重大件运输汽车最大爬坡度的计算_李陆勋

第 6 期林业建设· 52 · 水电站建设需要运输主变压器等超重件，主变 压器的重量一般在90～180t，加上运输汽车的自重， 整车重量最大可达270t。原有道路的纵坡能否满足超 重件运输要求，新建的进场道路最大纵坡如何控制 等问题，都需对重大件运输汽车的爬坡能力进行分 析研究才能确定。 1 汽车行驶平衡方程 汽车上坡能力用最大爬坡度imax 表示。最大爬 坡度，是指汽车满载时，以Ⅰ档在良好路面所能爬 上的坡度。它是载货汽车动力性的评价指标。它代 表了汽车的极限爬坡能力。汽车的动力性是由汽车 纵向受力条件所决定的。在汽车行驶纵向作用有各 种外力，包括驱动力和其它行驶阻力。建立汽车行 驶平衡方程式，就可利用受力关系，确定汽车的最 大爬坡度。 图1 汽车驱动力示意图 汽车行驶方程式为 Ft=Ff+Fi+Fw+Fj (1) 式中：Ft —— 汽车的驱动力； Ff —— 汽车滚动阻力； Fi —— 汽车的坡道阻力； Fw —— 空气阻力； Fj —— 汽车的加速阻力。 汽车在水平道路上等速行驶时，只需要克服地 面滚动阻力Ff和空气阻力Fw。当汽车上坡行驶时，需 要克服重力沿着坡道的分力，即坡道阻力Fi。汽车加 速行驶时,还需要克服加速惯性阻力，即加速阻力Fj。 只要汽车在运动，滚动阻力和空气阻力就存在； 而坡道阻力和加速阻力仅在一定的行驶条件下才存 在。等速行驶时，就没有加速阻力Fj；在平直道路上 行驶时，坡道阻力Fi就不存在。 重大件运输全挂列车最大爬坡度以运输的最重 件作为控制，并考虑单机牵引、双机牵引两种状况。 全挂列车行驶速度一般为5～10km/h，速度较低，通 常选择路面干燥时运输，运输时可视为等速行驶， 因此为便于计算，分析全挂列车最大爬坡度时不考 虑空气阻力Fw和加速阻力Fj，即汽车行驶方程简化为： Ft=Ff+Fi (2) 2 汽车驱动力 汽车驱动力Ft是发动机曲轴输出转矩经离合器、 变速器（包括分动器）、传动轴、主减速器、差速 器、半轴（及轮边减速器）传递至车轮作用于路面 的力Fo ，而由路面产生作用于车轮圆周上切向反作 用力Ft。如果忽略轮胎和地面的变形，则 式中：Tt —— 传输至驱动轮圆周的转矩； rD —— 车轮动态半径； Ttq —— 汽车发动机输出转矩； ig —— 变速器传动比； io —— 主减速器传动比； ηT —— 汽车传动系机械效率。 上述参数中，汽车发动机转矩（扭矩）Ttq、变速 器传动比ig、主减速器传动比io、汽车传动系机械效 重大件运输汽车最大爬坡度的计算 李陆勋 （国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明 650216） 在水电站进场道路规划设计阶段以及重大件运输前，需要分析计算相关道路的适应性和通过性。本文针对公路纵坡 问题,对重大件运输汽车的爬坡能力进行了研究,利用汽车行驶平衡方程推导了汽车最大爬坡度计算，并进行了实例计算。 重大件运输；汽车；最大爬坡度 摘要： 关键词： 收稿日期： 作者简介： Ft= (3) Tt rD Tt=TtqigioηT (4) 李陆勋，男，工程硕士，高级工程师，主要从事公路、桥隧、市政道路的规划咨询设计和管理工作。 2011-10-29 第 6 期 · 53 · 率ηT通常按照牵引车生产厂家提供的数据进行 计算,例如,对于奔驰3850A牵引车,Ttq=2000.628N·m, ig=11.7，io=6，ηT=85%。 3 车轮动态半径 车轮动态半径rD是指车轮承受铅垂载荷和转矩时 的半径，在硬路面上近似与单纯承受铅垂载荷的静 力半径相等，可按经验公式计算： （5） 式中：d —— 轮辋直径（in）； b —— 轮胎宽度(in)； λ —— 轮胎径向变形系数。λ取值：b ≤10，λ＝0；10＜b≤13，λ＝0.05；b＞13，λ＝ 0.10。 4 汽车滚动阻力 汽车滚动阻力Ff按下式计算： （6） 式中：m——汽车质量(kg)； g——重力加速度(m/s2)； α——坡道坡度角； f——车轮滚动阻力系数,其值可参照表1选取。 表1 车轮滚动阻力系数 5 汽车坡道阻力 汽车的坡道阻力Fi是指汽车上坡时，汽车重力沿 着坡道的分力，即： Fi=mgsinα （7） 式中：α—— 坡道坡度角。 6 汽车最大爬坡度 由式（2）、（6）、（7）可得： Ft=fmgcosα+mgsinα =mg(fcosα+sinα) (8) 由三角函数关系可得： fcosα+sinα=√12+f2 sin(α+arctanf) (9) 将（9）式带入（8）式可得： 因此，汽车列车最大爬坡角度αmax为： 汽车列车最大爬坡度imax为： imax=tanαmax (12) 计算汽车列车最大爬坡度时，mg取汽车自重与装 载的货物重量之和，车型一旦选定，货物重量、牵 引车自重就基本确定，关键是平板车自重的确定， 由于平板车单轴重受路面荷载的限制，需要根据货 物重量、轴重来组合轴数，再按轴数计算其自重， 平板车轴数变化，则其自重也相应变化，整车重量 也随之变化。 7 计算实例 金沙江中游各梯级水电站重大件运输时最重件 为主变压器，其重量分别为180、150、142、115、 95t，为便于计算分析和车型选择，最重件分为180t、 142～150t和95～115t 三个运输等级，分析计算时取 各级的最大重量为代表值。计算结果见表2、表3。 表2 单机牵引最大爬坡度计算结果 表3 双机牵引最大爬坡度计算结果 rD=0.0254[——+b(1-λ)] Ff=fmgcosα 路面类型 沥青或混凝土路面（新） 沥青或混凝土路面（磨旧） 碎石路面 卵石路面（平） 卵石路面（坑洼） 压实土路（干燥） 滚动阻力系数 0.010～0.018 0.018～0.020 0.020～0.025 0.035～0.030 0.035～0.050 0.025～0.035 路面类型 压实土路（雨后） 泥泞土路(雨季或解冻期) 干砂 湿砂 结冰路面 压实雪道 滚动阻力系数 0.050～0.150 0.100～0.250 0.100～0.300 0.060～0.150 0.015～0.030 0.030～0.050 =√12+f2 sin(α+arctanf) (10)Ftmg mg√12+f2 Ftαmax=sin 1 arctanf (11) 项 目 牵引车 平板车 牵引车自重 压载重 尼古拉斯平板车自重 载 重 单位 t t t t t N.m 度 ％ 奔弛3850A 14 24 53.7 180 271.7 119377.473 2.998 5.232 45.5 150 233.5 119377.473 3.686 6.442 37.3 115 190.3 119377.473 4.726 8.268 车货总重 mg 计算结果 传输至驱动轮圆周的转矩 Tt 最大爬坡角度α 最大爬坡度 项 目 牵引车 平板车 牵引车自重 压载重 尼古拉斯平板车自重 载 重 单位 t t t t t N.m 度 ％ 奔弛3850A 28 48 车货总重 mg 计算结果 传输至驱动轮圆周的转矩 Tt 最大爬坡角度α 最大爬坡度 53.7 180 309.7 238754.946 6.050 10.600 45.5 150 271.5 238754.946 7.094 12.445 37.3 115 228.3 238754.946 8.596 15.117 重大件运输汽车最大爬坡度的计算李陆勋 d 2 第 6 期林业建设· 54 · 从计算结果可以看出，单机牵引的爬坡度为5. 232％～8.268％，双机牵引爬坡度为10.600％～15. 117％。三级公路最大纵坡达到8％时，基本可以满足 单机牵引的爬坡度要求。 8 结语 分析推导了重大件运输汽车最大爬坡度的计算 公式，可以用于指导重大件运输线路选择、确定进 场道路技术、老路加固改造等工作。 单机牵引时，Ft即为一台牵引车的驱动力；双机 或多机牵引时，Ft为各台牵引车驱动力之和。当处于 弯道上时，牵引车、平板车和牵引杆不在一条直线 上，相互间有偏角，此时的Ft应按牵引车驱动力的分 力计算。 参考文献： [1] 国家林业局昆明勘察设计院. 云南金沙江中游梯级水电 站重大件运输及对外公路规划（2005—2025年）[R]. 2007. [2] JTG B01－2003, 公路工程技术标准[S]. [3] 水利电力部水利水电建设总局. 水利水电组织 设计第一卷施工规划[M]. 北京: 中国水利水电出版 社, 2001: 903－1075，1168－1195. [4] 郭正康. 现代汽车列车设计与使用[M]. 北京: 北京理工大 学出版社, 2006. [5] 高延龄. 汽车运用工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005. 浅埋、富水隧道在开挖过程中，特别在地质条 件复杂的地区，如遇到偏压、断层构造带、裂隙水、 松散围岩等情况时，易出现塌方、地表沉降、初期 支护变形、涌水等现象。现以大格拉隧道为例，就 如何处理浅埋、富水地质条件下发生初期支护变形， 侵入二衬空间进行探讨。 1 概述 大格拉隧道位于云南省怒江州兰坪县石登镇大 格拉村北西约600m，隧道穿越尖峰状山梁，位于澜沧 江左岸邻江陡坡地带。起讫里程为K178+050～ K179+336，全长1286m，隧道净宽8.5m，净高5m，纵 坡为2%，洞门形式进出口均采用削竹式。 1.1 洞内施工情况 至2010年1月27日大格拉隧道出口段已掘进93m， 上台阶已进尺里程K179+336～K179+228，该段为Ⅴ级 围岩，该里程段埋深19m～12m不等。K179+336～ K179+220均属于浅埋地段。尤其在K179+280～K179+230 段埋深仅有12m左右。该浅埋段围岩为山体堆积物， 土质松散。自然地表坡度较陡，山体整体属偏压地 形。隧道渗水严重，围岩遇水软化后极易失稳，洞 身右侧发生明显变形，变形使初期支护已侵入二衬 空间。掌子面右侧发生大半幅塌方，18工字钢被压 弯，焊缝处断开。洞外开挖出了一个隧道弃渣场， 隧道变形后已停工。 1.2 地面沉降滑移情况 至2010年1月27日在隧道覆盖层发现拉伸裂缝， 贯穿裂缝从 K179+320至K179+240，主要裂缝位于右 边线右侧5米左右，大型裂缝宽约2cm，由于裂隙断面 不规则无法尺量深度。隧道轴线和左边线也均有裂 缝发育，中型裂缝宽约1.5cm，深约30cm。K179+290 左右有垂直轴线方向的裂隙发育，小型裂缝宽约1cm， 深约20cm，根据测量观测，地表裂缝还在扩展，扩展 趋势放缓。 根据施工单位提供的变形数据和侵限段沉降收 敛断面图显示：洞内由于初支变形过大，已经造成 初期支护不同程度的侵限。至3月22日，洞内侵限具 体情况为：K179+278段路线右侧侵限6cm、K179+267 段路线右侧侵限16cm、K179+262段路线右侧侵限17cm、 K179+255段路线右侧侵限28cm、K179+245段路线右侧 侵限9cm、K179+240段路线右侧侵限20cm、K179+234 段路线右侧侵限29cm、K179+231段路线右侧侵限34cm、 K179+226段路线右侧侵限8cm。总体数据显示：洞内 近掌子面段及塌方段测点位移略大于近洞门段洞内 测点位移，靠路线右侧位移变形比较大。在隧道暂 停施工后，47天范围内收敛观测位移为8.6cm左右。 2 侵限原因分析 浅埋、富水隧道初期支护大变形处理方案探讨 宋 文 苏克 （国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明 650216） 以大格拉隧道为例，就富水、浅埋、软弱围岩施工过程中隧道初期支护出现较大变形，侵入二衬空间的问题，分析 其产生的具体原因，并提出相应地施工处理措施，以保证结构的稳定和安全。 初期支护；侵限；变形；换拱 摘要： 关键词： 收稿日期： 作者简介：宋文，男，工程师，主要从事公路、隧道、市政工程的设计工作。 2011-08-10