一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统 |
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| 申请号 | CN201610145312.0 | 申请日 | 2016-03-15 | 公开(公告)号 | CN105625126A | 公开(公告)日 | 2016-06-01 |
| 申请人 | 中国民航科学技术研究院; 航科院(北京)科技发展有限公司; | 发明人 | 赵阳; 孔祥骏; 郑确; 肖宪波; 史亚杰; 王淑敏; 刘平; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统，其包括路基以及设于所述路基上表面的 制动 床。本发明的有益效果为：该基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统在实现有效拦阻的同时，能够保证乘客的安全以及避免车辆结构发生重大破坏。该车辆拦阻系统主要由缓冲吸能材料组成，其具有可设计的压溃强度，在 车轮 碾压下该材料吸收车辆 动能 ，达到拦停车辆或使车辆减速的目的。该车辆拦阻系统还具有减速效果好、制动过程安全、振动小等特点，可应用于公路避险车道等领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统，其特征在于，其包括路基(1)以及设于所述路基(1)上表面的制动床(2)。 |
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| 说明书全文 | 一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统技术领域背景技术[0002] 随着我国经济的快速发展，我国公路通车里程发生了跨越式增长，截止2014年末全国公路总里程446.39万公里，公路密度46.50公里/百平方公里，其中全国等级公路里程390.08万公里，更重要的是中西部的山岭重丘区的公路密度迅速增长。在山岭重丘区，由于地形、地貌和地质等因素的限制，山区公路需克服高差展线，不可避免存在连续下坡路段。 车辆在此路段上行驶，长时间使用行车制动，使得制动系统“热衰退”现象十分突出，严重时车辆制动能力完全丧失，引起重大恶性事故。为解决此问题，美国于上世纪50年代在加利福尼亚修建了第一条避险车道，我国于1998年在八达岭高速公路修建第一条避险车道。目前在山区公路建设规范中指出：在平均纵坡达到4％，连续下坡3km以上时，宜设置避险车道。 [0003] 避险车道技术发展至今，经历了不同的应用类型，包括重力型(依靠陡峭的坡度使车辆减速)、沙堆型(靠重力及沙堆阻力来使车辆减速)，以及目前常见的砂砾型(通过砂砾的滚动阻力使失控车辆减速或停止)。重力型需要足够长的车道，受地理因素制约较大。沙堆型的拦阻性能受天气影响大，高数值的减速度会导致人员及车辆的严重损伤。砂砾型避险车道所用材料常为鹅卵石、碎石块等重质材料，减速过程会引起车辆的较大振动，导致货物散落、货箱脱挂脱销，从而导致车辆侧翻和方向失控；砂砾硬度较高，在车辆冲入时易导致油箱破损，砂砾与金属摩擦起火花后，从而导致严重的起火甚至爆炸事故；另外，该类硬质集料式材料在长时间重力作用下结构进一步密实，以及通过水的漫流从匝道的顶部和两侧进入砂砾堆中的细料也使得砂砾的密实度增加，导致滚动阻力变小，使得砂床功能减弱。综上所述，拦阻性能稳定性差、拦阻力缺乏设计以及减振等问题，给使用避险车道的人员和车辆带来了事故隐患。严重的水平减速度和突然的垂直加速度，造成人员、车辆、财产受损，另外在此过程中前后轮减速度不匹配，使车辆失去平衡，导致货物散落、后轮分离和挂车向前倾覆；较小的拦阻力易导致避险无效。 [0004] 授权公告号为CN204266073U实用新型专利公开一种高速公路避险车道，其减速制动层由多孔型、回字型、工字型或倒U型的微强度阻尼混凝土预制块铺砌而成，避险车辆压上后材料粉碎并产生沉陷，轮胎与微强度阻尼混凝土产生一定的摩擦力实现缓冲，使车辆快速停下，微强度阻尼混凝土强度低，避险过程中不会损伤车辆，车辆沉陷时汽车油箱剐蹭到微强度阻尼混凝土不会破坏，并且预制块的力学及使用性能稳定，不会出现砂石等多次使用后板结变硬、冬天融雪冻结变硬等现象。然而，专利中的微强度阻尼材料的减速机理与沙堆、碎集料和豆砾石相同，是依靠轮胎与拦阻材料间的摩擦力实现的，仍存在拦阻能力有限、对不同车辆的拦阻效果无法控制、拦阻过程中车辆受力不均匀(如初始力过大)、拦阻过程中车辆方向不受控制等问题。 发明内容[0005] 为解决现有技术中的避险车道拦阻能力有限、对不同车辆的拦阻效果无法控制、拦阻过程中车辆受力不均匀、拦阻过程中车辆方向不受控制等技术缺陷，本发明提供一种拦阻能力可设计且性能稳定的基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统，在实现有效拦阻的同时，能够保证乘客的安全以及避免车辆结构发生重大破坏，同时，本发明的基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统主要由缓冲吸能材料组成，其具有可设计的压溃强度，在车轮碾压下该材料吸收车辆动能，达到拦停车辆或使车辆减速的目的。本发明的基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统还具有减速效果好、制动过程安全、振动小等特点，可应用于公路避险车道等领域。 [0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0007] 一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统，其包括路基以及设于所述路基上表面的制动床。 [0008] 优选的，所述路基的坡角a为0-40度，所述路基的前段为缓冲段，所述制动床设于所述路基的后段。 [0009] 优选的，所述缓冲段的长度为0～50米，宽度为3～12米。 [0010] 优选的，所述缓冲段的路面摩阻的滚动阻力系数为0.01～0.15。缓冲段利用坡度或路面摩阻来降低车辆的动能；所述缓冲段的路面摩阻依据车辆拦阻系统的目标效果而设计。 [0012] 优选的，所述制动床的材料为轻质材料，其密度为50kg/m3～500kg/m3。 [0013] 优选的，所述制动床的厚度为0.2～0.7m，且厚度从前至后逐渐增加。 [0014] 优选的，所述制动床的长度为20～100m，宽度为3～12m。 [0015] 所述制动床区域材料厚度、长度和宽度依据车辆拦阻系统的目标效果而设计。 [0016] 所述制动床材料的力学性能特征为：在2MPa压力范围内，材料的最大压溃度≥70％，且单位体积材料吸能效率≥200KJ。 [0017] 优选的，所述制动床的安装方式为预制体式、集料式或者浇筑式。 [0018] 优选的，该基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统还包括设于所述缓冲段与所述制动床两侧以及所述制动床末端的护栏，所述护栏具有使车辆方向回正以及强制拦停将要冲出减速区域车辆的作用。 [0019] 优选的，所述制动床的前端设有台阶或者缓坡结构。 [0020] 一种制动床，为上述任一项所述的制动床。 [0021] 本发明的有益效果为： [0022] 1)、制动床材料为轻质材料，随时间的推移其堆积密度稳定，不会引发因重力堆积而导致的拦阻性能变化； [0023] 2)、制动床材料的强度低，易在外压下破碎，故而拦阻过程中车辆的减速过程平缓，可有效避免由于减速度过大而导致的“车停货不停”事故； [0024] 3)、制动床材料的强度低，拦阻过程中不会使车辆主要结构，特别是油箱造成破损；并且在拦阻过程中不易产生火花，降低着火隐患； [0025] 4)、制动床材料的强度低易在外压下破碎，故在拦阻过程中车辆不会产生较大的颠簸振动，使车辆结构安全、货物安全，有效避免由于颠簸振动而引发的车辆侧翻和方向失控； [0026] 5)、将制动床材料力学性能、系统的坡度、缓冲段的摩阻性能、车辆载重、胎压、速度、车辆轮胎规格等参数作为输入参数，可通过计算模型计算该基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统的对常见车辆的拦阻性能，也就是说，可根据具体公路的实际情况(限速、限重、常见车辆类型、下坡长度及坡度等参数)调整该基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统中材料的力学性能、系统坡度、缓冲段的摩阻性能、制动床长度等参数，以实现对具体情况的具体设计； [0028] 图1-1为本发明第一实施例的基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统的结构示意图； [0029] 图1-2为本发明第二实施例的基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统的结构示意图； [0030] 图2为非集料式结构车轮碾压过程分析示意图； [0031] 图3为集料式结构车轮碾压过程分析示意图； [0033] 图5为泡沫玻璃砌块材料应力-压溃度曲线示例； [0034] 图6为多孔有机硅砌块材料应力-压溃度曲线示例； [0035] 图7为泡沫玻璃块材料应力-压溃度曲线示例； [0036] 图8为轻质陶粒材料应力-压溃度曲线示例； [0037] 图9为轻质混凝土块材料应力-压溃度曲线示例。 [0038] 图中， [0039] 1-路基；11-前段；12-后段；2-制动床；3-护栏。 具体实施方式[0040] 下面结合附图对本发明的结构进行详细解释说明。 [0041] 如图1-1至图1-2所示，本发明提供的一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统，其包括路基1以及设于所述路基1上表面的制动床2。所述路基1的坡角a为0-40度，所述路基1的前段11为缓冲段，所述制动床2设于所述路基1的后段12。该基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统还包括设于所述缓冲段与所述制动床2两侧以及所述制动床2末端的护栏3。所述制动床2的安装方式为预制体式：由缓冲吸能材料的预制块堆砌而成，优选轻质混凝土砌块、多孔有机硅砌块、泡沫玻璃砌块等；集料式：由缓冲吸能材料块状集料堆积而成，优选轻质混凝土、泡沫玻璃、轻质陶粒等；浇筑式：缓冲吸能材料浆料现场浇筑而成，优选轻质混凝土、多孔有机硅等。 [0042] 如图2至图3所示，本发明提供的一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统具有三种安装方法，集料式安装后拦阻材料呈集料式分布，预制体式和浇筑式安装后拦阻材料呈非集料式分布。进入拦阻床的车辆会受到材料阻力，并将拦阻材料压实。 [0043] 如图4至图9所示，本发明提供的一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统的制动床2内缓冲吸能材料的力学性能测定方法如下：将制动床2材料装入刚性圆筒内进行压缩试验，压缩面直径和桶高均为30.48cm，压缩速度500mm/min，测定材料在实验条件下的应力-压溃度曲线或者应力-应变曲线，计算单位体积材料在压缩过程中的吸能效率。 [0044] 在特性材料力学性能试验中，材料溃缩吸收能量，期间能量吸收效率最高时的压溃度为最大压溃度，能量吸收效率按公式X计算： [0045] [0046] 式中： [0047] η——试样溃缩时的能量吸收效率； [0048] σ——试样的压应力，单位为兆帕(MPa)； [0049] ε——试样的压溃度。 [0050] 该系统对车辆的拦阻机理如下：当车辆冲入该系统内，在冲入制动床2前车辆在重力或地面摩阻的作用下产生一定的减速，当进入制动床2后，车轮会压碎缓冲吸能材料，靠该材料的破碎吸收车辆的动能。在材料选择中已经考虑到常见车辆的胎压、载重、速度等设计参数，在具体的道路设计条件下该制动床2可产生适宜的拦阻力，从而使设计范围内的车辆在不会发生重大破坏和乘员不过度受力的前提下，让车辆逐渐减速并最终停止在制动床2内。 [0051] 实施例一： [0052] 系统结构如图1-1所示，坡角a为20度(图1-1仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度25m，滚阻系数为0.1，制动床2宽10m，长100m，材料为轻质混凝土砌块(密度为200kg/m3)，砌块尺寸为长1000mm×宽1000mm×高500mm。测试材料的力学性能，如图4所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为80％，单位体积溃缩吸能效率为271KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为97m。 [0053] 实施例二： [0054] 系统结构如图1-1所示，坡角a为30度(图1-1仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度0m，制动床2宽12m，长90m，材料为泡沫玻璃砌块(密度为250kg/m3)，砌块尺寸为长1000mm×宽1000mm×高600mm。测试材料的力学性能，如图5所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为70％，单位体积溃缩吸能效率为300KJ/m3。经理论计算该系统对质量6×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1200mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为76m。 [0055] 实施例三： [0056] 系统结构如图1-1所示，坡角a为35度(图1-1仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度0m，制动床2宽8m，长90m，材料为多孔有机硅砌块(密度为300kg/m3)，砌块尺寸为长1200mm×宽1200mm×高600mm。测试材料的力学性能，如图6所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为75％，单位体积溃缩吸能效率为290KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽800mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为74m。 [0057] 实施例四： [0058] 系统结构如图1-1所示，坡角a为20度(图1-1仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度25m，滚阻系数为0.1，制动床2宽10m，长100m，材料为轻质混凝土砌块(密度为200kg/m3)，砌块尺寸为长500mm×宽500mm×高100mm。测试材料的力学性能，如图5所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为80％，单位体积溃缩吸能效率为271KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为106m。 [0059] 实施例五： [0060] 系统结构如图1-2所示，坡角a为15度(图1-2仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度50m，滚阻系数为0.15，制动床2宽10m，长100m，材料为轻质混凝土砌块(密度为200kg/m3)，砌块尺寸为长500mm×宽500mm×高100mm。测试材料的力学性能，如图5所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为80％，单位体积溃缩吸能效率为350KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度450mm的车辆的拦阻距离为125m。 [0061] 实施例六： [0062] 系统结构如图1-2所示，坡角a为30度(图1-1仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度40m，滚阻系数为0.1，制动床2宽14m，长95m，材料为泡沫玻璃块(密度为210kg/m3)，块体尺寸在2.5cm～6cm。测试材料的力学性能，如图7所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为75％，单位体积溃缩吸能效率为240KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为87m。 [0063] 实施例七： [0064] 系统结构如图1-2所示，坡角a为10度(图1-2仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度0m，制动床2宽8m，长120m，材料为轻质陶粒(密度为150kg/m3)，颗粒尺寸在0.5cm～3cm。测试材料的力学性能，如图8所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为82％，单位体积溃缩吸能效率为350KJ/m3。经理论计算该系统对质量5× 104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为123m。 [0065] 实施例八： [0066] 系统结构如图1-2所示，坡角a为40度(图1-2仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度10m，滚阻系数为0.1，制动床2宽6m，长70m，材料为轻质混凝土块(密度为270kg/m3)，块体尺寸在2.5cm～8cm。测试材料的力学性能，如图9所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为75％，单位体积溃缩吸能效率为220KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为70m。 [0067] 实施例九： [0068] 系统结构如图1-2所示，坡角a为10度(图1-2仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度20m，滚阻系数为0.1，制动床2宽12m，长90m，材料为现场浇筑轻质混凝土(密度为280kg/m3)。待混凝土凝结硬化后，测试材料的力学性能，如图5所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为73％，单位体积溃缩吸能效率为360KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为140m。 [0069] 实施例十： [0070] 系统结构如图1-2所示，坡角a为10度(图1-2仅为结构示意图，并未按照实际坡角绘制，仅供参考结构)，缓冲段长度20m，滚阻系数为0.1，制动床2宽12m，长100m，材料为现场浇筑多孔有机硅(密度为260kg/m3)。测试材料的力学性能，如图7所示，该材料在2MPa范围内的最大压溃度为78％，单位体积溃缩吸能效率为380KJ/m3。经理论计算该系统对质量5×104kg，速度120km/h，车轮总压痕宽1000mm，压痕深度400mm的车辆的拦阻距离为126m。 [0071] 本发明提供的一种基于缓冲吸能材料的车辆拦阻系统的图1-1和图1-2的结构的区别在于，图1-1的制动床2是下沉的；而图1-2的制动床2在路基1上面，并且图1-2的制动床2的前端设有台阶。所述制动床2前端的台阶也可以替换为缓坡结构。在制动床2的前端设置台阶或者缓坡结构，可以提高制动效果。 [0072] 本发明还提供了一种如上述任一项所述的制动床2。 |
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