避險(xiǎn)車道網(wǎng)索吸能系統(tǒng)

第一作者閆書明男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1976年8月生

避險(xiǎn)車道網(wǎng)索吸能系統(tǒng)

閆書明1，方磊2，馬亮1，荊坤1

(1. 北京中路安交通科技有限公司，北京100070； 2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510641)

摘要：為彌補(bǔ)部分避險(xiǎn)車道長度不足，提出避險(xiǎn)車道網(wǎng)索吸能系統(tǒng)，采用低速功能試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性，采用高速功能試驗(yàn)找出了結(jié)構(gòu)薄弱之處，建立有限元仿真模型，對結(jié)構(gòu)薄弱處影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析后，得到了網(wǎng)索吸能系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并組織兩次實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)索吸能系統(tǒng)可有效輸出阻尼力，將阻尼力控制在25kN可有效保證乘員安全性能，阻尼力和車輛質(zhì)量對傳力索輸出力峰值影響不大，將纏繩滾筒直徑控制在400mm以上、質(zhì)量控制在130kg以下，同時(shí)將防護(hù)網(wǎng)設(shè)置在避險(xiǎn)車道入口后30m處，可有效保證傳力索不會(huì)破斷，坡度為9.29的礫石避險(xiǎn)車道安裝了攪拌式阻尼器網(wǎng)索吸能系統(tǒng)后可在66.2m的距離內(nèi)使駛?cè)胨俣葹?04km/h的55t大貨車停車，安裝了剎車片式阻尼器網(wǎng)索吸能系統(tǒng)后可在62.5m距離內(nèi)使駛?cè)胨俣葹?01km/h的55t大貨車停車。結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)和設(shè)置的網(wǎng)索吸能系統(tǒng)是一種有效的攔截剎車失靈車輛的設(shè)施。

關(guān)鍵詞：交通設(shè)施；避險(xiǎn)車道；網(wǎng)索吸能系統(tǒng)；實(shí)車試驗(yàn)；有限元分析；阻尼器

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200731800003)

收稿日期：2014-08-07修改稿收到日期：2014-09-30

中圖分類號(hào):U417.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.17.006

Abstract:To make up for the deficiency of short length of some truck escape ramp, a net energy absorption system for a truck escape ramp was proposed, the system feasibility was proved with low velocity tests, the weak parts of the system were found with high velocity tests, FEA models were built to analyze influence factors on the weak parts, the system’s optimization structure was obtained and its function was verified with two vehicle running tests. It was shown that the damping force can be outputted by the net energy absorption system, the occupant safety can be guaranteed with a 25 kN damping force; the damping force and vehicle mass have a smaller effect on peak output force of tension rod, the rod can be effectively guaranteed not to be broken by controlling the diameter of the rod roller to be larger than 400 mm, the mass of the rod roller to be less than 130 kg, and setting the protective net at 30 m behind the entrance of the truck escape ramp; the truck escape ramp with a slope of 9.29 and an installed stirring type damper net energy absorption system can make a 55 t truck with a speed of 104 km/h stop within a distance of 66.2 m, while it with an installed brake sheet damper net energy absorption system can make a 55 t truck with a speed of 101 km/h stop within a distance of 62.5 m. The results indicated that the net energy absorption system with reasonable design and correct setting can be an effective facility to stop brake failure vehicles.

Net energy absorption system for a truck escape ramp

YANShu-ming1，F(xiàn)ANGLei2，MALiang1,JINKun1(1. Beijing Zhongluan Traffic Technology Co.,Ltd, Beijing 100070, China;2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Key words:traffic facility; truck escape ramp; net energy absorption system; real vehicle test; FEA; damper

在山區(qū)高速公路中往往存在連續(xù)長下坡路段，車輛(特別是大型貨車)在這些連續(xù)長下坡路段行駛時(shí)，因?yàn)殚L時(shí)間使用行車制動(dòng)，致使制動(dòng)器溫度急劇上升，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致制動(dòng)效能喪失，引起重特大交通事故[1-3]。設(shè)置避險(xiǎn)車道是目前解決山區(qū)公路連續(xù)長下坡路段交通安全問題較為有效的工程措施[4-7]。但是一些山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡路段由于路側(cè)空間不足，所設(shè)置的避險(xiǎn)車道長度不夠，車輛沖出避險(xiǎn)車道的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[8-10]。通過在避險(xiǎn)車道上設(shè)置網(wǎng)索吸能系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)中的阻尼器產(chǎn)生的制動(dòng)力與傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道相結(jié)合，可以達(dá)到使失控車輛在較短距離內(nèi)停車的目的，從而可有效解決避險(xiǎn)車道長度不足的問題[11-12]。

在網(wǎng)索吸能系統(tǒng)研制中經(jīng)常發(fā)生攔截網(wǎng)索斷裂情況，通過理論分析，建立有限元模型，分析找出致使攔截網(wǎng)斷裂的關(guān)鍵因素，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，通過實(shí)車試驗(yàn)對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能驗(yàn)證。

1連續(xù)長大下坡事故與避險(xiǎn)車道

1.1連續(xù)長大下坡事故

通過調(diào)查，在連續(xù)長大下坡上，車輛剎車制動(dòng)失靈導(dǎo)致的事故形態(tài)主要包括：制動(dòng)失靈車輛由于車速大，在遇到右轉(zhuǎn)的小半徑彎道時(shí)，有可能越過左側(cè)超車道，易穿越中央分隔帶護(hù)欄，發(fā)生進(jìn)入對向車道與對向車輛相撞的惡性二次事故，見圖1(a)；制動(dòng)失靈車輛在遇到左轉(zhuǎn)的小半徑彎道時(shí)，由于車速大轉(zhuǎn)向困難，易造成側(cè)翻或沖出護(hù)欄，造成車輛墜落路堤或陡崖、河流等事故，見圖1(b)；制動(dòng)失靈車輛由于在連續(xù)長下坡路上速度越來越大，受道路空間限制，很容易與前方正常行駛車輛發(fā)生追尾，見圖1(c)。

圖1　連續(xù)長大下坡事故 Fig.1 Accident performance on severe continuous downhill

1.2傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道

避險(xiǎn)車道是指在長陡下坡路段行車道外側(cè)增設(shè)的供速度失控車輛駛離正線安全減速的專用車道。實(shí)踐證明，避險(xiǎn)車道是解決連續(xù)縱坡路段交通安全問題較有效的工程措施。避險(xiǎn)車道主要具有以下兩個(gè)作用：①使失控車輛從交通流中分離，避免其對其他車輛造成干擾；②使失控車輛停車，對乘員和貨物形成保護(hù)。國內(nèi)目前常用的避險(xiǎn)車道形式為碎(礫)石路床避險(xiǎn)車道，見圖2(a)，主要由引道、制動(dòng)車道和輔助設(shè)施(如兩側(cè)護(hù)欄、端部防撞結(jié)構(gòu)等)組成；通過引道誘導(dǎo)標(biāo)識(shí)指引制動(dòng)車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道入口后，利用碎(礫)石增大路床摩擦因數(shù)，同時(shí)多配合路面反坡將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，使連續(xù)長下坡路段制動(dòng)失靈的車輛在一定距離內(nèi)安全停車，見圖2(b)；避險(xiǎn)車道輔助設(shè)施中的護(hù)欄和端部防撞結(jié)構(gòu)除起到約束碎(礫)石的作用，還有有效降低車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道后發(fā)生從其兩側(cè)和端部越出或翻出事故概率的功能。

圖2　傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道示意圖 Fig.2 Traditional truck escape ramp

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的碎(礫)石路床避險(xiǎn)車道的使用情況來看，部分避險(xiǎn)車道存在防護(hù)能力不足問題，事故的形式多種多樣，事故產(chǎn)生的因素也錯(cuò)綜復(fù)雜，但有兩種事故形式較為典型，具體體現(xiàn)在，由于避險(xiǎn)車道長度不足，導(dǎo)致車輛沖出避險(xiǎn)車道事故發(fā)生，見圖3(a)；由于單純的礫石阻尼力對于車輛作用點(diǎn)低，在駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道后易發(fā)生車頭下垂絆阻的事故，見圖3(b)。

圖3　傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道事故 Fig.3 Accidents of traditional truck escape ramp

1.3網(wǎng)索避險(xiǎn)車道

網(wǎng)索避險(xiǎn)車道為一種新型避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)，其在傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道上增設(shè)了網(wǎng)索吸能系統(tǒng)。網(wǎng)索系吸能系統(tǒng)主要由防護(hù)網(wǎng)、傳力索、轉(zhuǎn)向定滑輪和阻尼器組成，其工作過程為：車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道后，車體下部的車輪與路床產(chǎn)生滾動(dòng)阻力強(qiáng)制車輛減速，車體上部車前臉碰撞防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)網(wǎng)帶動(dòng)傳力索隨車輛前行，傳力索拉動(dòng)阻尼器轉(zhuǎn)動(dòng)，阻尼器通過剎車片摩擦或攪拌臂攪拌提供攔截阻力。攔截阻力和滾動(dòng)阻力共同作用吸收剎車失靈車輛的動(dòng)能，直至車輛停下。

圖4為網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作工程示意圖。

圖4　網(wǎng)索吸能系統(tǒng) Fig.4 Net energy absorption system

通過在傳統(tǒng)避險(xiǎn)車道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加網(wǎng)索吸能系統(tǒng)來增加避險(xiǎn)車道的阻尼力，有效縮短避險(xiǎn)車道的設(shè)計(jì)距離，降低車輛沖出避險(xiǎn)車道的事故概率，同時(shí)由于網(wǎng)索吸能系統(tǒng)對于車輛阻尼力的作用點(diǎn)約位于保險(xiǎn)杠位置，使得網(wǎng)索避險(xiǎn)車道總體阻尼力對于車輛的作用點(diǎn)上移，有效降低車頭絆阻的事故概率。

2網(wǎng)索吸能系統(tǒng)與功能試驗(yàn)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5為防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，其由7根φ12的橫向鋼絲繩和鋼板支架構(gòu)成；通過調(diào)查，貨車車頭寬度在2.0m～2.5m之間，考慮到防護(hù)網(wǎng)需要對車輛側(cè)面形成一定包圍 ，取防護(hù)網(wǎng)長8m；防護(hù)網(wǎng)寬度不宜過大，否則會(huì)造成駕駛員心理恐慌，也不宜過小，否則會(huì)使防護(hù)網(wǎng)與車頭之間接觸面積小，對車輛形成較大破壞，通過分析取防護(hù)網(wǎng)的寬度為0.6m；將大型貨車的前保險(xiǎn)杠作為防護(hù)攔截作用部位，通過調(diào)查得到大型貨車前保險(xiǎn)杠中心距地面高度為0.8m左右，由此確定防護(hù)網(wǎng)下沿距地面0.5m。

圖6為阻尼器結(jié)構(gòu)圖，其由纏繩滾筒、傳力軸、剎車片或攪拌臂、及封裝設(shè)施組成：纏繩滾筒為鋼管結(jié)構(gòu)，鋼管直徑為400mm，長度為500mm；傳力軸為圓鋼結(jié)構(gòu)，圓鋼直徑為216mm，長度為955mm；剎車片采用少金屬材料，通過施加正壓力產(chǎn)生阻尼作用，攪拌臂為鋼鐵材料，通過攪拌粒狀或球狀粒料產(chǎn)生阻尼作用，由于剎車片和攪拌臂均為提供阻尼力的設(shè)施，作用等價(jià)，在低速功能試驗(yàn)、高速功能試驗(yàn)和仿真分析中均以剎車片阻尼器為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。

圖5　防護(hù)網(wǎng)(單位：cm) Fig.5 Crashworthy net(unit:cm)

圖6　阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.6 Sketch map of damping machine

傳力索采用φ24的鋼絲繩，傳力索一端與防護(hù)網(wǎng)端部連接，一端繞過轉(zhuǎn)向定滑輪后纏繞于阻尼器的纏繩滾筒之上。

2.2低速功能試驗(yàn)

采用4軸整體大貨車以較低速度對網(wǎng)索吸能系統(tǒng)進(jìn)行碰撞運(yùn)行試驗(yàn)，見圖7。由于試驗(yàn)為真人駕駛，為保障駕駛員的人身安全以及車輛的可重復(fù)使用性，對車輛前部保險(xiǎn)杠、翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、水箱以及駕駛室和其它受力部件用型鋼進(jìn)行了加固；試驗(yàn)過程中，禁止制動(dòng)裝置起作用，對網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的阻尼效果進(jìn)行功能可行性研究。

圖7　低速功能試驗(yàn)系統(tǒng) Fig.7 Function test system with low velocity

在20km/h碰撞運(yùn)行試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，阻尼器基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)：車輛碰撞防護(hù)網(wǎng)后，傳力索被拉緊，在傳力索作用下，纏繩滾筒開始啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在剎車片作用下，阻尼器為傳力索提供阻尼力。

2.3高速功能試驗(yàn)

采用臺(tái)車以高速對網(wǎng)索吸能系統(tǒng)進(jìn)行碰撞運(yùn)行試驗(yàn)。臺(tái)車采用兩軸貨車改裝，保持轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車輪、前后橋完整，通過配重至總重10t，見圖8。采用牽引裝置將臺(tái)車加速到100km/h，對網(wǎng)索吸能系統(tǒng)阻尼功能可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖8　臺(tái)車 Fig.8 Bogie

在高速運(yùn)行試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，傳力索鋼絲繩破斷，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

3仿真分析

造成鋼絲繩破斷的可能因素主要有阻尼器產(chǎn)生的阻尼力、車輛碰撞速度、車輛的質(zhì)量和阻尼器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，建立仿真模型，對以上幾種因素對鋼絲繩破斷的影響進(jìn)行分析，找出造成鋼絲繩破斷的主要原因，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3.1仿真模型

基于有限元方法的ls-dyna軟件顯式算法模塊擅長處理碰撞類高度非線性問題，利用Hypermesh建模軟件，建立1∶1比例ls-dyna仿真模型[13]。

3.1.1網(wǎng)索吸能系統(tǒng)

網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的防護(hù)網(wǎng)的鋼板支架為薄壁金屬件，單元類型設(shè)定為四邊形殼單元，將最小特征長度控制在8mm以上，保證計(jì)算效率和精度；網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的防護(hù)網(wǎng)和傳力索中的鋼絲繩采用釋放彎矩和扭矩的梁單元模擬[14]，面積取鋼絲繩的有效受力面積；網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的阻尼器纏繩滾筒、阻尼器傳力軸、以及轉(zhuǎn)向定滑輪采用釋放軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體單元模擬，用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬這幾種結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，確保轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際相一致；剎車片采用六面體實(shí)體單元模擬。通過靜力拉伸試驗(yàn)和Hopkinson壓桿沖擊試驗(yàn)確定鋼板和剎車片的材料特性，通過拉力試驗(yàn)確定鋼絲繩應(yīng)力和應(yīng)變曲線，作為材料參數(shù)輸入有限元仿真模型，為方便分析，不考慮鋼絲繩單元的破壞，而通過提取其最大張力來判斷其是否斷裂。

圖9為建立的網(wǎng)索吸能系統(tǒng)有限元模型。

圖9　網(wǎng)索吸能系統(tǒng)有限元模型 Fig.9 FEA model of net energy absorption system

3.1.2車輛模型

網(wǎng)索吸能系統(tǒng)防護(hù)目標(biāo)是對避險(xiǎn)車道入口速度為100km/h，重量55t的大貨車在一定距離內(nèi)形成有效攔截。拆車建立大貨車有限元仿真模型[15]。大貨車結(jié)構(gòu)尺寸為15.7m×2.5m×3.1m，自重14.1t，采用質(zhì)量單元配重至55t。車身、車頭和車架主要由薄壁金屬件組成，單元類型以四邊形薄殼單元為主，由于四邊形薄殼單元的規(guī)則程度對計(jì)算精度有較大影響，控制碰撞區(qū)四邊形薄殼單元翹屈度小于15°，長寬比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°；由于薄壁金屬件大多數(shù)為曲面和加肋結(jié)構(gòu)，形狀較不規(guī)則，部分區(qū)域網(wǎng)格需要采用三角形薄殼單元過渡處理，但是三角形薄殼單元精度較四邊形薄殼單元差，控制其數(shù)量在模型中不超過5%。車身各部分采用點(diǎn)焊連接，車門和車體通過鉸接點(diǎn)單元連接。車身主要材料為低碳鋼，通過靜力拉伸試驗(yàn)和Hopkinson壓桿沖擊試驗(yàn)確定材料特性后，作為材料參數(shù)輸入有限元仿真模型。車身中的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)采用剛體材料。

圖10為建立的大貨車有限元模型。

圖10　貨車有限元模型 Fig.10 FEA model of truck

3.1.3碰撞模型

將網(wǎng)索吸能系統(tǒng)有限元模型和貨車有限元模型整合成碰撞模型。在模型中，地面和車體之間采用剛體墻類型接觸，車輛和護(hù)欄之間采用自動(dòng)搜索類型接觸[13]；通過*initial_velocity_generation關(guān)鍵字設(shè)置大貨車碰撞前初速度為100km/h；通過*load_body關(guān)鍵字設(shè)置系統(tǒng)重力加速度為9.8m/s2；通過施加剎車片和傳動(dòng)軸之間的壓力獲得阻尼力為25kN。

圖11為整合建立的碰撞模型的計(jì)算結(jié)果，通過系統(tǒng)運(yùn)行圖可見車輛碰撞防護(hù)網(wǎng)后，傳力索被拉緊并拖動(dòng)阻尼器，剎車片在阻尼器旋轉(zhuǎn)下提供阻尼力，網(wǎng)索吸能裝置功能良好；通過傳力索張力曲線可知，在車輛碰撞防護(hù)網(wǎng)初始時(shí)刻，傳力索存在張力峰值290kN，強(qiáng)度為1470MPa的纖維芯鋼絲繩破斷力為281kN，說明鋼絲繩傳力索發(fā)生了破斷，需要對幾大因素對傳力索峰值的影響做計(jì)算分析。

圖11　碰撞結(jié)果 Fig.11 Impact result

3.2阻尼力影響分析

以3.1.3節(jié)建立的碰撞模型為基礎(chǔ)，通過調(diào)整剎車片和傳動(dòng)軸之間的壓力分別獲得25kN、50kN、150kN阻尼力，其他參數(shù)保持不變。

圖12為不同阻尼力下的碰撞結(jié)果，通過傳力索張力曲線可見阻尼力不同，傳力索張力最大峰值沒有明顯變化，說明阻尼力不是鋼絲繩破斷的主要因素；阻尼力為25kN時(shí)，產(chǎn)生峰值后的傳力索張力比較平穩(wěn)；阻尼力為50kN時(shí)，產(chǎn)生峰值后的傳力索張力產(chǎn)生了較大波動(dòng)；通過150kN阻尼力下車頭變形可以看出，當(dāng)阻尼力過大時(shí)，車頭發(fā)生大變形，有可能危及乘員生命。

通過以上分析，在以后的仿真模型和運(yùn)行試驗(yàn)中設(shè)定阻尼器的阻尼力為25kN。

圖12　不同阻尼力碰撞結(jié)果 Fig.12 Impact result with different damp force

3.3車輛碰撞速度影響分析

以3.1.3節(jié)建立的碰撞模型為基礎(chǔ)，保持阻尼力為25kN，通過*initial_velocity_generation關(guān)鍵字設(shè)置不同的大貨車碰撞前初速度。

圖13為不同碰撞速度下的傳力索張力曲線，可見在20km/h碰撞速度下傳力索張力峰值為110kN,60km/h碰撞速度下傳力索張力峰值為175kN,100kN/h碰撞速度下傳力索張力峰值為290kN，說明隨著碰撞速度的增加，傳力索張力大幅度增加，碰撞速度對傳力索張力峰值影響較大。

根據(jù)以上分析，在網(wǎng)索避險(xiǎn)車道試驗(yàn)和應(yīng)用中應(yīng)采取有效措施，減少車輛與防護(hù)網(wǎng)的初始碰撞速度，降低傳力索破斷的概率。

3.4車輛質(zhì)量的影響分析

以3.1.3節(jié)建立的碰撞模型為基礎(chǔ)，保持阻尼力為25kN，碰撞速度為100km/h，通過調(diào)整大貨車上的質(zhì)量單元獲得不同的貨車重量。

圖14為不同噸位大貨車的傳力索張力曲線，可見傳力索張力大小和線形隨著大貨車質(zhì)量的變化沒有明顯不同，說明車輛質(zhì)量對于傳力索張力影響不大，其不是產(chǎn)生傳力索張力峰值的主要因素。

根據(jù)動(dòng)量定理分析，車輛質(zhì)量遠(yuǎn)大于阻尼器質(zhì)量是其對傳力索張力峰值影響不大的基本原因。車輛質(zhì)量影響分析結(jié)果對網(wǎng)索避險(xiǎn)車道可對各種噸位貨車進(jìn)行有效攔截提供必要的數(shù)據(jù)支持。

3.5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響分析

以3.1.3節(jié)建立的碰撞模型為基礎(chǔ)，保持阻尼力為25kN，碰撞速度為100km/h，通過調(diào)整纏繩滾筒上的質(zhì)量點(diǎn)來改變阻尼器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖15為不同滾筒質(zhì)量的傳力索張力曲線，可見在130kg滾筒質(zhì)量下傳力索張力峰值為195kN,180kg滾筒質(zhì)量下傳力索張力峰值為245kN,230kg滾筒質(zhì)量下傳力索張力峰值為290kN，說明隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，傳力索張力增加，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對傳力索張力峰值影響較大。

圖15　不同滾筒質(zhì)量傳力索張力曲線 Fig.15 Rod tension force with different roller mass

根據(jù)以上分析,減少滾筒初始旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是降低傳力索張力峰值的有效手段。

4試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)包括網(wǎng)索吸能系統(tǒng)、避險(xiǎn)車道和試驗(yàn)用大貨車。

在仿真計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：通過調(diào)整剎車片壓力或攪拌臂集料控制其阻尼力為25kN左右，在提供有效阻尼的同時(shí)，保證乘員不會(huì)受到嚴(yán)重傷害；將防護(hù)網(wǎng)放置在避險(xiǎn)車道入口后一定距離處，首先讓車輛通過礫石將速度降低，從而減少車輛與防護(hù)網(wǎng)初始碰撞速度，降低傳力索破斷概率；將滾筒質(zhì)量降低為130kg，并設(shè)置初始旋轉(zhuǎn)大盤，使傳力索首先在大盤上旋轉(zhuǎn)，從而減少初始滾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，達(dá)到降低傳力索張力峰值的目的。圖16為優(yōu)化后的兩種阻尼器結(jié)構(gòu)。

圖16　阻尼器優(yōu)化結(jié)構(gòu) Fig.16 Optimization structure of damper

建立避險(xiǎn)車道總長為75m，采用直徑3～6cm的松散豆礫石作為路床填料，鋪設(shè)厚度在入口30m范圍內(nèi)由0cm過渡到90cm，路床反坡坡度為9.29%，該避險(xiǎn)車道對于防護(hù)100km/h時(shí)速的大貨車設(shè)計(jì)長度明顯不足[16]。將網(wǎng)索吸能系統(tǒng)設(shè)置于在該避險(xiǎn)車道上(圖17)，阻尼器對稱設(shè)置在避險(xiǎn)車道兩邊，轉(zhuǎn)向定滑輪安裝在避險(xiǎn)車道兩側(cè)的混凝土防撞護(hù)欄上，傳力索繞過轉(zhuǎn)向定滑輪后與防護(hù)網(wǎng)連接，防護(hù)網(wǎng)設(shè)置在避險(xiǎn)車道入口后30m處。

圖17　網(wǎng)索避險(xiǎn)車道 Fig.17 truck escape ramp with net

以網(wǎng)索避險(xiǎn)車道為基礎(chǔ)，對分別安裝攪拌式和剎車片式阻尼器的網(wǎng)索吸能系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，圖18為試驗(yàn)用的兩輛大貨車，車輛總成完整，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車輪、前后橋和輪胎氣壓符合正常行駛的技術(shù)要求，通過配載物將車輛總質(zhì)量調(diào)整至55t。

圖18　試驗(yàn)用大貨車 Fig.18 Trucks in tests

圖19為試驗(yàn)結(jié)果，安裝攪拌式阻尼器的網(wǎng)索避險(xiǎn)車道在66.2m的距離內(nèi)使駛?cè)胨俣葹?04km/h的55t大貨車停車，安裝剎車片式阻尼器的網(wǎng)索避險(xiǎn)車道在62.5m距離內(nèi)使駛?cè)胨俣葹?01km/h的55t大貨車停車。說明安裝了網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的避險(xiǎn)車道不但解決了長度不足問題，還儲(chǔ)備了一定的安全系數(shù)，驗(yàn)證了網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖19　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 Fig.19 Verification test results

為確定網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的適應(yīng)車重范圍，采用圖8所示的10t總重的臺(tái)車以100km/h速度駛?cè)氚惭b了剎車片式阻尼器網(wǎng)索吸能系統(tǒng)的避險(xiǎn)車道，圖20為試驗(yàn)結(jié)果：停車距離為59m左右，車輛系統(tǒng)完好。說明網(wǎng)索吸能系統(tǒng)適應(yīng)10t以上的貨車。

圖20　網(wǎng)索避險(xiǎn)車道臺(tái)車試驗(yàn) Fig.20 Bogie test of truck escape ramp with net

圖21　應(yīng)用案例 Fig.21 Applications

5應(yīng)用情況

實(shí)際工程中的網(wǎng)索避險(xiǎn)車道已成功攔截多起事故(圖21)，對乘員形成了良好保護(hù)。

6結(jié)論

(1)避險(xiǎn)車道長度不足會(huì)導(dǎo)致惡性事故，安裝網(wǎng)索吸能系統(tǒng)后可有效增加阻尼力，并且使阻尼作用點(diǎn)上移，保護(hù)乘員安全；

(2)車輛接觸網(wǎng)索吸能系統(tǒng)初始時(shí)刻，傳力索張力存在峰值，易造成傳力索破斷從而導(dǎo)致系統(tǒng)功能破壞，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，得到傳力索張力峰值對于車輛初始碰撞速度和阻尼器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較敏感，對于車輛質(zhì)量和阻尼器設(shè)定阻尼力較不敏感，基于該分析得到的網(wǎng)索吸能系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，經(jīng)過兩次實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，安全可靠，可在短距離內(nèi)使車輛停車；

(3)建立的網(wǎng)索吸能系統(tǒng)有限元仿真模型，為得到網(wǎng)索吸能系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，而避險(xiǎn)車道路床主要有礫石組成，有限元建模和計(jì)算較為困難，下一步需要進(jìn)行礫石建模研究，完善網(wǎng)索避險(xiǎn)車道系統(tǒng)仿真模型，同時(shí)由于試驗(yàn)未能測得傳力索大小，對于仿真模型的誤差未能給予確認(rèn)，也是需要進(jìn)一步完善的地方。

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