王唯一 傅 磊 王 翔 張紹理 解廷利

(湖南省長益高速公路擴容工程建設(shè)開發(fā)有限公司1) 長沙 410200) (湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司2) 長沙 410005) (北京深華達交通工程檢測有限公司3) 北京 102200)

0 引 言

碎石路床避險車道是利用碎(礫)石增大地面摩阻系數(shù)，配合路面反坡將車輛動能轉(zhuǎn)化為勢能及內(nèi)能，從而使失控車輛減速停車.一般碎(礫)石路床避險車道的長度在120 m以上.由于地形限制，某些路段避險車道長度無法達到要求，為達到減速效果，避險車道在設(shè)計時，還需對失控車輛側(cè)面進行減速[1-3].

在縮短避險車道長度方面，各國研究人員已取得一些進展，美國的網(wǎng)索攔截阻尼系統(tǒng)應(yīng)用最早，我國的研究起步較晚，目前應(yīng)用的有攪拌式網(wǎng)索系統(tǒng)和盤式制動網(wǎng)索系統(tǒng)[4].

美國一些道路安全設(shè)施公司研究開發(fā)的網(wǎng)索避險車道由耗能裝置(energy absorber)和網(wǎng)索(net)組成，利用阻尼耗能裝置逐步降低車輛動能從而達到攔截車輛的目的.通過調(diào)整網(wǎng)索的道數(shù)及阻尼器參數(shù)可以滿足不同車輛質(zhì)量和速度組合的防護要求.但這種阻尼裝置屬一次性設(shè)施，使用、養(yǎng)護成本很高，且多為專利技術(shù)，因而不適合我國直接采用[5-6].

我國于2006年研制出一種能夠在短距離內(nèi)安全攔截失控車輛的新型避險車道阻尼系統(tǒng)——攪拌式網(wǎng)索避險車道.攪拌式網(wǎng)索避險車道的核心構(gòu)件為攪拌式阻尼器，其能夠穩(wěn)定輸出需要的阻尼力，減少避險車道設(shè)置長度，但其存在的最大問題是當(dāng)車輛碰撞網(wǎng)索瞬間攪拌式阻尼器阻尼力輸出峰值過大，易對駕乘人員的身體產(chǎn)生瞬間沖擊傷害[7].

盤式制動網(wǎng)索系統(tǒng)是在攪拌式阻尼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的改進系統(tǒng)，其目的在于減低攪拌式阻尼系統(tǒng)的輸出阻尼力的峰值.工作原理是：當(dāng)車輛接觸攔截網(wǎng)時，傳力主索受拉，帶動纏繩滾筒轉(zhuǎn)動，纏繩滾筒同時通過傳力軸帶動制動盤和減速機輸入軸，由減速機輸出軸帶動制動凸輪轉(zhuǎn)動，制動凸輪頂壓在制動器的操縱桿上，制動凸輪在轉(zhuǎn)動過程中逐漸頂緊并壓動制動器操作桿向上，增加制動器的制動力.從試驗結(jié)果來看，盤式制動網(wǎng)索系統(tǒng)峰值力還是過大[8-9].

針對國外避險車道阻尼系統(tǒng)無法在國內(nèi)應(yīng)用，國內(nèi)阻尼系統(tǒng)又存在峰力值過大等問題，文中利用薄壁金屬管擠壓耗能原理，研發(fā)出一種新型避險車道阻尼系統(tǒng)，其峰力值為79.4 kN，達到了理想拉力范圍，車輛在減速過程中的加速度低于20g，乘員駕駛艙(生存空間)變形小于20%，能夠保證乘員生命安全[10].該新型阻尼系統(tǒng)易修復(fù)，造價合理，且不受氣候變化影響.

1 新型阻尼系統(tǒng)理論

1.1 避險車道車輛耗能規(guī)律分析

失控車輛駛?cè)氡茈U車道后，其動能轉(zhuǎn)化為與碎石摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能、車輛爬坡后增加的勢能、阻尼系統(tǒng)增加的內(nèi)能，以及空氣阻力做的功，即

Ek=U碎石+Ep+U阻尼+E空氣

(1)

式中：Ek為車輛駛?cè)氡茈U車道時動能；U碎石為車輛與碎石摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能；Ep為車輛爬坡后增加的勢能；U阻尼為阻尼系統(tǒng)消耗的內(nèi)能；E空氣為空氣阻力做工.

阻尼裝置提供阻尼力過程初期，會產(chǎn)生較大阻尼力輸出值，即整個阻尼力輸出過程峰值Fmax，峰值結(jié)束后輸出阻尼力下降至平穩(wěn)狀態(tài)繼續(xù)進行消能工作，其阻尼力變化規(guī)律及能量消耗情況見圖1.

圖1 阻尼裝置輸出阻尼力變化規(guī)律

阻尼裝置輸出阻尼力首先從0瞬間增大到最大值Fmax(阻尼力峰值)，然后降低至穩(wěn)定阻尼力輸出值并保持不變，直至車輛靜止，車輛停止后輸出阻尼力重新恢復(fù)為0.

1.2 阻尼系統(tǒng)對阻尼力需求計算

1.2.1最大阻尼力計算

新型輔助阻尼系統(tǒng)最大阻尼力分析主要考慮車輛本身結(jié)構(gòu)破壞和人員沖擊傷害兩方面影響.在車輛本身結(jié)構(gòu)破壞方面，連接銷是車輛自身結(jié)構(gòu)中最易破壞結(jié)構(gòu)，攔截車輛過程中首先應(yīng)保證連接銷不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[11-13].在人員沖擊傷害方面，文獻[10]指出：“車體所受沖擊加速度能夠間接地反映車內(nèi)乘員的安全性，車體的三方向沖擊加速度均不得超過20g.”

對于大型拖車，連接銷為車輛自身結(jié)構(gòu)中最易破壞構(gòu)件，且車頭與車廂間連接銷強度有限.在不出現(xiàn)嚴重結(jié)構(gòu)破壞前提下，車輛行駛過程中所能承受的最大水平拉力即為連接銷達到破壞極限值時車輛受到的合力峰值Fmax.

根據(jù)資料分析結(jié)果顯示，車輛連接銷的最細部分直徑為50 mm，材料為45號鋼材.45號鋼材的強度極限為600 MPa，屈服極限為355 MPa，考慮到連接銷只有在破壞時才會對車輛駕駛室造成損害，故設(shè)計目標取為材料的強度極限.根據(jù)經(jīng)驗取1.5倍的安全系數(shù)來考慮連接銷的破壞極限值.

45號鋼強度極限取400 MPa，許用剪應(yīng)力取200 MPa，車輛受力分析見圖2.車輛總體加速度為a總(忽略摩阻力影響)，其中車廂加速度a廂，由a總=a廂，得

(2)

式中：F1為車輛受到的網(wǎng)索的阻力的合力；F2為拖車車廂受到的拖頭給與的阻力；m1為拖頭質(zhì)量，取7 t；m2為拖車質(zhì)量，取48 t；F合為網(wǎng)索作用到車體上的水平合力.

圖2 車輛受力分析圖

主銷所受的剪應(yīng)力應(yīng)滿足τ<[τ]，假設(shè)車輛受到的合力峰值為Fmax，此時，主銷所受剪切應(yīng)力為：

算得Fmax<449 kN.通過上述分析得出，失控車輛碰撞索網(wǎng)過程中連接銷不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，即阻尼系統(tǒng)輸出最大阻尼力不能超過連接銷破壞極限力Fmax.所以，新型輔助阻尼系統(tǒng)許用最大阻尼力為449 kN.

1.2.2阻尼系統(tǒng)平均阻尼力計算

由圖1可知，在阻尼系統(tǒng)阻尼力達到最大值之后會降低為穩(wěn)定阻尼力(即平均阻尼力)，計算最小平均阻尼力是為了保證該阻尼系統(tǒng)有足夠的防護能力.

根據(jù)資料調(diào)研情況可知，駛?cè)氡茈U車道的事故車輛貨車占有率為94.5%.出于安全考慮，本研究以55 t大型貨車、80 km/h運行速度作為網(wǎng)索避險車道的主要防護對象，避險車道采用4%上坡.根據(jù)公司以往研究資料，車輛駛?cè)胨俣仍?0 km/h、采用上坡型避險車道時，碎石路面平均阻尼系數(shù)在0.25以上，網(wǎng)索計算寬度為9 m，設(shè)計車輛寬度為2.4 m，避險車道長度為90 m，考慮到避險車道末端10 m設(shè)置安全保護系統(tǒng)，車長以10 m計，避險車道有效行使計算長度取為70 m.

計算得，失控車輛初始動能：Ek=13 580 kJ，碎石路床地面摩擦力做功：U碎石=9 432.5 kJ，相對于避險車道入口的車輛勢能：Ep=1 509.2 kJ.

由于空氣阻力做工較少，可忽略不計.根據(jù)式(1)可知，阻尼系統(tǒng)阻尼力做功為

U阻尼=Ek-U碎石-Ep=2 638.3 kJ

代入數(shù)值，計算得出阻尼器實際需要輸出的阻尼力平均值約為19.75 kN.阻尼器提供的阻尼力平均值越大，對碎石路床的設(shè)計長度和反坡坡度設(shè)計要求就越低，也就增加了阻尼系統(tǒng)的應(yīng)用范圍.根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)阻尼力均值選取1.7倍的安全系數(shù)，擬定新型阻尼器的平均輸出阻尼力為33.58 kN.

阻尼系統(tǒng)最大阻尼力分析主要考慮車輛本身結(jié)構(gòu)破壞和人員沖擊傷害兩方面影響；平均作用力分析主要考慮是阻尼系統(tǒng)阻擋能力，保證避險車道在長度不足的情況下，失控車輛不沖出車道.根據(jù)理論計算，新型阻尼系統(tǒng)許用最大阻尼力為449 kN，平均阻尼力不低于33.58 kN.

2 阻尼系統(tǒng)消能機理

2.1 金屬管件撕裂消能試驗

圓管較其他型材具有更好的撕裂消能性能.試驗采用外徑為24 mm、長6 m、壁厚3 mm的無縫鋼管，考慮到所用材料應(yīng)能夠適應(yīng)冰雪天氣中的性能變化，且易加工、易安裝，以及后期養(yǎng)護維修簡便，經(jīng)濟環(huán)保等，選用Q235材料.試驗設(shè)計時，考慮金屬消能圓管的制作長度及安裝、運輸?shù)姆奖阈裕瑢⒆枘嵫b置每6 m作為一個消能單元.

試驗中利用重錘加速系統(tǒng)為試驗臺車提供動力，將質(zhì)量為2 t的臺車加速到45 km/h.阻尼裝置通過膨脹螺栓固定于臺車行進軌道后方混凝土路面上，阻尼裝置刀具牽引鋼絲繩連接于臺車后方，阻尼裝置刀具牽引鋼絲繩與臺車之間安裝拉力傳感器，整體布置圖見圖3.

圖3 試驗布置示意圖

圖4為拉力檢測圖.由圖4可知，阻尼力峰值為50 kN，降低了現(xiàn)有阻尼器峰值力，但其平均阻尼力為12.4 kN，只有理想值33.58 kN的36.93%，消能能力不足.試驗中還發(fā)現(xiàn)刀具在限位法蘭處受阻且磨損嚴重，消能圓管焊接處與固定法蘭脫離.由于拌阻，使得拉力急劇增大，造成刀具破損，結(jié)構(gòu)損壞，該阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未能滿足消能要求.

圖4 拉力檢測圖

2.2 金屬管件擠壓消能試驗

該阻尼器主要由滑塊、矩形管、導(dǎo)軌、固定支撐等組成.試驗時，首先將導(dǎo)軌和矩形管通過定位銷的方式進行固定，再按一定的間距將固定支撐焊接在導(dǎo)軌上，最后通過膨脹螺栓將支撐固定在地基上.滑塊組裝完成后，安裝在兩矩形管端部斜槽的位置.鋼絞線一端固定在滑塊頂部 ，另一端連接拉力傳感器，傳感器固定在臺車尾部.

本次模型試驗中試驗車輛同為2 t臺車，碰撞速度同為45 km/h，金屬管件采用120 mm×120 mm×3 mm矩形管，材料同為Q235.

兩根矩形管的擠壓深度約為14 mm，行走距離4.5 m.本次試驗拉力的檢測值見圖5.

圖5 試驗拉力檢測值

本次試驗結(jié)果的拉力平均值為28.6 kN，最大值為79.4 kN.雖然阻尼力平均值只有理想值(33.58 kN)的85.12%，但比撕裂金屬圓管有了很大的提升，更重要的是其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，也較撕裂耗能原理更具有可實施性.

2.3 新型阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)金屬圓管撕裂消能試驗及擠壓消能試驗結(jié)果可知，發(fā)現(xiàn)擠壓金屬管件時，其具有更優(yōu)良的消能能力，且其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，實施性更強，因此本文新型避險車道阻尼系統(tǒng)消能機理定為金屬結(jié)構(gòu)件擠壓變形輸出阻尼力，其結(jié)構(gòu)見圖6，主要由導(dǎo)軌裝置、擠壓件、金屬空心消能管等組成.

圖6 阻尼系統(tǒng)斷面圖

導(dǎo)軌裝置由兩塊平行的“H”型鋼組成，兩“H”型鋼按固定間距沿軸向平行鋪設(shè)，導(dǎo)軌上方設(shè)有鎖緊裝置，保證兩“H”型鋼在擠壓過程中間距不發(fā)生變化.

擠壓件總成圖見圖7，擠壓件由滑塊、上部導(dǎo)向輪、下部導(dǎo)向輪及支撐軸組成.滑塊的作用為擠壓金屬空心消能件，其兩側(cè)面前端進行圓角處理，保證滑塊在擠壓過程中不發(fā)生絆阻；上、下部導(dǎo)向輪固定在支撐軸上，其作用是固定滑塊，保證滑塊在擠壓過程中不發(fā)生側(cè)翻.

圖7 擠壓件總成圖

金屬空心消能管為矩形管，在矩形管一端設(shè)置楔形導(dǎo)槽，用于擠壓件的初始安裝位置，金屬空心消能管整體安裝于“H”型鋼形成的導(dǎo)向槽中，見圖8.

圖8 金屬空心消能管

當(dāng)該阻尼系統(tǒng)安裝于避險車道時，應(yīng)先將導(dǎo)軌和金屬空心消能管通過定位銷的方式進行固定，再按一定的間距利用鎖緊裝置將導(dǎo)軌固定鎖緊，最后通過膨脹螺栓將導(dǎo)軌底部固定支撐固定在混凝土基礎(chǔ)上，隨后將組裝完成的滑塊安裝在兩金屬空心消能管端部楔形導(dǎo)槽的位置，鋼絞線一端固定在滑塊頂部 ，另一端連接攔截網(wǎng)索.阻尼系統(tǒng)安裝在避險車道道路兩側(cè)，對稱布置.

失控車輛駛?cè)氡茈U車道碰撞攔截網(wǎng)索后，網(wǎng)索帶動鋼絞線拉扯滑塊，滑塊沿導(dǎo)軌軸向方向移動，由于滑塊寬度大于兩金屬空心效能管的寬度，金屬空心消能管被滑塊擠壓變形，產(chǎn)生持續(xù)且穩(wěn)定的阻尼力，從而達到消能的目的.

該金屬擠壓式阻尼系統(tǒng)能夠保證阻尼力輸出峰值較小，且穩(wěn)定可靠；當(dāng)應(yīng)用于避險車道時，能夠有效減小傳統(tǒng)碎石避險車道長度，增強避險車道的防護能力，降低工程成本，在實際應(yīng)用過程中，可以通過調(diào)節(jié)本阻尼系統(tǒng)中金屬空心效能管的長度，來適應(yīng)不同避險車道防護等級，滿足實際的防護需求.

3 實車擠壓試驗

3.1 單個阻尼系統(tǒng)擠壓試驗

影響阻尼系統(tǒng)阻尼力峰值及平均值的主要是擠壓深度(指單根消能管擠壓面的擠壓深度)，消能管厚度以及擠壓寬度(指滑塊與消能管接觸面的寬度)，本著安全至上、經(jīng)濟環(huán)保理念，結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，消能管采用100 mm×50 mm×3 mm矩形管，材料為Q235.為研究擠壓深度和擠壓寬度對阻尼力的影響，根據(jù)前期的模擬試驗結(jié)果，選取了較為合適的擠壓深度和寬度，設(shè)計了六組對比試驗，方案見表1.

表1 擠壓深度、擠壓寬度試驗設(shè)計方案

試驗前，先將金屬空心消能管用定位銷與導(dǎo)軌連接固定，將兩導(dǎo)軌按照設(shè)計間距平方與地面上，隨后利用鎖緊裝置將兩導(dǎo)軌固定，導(dǎo)軌底部焊接固定支撐，利用膨脹螺栓將整個裝置固定于地面，將鋼絞線一端固定于滑塊頂部，另一端連接拉力傳感器，傳感器固定在試驗車輛的尾部.通過拉力傳感器測得的拉力，可知阻尼器產(chǎn)生的阻尼力大小.試驗車輛為7 t大客車，大客車初始速度均為35 km/h，在滑塊啟動滑動時，車輛空擋運行.

按照表1試驗設(shè)計方案，分別完成六次試驗，每次試驗完成后更換一次消能管，試驗結(jié)果記錄包括拉力傳感器檢測值、消能管擠壓長度，以及實際擠壓深度，結(jié)果見表2.

表2 擠壓試驗結(jié)果

對比1，2，3號試驗，隨著擠壓深度的增大，拉力峰值及平均值均增大，當(dāng)擠壓深度大于15 mm時，拉力值明顯增大，當(dāng)擠壓深度低于10 mm時，擠壓長度大于6 m，所需阻尼系統(tǒng)長度較長，經(jīng)濟實用性較差.對比4，5，6號試驗，隨著擠壓寬度的增加，拉力值均增大，當(dāng)擠壓寬度低于148 mm時，擠壓長度大于6 mm，因此，擠壓寬度不宜低于148 mm.對比6次試驗，發(fā)現(xiàn)擠壓深度比擠壓寬度對拉力值的影響更大，在設(shè)計時，應(yīng)更多的考慮擠壓深度的設(shè)定.

3.2 實車碰撞試驗

綜合分析單個阻尼系統(tǒng)擠壓試驗結(jié)果，結(jié)合實際經(jīng)驗，決定擠壓深度為14 mm，擠壓寬度191 mm，經(jīng)過擠壓試驗測得拉力峰值為75.56 kN，平均阻尼力23.62 kN，滿足設(shè)計要求.按照避險車道阻尼系統(tǒng)安裝規(guī)范，進行實車碰撞試驗，試驗車輛為10 t中型貨車，車速45 km/h，阻尼系統(tǒng)長度12 m.

試驗測得左側(cè)阻尼力平均值為21.75 kN，最大值為59.71 kN，右側(cè)阻尼力平均值為21.23 kN，最大值為57.37 kN，系統(tǒng)整體最大阻尼力為117.08 kN，平均阻尼力為42.98 kN，滿足設(shè)計關(guān)于阻尼力的要求，且滑塊未滑出導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，表明該新型阻尼系統(tǒng)可應(yīng)用于避險車道.

4 結(jié) 論

1) 同等條件下進行了金屬管件撕裂及擠壓消能模型對比試驗，發(fā)現(xiàn)擠壓金屬管件具有更好的消能能力，且其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，適宜應(yīng)用在避險車道阻尼系統(tǒng).

2) 以擠壓薄壁金屬管件為消能原理，通過滑塊擠壓矩形管的方式，設(shè)計了一種新型避險車道阻尼系統(tǒng).

3) 在單個阻尼系統(tǒng)下，隨著擠壓深度的增加，擠壓寬度的增加，阻尼力峰值及平均值均增大，且擠壓深度對阻尼力的影響大于擠壓寬度的影響.

4) 在單個阻尼系統(tǒng)下，當(dāng)擠壓深度為14 mm，擠壓寬度為191 mm時，阻尼力峰值為75.56 kN，平均值為23.62 kN.

5) 以該新型阻尼系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計的避險車道阻尼系統(tǒng)實車碰撞試驗，失控車輛被成功攔截下來，阻尼力滿足設(shè)計要求.