基于搞滑系数的积雪路段案例车速研究

闻宇航，冯晨阳，刘紫秋，胡昌耀，李天昊，沈强儒，朱翊晗

（南通大学 交通与土木工程学院，江苏 南通 226019）

引言

近年来，国内外对于积雪路面的抗滑系数研究包括实车试验、仿真模拟等。荆忠倩［1］通过台架-汽车动力模型得到汽车在道路上行驶的阻力与车速表现为二次关系。LIU［2］利用ADAMS/Car仿真软件模拟车辆行驶在干燥、积水等路面时，道路阻力的变化。GABTE等［3］利用云吸收辐射与人工神经网络计算道路积雪厚度和分布范围。姚冬冬等［4］运用VISSIM软件建立包含道路线形与积雪条件的速度生成模型。从事故成因看，积雪厚度、车速及车辆质量对抗滑系数的影响显著。

1 积雪路面安全车速

1.1 安全距离与安全车速

安全距离指当驾驶员发现前方的障碍物，从反应到采取制动措施直至车辆能与前方障碍物保持一定距离。

式中：Ls—安全距离，m；LZD—后方驾驶人在制动过程中的行驶距离，m。

式中：v—后方车辆行驶速度，m/s；t1—后方驾驶员反应时间，s；g—重力系数，取9.8 m/s2；μ—路面抗滑系数；i—道路坡度，%；

驾驶员的制动时间Ls是指驾驶员接收到外界信息后，反应并开始制动直至车辆停止所需要的时间。当高速公路上遭遇降雪或降雨，驾驶人的心理紧张会导致部分驾驶人的反应时间会超过1.7 s［6］。取Ls=1.7 s作为驾驶员在紧急状况下的反应时间。

由公式（3）可得积雪路况保证安全距离的最大车速限制值，即安全车速。

式中：Lh—行车视距，m。

1.2 试验设计

1.2.1 试验原理

安全车速主要影响因素为视距与抗滑系数，行车视距根据天气情况可得出，由此对抗滑系数进行分析。影响积雪路段道路抗滑系数的基本因素可以归纳为车辆条件和路面的物理性能［7］。

使用制动距离法，即测量车辆由开始制动到完全停止所经过的路程得到数据，通过制动方程求出抗滑系数，由此确定抗滑系数与不同路面条件、车辆条件的关系。

1.2.2 试验设备及方法

试验条件：（1）两种试验车型，普通小型车（1 300 kg）和 大 型 车（1 800 kg），轮 胎 参 数 为185/70 R13标准。（2）坡度设置为0°，车速设置为30～45 km/h。（3）温度保持在0 ℃，江淮等地降雪持续时间为2～3 d，根据中国气象局发布的数据，将路面积雪量设置为0～20 mm进行试验。实验仪器采用手持式GPS MAP60cs的显示值作为测试车。试验场地见图1。

图1 试验场地设计

实车试验场地采用多次累计喷洒固定体积的冰沙控制积雪形成的方法。在相同积雪厚度以不同车速进行试验，累计得到试验数据见表1～表4。

表1 固定车速条件小型车

表2 固定积雪厚度小型车

表3 固定车速条件大型车

表4 固定积雪厚度大型车

1.3 试验数据分析

1.3.1 数据处理

将不同积雪厚度与不同车速所得的制动距离进行分析，通过制动方程可以得到相应的抗滑系数，所得结果见图2～图5。

图2 小型车抗滑系数与积雪厚度的关系

（1）由图3～图5发现，车速从35～45 km/h 变化时，路面抗滑系数变化趋势相似，且在同一积雪厚度下，抗滑系数相差较小，由此可得车速对路面抗滑系数的影响较小。（2）图4大型车的变化趋势比图2小型车陡，斜率更稳定，当车重较大时，积雪厚度和抗滑系数更趋于线性关系。（2）图2看出，在积雪厚度＜5 mm、5～10 mm、10～20 mm范 围中，抗滑系数改变较大。积雪厚度＜5 mm 时，抗滑系数处于最低值。

图3 小型车抗滑系数与车速的关系

图4 大型车抗滑系数与积雪厚度的关系

图5 大型车抗滑系数与车速的关系

由表1～表4数据进行线性回归分析，通过拟合得到道路抗滑系数与速度、积雪厚度的关系：

式中：—抗滑系数；V—车辆行驶速度，km/h；M—车辆质量，kg；T—积雪厚度，mm。

为了检验该模型的显著性水平，对公式（5）进行回归方程F检验，其中R2=0.903 5，结果见表5。说明该回归方程中，积雪厚度能够显著影响因变量，而车速影响较小，符合试验数据规律，模型可靠性良好。

表5 模型回归系数显著性统计检验

2 安全车速建议值

不同降雪强度下车辆在行驶遭遇障碍物时能保证行车安全的速度结果见表6。在道路能见度＜100 m，车辆的安全车速＜20 km/h时，应关闭道路；能见度在100～200 m时，道路结冰导致路面抗滑系数过低，安全车速＜20 km/h时，也应该关闭道路，以防事故发生［8］。

表6 积雪天气下安全车速限制值

3 结语

（1）通过车辆在积雪路段行车过程中的相关因素得出安全车速关于抗滑系数、视距、坡度的计算公式。（2）通过实车试验，建立积雪厚度和路面抗滑系数的关系模型，得出抗滑系数与车速、车重成幂函数关系，与积雪厚度成对数关系，并运用显著性检验确定模型的可靠性。（3）根据试验结果确定小型车与大型车在不同抗滑条件下的安全车速。（4）由于试验设备等因素的影响未能进一步推导出推广模型，以后可进行深入研究。