p r o p o s e dt h em o u n t a i n o u sa r e ah i g h w a ys l o p el e n g t ha n d l o n g i t u d i n a lg r a d ea v e r a g er e s p e c t i v e l yl i m i t ，p u t sf o r w a r dc o n t i n u o u s l y d o w n h i l lr o a ds e c t i o n s ，b r a k ef a i l u r ea c c i d e n th i d d e nw i t hm o u n t a i n o u sh i g h w a y t r a f f i ca c c i d e n tc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u sl o n g i t u d i n a l g r a d ei nt r a f f i c a c c i d e n t s ，s t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d sf o rm a k i n gac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s k e y w o r d s ：t h em o u n t a i n o u sa r e ah i g h w a y , c o n t i n u o u sl o n g i t u d i n a lg r a d es e c t i o n s ，a v e r a g e s l o p e ，a c c i d e n t s ，l o n g i t u d i n a lg r a d e ，t h eb r a k et e m p e r a t u r em o d e l l i 目录 第一章绪论1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 2 2 存在问题4 1 3 研究的目的与意义5 1 3 1 研究的目的5 1 3 1 研究的意义5 1 4 研究内容与技术路线5 1 4 1 研究内容5 1 4 2 技术路线6 第二章主导车型的选择7 2 1 主导车型选择的理论依据7 2 2 实验。8 2 2 1 数据采集8 2 2 2 数据分析9 2 3 主导车型的确定1 3 2 3 1 主导车型选择因素1 4 2 3 2 主导车型的确定1 7 2 3 3 主导车型的选定18 2 4 本章小结1 8 第三章基于汽车行驶理论的动力性能分析1 9 3 1 汽车的驱动力及行驶阻力1 9 3 1 1 驱动力1 9 3 1 2 阻力1 9 3 1 3 运动方程2 1 i i i 3 2 汽车的动力特性j 2 2 3 2 1 汽车的动力因数2 2 3 2 2 汽车的行驶状态2 3 3 3 主导车型的有关特性2 4 3 3 1 惯性力系数2 4 3 3 2 不同档位的尸、q 、形值2 4 3 3 3 平衡速度。2 5 3 3 4 最高速度和临界速度。2 5 3 3 5 主导车型的爬坡性能曲线2 5 3 4 纵坡路段上汽车的换档。2 7 3 4 1 加速换档。2 7 3 4 2 减速换档2 8 3 4 3 换档时的速度损失3 0 3 5 坡长限制3 0 3 6 本章小结3 7 第四章货车在长大纵坡缓坡路段的运行特性分析3 8 4 1 大货车运行速度数据采集3 8 4 1 1 实验目的3 8 4 1 2 实验条件3 8 4 1 3 实验仪器3 8 4 1 4 试验内容与方法3 8 4 1 5 调查的样本量3 9 4 1 6 试验路段的选取3 9 4 2 连续纵坡坡路段缓坡段大货车的运行速度分析4 0 4 2 1 车型装载状况统计分析4 0 4 2 2 连续上坡路段缓坡段大货车的运行速度分析4 0 4 2 3 连续下坡路段缓坡段大货车运行速度分析4 6 4 3 本章小结51 i v 第五章山区高速公路平均纵坡值研究5 2 5 1 无辅助制动情况下主制动器温度预测模型5 2 5 2 平均纵坡指标值的研究。5 4 5 2 1 大货车主制动器失效温度5 4 5 2 2 无辅助制动下平均纵坡指标值5 4 5 2 3 无辅助制动下制动器温度预测模型实际应用。5 5 5 3 平均纵坡路段安全性分析与平均纵坡论证5 6 5 3 1 长大纵坡路段交通事故的统计分析5 6 5 3 2 平均纵坡与坡长的论证5 8 5 4 本章小结。6 0 结论6 1 参考文献6 3 致谢。6 5 v 长安大学硕：t 学位论文 第一章绪论 近年来我国的公路交通事业迅速发展，高速公路建设的重心已由东部向西部转移， 由平原微丘区向山岭重丘区延伸。以陕西省公路建设为例，陕西是中国西部重要的公路 交通枢纽、新丝绸之路和新欧亚大陆桥上重要的过境通道，国家规划的7 条首都放射线、 9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成的简称“7 9 1 8 高速公路网，有7 条在陕西交汇， 具有承东启西、连南接北的公路枢纽地位。在国家实施西部大开发以来陕西省高速公路 建设取得了实质性进展，目前已经实现了市市通高速，路网结构明显改善，交通综合服 务水平显著提高。但是陕西地域狭长，地势南北高、中间低，同时，地势由西向东倾斜 的特点也很明显。有高原、山地、平原和盆地等多种地形。北山和秦岭从北到南把陕西 分为陕北高原、关中平原、秦巴山地三个地貌区。待建高速公路大部分位于陕南秦巴山 区和陕北黄土沟壑地区，高速公路建设的主战场已由平原区转向地形地质条件复杂的陕 南、陕北山区。山区复杂的地形、地质、水文条件决定了山区高速公路具有平纵面指标 相对较低，连续上下坡路段较长，工程规模大，造价高等特点。这些都增加了高速公路 设计的难度，经常出现局部路段虽然设计满足规范要求，但是运营后行车舒适性较差， 存在较大的安全隐患，事故频发；或者由于指标偏高，填挖太大，对自然地形和生态环 境破坏大，景观效果差，甚至诱发较严重的地质病害，极大地威胁着道路设施的安全， 进而降低交通运营的安全性。 由于山区高差大，地形、地质、地貌条件复杂，在越岭路段，为降低工程造价，缩 短越岭路线长度，减少对生态环境的破坏，常采用坡长较长或平均纵坡值较大的连续纵 坡组合坡段。从已建高速公路运营情况来看，连续长大下坡对高速公路的行车安全产生 重大影响。主要表现在：连续长下坡，车速超出驾驶员的安全期望值，汽车需频繁制动， 载重车易制动失灵，诱发交通事故，甚至恶性事故，并造成长时间交通中断。连续上坡 路段载重车运行速度降低过多，影响路段通行能力，妨碍爬坡性能较好车辆的行驶，使 超车需求增多，增加了“强行超车 的可能性，容易发生小汽车追尾大货车的事故。 标准在条文说明中解释：“长大纵坡对大货车行驶很不利，上坡会使车速减慢， 妨碍后续的快速车辆，使超车需求增多，“强超硬会”的可能性增大，安全性降低；而 下坡会使刹车过热，主制动器制动效能减弱，更易诱发交通事故。因此，各级公路必须 对连续纵坡路段按平均纵坡进行控制”。但标准对平均纵坡仅作如下规定：“越岭路 线连续上坡( 或下坡) 路段，相对高差为2 0 0 m - - - 5 0 0 m 时，平均纵坡不应大于5 5 ；相对 第一章绪论 高差大于5 0 0 m 时，平均纵坡不应大于5 0 ，任意连续3 k m 路段的平均纵坡不应大于 5 5 。”由于规范中高速公路最大纵坡为5 ，上述规定对高速公路设计完全不具备指 导意义。在山区高速公路越岭路段，由于地形地貌复杂，相对高差较大，环保要求较高， 在路线方案布设和纵坡设计时，为了克服高差和控制工程量，往往形成连续纵坡路段， 即不断交替用长的陡坡和短的缓坡的组合形式，形成符合规范但不合理的所谓的“台阶 式”连续长大纵坡。已建和在建山区高速公路任意连续3 k m 平均纵坡大于3 5 的路段 比较常见，连续8 , - - - , l o k m 的连续纵坡路段且平均纵坡大于3 5 的路段也有多条。从已 通车的山区高速公路运行情况来看，连续8 - - lo k m 下坡且平均纵坡大于3 5 的路段， 连续下坡方向交通事故较多，上坡方向的通行能力明显降低。 因此，有必要从车辆动力性能和运行速度的角度出发来控制平均纵坡，合理运用最 大纵坡与最大坡长，并采取必要的措施，保证不因平均纵坡过缓而导致工程建设费用过 度增加，也应避免因平均纵坡过陡而导致营运时交通运行环境的恶化。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究现状 文献分析表明目前国外还没有专门的针对平均纵坡的研究。国外对于纵坡坡度与坡 长限制的规定，除了考虑与汽车发动机和汽车车身设计制造水平有关外，还与道路所处 地形、周围环境、车辆状况和驾驶员操作行为等密切相关。日本等国外控制连续上坡的 纵坡设计，目前主要采用确定大货车爬坡时速度的降低值和组合坡段等效纵坡的方法来 进行控制，通过控制等效纵坡的大小及长度来控制纵坡设计以及是否需要设置爬坡车 j 山 追。 欧美发达国家关于运行速度的研究起步较早，并基于研究成果给出了不同设计速度 下的纵坡坡度与坡长限制规定。德国在关于事故与纵坡长度关系的调查研究中表明：在 单方向行车的公路上，下坡方向的事故量明显要比上坡多，而且当纵坡坡度大于6 时，行 车事故明显超出平均事故量。 美国公路与运输协会( a a s h t o ) 按照典型货车( 重量功率比为1 2 0 k g k w ) 的爬坡性能 曲线，按照不同的设计速度和地形类别给出了全国性应用的最大纵坡控制值。美国关于 坡长限制是根据速度折减1 5 k m h 得出的。另外，美国还根据公路运输的典型货车数据， 进入纵坡路段的车速按1 l o k m h 考虑，研究了不同加速度下，纵坡坡度与坡长的关系， 建立了纵坡坡度、坡长和速度变化之间的关系，为坡长的合理取值提供了可靠依据。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 与国外相比，国内在平均纵坡的研究方面起步较晚，相关的研究成果也不多，各地 在平均纵坡设置方面还没有统一的标准可以遵循。但是国内的相关研究主要集中在单个 纵坡的坡度坡长及其交通安全等方面。 长安大学石飞荣、杨少伟以陕西几条山区高速公路的交通量资料为基础，通过研 究公路最大纵坡及坡长限制与汽车性能、通行能力、爬坡车道设置的关系得出高速公路 车辆上、下行的最大纵坡及坡长限制，供山区高速公路纵坡设计及标准修订参考。 长安大学潘兵宏副教授收集了大量相关资料和文献，通过路段试验、场地试验和理 论分析，对山区高速公路平均纵坡与坡长限制指标进行研究。在确定研究平均纵坡主导 车型基础上，通过对山区高速公路连续纵坡路段交通事故特点的分析，确定研究山区高 速公路平均纵坡与坡长限制应以下坡方向的行车安全为主要控制因素的原则。通过对试 验数据的回归分析，结合汽车运动方程的分析，分别提出了无辅助制动和发动机辅助制 动两种情况下的主制动器温升预测模型。通过计算分析提出了山区高速公路平均纵坡和 坡长限制的指标值，并提出了高速公路长大纵坡界定的标准和原则。最后系统地提出了 山区高速公路连续纵坡路段的安全保障措施。提出了山区高速公路平均纵坡与坡长限制 标准及应用原则，填补了我国标准和规范中对于山区高速公路平均纵坡规定的 空白，首次按不同平均纵坡提出了高速公路长大纵坡的界定标准和原则。 长安大学袁伟在对目前常用鼓式制动器结构和工作原理分析基础上，详细研究了鼓 式制动器的摩擦生热过程，并对制动鼓的散热过程进行了分析，以e o l 4 0 型货车为试验 车，在此基础上建立了鼓式制动器温度预测的数学模型，并在相似理论和量纲分析理论 指导下，进行鼓式制动器对流换热实验，得出鼓式制动器对流换热系数。 交通部公路科学研究所周荣贵等人通过排除其他影响因素的实地试验，研究了车辆 制动器温度变化与车辆刹车距离之间的对应关系，研究表明：相对于汽车的制动效能， 制动器温度在2 0 0 以内为安全，在2 0 0 - 3 0 0 。c 之间为部分安全，超过3 0 0 为不安全， 并结合长下坡路段的交通事故的统计分析，提出了山区高速公路连续下坡路段平均纵坡 和坡长限制要求：在车辆正常配载、各种制动设备完好的情况下，采取辅助刹车措施后， 公路越岭线的平均纵坡值，不应大于5 5 ( 相对高差为2 0 0 m , - 一5 0 0 m ) 和5 ( 相对高差大 于5 0 0 m ) ，而且任意相连3 k m 连续纵坡路段的平均纵坡不宜大于5 5 ，并提出了交通组 织和交通管理措施建议，在平均纵坡达到4 ，连续下坡3 k m 以上时，宜增设紧急避险车 道。 第一章绪论 吴德华在汽车动力性能分析和工程经济技术论证的基础上，通过理论分析和现场调 查的方法，分析了陕西公路建设对陕西路域生态、水土流失的影响。在此基础上提出陕 西公路建设生态环境保护的政策策略，研究了陕西公路交通量适应性，提出适合陕西地 区的各级公路相应的远景设计交通量，在分析陕西公路现有线形指标的基础上，提出了 适合陕西地区的公路建设标准，以优化陕西地区的公路设计。 清华大学的袁泉分析了八达岭高速公路返京线k 5 5 - - k 5 0 连续下坡路段的恶性交通 事故和大货车的制动性能，发现大货车的超载问题己成为道路安全的主要事故隐患，严 重危害交通安全，车辆在长大下坡路段不可避免连续制动，引起车辆制动器发生热衰退 现象，制动力矩明显降低，制动距离延长，严重时造成制动器完全失效，致使车辆失控 而追尾、侧滑翻车或冲入山崖。 长安大学冯红运等以国道3 1 2 咸永一级k 1 5 6 2 - k 1 5 6 9 段( 马家坡) 的事故数据为基 础，分析运营阶段连续下坡路段事故特征及存在的突出问题，借鉴国内外典型连续下坡 路段安全改造的经验，提出了连续下坡路段的安全改善措施。 北京工业大学邵杰从八达岭高速公路进京方向k 5 5 - k 5 0 事故多发段的事故统计分 析特性出发，详细研究了道路线形、交通安全设施和行驶特性，找出了交通事故个案中 所体现出的共同统计特征和交通事故重复性、持续性的规律，对交通事故黑点成因鉴别进 行了较深入研究，找出了诱发事故多发的主要成因。从道路基础设施改造方案、道路沿 线交通工程设施改造方案、交通管理方案和方案综合及优化等方面提出了治理事故多发 点的措施与建议。 合肥工业大学的张建军在分析国内外避险车道设置原则研究的基础上，选定合适的 主导车型，分析了主导车型在连续下坡路段等速行驶时采用的各种制动方式，确定以无 辅助制动方式车辆后轮制动器温度为设置避险车道的依据，并依此建立车辆在长大下坡 路段行驶时制动器温度与下坡坡度、下坡速度和坡顶距离三者之间的关系模型。根据该 模型确定连续纵坡路段下坡方向避险车道的设置原则。 综上所述，国内对于高速公路纵坡的研究主要集中在以下三个方面；单个坡长、 坡度限制研究；连续纵坡路段的交通事故分析及其防治措施；避险车道与爬坡车道 的设置研究。平均纵坡方面的研究则相对较少。 1 2 2 存在问题 目前国内对于山区高速公路平均纵坡指标进行研究还存在如下问题： 4 长安大学硕士学位论文 1 我国幅员辽阔，地形复杂多变，高速公路建设起步晚但步伐较快。目前高速公路 建设的重点已转移到西部地区，西部地区地形以山岭重丘为主，从道路的行车安全、环 保和谐、工程造价角度出发平均纵坡无疑是关键性因素。而规范中对于平均纵坡的规定 对于高速公路不具备指导意义。 2 近年来汽车性能不断改进，汽车的爬坡能力和制动性能得到了一定的提高。车辆 的技术进步，对道路提出新的要求，而“标准 中坡长计算所采用的代表车型仍为解放 c a 一1 4 0 和东风e q 一1 4 0 ，汽车性能偏低，故“标准 中关于各级公路纵坡坡长限制 的数值与现状不符。 3 缺乏对连续纵坡路段的交通流量和通行能力体系的完善与评价。 1 3 研究的目的与意义 1 3 1 研究的目的 通过收集查阅陕西省境内山区高速公路的相关资料，调查分析陕西省山区高速公路 连续上下坡特征路段现有数据，从车辆动力性能、连续纵坡路段大货车运行速度特征、 连续纵坡路段的交通事故分析三方面进行研究，提出适合山区高速公路的平均纵坡指标 范围值和合理坡长，为山区高速公路路线方案的确定、连续上坡和连续下坡路段的纵坡 设计与安全保障提供理论依据和技术支持。 1 3 1 研究的意义 平均纵坡指标理论的研究成果，将为陕西乃至全国山区公路的建设提供理论支撑和 技术指导，对改变目前山区高速公路运营质量不高、事故频发的现状，减少山区高速公 路建设对生态环境的破坏，预防和减少交通事故，改善全国尤其是陕西地区高速公路的 交通安全水平具有重大的现实意义与深远的历史意义。 其研究成果将给设计人员提供合理、科学的设计依据，使公路设计人员对山区高速 公路线形指标的选取更具合理性和规范性，在道路设计领域具有良好的应用前景，其核 心成果将发挥持续和多层次的作用，社会效益与经济效益都将是巨大和持久的。 1 4 研究内容与技术路线 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 确定研究平均纵坡的主导车型 5 第一章绪论 调查山区高速公路特征路段连续上、下坡的车辆组成( 主要调查陕西省境内) ，分 析各种大货车的动力性能，并考虑多方面因素，确定主导车型。 ( 2 ) 山区高速公路连续上、下坡路段主导车型的动力性能分析 根据理论分析，运用汽车动力学原理，通过理论模型和实地调查相结合的方法，分 析主导车型的动力性能、爬坡性能及其坡长限制。 ( 3 ) 山区高速公路连续纵坡路段中缓坡上大货车运行特征分析 实测山区高速公路上大货车在连续纵坡路段上缓坡中的速度数据，研究车辆在连续 纵坡路段上的运行特征，提出连续长大纵坡路段的缓坡期望值。 ( 4 ) 运用主制动器温度预测模型，提出山区高速公路平均纵坡指标值，并通过分析 连续纵坡路段的交通事故率，论证平均纵坡指标适用范围值。 1 4 2 技术路线 根据课题组相关课题的立项背景，相关资料，结合陕西省山区高速公路的实际情况， 本文主要以理论分析和现场实验数据为基本依据，数理统计、数值分析和理论分析相结 合，以依托工程应用评价为手段，对山区高速公路平均纵坡进行系统、深入的研究。具 体的技术路线如下： 调查我国( 陕西境内为主) 山区高速公路连续纵坡路段车辆类型、大货车的主要车 型，结合未来一段时间大货车的发展趋势，确定研究平均纵坡采用的主导车型。 理论分析主导车型的动力性能，并在此基础上分析其制动性与爬坡性能，并计算 其坡长限制值。 实测大货车在连续纵坡路段缓坡中的运行速度，分析大货车在连续纵坡缓坡路段 速度特征，理论分析长大纵坡路段缓坡的坡长期望值。 运用主制动器温度预测模型，提出了山区高速公路的平均纵坡指标值，并通过分 析连续纵坡路段的百万车公里事故率与坡长的关系，论证平均纵坡指标适用范围值。 6 长安大学硕：l 二学位论文 第二章主导车型的选择 2 1 主导车型选择的理论依据 根据车辆行驶的动力学车辆行驶理论理论，在道路上行驶车辆的运行特征是可以通 过计算得到。车辆在坡道上所受到牵引力、坡道阻力、空气阻力、惯性阻力、滚动阻力 的共同作用。因此可以将汽车的行驶过程简化为匀变速运动，然后根据匀变速运动方程 推导出车辆的运行速度与纵坡坡度、坡长、车重的关系模型。 p = g ( 半)坐g 阻k2 s ) b + 型m 型 ( 2 1 ) 式中：尸功率重量比( w k g ) ： g 重力加速度，取9 8 1 ( m s 2 ) ； v i 坡底速度( n 1 s ) ； v ，坡顶速度( n 以) ； 6 惯性阻力系数，一般取0 0 2 ； s 坡长( m ) ； 厂路面摩擦系数； f 纵坡坡度； k 风阻系数，大型货车取0 0 0 3 2 ； 彳大型货车迎风面积( r n 2 ) ，一般大货车取6 2 m 2 ； m 大型货车总质量( k g ) 。 由( 2 1 ) 式中n - - 知：道路参数不变的情况下，车辆在纵坡上的行驶速度主要由入坡 前的初速度v 和汽车自身的功率重量比尸决定。单位质量所分配的功率数越大，汽车的 爬坡性能就越高；具有相同功率重量比的汽车，动力性能基本上一致，爬坡性能也基本 上相同。由汽车行驶的动力平衡学理论可知，功率重量比是影响上坡货车运行速度最重 要的参数。 功率重量比是影响汽车运行的最重要的参数，在我国的公路货运汽车交通组成中， 7 第二章主导车型的选择 货车功率重量比的不均匀性较大。用于纵坡研究的车型，功率重量比应该作为一个重要 的选择依据，一般需要收集一个国家或地区货车的功率重量比数据，分析分布情况，通 常选具有1 5 位的功率重量比性能的汽车作为纵坡设计的主导车型。 目前货车功率重量比收集的方法有两种：第一种是称量货车在满载情况下的总重 量、记录额定功率，直接计算该汽车的额定功率重量比，该方法收集的功率重量比较准 确，但实施起来比较困难；第二种则是现场实验的方法，通过动态称重仪，实时记录货 车的重量和通过的速度，同时记录拍摄货车运行时的相片，通过相片对比，确定车型， 然后查找其迎风面积，根据式( 2 1 ) 间接计算功率重量比，该方法操作简单易行，故选 用第二种方法。 2 2 实验 2 2 1 数据采集 根据理论模型，采用如图2 1 所示的观测方法，在坡顶终点前设置动态称重仪，测 速时测速人员尽量隐藏到货车驾驶员不能直接看到的地方，以减少对驾驶员的影响，保 证样本的真实性。 上坡终点 度) 电弩雷达测速仪 观测地点1 动态称重仪 图2 1 货车功率重量比选择观测示意图 ( 1 ) 实验目的 确定现阶段大货车车流的功率重量比( 以陕西省境内为主) 。 ( 2 ) 实验仪器 手持雷达测速枪，记录本，称重仪，摄像机，数码相机等。 ( 3 ) 实验内容 观测记录大货车在高速公路连续纵坡路段坡顶的运行速度以及货车总重。 ( 4 ) 实验路段 8 长安大学硕1 ：学位论文 由于实验目的是为了获取现阶段载重车车流的功率重量比，选取实验对路段应符合 要求。为了保证实验的真实性，减少其他影响因素，选择实验路段应具有以下特点： 所选的道路路面状况良好； 实验路段纵坡为单一纵坡，无变坡点，要求纵坡坡度大于等于3 ； 实验坡段应保证一定的坡长要求，其坡长不应小于8 0 0 m ； 平曲线半径大于6 0 0 m ； 大货车运行时处于自由交通流状态。 另外，选址时还要考虑道路和车辆以外的一些环境因素，如选择天气晴朗，风力不 大。样本调查应该分布在不同的区域，观测时间是每天的9 ：0 0 ，- - 1 7 ：0 0 。 根据以上要求，实验调查选在西( 安) 铜( 川) 高速公路进行。考虑到道路建成后 道路状况可能会发生某些变化，在开始实验之前，首先对实验路段进行实地考察，以保 证实地情况与原始设计资料一致。 在实验期间正遇上该高速公路进行车辆超限治理，超载车辆较少。因而，观测数据 可视为额定载重下的数据。 ( 5 ) 样本量 控制样本量的目的是控制观测速度值的精度。地点车速调查所需观测的晟小车辆 数，即样本量按式( 2 2 ) 计算： ，l ：( 一s k 、2 ( 2 2 ) ，l = 卜) 。 l 厶z ， e 。 式中：甩最小样本量； e 车速观测值允许误差( k m h ) ，其值取决于平均车速的精度要求，根据测 速仪器的性能，以及实验要求，本次调查车速观测值允许误差取e = 2 5 k m h ； k 置信度水平系数，一般取k = 1 9 6 ，即9 5 的置信度水平； s 估计的样本标准偏差，可按观测车速的平均值进行计算；或者采用8 k m h 作标准偏差近似估算数。 根据实地测速数据，计算出来的样本量约为9 6 辆，每个调查点在保证车速观测值精 度的前提下，对其进行了适当的调整。 2 2 2 数据分析 ( 1 ) 实验路段一 9 第二章主导车型的选择 坡顶a _ 甚 一一 桩号 k 7 1 + 8 2 0k 7 2 + 9 8 0 2 2 5 k 7 3 + 8 2 0 l 缱及平曲线 j d l 8r = 8 0 0 一 一 。蹴 l s = 1 5 0l = 1 2 1 76 6 1 图2 2 实验路段一 如图2 2 所示，该路段位于西铜高速段k 7 3 + 8 2 0 l ( 7 1 + 8 2 0 ，其平曲线半径为7 0 0 m 和 8 0 0 m ，坡度3 9 ，坡长2 0 0 0 m ，符合实验要求。 根据实测数据，计算出功率重量比的值，其分布状态如图2 3 所示。( 计算时采用的 各型车的迎风面积见表2 1 ，图2 4 ) 1 6 1 4 1 2 ；1 0 鋈i e 翠斋6 求4 陋 2 0 凰蠹 霹霉舅 搦 形 爹i篱一 自， f z ，； 瞄磁妇 包施茏幺盔施旋镕毖 455丁8拿1 01 11 21 31 4 1 51 51 了1 8192 0 2 12 22 32 4 2 5 功率重量比( k w t ) ( 图2 3 西铜高速公路功率重量比统计图 由图2 3 ，其1 5 功率重量比值约为6 3 8 k w t 。 ( 2 ) 实验路段二 * 笙!l 苎! ! ! ! 垫苎! ! = ! ! ! j d 1r - 2 0 0 0 直蟪厦平曲刮 ! 璺= ! ! ! ! = ! ! ! ! ：! 塑一 图2 5 实验路段二 如图2 5 ，该路段位于西铜高速段k 4 9 + 8 2 0 - - - k 5 2 + 0 8 0 ，其平曲线半径为2 0 0 0 m ， 坡度3 9 ，坡长2 2 6 0 m ，符合实验要求。 根据观测数据，计算出该路段的功率重量比值，其分布状态如下图2 6 所示。 l o 长安大学硕士学位论文 1 8 1 6 1 4 一1 2 鼻 。1 0 萎e i 5 4 2 0 4 55789 1 0l l1 21 31 41 51 5l71 81 92 02 12 22 3 2 42 5 重量功率比( k w t ) 图2 6 西铜高速公路功率重量比统计图 由图2 6 ，其1 5 功率重量比值大约为6 1 3 k w t 。 ( 3 ) 实验路段三 如图2 7 ，该路段位于西铜高速路段k 1 9 + 7 0 0 - - k 2 0 + 5 0 0 ，其平曲线半径等于3 3 0 0 m ， 坡度3 5 ，坡长8 0 0 m ，符合实验要求。 坡顶 桩号k19+7c20+500 直线及平曲线 。毒氅6 高嚣嗲k o 1 e 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 图2 7 实验路段三 456781 01 1 1 21 31 41 5 1 6 1 71 81 3 2 02 l 2 22 32 42 5 重量功率比( k w t ) 图2 8 实验路段三 由图2 8 ，其1 5 功率重量比值大约为5 8 5 k w t 。 l l 摹v 丑求陋 哆 摹v芷求陋 第二章主导车型的选择 表2 1 载货车迎风面积分类表 货车类型迎风面积( m 2 )备注 平顶 6 7迎风面积彳= 0 9 0 车宽x 车高 整车 高顶 8 o 矮型 8 3 厢式车 高型 8 6 仓栅式 8 7 油罐车平顶 6 7 2 轴 6 5 自卸车 3 4 轴 7 7 东风1 4 0 5 8 整车平顶 矮型厢式车 整1 ：高顶 高型厢式车 仓栅式运输车 1 2 油罐车 长安大学硕士学位论文 2 轴自卸车3 - - 4 轴自卸车 东风( 解放) 1 4 1 图2 4 载重车车型 表2 2 西铜高速公路货车功率重量比汇总表 功率重量比( k w t ) 百分率 实验路段一实验路段二 空验路殷= 1 5 位实验观测值 6 3 76 1 35 8 5 综合以上，西铜高速公路大货车1 5 位功率重量比值范围为5 8 5 6 3 7k w t ( 如表 2 2 ) ，其值分布区间较小。因此，可以确定该地区高速公路的功率重量比大致为5 7k w t “5k w t 。因实验值为汽车实际运行的功率重量比，据资料显示，一般坡顶式货车的输 出功率( 即负荷率u ) 为9 0 ，机械效率为8 5 。因此，额定条件( 额定载重、1 0 0 输出功率、1 0 0 机械效率) 下，其功率重量比约为7 4 5 8 5 0 k w t 。 因此，在选择主导车型时，其功率重量比应在7 0 8 5k w t 范围内。 2 3 主导车型的确定 以往用于纵坡研究的主导车型多用满载的大货车，从最初所用的c a l 0 b 到c a l 4 1 或与之技术性能接近的e q l 4 1 ，这类主导车型都是中型货车，当时载货车的动力性能也 不高。随着中国经济的发展，汽车工业也在不断的发展，运输能力的改善，因此主导车 第二章主导车型的选择 型也应作出改变，需要重新观测来确定。 2 3 1 主导车型选择