2017, Vol. 45
2. 青海省交通科学研究院，青海 西宁 810007
2. Transportation Research Institute of Qinghai Province, Xining 810007, China
高海拔(≥3 000 m)地区为气压、空气含氧量及温度均较低的环境，会对汽车动力性能产生一定的影响，易造成汽车启动及爬坡困难，导致运行速度降低，路段通行能力下降，进而影响行车效率与安全.目前，国内外公路纵坡设计是以汽车动力性能为基础来确定纵坡指标.Lan等[1]分析得到了美国典型货车(质量功率比120 kg·kW-1)以外的常用货车车型的爬坡性能曲线，根据常用车型的爬坡性能，分析公路纵坡上爬坡车道的临界坡长指标.Rakha等[2]分析了轮胎与空气动力性对车辆行驶性能的影响，对道路通行能力手册(HCM)中的货车爬坡性能曲线进行修正，确定了纵坡上爬坡车道的设置条件.美国国家公路与运输协会(AASHTO)“绿皮书”中，根据货车在上坡路段的爬坡性能曲线及其在特定纵坡路段的初始速度及平均速度数据，提出不同速度折减量下的临界坡长值以及组合坡段等效纵坡[3].周荣贵[4]利用实车装载上坡试验研究了纵坡与速度及速度随坡长的变化规律，提出基于运行速度差和满足公路服务水平要求的各级公路最大纵坡坡度与坡长限制值.邢恩辉[5]分析了车辆在纵坡上行驶时的动力性能，从汽车行驶性能角度研究公路纵坡坡度、坡长限制及纵坡组合问题，并提出相应的设计指标建议值.董忠红等[6]在分析重型车辆爬坡速度影响规律的基础上，提出了坡度和坡长设计控制指标，建立了坡度与坡长的函数模型.徐进等[7]根据大货车爬坡速度预测模型得到了纵坡路段货车行驶速度曲线，以此判断纵断面设计指标是否合理、是否需设置爬坡车道等.
可见，上述诸多成果主要是针对一般海拔高度(＜3 000 m)取得的，缺乏高寒高海拔地区汽车动力性能及纵坡设计指标的研究.我国现行的路线设计规范虽然根据海拔高度对纵坡指标值进行了折减，但规范的制定年限较早，提出的折减值过于宽泛.随着汽车产业的发展及汽车制造技术的进步，依据早期典型车型动力特性制定的纵坡设计指标是否适用于现阶段高海拔地区公路设计还需要进一步验证.基于此，本文以载重汽车爬坡行驶特性为研究对象，利用爬坡试验方法采集典型汽车在高海拔地区公路不同坡度上坡路段的行驶速度、距离等数据，分析海拔高度、坡度及坡长对汽车运行特性的影响，从满足汽车动力性能的角度研究高海拔地区纵坡最大坡度的合理性，提出满足行车安全性与舒适性的高海拔地区公路最大纵坡参考值.
1 数据采集 1.1 试验车型载重汽车爬坡性能是公路纵坡设计的重要依据，选择合适的车型对公路纵坡设计指标的确定十分关键.汽车自身参数对其爬坡特性有较大影响，公路纵坡设计中主要以汽车质量功率比为基础指标，选取一个满足大部分载重车行驶要求质量功率比的车型作为试验车型[8-10].我国现行标准及规范在制定纵坡指标时选取东风EQ140为典型车型，其质量功率比为107 kg·kW-1.本文以质量功率比为基本依据，考虑到我国载重汽车发展趋势及高海拔地区常用货车类型，同时借鉴国外制订纵坡指标时对质量功率比的考虑，选取质量功率比为120 kg·kW-1的东风EQ1240W型载重车为研究对象，该车型采用东风康明斯C260涡轮增压发动机，其他相关参数如表 1所示.
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下载CSV 表 1 东风EQ1240W主要参数 Tab.1 Main parameters of Dongfeng EQ1240W |
为了研究海拔及坡度变化对汽车动力特性的影响，在选取试验路段时应注意排除其他因素对试验结果的影响.相关研究表明，坡度大于3%的坡段与平曲线进行组合设计时，对行车安全的影响较大.为保证试验结果的可靠性，在选择试验路段时应尽量选取平面线形良好、汽车爬坡特性仅受海拔及纵坡本身影响的纵坡路段.本次试验选取平面线形为直线或平曲线半径大于800 m的纵坡路段，以剔除平面线形可能对汽车行驶造成的影响.此外，本文研究的主要目标是确定海拔3 000~5 000 m范围内公路的最大纵坡值，因此选取的试验路段主要是该海拔范围内坡度为3%~5%的坡段，不考虑坡度小于3%的缓坡路段.本次试验选取在青海省国道214新建一级公路K200+000~K600+000段内符合要求的路段，试验路段相关信息如表 2所示.
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下载CSV 表 2 试验路段信息 Tab.2 Information of test sections |
本次试验使用的设备主要是非接触式光电速度传感仪.光电速度传感仪固定在载重汽车油箱前侧的钢板上(见图 1)，可以实时记录试验车爬坡过程中的行驶速度及距离.
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图 1 试验车及光电测速传感器安装位置 Fig.1 Test truck and mounting position of photoelectric speed sensing device |
为了研究载重汽车在高海拔地区不同坡段上的速度变化情况，选择各设计速度下货车平均运行速度为入坡速度进行载重汽车的爬坡试验，且由于高寒地区通常较少采用120 km·h-1的设计速度，因此本文主要研究范围界定为海拔3 000~5 000 m，设计速度为100、80和60 km·h-1的公路，各设计速度下公路对应的货车平均运行速度如表 3所示[11-12].
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下载CSV 表 3 货车平均运行速度 Tab.3 Average running speed of trucks |
试验过程中，试验车分别以80(满载时能够达到的最大速度)、70、60 km·h-1的入坡速度进入试验坡段，驾驶员在尽可能高的挡位将油门踩到底，使载重汽车始终以最大的爬坡能力进行爬坡.整个过程中光电测速仪可直接记录汽车爬坡过程中的时间、速度及距离等数据，同时通过录像等方式记录汽车爬坡过程中的换挡次数及位置.
2 高海拔地区载重汽车爬坡特性 2.1 高海拔地区载重汽车爬坡动力特性载重汽车在纵坡路段上行驶时需通过换挡来获取更大的牵引力以便于汽车能够保持足够的动力进行爬坡，汽车的换挡及速度变化可以体现其爬坡动力特性[9].试验结束后，将速度数据从仪器主机中导出，进行室内数据处理工作.对比每个坡段测量的三次数据，剔除由试验仪器误差或其他原因产生的速度突变点(过高或者过低值)，可以得出典型汽车在各纵坡坡段的速度距离散点图，根据记录得到的换挡信息并将其标注在散点图中可以得出载重汽车速度变化及挡位变化情况.以入坡速度为70 km·h-1时(坡底挡位均为8挡)载重汽车在海拔3 200 m及4 300 m附近处不同坡段上爬坡换挡位置及行驶速度数据为例，分析汽车爬坡动力特性.
由图 2a可知，海拔3 200 m附近时，载重汽车在不同坡段以70 km·h-1的速度进行爬坡时，在坡度为3%及4%的坡段上，坡长800 m范围内均经过一次换挡，坡度为5%的坡段上经过两次换挡.坡度为3%的坡段上换挡位置约在坡长750 m处(换挡速度为57 km·h-1)，坡度为4%的坡段上在坡长450 m处(换挡速度为58 km·h-1)；坡度为5%的坡段上，在坡长230 m处由8挡换为7挡(换挡速度为60 km·h-1)，坡长约600 m处由7挡换为6挡(换挡速度为46 km·h-1).
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图 2 载重汽车在不同坡段速度变化及换挡位置 Fig.2 Model truck's speed change and shift position at different sections |
海拔4 300 m附近时，坡长800 m范围内载重汽车在坡度为3%的坡段上坡长约480 m的位置处经过一次换挡，在坡度为4%及5%的坡段上经过两次换挡，具体换档位置及速度如图 2b所示.
从上述分析可得出如下结论：海拔高度及入坡速度相同时，坡度越大载重汽车爬坡速度降低越快，相同坡长范围内换挡次数越多，且同档位变换时对应的换挡位置越早(距离坡底距离越短)，表明坡度越大时需要通过更频繁或更及时的换挡来满足其爬坡动力需求.
此外，对比不同海拔处的试验结果可知，坡度相同时海拔越高载重汽车同挡位变换时对应的换挡位置越早(即距离坡底距离越短，如坡度为5%的坡段上，由8挡换为7挡，海拔4 300 m附近时换挡位置约为坡长190 m处，与海拔3 200 m附近时换挡位置230 m处相比缩短40 m，7挡换为6挡时对应的换挡位置也相差80 m左右)，表明海拔较高时汽车爬坡动力性能有所下降.
2.2 高海拔地区典型汽车爬坡速度距离曲线在整理过后的速度距离散点数据基础上，将试验车在坡底及坡顶附近的缓坡过渡段数据剔除，对直坡段速度、距离数据进行拟合外延，可以得到不同海拔不同坡度下载重汽车的爬坡曲线.
按照上述数据处理原则，建立了典型汽车分别以75、70和60 km·h-1的入坡速度在不同海拔处陡坡路段的爬坡速度距离曲线(见图 3).下面以部分结果为例, 分析典型汽车在高海拔地区陡坡路段爬坡特性.
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图 3 典型汽车在不同坡段的爬坡速度距离曲线 Fig.3 Model truck's speed-distance curve at different sections |
根据建立的典型汽车爬坡速度距离曲线可以看出，典型汽车在高海拔地区陡坡路段爬坡速度变化呈现出速度先下降较快然后逐渐趋于平缓的规律，坡长足够长时速度会达到一个稳定值.通过图 3对比可以看出，入坡速度相同且海拔高度基本相同时，坡度越大典型汽车的爬坡速度下降越快，能够达到的稳定速度也越低，表明坡度对汽车的爬坡速度有明显影响.
2.3 海拔对典型货车爬坡特性的影响将典型汽车在不同海拔处相同坡度路段建立的速度距离曲线进行对比，可以得出海拔高度变化对典型汽车爬坡特性的影响规律.下面以入坡速度为75 km·h-1时的结果为例，分析海拔对典型汽车爬坡特性的影响.
根据不同海拔相同坡度坡段上的速度距离变化曲线的对比可以看出，海拔高度对汽车爬坡性能有明显影响，坡度相同时，海拔越高典型汽车的爬坡速度下降越快.在坡度为3%的坡段上，入坡速度为75 km·h-1时，典型汽车在海拔4 465 m处速度下降与海拔3 150 m及3 700 m处相比明显较快，最终达到的稳定速度与海拔3 150 m处相比降低了6 km·h-1；坡度为5%时，典型汽车在四个不同海拔位置处的爬坡曲线呈现出如下规律：海拔越高速度下降越快，达到稳定速度越低，达到稳定速度时对应的坡长也越短，海拔每升高约500 m时稳定速度降低约2~3 km·h-1.根据已经建立的高海拔地区典型汽车爬坡速度距离曲线，可以得出典型汽车在不同坡度路段达到的稳定速度及对应的稳定坡长如表 4和5所示.
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下载CSV 表 4 海拔3 200 m附近典型汽车稳定速度及稳定坡长 Tab.4 Typical truck's stable speed and its slope length at an altitude around 3 200 m |
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下载CSV 表 5 海拔4 300 m附近典型汽车稳定速度及稳定坡长 Tab.5 Typical truck's stable speed and its slope length at an altitude around 4 300 m |
将表 4与5进行对比可以看出，典型汽车在海拔4 300 m附近相同坡度路段达到的稳定速度与在海拔3 200 m附近相比下降约4~7 km·h-1，且海拔越高对应的稳定坡长越短，其他条件相同时典型汽车在海拔4 300 m附近处相同坡度下稳定坡长与海拔3 200 m附近处相比降低了100~200 m.
2.4 坡度、坡长对典型汽车爬坡特性的影响根据已经建立的典型汽车爬坡速度距离曲线，可以得出海拔相同时试验车在不同坡度坡段速度损失一定值时对应的坡长.
分析图 5可以得出如下结论：在海拔3 200 m附近，坡度越大典型汽车爬坡过程中的速度下降越快，速度损失Δv相同值时对应的坡长越短.入坡速度为75 km·h-1，典型汽车在坡度为4%的坡段上速度损失相同时对应的坡长与坡度为3%的坡段相比下降幅度较大，速度损失为20 km·h-1时对应的坡长相差400 m，而坡度为5%的坡段与4%的坡段相比差距相对较小，速度损失为20 km·h-1时对应的坡长相差170 m，且坡度为4%坡长仅600 m时典型汽车速度损失已达到20 km·h-1，表明在该海拔高度下，典型汽车在坡度为4%的坡段上的爬坡能力与在坡度较低的路段相比明显下降，坡度大于4%时坡度对典型汽车运行的影响更为严重，在进行该海拔段纵坡设计时应考虑将坡度4%作为一个临界点.
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图 5 海拔3 200 m附近典型汽车速度损失与坡长的对应关系(入坡速度75 km·h-1) Fig.5 Correspondence between speed loss and slope length at an altitude around 3 200 m (initial speed is 75 km·h-1) |
由图 6可以看出，该海拔高度下典型汽车在坡度为3%、4%及5%的坡段上速度损失相同时对应的坡长随着坡度的变化趋势较为一致，无明显突变点，且坡度为3%时典型汽车在600 m以内速度下降已达到20 km·h-1，表明该海拔典型汽车在坡度3%以上坡段上的爬坡能力均较差.
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图 6 海拔4 300 m附近典型汽车速度损失与坡长的对应关系(入坡速度75 km·h-1) Fig.6 Correspondence between speed loss and slope length at an altitude around 4 300 m (initial speed is 75 km·h-1) |
道路纵坡坡度及坡长值大小对汽车行驶特性有较大影响，在不同的纵坡坡度下，车辆的运行速度变化也不同[13-14].根据典型汽车在高海拔地区的爬坡特性分析可知，上坡过程中汽车的运行速度随着纵坡坡度及坡长的增加而降低，且海拔在3 000~5 000 m范围内时，海拔对载重汽车爬坡特性有明显影响，海拔越高汽车爬坡速度下降越快.
纵坡坡度及坡长的限制主要是依据典型汽车的爬坡速度特性，以将典型汽车在坡道上的行驶速度控制在一个合理的速度范围内为基本原则，当容许速度与稳定速度之差小于10 km·h-1或15 km·h-1时，可通过限制坡长来控制货车行驶速度.根据国内外研究经验，坡道容许速度通常取设计速度的50%~60%，或选取速度下降15~25 km·h-1范围内的一个固定值[15-17].根据前人经验并结合高海拔地区载重汽车速度分布情况，确定的容许速度如表 6所示.
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下载CSV 表 6 各设计速度下坡道容许速度 Tab.6 Allowable speed |
前文建立的典型汽车爬坡运行速度-距离曲线表明，海拔高度为3 221 m时，典型汽车以60 km·h-1为入坡速度在坡度为5%的坡段上行驶的最终稳定速度约为35 km·h-1(见表 4)，与设计速度60 km·h-1时货车容许速度40 km·h-1相差不大，表明该设计速度的公路在该海拔高度下可采用坡度为5%的最大纵坡；而入坡速度为75 km·h-1及70 km·h-1时，稳定速度与容许速度之间差值较大，难以通过限制坡长对货车行驶速度进行控制，因此对设计速度100 km·h-1和80 km·h-1的公路来说，海拔3 000 m以上时最大纵坡值不应再采用适用于一般地区的5%的值，应进行一定折减.在该海拔高度下坡度为4%的坡段上，入坡速度为75 km·h-1及70 km·h-1时，典型汽车稳定速度约为44 km·h-1，与设计速度为100 km·h-1及80 km·h-1的公路容许速度相比差值均小于15 km·h-1，同时结合2.3节中对图 4的分析说明，提出在该海拔下这两个设计速度时采用坡度为4%的最大纵坡.
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图 4 典型汽车在不同海拔相同坡度坡段上的爬坡曲线 Fig.4 Typical truck's speed-distance curve on the same grade at different altitudes |
根据上述原则，以典型汽车在3 000~5 000 m海拔不同坡度路段的速度距离曲线为依据，本文提出海拔3 000~5 000 m时设计速度为100、80和60 km·h-1的公路最大纵坡建议值如表 7所示.
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下载CSV 表 7 高海拔地区公路最大纵坡坡度建议值 Tab.7 Recommended maximal grade of highway in high-altitude area |
经对比，本文提出的高海拔地区公路最大纵坡值与现行的《公路工程技术标准》(JTG B012014) 中对一般地区相同设计速度的公路最大纵坡的规定值相比降低了1%~2%.
4 结论(1) 选取质量功率比为120 kg·kW-1的汽车，采用典型汽车行车试验方法，建立了典型汽车在海拔3 000~5 000 m范围内、坡度为3%~5%的坡段上的运行速度距离曲线，得出了海拔高度对汽车爬坡特性的影响规律.坡度相同时，海拔越高典型汽车爬坡速度下降越快，典型汽车在海拔4 300 m附近相同坡度路段达到的稳定速度与在海拔3 200 m附近相比下降约4~7 km·h-1，稳定坡长降低了约100~200 m；另外，在3 000~4 000 m海拔段，4%的坡度为纵坡对汽车动力性能影响程度的一个分界点，坡度大于4%时典型汽车爬坡特性明显较差.
(2) 根据已经建立的高海拔地区典型汽车爬坡速度距离曲线，结合已有的公路纵坡设计方法，在充分考虑海拔高度、纵坡坡度及坡长对载重汽车行驶特性影响的基础上，提出了海拔3 000~5 000 m范围内设计速度为100、80和60 km·h-1的公路纵坡最大坡度建议值，与现行标准中对一般地区相同设计速度下最大纵坡坡度值的规定相比降低了1%~2%.
本文研究成果有助于指导高海拔地区公路纵坡设计，后期将继续展开对高海拔地区公路纵坡坡长限制的研究，以期完善高海拔地区公路设计理论体系.
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