CN109989310B - 自动防回撤钟摆耗能避险车道 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动防回撤钟摆耗能避险车道，包括设置在引道尽头的制动砂床，所述引道上设置有防回撤装置，所述制动砂床通过制动块与设置在路面基础上的钟摆耗能机构相连，所述钟摆耗能机构与速度传感器相连，所述速度传感器的信号输出端与单片机的信号输入端电连接，所述单片机的控制输入端与所述防回撤装置的控制输入端电连接。本发明制动效果好、制动安全性更高，是一种新的设计理念，特别适合于对避险车道制动距离有限制的情况，在山区公路避险车道设计中优势更加明显，具有较为广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及避险车道技术领域，尤其是涉及一种自动防回撤钟摆耗能避险车道。
背景技术
避险车道是一种增设在长陡下坡路段行车道外侧、供速度失控（刹车失灵）的车辆驶离正线、安全减速的专用通道。避险车道主要由引道、制动车道、服务车道以及辅助设施等组成。避险车道的主要作用在于以下两方面：一是使失控车辆从主线中分流，避免对主线车辆造成干扰；二是使失控车辆平稳停车，避免出现人员伤亡，车辆严重损毁的情况。
目前常用的有重力式避险车道和制动砂床式避险车道，分别依靠重力减速和摩擦减速，利用车辆轮胎与制动砂床材料之间的滚动阻力和车辆在上坡时沿车辆行驶方向相反的重力分力使车辆的动能转化为抵抗路面摩擦的热能和重力势能，进而使车辆减速直至完全停止。重力式避险车道在早些年使用较为普遍，通常是利用废弃的道路，设置在平行主线的上坡道上。虽然这种避险车道可以较好地控制车速，但是存在车辆冲出避险车道的可能，而且对于有些车辆还会出现因重力作用返回主线的现象，给主线上正常行驶的车辆带来安全隐患，引发二次交通安全事故，可见，对于重力式避险车道，做好防止车辆回撤等措施显得格外重要。制动砂床式避险车道，主要依靠制动砂床与车轮之间的摩擦力，消耗车辆的动能，其构造简单，但是仅仅凭借摩擦力耗能，制动效果有限，因此常采用两种避险车道相结合的设计方式，即在重力式避险车道上铺设制动砂床，但是，这样的组合式避险车道仍存在车辆返回主线的安全隐患。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种制动距离短、可以有效避免车辆返回主线的自动防回撤钟摆耗能避险车道。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，包括设置在引道尽头的制动砂床，所述引道上设置有防回撤装置，所述制动砂床通过制动块与设置在路面基础上的钟摆耗能机构相连，所述钟摆耗能机构与速度传感器相连，所述速度传感器的信号输出端与单片机的信号输入端电连接，所述单片机的控制输入端与所述防回撤装置的控制输入端电连接。
所述防回撤装置和钟摆耗能机构均为多个。
所述防回撤装置包括埋设在引道内的保护套筒，所述保护套筒的底部设置有电磁铁，保护套筒内设置有与压缩弹簧相连的弹出式档杆，保护套筒开口处铰接有挡板。
所述钟摆耗能机构包括与所述制动块相连的上曲球面块和与路面基础相连的下曲球面块，所述上曲球面块和下曲球面块之间设置有中曲球面块，所述中曲球面块的上凸弧面与上曲球面块、中曲球面块的下凸弧面与下曲球面块均构成滑动配合。
所述上凸弧面和下凸弧面以中曲球面块的中心线对称设置。
所述制动砂床倾斜设置在梯形的制动块上。
所述制动砂床和引道的倾角一致。
所述制动砂床一侧设置有救援车道。
本发明提供的自动防回撤钟摆耗能避险车道，通过设置钟摆耗能机构和与其联动的防回撤装置，既可以使驶入制动砂床的避险车辆通过钟摆式往复运动实现短距离快速耗能，又可以在钟摆耗能机构摆动速度过大时，引发防回撤装置动作，防止车辆回撤引发二次事故。本发明的制动效果好、制动安全性更高，是一种新的设计理念，特别适合于对避险车道制动距离有限制的情况，在山区公路避险车道设计中优势更加明显，具有较为广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的俯视图（不含汽车、引道）。
图3是图1中钟摆耗能机构的结构示意图。
图4是图3中钟摆耗能机构的摆动状态示意图。
图5是图1中防回撤装置的结构示意图。
图6是图5中防回撤装置的弹出状态示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，包括倾角为θ的引道1，引道1尽头设置有斜度相同的制动砂床2，制动砂床1铺设在梯形制动块4的斜面上，矩形制动块4底部则与4-6个钟摆耗能机构5相连。一般地，选用4个钟摆耗能机构5，将其安装在制动块4四角处；当制动块4较长时，在制动块4长边中间位置各增加1个钟摆耗能机构5。
通常情况下，梯形制动块4的重量是车辆重量的3-5倍。如图3、4所示，每个钟摆耗能机构均包括与制动块4相连的上曲球面块5.1和与路面基础相连的下曲球面块5.2，上曲球面块5.1和下曲球面块5.2之间设置有中曲球面块5.3，中曲球面块5.3与上曲球面块5.1相配合的上凸弧面A、以及中曲球面块5.3与下曲球面块5.2相配合的下凸弧面B上分别构成滑动配合，且上凸弧面A和下凸弧面B均以中曲球面块5.3的中心线对称设置（其具体尺寸以上部变形的实际需要为准），使上曲球面块5.1和中曲球面块5.3在车辆进入制动砂床2的情况下，在下曲球面块5.2上沿X方向做水平往复摆动，从而使车辆动能在规定的时间内消耗完毕。即通过钟摆耗能机构5的自身滑动，实现往复摆动，快速耗能。钟摆耗能装置均为双向滑动，既可以满足正常使用状态下的结构变形，还能保证车辆驶入时的滑动耗能。
为了监控上曲球面块5.1和中曲球面块5.3的摆动速度，在一个或多个钟摆耗能机构5上安装速度传感器6，且速度传感器6与设置在引道1上的多个防回撤装置3相连。如图5、6所示，防回撤装置3位于制动砂床2下游，每个防回撤装置3均包括埋设在引道1内的保护套筒3.1，保护套筒3.1的底部安装有电磁铁3.2，保护套筒3.1内安装有弹出式档杆3.4，弹出式档杆3.4下方设置有与保护套筒3.1底壁相连的压缩弹簧3.3，弹出式档杆3.4上方设置有铰接在保护套筒3.1开口处的挡板3.5，档杆3.5的主要作用是保护内部的弹出式档杆3.4，并不阻挡档杆3.4的弹出。速度传感器6采用常规的光电式车速传感器，量程双±1.7g，最高分辨率0.83mg，其信号输出端与单片机的信号输入端电连接，单片机的控制输入端与所述防回撤装置3中电磁铁3.2的控制输入端电连接。正常情况下，档杆3.5覆盖在弹出式档杆3.4上方，使其位于保护套筒3.1内，不影响车辆正常通过；当速度传感器6检测到上曲球面块5.1和中曲球面块5.3的摆动速度过大时，需要对车辆进行阻挡、防止其撤回主路，此时，单片机向电磁铁3.2发出信号，释放对电控档杆3.4的约束，弹出式档杆3.4在压缩弹簧3.3的作用下弹出到引道1路面以上，起到防回撤作用。上述防回撤装置3具有针对性和自动识别性，在正常的使用条件下，由温度收缩等原因引起的钟摆耗能机构5的变形和低速运动，不会触发防回撤装置3工作。为了方便后期救援，在制动砂床2的一侧还设置有救援车道N。
正常情况下，避险车辆首先沿着倾斜引道1向上行驶，在自重作用下开始减速，当车辆继续行驶到达制动砂床2内以后，由于制动砂床2中的材料摩擦系数较高，车辆的动能通过制动砂床2传递给制动块4，根据冲量原理，由于制动块4相对于车辆具有较大的重量，因此，车辆和制动块4结合之后速度显著减小；然后车辆、制动砂床2和制动块4一起向前滑动，整体作用在钟摆耗能机构5上。钟摆耗能机构5的下曲球面块5.2与路面基础固结，上曲球面块5.1的顶部和制动块4固结，因此，上曲球面块5.1和中曲球面块5.3在制动块4的作用下，在下曲球面块5.2上沿着X方向水平往复滑动，且上曲球面块5.1和中曲球面块5.3的摆动方向与制动块4受到的车辆作用力的方向一致。当车速较大时，制动块4与车辆之间会发生相对位移，两者接触面之间也会产生摩擦力。由于钟摆耗能机构5往复摆动，因此，车辆相对接触面行驶过的距离增加，加快了车辆耗能，这一过程会持续到车辆完全停止。当车辆速度过高、导致钟摆耗能机构5的摆动速度达到预设值时，速度传感器6发出信号给单片机，单片机控制电磁铁3.2释放约束吸引力，使弹出式档杆3.4弹出到引道1路面以上防止车辆因自重发生回撤，保证车辆及相关人员的安全。
上述避险车辆的制动过程，可以通过系列物理学的相关公式来表述：
将避险车辆的重量计为M，其在坡道上行驶的时候，重力做负功，车辆速度已经开始减小；假设驶入制动砂床时车速为V，制动块重量m=5M，汽车的冲量传递给下部的制动块，避险车辆和制动块整体成为上部结构，通过砂床的摩擦力，车辆带动砂床和砂床下部连接的制动块m一起运动，汽车的速度减小为，制动块的速度变为/>。
根据动量守恒定律，车辆和制动块的运动速度推算公式为：
根据能量守恒定理：
较之前的行驶速度，车辆速度已经由降低为/>。之后，车辆继续前行，重力和摩擦力同时提供制动力，根据能量守恒原理，车辆的能量全部由重力和摩擦力做功抵消，即
通过上式可以看出，车辆能量是一个定值，重力做功与车辆行驶的高度H有关，也是一个定值，剩下摩擦力所做的功是确定的，意味着是一个确定的值，即是说车辆与接触面的相对行驶距离不会发生改变。
可见，根据上述制动原理，本发明通过钟摆耗能机构的往复摆动，使得车辆和接触面之间的摩擦次数增多，在相同的时间内，车辆行驶过的相对路程增加，加快了车辆的能量消耗。也就是说，通过设置钟摆耗能机构，减小了车辆相对地面的绝对运动距离，即减小了制动距离。同时，当车速较高、钟摆耗能机构的摆动速度过快时，与其关联的防回撤装置可自动工作，充分避免车辆因重力回撤到主道上引发安全事故。
Claims (6)
1.一种自动防回撤钟摆耗能避险车道，包括设置在引道（1）尽头的制动砂床（2），其特征在于：所述引道（1）上设置有防回撤装置（3），所述制动砂床（2）通过制动块（4）与设置在路面基础上的钟摆耗能机构（5）相连，所述钟摆耗能机构（5）与速度传感器（6）相连，所述速度传感器（6）的信号输出端与单片机的信号输入端电连接，所述单片机的控制输入端与所述防回撤装置（3）的控制输入端电连接；
所述防回撤装置（3）包括埋设在引道（1）内的保护套筒（3.1），所述保护套筒（3.1）的底部设置有电磁铁（3.2），保护套筒（3.1）内设置有与压缩弹簧（3.3）相连的弹出式挡杆（3.4），保护套筒（3.1）开口处铰接有挡板（3.5）；
所述钟摆耗能机构（5）包括与所述制动块（4）相连的上曲球面块（5.1）和与路面基础相连的下曲球面块（5.2），所述上曲球面块（5.1）和下曲球面块（5.2）之间设置有中曲球面块（5.3），所述中曲球面块（5.3）的上凸弧面与上曲球面块（5.1）、中曲球面块（5.3）的下凸弧面与下曲球面块（5.2）均构成滑动配合。
2.根据权利要求1所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，其特征在于：所述防回撤装置（3）和钟摆耗能机构（5）均为多个。
3.根据权利要求1所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，其特征在于：所述上凸弧面和下凸弧面以中曲球面块（5.3）的中心线对称设置。
4.根据权利要求1所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，其特征在于：所述制动砂床（2）倾斜设置在梯形的制动块（4）上。
5.根据权利要求4所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，其特征在于：所述制动砂床（2）和引道（1）的倾角一致。
6.根据权利要求1所述的自动防回撤钟摆耗能避险车道，其特征在于：所述制动砂床（2）一侧设置有救援车道。
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