一种通过安培力消能的避险车道方案

杨永志 李明 龚小根

摘 要：针对高速公路失控车辆车速高、破坏力强、制动难等问题特点，本文通过电磁理论提出了一种新的避险车道制动方案，利用通电导体在磁场中产生的安培力对高速行驶的失控车辆进行制动。首先，对制动的原理进行阐述，推导了制动过程中安培力的计算公式并设计了相应的磁场触发装置和通电电路;然后利用MATLAB软件对制动过程进行数值模拟并分析相关参数对制动效果的影响;最后与传统的避险车道制动效果进行对比分析，并对电磁制动做出展望。

关键词：电磁;制动;避险车道;安培力

引言：避险车道作为提高交通安全的一种道路设计措施在国内外公路建设中得到了广泛的应用，尤其是在山区高速公路长大下坡路段或长下坡路段中，起着至关重要的作用。但是由于避险车道设计理论目前并不是很完善，在实际应用中依然存在着较多的问题和难关，传统避险车道利用爬坡消能、摩擦消能、碰撞消能的方式将失控车辆的动能转化为车辆的重力势能和热能，但是当山区高速公路长陡下坡路段设置的避险车道受地形影响制动床长度不足或坡度较小时，失控车辆依然可能冲出避险车道或者车头撞击防撞设施造成二次事故。因此，我们提出利用电磁感应原理，在传统避险车道的基础上，增设安培力制动设施，以加强相同距离内的制动效果，减少制动降低山区高速公路事故的带来经济损失和提高公路的交通安全水平。

1.原理分析及公式推导

通电导体在磁场中会受到作用力，设电流的强度大小为I、通电导线为长度为L的直导线，设定磁场为理想的匀强磁并设磁场强度为B（如图1），则在磁场中通电导体受到的安培力大小为。

2.系统组成设计

本方案的制动系统主要由磁场触发装置和通电导体板两部分组成。磁场由两排通电螺线圈提供，沿避险车道的两侧并排布置矩形状的螺线圈，两排线圈中间形成类匀强磁场，每排线圈间隔1/4线圈长度，减少相邻线圈产生的磁场的相互干扰。同时线圈的轴线方向与避险车道方向垂直，以保证磁场产生的制动效果最佳见图2。两侧的矩形线圈通以大功率的直流电流，并且附带两个“丁”字形电源开关见图3。在避险车道上空7-8m建造一个钢制框架，框架中央布置一条长直导轨用于悬挂通电导体电路板。当超速汽车进入避险车道时，撞击悬挂在避险车道中央的带有通电导体棒的制动板，此制动板外部用橡胶以及汽车用的安全气囊包裹，减少汽车撞击时的破坏能力;内部是一排竖直导体棒，当汽车撞击时触动开关，使导体棒通电。同时，在电路板的外部绑扎着一根和车道宽度相等的钢制棒体。正常条件下，线圈上的两个“丁”字形开关沿避险车道方向一个张开，一个闭合。超速汽车进入避险车道，撞击电路板使导体棒通电，电路板外部的钢制棒体触发线圈的第一个张开开关使其闭合，两侧线圈同时通电，产生磁场，通电导体棒在磁场中运动产生安培力，方向和行驶方向相反，起到降低车速的作用，当汽车运动到第二个闭合开关的位置，触发开关断开，第一排的磁场消失见图3，由于前后两排线圈间距不大，立即触发第二排张开开关闭合，第二排线圈产生磁场，进一步降低车速，其中的时间间隔只有磁场存在时间的1/4，即汽车在整个减速过程中，安培力制动时间占总时间的3/4。

通电螺线管埋设示意图如图2所示。磁场系统由在车道上埋设的蓄电池以及四象斩波器供电，电压可达到440V，电流可维持在120A左右。制动效果的计算及效果对比：设定制动板的导体棒有7根，间距为d，结合毕奥萨法尔定律可得7根导体棒各自位置处的磁场强度。

3.制动过程中的能量分析

4.总结与展望

本文主要介绍了一种新型的电磁制动方法并将之与传统的避险车道结合，利用通电导体在磁场中产生的安培力对失控车辆进行制动，可以在段距离内增大制动效果，并且可以结合相应地形情况调节参数以调整制动效果。解决了地形缺陷对传统避险车道制动效果的限制问题。同时，由于安培力做功时间持续较长，相比于常规的碰撞消能手段减少了车体的损伤，是一种有效的制动手段，同时制动板的气囊设计保证了制动过程中的安全性。但是由于本方案所需的安培力较大，因此需要较大的磁场，对电流的数值要求较大，本文通过蓄电池以及四象斩波器获得相应电流，对电池的容量以及过流保护设施要求较高，实际运用过程中需要有一定的技术保障。另外，随着以后电磁技术的发展和兴盛，磁场的布设手段更加成熟后，可以将安培力制动技术进一步完善降低成本并投入使用。

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