高速公路长大上坡路段的运行车速连续性研究

2010-08-21邹贤文

山西建筑 2010年8期

邹贤文

在上坡路段,主要是道路的纵断面指标影响了汽车的运行车速,平曲线对运行车速的影响比较小,于是在上坡路段可以忽略平曲线对车速的影响。上坡路段的纵断面指标主要是指陡坡的坡度和坡长以及缓坡的坡度和坡长。本文便是以货车车速的连续性为目标,通过汽车动力学的理论,来确定纵坡路段的缓坡坡度和坡长,给出坡度和坡长的建议值,保证运行车速的连续性。

1 研究单元的确定

为了保证山区高速公路超长连续纵坡路段行车的安全性和连续性,将超长连续纵坡段划分为陡坡和缓坡两个部分作为一个单元。陡坡主要用于克服高差,缓坡主要用于汽车加速冲坡。

下面就陡坡和缓坡这样一个单元来做研究。纵坡组合和陡坡—缓坡单元如图1,图2所示。

2 车型的选取

在高等级公路营运中,由于小客车的行驶速度较高,通常受纵坡影响较小;大型客、货车后备功率比中型货车的后备功率大,并且在高等级公路运行的各车型中所占比例较小。因此在进行汽车在纵坡行驶计算时,选用公路上行驶的典型中型载重货车东风EQ140作为研究的主要车型来进行分析是合乎我国客观实际的。

3 陡坡路段的运行车速研究

载重汽车在上坡道上的运行速度损失不超过一定限度,也就是控制在坡道上的最小平均速度,以保证在整条道路上行车速度的均衡,以及保证公路的通行能力和服务水平没有明显降低。根据通行能力分析确定的车速范围,对于不同设计速度下的高速公路,最大通行能力(基本通行能力)对应的运行速度在 50 km/h左右[3]。因此,依照载重货车在坡道上的平均速度变化情况,在不影响其基本通行能力的要求下,坡顶速度不应低于其达到设计速度的50%。

根据AASHTO的说明,货车车速与车队平均车速的差值大于20 km/h后,路段的事故率会明显的上升。在国内一些学者的研究中,小客车在上坡时,小客车运行有明显的减速过程,从每500 m的平均速度增量可以看出,随着坡度的增大,小车减速的幅度将逐步增大,500 m减幅为5 km/h～10 km/h,在坡上运行的速度在(100±20)km/h之间,说明纵坡对小客车车速的影响不是很大。而一些纵坡车速调查试验中,坡度的平均车速在60 km/h～80 km/h之间,折中取平均值可为70 km/h。由于控制纵坡上货车的车速与车队平均车速的差值在20 km/h,便得到纵坡段货车的最低车速为50 km/h。

公路的最大纵坡规定见表1[4]。

表1 高速公路纵坡坡度限制

设计速度为120 km/h,100 km/h,80 km/h的高速公路,受地形条件或其他特殊情况限制时,经技术经济论证,最大纵坡可增加1%。

公路纵坡的最小坡长规定见表2[4]。

表2 高速公路纵坡最小长度限制

公路连续上坡或下坡时,应在不大于表1规定的纵坡长度之间设置缓和坡段。缓和坡段的纵坡应不大于3%,其长度应符合表2对于最小坡长的规定。

根据公路路线设计规范中公路不同纵坡的最大坡长规定得出:在设计车速为80 km/h时,纵坡度为3%,4%,5%,6%,所对应的最大坡长为1 100 m,900 m,700 m,500 m。

根据汽车爬坡时在不同坡度、坡长下对应的 vB,见表 3,货车在缓坡行驶的车速如图3,图4所示。

表3 货车减速冲坡

4 缓坡路段车速与坡度及坡长关系研究

考虑将缓坡的坡度从0.5%～3%的范围,以计算缓坡长度值。坡底的初始速度为50 km/h,缓坡坡顶的速度与陡坡坡底的速度是一样的,于是只要求出汽车在缓坡上行驶时的加速度,便可以得出缓坡在各坡度下对应的坡长。

根据公式[5]:

其中,α为加速度;g为重力加速度;λ为D的海拔荷载修正系数;D为动力系数;δ为惯性力系数;ψ为道路阻力系数。

计算得货车在Ⅳ,Ⅴ挡时的最大动力系数为5.8%和3.7%,货车在缓坡上需要加速行驶时,必须 ψ＜D0才能满足条件。

其中,f为滚动阻力系数;i为道路纵坡度,上坡为正,下坡为负。

在货车以Ⅴ挡行驶时,(0.01+i)/0.783＜0.037,解得 i＜0.019 0;

在货车以Ⅳ挡行驶时,(0.01+i)/0.783＜0.058,解得 i＜0.035 4。

在考虑汽车以Ⅴ挡行驶时,计算出的陡坡坡底车速基本都大于58.4 km/h,即货车在Ⅳ挡时的最高速度,如果不考虑汽车换挡,货车在纵坡上一直都以Ⅴ挡行驶,则对应的缓坡的坡度就不能超过0.19,否则就不能加速到所需要的容许车速。如果汽车以Ⅳ挡行驶时,坡底的车速稳定在57 km/h左右。

表4 货车以Ⅴ挡行驶时坡度与坡长的关系

由缓坡坡度与坡长对应图可以看出,货车以Ⅳ挡行驶时,当坡度小于2%时,坡长随着坡度的增大而缓慢增大;当坡度大于2%时,坡长随着坡度的增大而增幅较大,但仍在350 m之内。说明,货车以Ⅳ挡在缓坡行驶加速时,坡度在0%～3%的范围内,坡长的取值都在可以接受的范围,即坡度可以灵活取值。货车以Ⅴ挡行驶时,当坡度为0.5%～1.5%时,坡长跟坡度呈线性关系,随着坡度的增大而缓慢增大;当坡度大于1.5%时,坡长有一个突变,会随着坡度的增加而急剧增大。这就说明货车以Ⅴ挡在缓坡行驶加速,坡度为1.5%时纵坡的长度比较合适,即缓坡坡长取1 000 m。