坡道设计

坡道设计（精选9篇）

坡道设计 篇1

摘要：对于地下停车库, 坡道是主要的垂直运输设施, 也是通往地面很重要的一个渠道。本文通过对某工程主体结构外侧汽车坡道处支护结构设计的优选, 简要说明在进行类似工程的施工中如何从支护结构的安全、经济和环保等方面的进行分析。

关键词：汽车坡道,基坑支护

1 现场概况

拟建场区地处交通要塞, 人流量大。南侧为前门西大街, 距规划红线约70m, 北侧距规划红线约15m, 东西两侧均为市政道路, 相距分别为30m和65m。场区内自然地面与±0.000等高 (±0.000对应的绝对标高为45.800m) 。基坑开挖深度为11.32m和14.61m。基坑东西长约225m, 南北宽约100m, 基坑的开挖面积较大。拟建筑工程地上七层, 地下两层。

2 工程地质条件

根据勘察报告, 本工程土层按成因类型、沉积年代初步划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层三大类。按岩性和工程特性暂划分为5个大层及亚层, 现简述如下:

表层为人工堆积的厚度为6.30～9.70m的房渣土、碎石填土 (1) 层, 粉质粘土填土、粘质粉土填土 (1) 1层, 细砂填土 (1) 2层及淤泥质土填土 (1) 3层;

人工堆积层以下为新近沉积的砂质粉土、粘质粉土 (2) 层, 细砂、粉砂 (2) 1层。

新近沉积层以下为第四纪沉积的卵石、圆砾 (3) 层及细砂、中砂 (3) 1层;粉质粘土、重粉质粘土 (4) 层, 粘质粉土、砂质粉土 (4) 1层, 粘土、重粉质粘土 (4) 2层及粉砂、细砂 (4) 3层;卵石 (5) 层及细砂、中砂 (5) 1层。

3 水文地质条件

根据阶段勘察报告, 有3层地下水, 地下水类型及实测的地下水位情况参见表1。

拟建场区1959年最高地下水位标高为41.10m左右, 近3~5年最高地下水位标高为3 2.1 0 m左右 (不含上层滞水) 。地下水水质对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。

4 汽车坡道处的支护方案的比选

坡道在地下停车库中的位置, 取决于库内水平交通的组织情况和地下与地面之间的交通联系。概括起来, 基本上有两种情况, 在主体建筑之内和在主体建筑之外。

本工程西南角处的汽车坡道位于主体结构外侧 (详见图1) 。该坡道驶出地面部分深度相对较浅, 支护结构可采用放坡, 然后面层喷射混凝土即可。与主体结构相邻的部位因深度相对较深, 需进行进一步支护结构的设计 (该部分也是本文所要探讨的内容) 。根据现场情况, 其可采取如下的两种支护结构。

方案一

采用桩锚支护结构将汽车坡道全部包含进支护结构内 (详见支护平结构面图2和剖面图3) 。

采用该支护方案, 其整体的安全性较好。汽车坡道可与主体结构同时施工。坡道的南半部分在施工至坡道口时, 需将3根护坡桩破除至坡道底板标高。

方案二

在主体结构外侧存在汽车坡道时, 坡道一般不与主体结构同时施工。待主体结构施工到一定程度时 (一般是施工到±0.0 0) , 再进行汽车坡道的施工。据此, 支护结构可主要分为前后两个阶段。

第一阶段采用桩锚支护结构。此阶段不考虑汽车坡道的位置, 只沿主体结构外墙布置护坡桩。桩锚支护结构的参数与方案一完全相同。待主体结构施工至±0.00 (其主要按照主体结构施工的安排) , 沿着汽车坡道的坡度将护坡桩破碎至坡道底标高以下0.50m。将破碎后的护坡桩按照冠梁的方法进行施工。在土方开挖及护坡桩破碎的同时, 进行第二阶段支护结构的施工。

第二阶段采用土钉墙支护结构。土钉墙坡度为1:0.49 (详见土钉墙支护平面图4和剖面图5) 。

由于拟建场区上部回填土层较厚, 其直接影响到土钉成孔, 若采用土钉墙支护, 就可能出现土钉长度不满足设计的要求。此外, 根据勘察报告显示, 整个基坑的上层滞水较丰富, 水的作用将大大的影响支护的质量。考虑到本工程地处交通要塞, 人流量大, 本着保证安全的原则, 此处采用方案一桩锚支护结构较为合理。

4.1 工程造价方面比较

方案一:

坡道包入护坡桩支护结构内, 其工程总造价见下表2。

方案二:

坡道不包入护坡桩支护结构内, 其工程总造价见下表3。

采用方案二比方案一高出53031元。该高出部分只占整个工程造价的很小一部分, 可以忽略不计。但是, 经济性方面还应考虑工期因素, 要分析工期提前或滞后对整个工程的影响, 经济效益要进行综合分析确定。

4.2 施工方面比较

方案二, 在第二阶段施工时, 需要破碎第一阶段施工完毕的护坡桩。由于此时主体结构的外墙已施工完成一部分, 采用机械破碎护坡桩时, 一定程度上增加了成品保护的难度。对于施工土钉墙, 由于该汽车坡道的宽度仅为5.10m, 该距离不能满足大型挖掘机所需的工作面。采用小型挖掘机能够开挖该处的土方, 但其效率将受到严格的限制, 大大影响其施工的进程。因此, 从此方面考虑, 选用方案一较为合理。

同时, 本工程地理位置比较特殊, 其对环境的要求极为苛刻, 而土方是产生污染的主要来源, 因而, 从文明施工角度考虑, 尽量在前期就将土方施工完毕最为合理, 最好不要形成二次施工。

综上, 从支护设计、造价和施工三方面作比较后可知, 方案一比方案二更合理, 更经济, 更宜于施工。

5 结语

工程上所采用的支护系统首先在理论上应是合理的、实际应用上是可行的。在选择支护体系时, 应对施工场地、施工工期等各影响因素进行综合考虑, 选出适合工程的最佳施工方案。

参考文献

[1]建筑基坑支护技术规程 (JGJ120-99) [S].北京:中国建筑工业出版社

[2]建筑边坡工程技术规范 (GB50330-2002) [S].北京:中国建筑工业出版社

[3]建筑地基基础设计规范 (GB50007-2002) [S].北京:中国建筑工业出版社

[4]尉希成, 周美玲.支挡结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社.2004.

[5]刘建航, 侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社.1997.

坡道设计 篇2

车库坡道雨棚 制作安装合同

工程名称： 福海国际商住楼-车库坡道雨棚

发包方： 青岛三明圆置业有限公司

承包方：青岛同春装饰有限公司

2018年 6 月

车库雨棚制作安装合同

需方（以下简称甲方）：青岛三明圆置业有限公司 供方（以下简称乙方）：青岛同春装饰有限公司

根据《中华人民共和国合同法》及相关法律、法规，经甲乙双方协商一致签订本合同。第一条、工程概况：

1、工 程 名 称： 福海国际商住楼-车库坡道雨棚

2、工 程 地 点： 即墨区鹤山路369号 第二条、材质要求：

1、严格按照国家规范及省市相关要求制作，并上报施工组织设计。

2、立柱、钢梁为 H型钢4*6*3方管，面层为氟碳漆。

3、雨棚顶面及侧面为5mmPC板夹胶钢化玻璃。

4、不锈钢驳接爪未220系列304不锈钢。

5、密封胶：中性结构胶、耐候胶（白色）。

注:工程所需材料及附件均满足国家规定的有关规范标准要求，并提供相应资料。第三条、进场时间及工期：

1、进场时间暂定为2018年6月11日（具体进场时间以甲方下发通知单为准）。完工时间暂定为2018年6月30日（具体以开发商与分包方所确认进度计划为准）。

2、工期19日历天（含交叉作业停工日）。第四条、技术质量标准：

1、技术质量标准：乙方所提供的H型钢、钢化玻璃产品必须按约定的技术标准、技术规范及国家、行业现的相关标准供货。合同履行期间，如国家行业颁布新的技术规范和技术标准，按新的标准执行。

2、技术质量标准须遵照招标文件、施工图纸要求执行。第五条、合同价款：

1、本合同采用施工图纸范围内固定总价合同，合同总价为人民币￥ 55000 元，（大写: 伍万伍仟元整）含税费发票，合同不含税金额大写：肆万柒仟肆佰壹拾叁元柒角玖分（小写金额47413.79元），税额大写：柒仟伍佰捌拾陆元贰角壹分（小写：7586.21）元。

双方已对图纸工程量核对完毕（见明细附表）。一次性包死。

2、合同总价组成：包括但不限于雨棚二次深化设计、原材料采购、制作加工、安装、保修、成品保护费、安全、文明施工措施费、资料归档、规费及施工管理费、利润等所有的工作内容所需的费用，施工配合费已由建设方支付给主体施工单位，乙方不用另外给主体施工单位支付配合费。乙方不得以任何理由在任何时候向发包方提出任何调整费用的要求，也不得以任何理由要求增加任何费用。

3、合同总价包括乙方应当意识到的以下各种价格风险因素：

（1）合同履行期间国家、地方法律、行政法规和相关政策调整影响合同价款因素；（2）材料设备等物价上涨因素；

（3）工程造价管理部门公布的价格调整因素；（4）其他影响合同价款上涨因素； 第六条、结算依据及标准：

1、本合同为固定总价合同，除设计变更之外的原因所造成工程量增减而影响造价的情形一律不做调整。

2、乙方不支付总包服务费等其他费用； 第七条、甲乙双方责任

1、甲方责任：

（1）甲方负责选定乙方的产品系列及颜色色号，并负责审核确认设计方案，会同有关人员对设计图纸进行会签。

（2）提供乙方产品的存放场地，产品由乙方自行保管。

（3）乙方安装队入场后，甲方负责安排乙方用电接驳点，施工电费自行承担。

（4）乙方的一切物品进场后，不经建设单位负责人同意，任何单位及个人不能随意带出现场。

（5）按时组织工程验收。

2、乙方责任:（1）合同正式签订后在规定时间内要提供全部产品的设计方案及施工方案以备甲方确认，并提供营业执照、资质证书，安全生产许可证及相关备案手续。

（2）凡是现场人员对甲方的承诺均应以书面形式确认，口头承诺无效。（3）乙方进场后必须听从甲方指挥。

坡道设计 篇3

1 双跑坡道特点分析

1.1 双跑坡道

双跑坡道是双跑折反式疏散坡道的简称, 是用来连接不同标高楼层而设置的坡道, 即与楼梯一样作为楼层间竖向交通工具来使用, 如图1所示。

1.2 双跑坡道优点

双跑坡道作为一种垂直交通设施与楼梯相比, 具有坡度平缓、通行省力、方便安全和流量较大等优点, 特别是其坡面平坦, 对行动能力弱的幼儿、中小学生是适宜的登高设施。

1.3 国内教学建筑采用双跑坡道设计应用实例

教学建筑疏散设计中采用双跑坡道在国内已有应用实例, 如北京市昌平区回龙观小学教学楼、北京西城区旧城保护定向安置房二期项目18班幼儿园、北川中学教学楼、北川羌族自治县职业中学理论教学楼、安徽省蚌埠市第二中学综合教学楼均采用双跑坡道替代疏散楼梯, 应用举例见表1。

2 教学建筑疏散设计引入双跑坡道的可行性

2.1 教学建筑双跑坡道的使用情况分析

选取两个国内采用双跑坡道设计的教学建筑应用实例, 通过实地对使用者的问卷调查、双跑坡道和疏散楼梯使用情况的人流量统计、疏散演练速度测试等方法, 分析得出双跑坡道和疏散楼梯的使用率和疏散效率。

2.1.1 使用者选择双跑坡道或疏散楼梯的比例

随机选取两个班发放问卷, 对平时和紧急两种情况下, 学生选择双跑坡道或是楼梯进行调查, 见表2。统计结果显示, 学生平时和紧急时均偏向选择坡道作为垂直疏散路径, 而且在紧急情况下, 更加偏向选择坡道。

2.1.2 使用者选择双跑坡道或疏散楼梯的疏散速度

模拟火灾条件下的人员疏散, 组织同一组学生分别通过双跑坡道和疏散楼梯进行疏散, 统计全体人员安全疏散至室外所用的时间, 通过计时得出不同疏散路径的疏散效率, 可以从表3看出, 双跑坡道疏散速度低于疏散楼梯的疏散速度。

2.2 现行国家消防技术标准对双跑坡道可否应用于疏散设计无明确规定

GB 50016-2006《建筑设计防火规范》第2.0.17条对安全出口定义为“供人员安全疏散用的楼梯间、室外楼梯的出入口或直通室内外安全区域的出口”, 由于坡道不具有台阶、踏步, 有别于疏散楼梯, 因此可否作为安全出口使用存在一定争议。

2.3 教学建筑疏散设计引入双跑坡道的可行性分析

由于国内建筑设计长期考虑经济因素, 双跑坡道在相同高差下比楼梯占用较多的面积和长度, 平面布置的局限性也较大, 所以除特殊要求外很少采用坡道设计, 人们对它在安全疏散方面的作用少有研究。近年来, 随着社会发展进步, 经济条件允许为幼儿、中小学生的教学建筑提供更为方便安全的通行设施。幼儿和中小学生的行动经常是群体行动, 对这一特殊人群来说, 楼梯、台阶、转角等都会成为伤害他们的“障碍物”, 特别是在楼梯或有台阶的道路处易发生踩踏事故, 而坡道作为一种竖向交通设施, 设计人性化且符合儿童心理特点, 其坡度舒缓、道面平坦、走行便利安全和通过流量较大的特点, 可以消除紧急疏散时发生踩踏的隐患, 其承担紧急疏散优势是显而易见的 (见图2) 。

坡道适合人员疏散困难或人流集中的低、多层建筑, 所以在教学建筑疏散设计引入双跑坡道的设计思路更加受到设计人员的关注。随着公共设施的增多, 坡道也将更多地被采用, 如何提高教学建筑中以坡道作为紧急疏散设施的可靠性和有效性, 是疏散设计中必须重视的课题。

笔者认为, 在合理设计双跑坡道, 确保安全性能的情况下, 教学建筑疏散设计引入双跑坡道的设计思路和实际使用安全效果满足规范要求, 能够解决教学建筑安全疏散问题, 设计是可行的。对于教学建筑, 适当采用坡道解决垂直安全疏散问题, 在设计具体操作中除了结合建筑特点、功能需要和建筑造型, 从整体出发进行统一构思外, 还应注意以下几点。

3 教学建筑疏散设计引入双跑坡道的设计要点

3.1 安全出口中所占的比例控制

在建筑平面设计中, 宜尽量使坡道配合其他疏散设施和安全出口构成完善的疏散流线。平面安全疏散设计的基本原则是两个出口、双向疏散, 双跑坡道可配合楼梯来达到这一要求, 国内设计实例都是由疏散楼梯和坡道共同构成双向疏散条件的, 从表1可以看出, 双跑坡道在安全出口中所占的比例不宜超过50%。

3.2 坡道的平面布置

平面设计中宜将坡道靠外墙设置或独立于建筑平面布置, 有利于坡道间得到直接自然采光和通风, 并可在底层直通室外地坪, 同时这样的布局还有利于外部救援行动的实施, 使疏散更为安全可靠。温暖地区的建筑物还可采取开敞式坡道间的形式, 既节省又安全。

3.3 坡道之间不宜设置隔墙

GB 50099-2011《中小学校设计规范》第8.7.8条要求“中小学校的楼梯两相邻梯段间不得设置遮挡视线的隔墙”, 目的是增强上下楼人流对疏散方向的观察能力, 避免在疏散方向产生拥堵和踩踏事故的发生, 双跑坡道也应参照该条规范要求, 在坡道两相邻坡段间不设遮挡视线的隔墙, 或在两相邻坡段间隔墙上开设洞口以增强疏散人流的观察能力。

3.4 坡道的坡度控制

坡道的坡度不宜过大, 否则会让通过坡道疏散的上行人员增加体力支出、降低通行能力, 对下行人员会产生重心前移的影响, 增大跌倒的几率。所以, 参照《中小学校设计规范》对走道坡度的要求, 双跑坡道的坡度不应大于1∶8, 不宜小于1∶12。

3.5 坡道间的封闭

超过两层的教学建筑采用双跑坡道时应用建筑构配件将坡道与相邻空间进行分隔, 防止火灾时烟和热气进入。在工程实际中参照封闭楼梯间的防火要求, 即“人员密集的公共建筑通向楼梯间的门应采用乙级防火门, 并应向疏散方向开启”, 在坡道间入口处采用乙级防火门分隔;GB 50016-2006《建筑设计防火规范》第7.4.2还规定“封闭楼梯间除楼梯间的门之外, 楼梯间的内墙上不应开设其他门窗洞口”, 所以坡道间与相邻空间不应开设连通的孔洞, 在确有困难的情况下, 坡道间开设与相邻空间连通的孔洞时应采用高于坡道间墙体耐火极限2.00h的A类固定式隔热防火窗 (耐火隔热性≥2.00h, 且耐火完整性≥2.00h) 进行分隔。

3.6 坡道的防滑

受调查学生在问卷调查中对坡道设计提出有益建议, 特别是坡道应增强防滑措施的建议多次出现, 设计人员应重视并在设计中实现防滑措施, 避免疏散人员在坡道上滑倒隐患的出现。

摘要：分析双跑坡道的特点、优势和应用实例, 采取问卷调查的形式, 统计疏散人群在不同情况下选择使用双跑坡道和疏散楼梯的人流量, 对两种疏散通道的疏散时间和疏散安全性进行对比, 论证疏散设计中引入双跑坡道的可行性, 提出了双跑坡道在实际应用中应注意的设计要点。

关键词：坡道,疏散,教学楼,建筑防火

参考文献

[1]赵一鹤.坡道用于多层住宅的探讨[J].建筑学报, 1978, (3) :30.

[2]王亮, 李龙.坡道在建筑空间中的发展及启示[J].建筑知识:学术刊, 2014, (4) :30-31.

[3]安庆新.建筑坡道—不容忽视的垂直疏散设施[J].华中建筑, 2004, 22 (1) :61-63.

[4]GB 50016-2005, 建筑设计防火规范[S].

[5]周天邑.连续坡道构成[J].华中建筑, 2009, 27 (1) :31-33.

[6]川冈田光正.建筑消防实例[M].慕春暖, 译.天津:天津科技出版社, 1992.

[7]安庆新.论建筑被动防火设计的主动化[D].天津:天津大学, 1999.

[8]程光.坡道在建筑空间中的应用研究[D].大连:大连理工大学, 2008.

[9]GB 50099-2011, 中小学校设计规范[S].

坡道起步实用技术篇 篇4

坡道起步是个技术活！白金长老结合自己的经验和大家交流，欢迎老鸟多

提宝贵意见！

首先应该体会出来何时应该松手刹或者脚刹起步，这需要好好体会下面三个因

素即可：

1、声音：发动机和刹车盘发出的声音（闹市区不适合）：慢松离合（或辅助油

门）听着发动机发出

发闷的声音或刹车盘发出的声音即可松手刹或脚刹起步，但注意不要突然全部松

开，应该慢点；

2、震动：屁股和背部的震动感觉，如果感觉车有震动传递过来即可按上述方法

松脚刹或手刹；

3、视觉：观察车头前方与路面，看到车头开始翘起，即可按上述方法松脚刹或

手刹（这是最常用 的判别方法！）；

需要注意的问题：

1、如果坡度小、载重小，不需带油门。因为松手刹瞬间会有很大向前的作用力，不会溜车，松手刹

后接着跟上油门即可；

2、如果坡度大或载重大，需要在松离合的同时带点油门；

3、根据三个因素起步成功后，不要突然松离合，应该据起步动力和速度，慢松

离合或者调整油门；

4、如果新手建议手刹；如果在闹市区频繁停车起步，熟练以后可采用脚刹！

5、另外，换挡出现顿挫感或明显减速，特别1到2，2到3明显！

克服这个现象应该这样做：比方1挡起步后，油门要保持平稳地加，在车达到匀

速状态，慢点松开油

门，稍微慢点踩下离合换挡，即可克服顿挫和明显减速的问题！如果你在大油门

“加速”状态，快速

踩下离合就要出现明显顿挫和减速现象！

7、上陡坡一定要及时减挡，以免脱挡熄火！

8、半联动不但1挡用，2挡也常用，比方坑坑洼洼、弯、坡道、上坡，停停、走走等情况，经常需要

半联动配合油门控制车速！

斜坡道开拓技术及应用 篇5

近几十年来, 由于环境污染的日益严重, 使得世界各地的天气急剧恶化。对于矿井而言, 它们的产出能力基本上能够满足人们的需求, 但是其抵御恶劣气候及自然灾害的能力确属一般, 如何抢险救援和安全避灾已经成为矿井生产的重要部分。首先要做的就是建立矿井安全通道, 较好的安全通道可以有效地保障矿工的安全, 有利于煤矿企业的稳定发展。在煤矿开拓的过程中, 斜坡道开拓技术越来越受到人们的关注, 开始越来越多地应用到煤矿开拓的过程中。

从20世纪70年代初开始, 斜坡道开拓技术就已经被应用到矿井开拓中。国外更是很早就开始采用这种技术, 美国、日本、芬兰、法国等发达国家在80年代末时, 就已经把斜坡道开拓技术应用到400 m深的矿床中了。加拿大在90年代初, 成功地将斜坡道开拓技术应用到深度为544 m的基德克里克铜矿中了, 斜坡道开拓技术主要应用于三种情况, 如图1所示, 分别是:在已有的提升运输系统下向深部发展;露天转地下;深埋较浅的新矿床。

注:a—在已有的提升运输系统下向深部发展;b—露天转地下;c—埋深较浅的新矿床。

1 斜坡道的介绍

斜坡道的参数包括多个方面, 主要的参数有坡度、曲率半径和断面尺寸这三个, 其中最为重要的参数就是坡度。所以, 要采取各种方法来确定煤矿开拓的坡度, 同时还要考虑其他的一些因素, 包括服务年限、无轨自行设备、用途、运输量、作业成本等。通常情况下, 对运输量大和服务年限长的斜坡道, 应该采用较小的坡度;对于运输量小和服务年限短的斜坡道, 可以采用较大的坡度, 具体坡度范围如表1所示。斜坡道的类型可以分为螺旋型、直线型和折返型三种, 如图2所示。

所谓的螺旋型斜坡道, 它的路线一般呈现的是扁平椭圆螺旋线, 两端的路线则是缓坡段或水平段, 便于车辆换向或转弯行驶, 其他的路线都是有一定坡度的;直线型斜坡道, 顾名思义, 就是整个坡道均为倾斜直线, 没有任何弯道;折返型斜坡道是由折返段和直线段交替使用所形成的。直线段设置的是倾斜的, 主要用来改变路线高程, 折返段则是略带坡度或水平的, 主要用来改变路线的运动方向, 方便于车辆往返换向运动。

目前, 大多数的矿山和煤矿所采用的是折返型斜坡道, 只有很少的矿区采用了直线型。有的煤矿为了减少煤柱的损失, 也采用了螺旋型。

2 应用斜坡道开拓技术所需的设备

使用斜坡道开拓技术, 自然要有相应的设备与之配套, 在煤矿井下能够应用到斜坡道开拓技术中的设备有:齿轮机车、无轨胶轮车、单轨吊车、卡轨机车等等。

1) 齿轨机车:所选用的动力是低污染防爆性能佳的柴油机, 用液压或机械传动系统, 斜坡轨道系统设置齿轮, 一般情况下适应巷道坡度不超过8°。如果是护垫齿轮卡轨机车或增设卡轨的机车, 巷道坡度可适当加大, 最大坡度可达到12°。

2) 无轨胶轮车:所选用动力是蓄电池或柴油机, 这种轮车不需要铺设轨道, 完全可以自由行驶, 其转弯半径也比较小, 具有多功能、灵活、运量大等优点。比较适合在巷道坡度低于6°的煤层开采中作为矿井辅助运输系统, 有助于从斜井地面或车场大巷到工作面的直接运输。这种运输方式是目前煤矿井下最先进的运输方式, 已经应用到很多特大型煤矿中了。

3) 单轨吊车:单轨吊车具有很多优点, 包括有效利用巷道截面、受巷道底板因素影响小、爬坡能力强、使用巷道表面起伏变化能力强等等。这种吊车所选用的动力系统也是柴油机或蓄电池, 它还可以进入很多条分支岔道, 在巷道底板条件下和巷道坡度低于12°时具有较高的工作效率, 具有从斜井或车场大巷直达输送到工作面的功能。

4) 卡轨机车:这种机车能够适应的巷道坡度不超过8°, 其特点是机动灵活、承载量大、直达运输等等。同时它也可以进入多条分支巷道进行运输, 包括运送设备、材料和人员。

3 斜坡道开拓技术的优缺点分析

主要优点表现在7个方面, 分别是: (1) 不易受到工业场、地形和地质条件等因素的影响, 也不容易受到井筒位置的影响, 可以在整个煤矿广场内进行环形布置; (2) 使用斜坡道开拓技术时, 通常都会布置主井和副井, 还可以运用无轨道自行设备进行斜坡道挖掘, 能够较好地控制斜坡道的深度和长度; (3) 采用无轨自行设备后, 使用过程中比较方便和灵活, 机动性也很强; (4) 减少了矿井生产系统, 所需的环节也大大地减少; (5) 不需要安装提升设备, 也不需要布置相应的地面构筑物, 整个地井口布置过程显得很简单; (6) 机械化程度较高, 可以实现开采、挖掘、装运、卸载一体化工作, 提高了劳动生产率; (7) 无轨设备可以从工作面顺利到达各个井下, 从根本上减少了设备和材料在无轨车和有轨车之间的转换, 减少了设备周转时间, 提高了设备的利用率。

主要缺点表现在两个方面, 分别是: (1) 斜坡工程量大, 虽然采用斜坡道开拓技术具有很多优点, 但是挖掘斜坡道时所耗费的时间和精力却需要很多; (2) 开拓深度受掘进技术和经济因素制约。因为斜坡道的坡度比较小, 一般也就10°左右, 如果开拓深度过深, 斜坡道的长度将会非常长, 这就需要花费更多的费用, 同时对掘进技术也提出了更高的要求。

4 煤矿斜坡道施工方法

煤矿要想应用斜坡道开拓技术, 就得先将斜坡道做好, 这是基本前提, 应用比较多的施工方法有三种, 分别是:综掘机施工、盾构法施工和钻爆法施工。钻爆法施工所需的人力资源较多, 工作环境也比较差, 而且施工速度也较慢, 所以这种方法目前已经很少使用, 现在主流的施工方法还是综掘机施工和盾构法施工这两种。

1) 综掘机施工。这种施工方式的特点是单体锚杆钻机和悬臂式掘进机的联合作业, 所以才称之为综合机械化掘进施工方法, 悬臂式掘进机所起的主要作用就是斜向掘进。就我国而言, 当前已经研制出了20多种型号的掘进机, 截割功率从30 k W到200 k W不等, 在岩石巷道最大也能达到200 m/月的推进速度, 基本上已经形成了系列化产品, 满足不同规模煤矿的需要。

2) 盾构法施工。这是一种全机械化的施工方法, 通过盾构机械来进行推进, 同时再用盾构外壳和管片来对四周岩石进行支撑, 避免隧道内部发生坍塌现象。盾构机械前端安装有切削装置, 同时千斤顶在后面加压顶进, 这样就可以进行土体开挖, 再通过出土机械将泥土运往洞外。盾构机械还安装了预制混凝土管片, 在挖掘推进的过程中就用混凝土将隧道固化, 这种全机械化施工的方法就称之为盾构法施工。使用这种方法进行斜坡道施工具有很多优点, 包括自动化程度高、施工速度快、节省人力、一次成巷、对地面建筑物影响小等等。由此可见, 这种方法会成为未来煤矿建井的主流方法。

目前, 将盾构法应用到煤矿长距离斜井的施工过程中, 还有一些关键的问题没有解决, 我国的学者和专家正在想办法予以解决。比如在2012年, 神华集团公司就在北京召开了该课题可行性论证会。

5 结语

斜坡道开拓技术具有很多优点, 已经被广泛地应用到矿山开采过程中了。这种开拓技术具有机械化程度和自动化程度高的特点, 在很大程度上节约了成本, 增加了开采效率, 促进了经济的发展。所以, 我们煤矿应该尽早应用这种开拓技术, 从而提高煤矿开采的效率, 降低运行成本。

参考文献

[1]付振峰.应用斜坡道开拓法进行煤矿开拓的探讨[J].山东煤炭科技, 2012 (3) :166-167.

[2]马俊生.斜坡道开拓的应用现状极其新进展[J].金属矿山, 2009 (11) :204-205.

[3]常全胜.黑岱沟露天煤矿斜坡道移设步距探讨[J].露天采矿技术, 2006 (3) :31-32.

一种驻车坡道等效测量装置 篇6

1.1 常见的机动车制动性能检验方法

制动性能是保障汽车安全运行、取得预期运行效果的基本使用性能, 驻车制动性能检验是机动车辆检验的重要检验项目。按照相关标准要求, 目前机动车安全性能检测机构及综合性能检测机构对车辆驻车制动性能检测主要有两种方法:一是通过检测线内的“制动检验台”对车辆驻车制动性能进行检验。二是通过标准坡道进行检验。

1.2 坡道检验法

坡道法检验主要是利用车辆停止在规定坡度的坡道上, 由车辆自身重力所产生的向下分力的自然物理原理实现驻车制动定性检验的, 坡道法能够直观地体现车辆的驻车性能, 通常只对无法上线检验的车辆进行。

1.3 坡道检验法的弊端

在现实生活中机动车安检机构大多建在城市的平原地带, 要按现行标准中规定的试验方法进行试验必将通过建设人工坡道来实现检验目的。在建设符合要求的坡道时, 会遇到场地面积的限制, 大多数没有空余场地建设驻车坡道。另外, 对于大轴距、超长车辆的检验必需增设足够长的过渡坡道以防止车辆“拖底”的现象;在大型车辆上、下坡道和驻车检验的过程中还存在着严重的安全隐患。所以多年来形成了机动车驻车制动性能的检验时在“无坡道”的状况下进行的。

1.4 坡道检验法的替代方法

GB 725 8-201 2《机动车安全检验技术条件》中7.10.4规定:“驻车制动性能检验:在空载状态下, 驻车制动装置应能保证机动车在坡度为20% (对总质量为整备质量的1.2倍以下的机动车为15%) 。注2:在不具备试验坡道的情况下, 在用车可参照相关标准使用符合规定的仪器测试驻车制动性能。[1]”此外GB12676-19 99《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中6.14.1条文也规定了“驻车制动静态试验可采用坡道试验或牵引试验之一方法进行”[2]。采用牵引力测量驻车制动性能可将坡道测量方法转换为平坦路面的测量, 为驻车制动性能检验提供一种方便准确的检测手段, 可实现简单易行、节约成本、无须土建、占用场地少的目的。

牵引法驻车制动性能检验主要工作原理是通过牵引力发生装置, 对被检车辆施加一匀速变化的牵引力, 通过测力传感器测得的牵引力结合车辆的总质量, 就可以计算得到国标技术条件中台试检验所要求的驻车制动率和坡道检验所要求的驻车坡度。此外, 由于该方法将测试过程转化为平坦路面测试, 不受车辆轴距长短、重量过重等车辆类型因素的限制, 可覆盖所有车型。

2 机动车驻车制动检验的探索

2.1 理论分析

首先对坡道上的车进行受力分析[3], 把车身在理想位置断开, 分别对车前后两个部分进行受力分析, 受力情况如图1所示。

图1中, G1和G2分别为机动车质重G在前后轴上的压力;P1和P2分别为车身前、后部分的互相作用力, N1和N2分别为坡道前、后轮的支撑力:f1和f2分别为坡道对前、后轮的摩擦力。

假设机动车在坡道上能够可靠停驻, 由于后轮有制动蹄, 因此可以把车后身部分视为不动, 由图1可以看出:

车后身部分所受的力都通过后轴作用在后轮上, 于是再对后轮进行受力分析, 如图2所示, 这里1G′、2G′sinθ分别为1G、2Gsinθ在此轮上的分力。

不难看出, 车轮沿平行坡道方向所受力f1和G1′sinθ+G2′sinθ形成一对力偶, 力偶臂为车轮半径R, 它促使车轮向下运动, 其力偶距为R (G1′sinθ+G2′sinθ) , 而阻止车轮运动的力距为此车轮的制动力矩Mb, 由于车轮静止不动, 根据力矩平衡原理则有:

1-测力传感器;2-测力手轮机构;3-升降手轮机构;4-底座;5-三角架;6-测力蜗杆;7-数据显示装置;8-升降蜗杆;9-钢丝绳, 用于连接被测车辆

同理对另一后轮进行受力分析, 可以得出:

式中, G1′和G2′sinθ分别为G1、G 2 sinθ在此轮上的分力, Mb′为此后轮的制动力矩。将式 (1) 和式 (2) 相加, 可以得到:

接着, 同理对机动车在水平路面, 施加水平牵引力F的情况下进行受力分析, 不难得到:Mb+Mb′=R (F1+F2)

式中, 1F和2F分别为牵引力F在后两轮上的分力, 且:

F1+F2=F

所以有:Mb+Mb′=RF

则可以得到:F=Gsinθ

按照GB7258-2012规定, 现以20%坡度为例, 可以计算得到F的值:

当车辆的驻车制动力大于F时, 车辆就能停留在坡道上;反之, 当车辆的驻车制动力小于F时, 车辆就会下滑。因此, 只有在驻车制动力大于等于F时, 驻车制动力才符合要求[6]。根据原理, 可以将坡道测试转换为平路测试, 避免了坡道测试和台式检验的不足。

2.2 驻车坡道等效测量牵引力装置的设计

根据这个原理, 就可以设计平路的驻车测试方法来替代坡道驻车测试[4~5]。结构图如图3所示。

测试时, 将被测车辆通过钢丝绳与测试仪的测力传感器连接。摇动升降手轮调整测力传感器的高低, 使之与车辆受力点保持在一个水平面上, 以排除因夹角带来的测量误差。通过转动测力手轮给车辆施加拉力, 同时仪表测量并显示此拉力值。当拉力值大于车辆规定的牵引力时, 测试仪发鸣声提示, 此时即停止转动测力手轮。如车辆没有移动, 说明车辆的驻车制动性能合格;如在转动测力手轮给车辆施加拉力的过程中, 尚未达到车辆规定的牵引力时, 车辆已经移动, 说明车辆的驻车制动性能不合格。

2.3 测试结果

根据于浩淼等[6]对该测试装置进行试验和对反力滚筒式制动试验台、试验坡道进行比较, 发现车辆的驻车制动在同一状态时 (原正常运行状态、调松至合格值临界状态和不合格状态) 的测试结果和变化趋势基本一致。驻车制动性能测试装置能较方便地采用牵引力的方法测试各型号车辆的驻车制动力, 包括无法在滚筒反力式制动试验台测试驻车制动力的三轴车、多轴车。对于驻车制动轴 (后轴) 的轴重比前轴的轴重明显轻的小型货车, 在反力滚筒式制动试验台测试后轴制动力时, 易出现误判现象, 而采用驻车制动性能测试仪测量不受此影响, 可以直接得到测试结果。对驻车制动力作用在传动轴上的汽车, 且无法在反力滚筒式制动试验台测试的, 宜用驻车式制动性能测试仪测试。

因此, 在缺乏驻车坡道、无法行驶上驻车坡道的机动车、无法在反力滚筒式制动试验台测试的车辆, 采用驻车式制动性能测试设备测量驻车制动力的方法是完全可行的。

3 结语

根据《机动车运行安全技术条件》 (GB 7258-2012) [1]和《机动车安全检验项目和方法》 (GB 21861-2008) [7]对机动车驻车制动性能检验的要求, 结合《汽车制动系统结构、性能和试验方法》 (GB12676-1999) [2]的规定, 该驻车制动性能检测装置采用牵引力的测试方法, 省却了建设试车坡道的场地和费用, 避免了台式检验的不足, 能够满足各种类型 (包括无法上制动检验台和试车坡道) 机动车的验车要求。整套设备具有使用方便、占地面积小、测量准确和安装方便的特点, 可用于机动车检测机构、事故车辆检验、修理厂等。

参考文献

[1]GB 7258-2012, 机动车安全检验技术条件[S].

[2]GB 12676-1999, 汽车制动系统结构、性能和试验方法[S].

[3]阎小方, 党国军, 熊庆哲.驻车制动力的检验方法分析[J].汽车技术, 1997, 7:50-52.

[4]蒋宇晨, 徐弢, 袁雄鹤.驻车制动性能及装置[P].中国专利:ZL201010137877.7.

[5]吴云强, 秦东炜, 邹永良.平坦路面驻车制动测量方法研究[J].道路交通管理, 2012, 6:44-45.

[6]于浩淼, 徐弢, 高文翔.一种驻车制动性能检验装置的研制[J].自动化仪表, 2011, 32 (12) :72-74.

坡道停车莫忘做好三件事 篇7

一是停车拉紧手刹。手刹也叫驻车制动器, 是停车以后防止车子自行溜动的设备, 新手们通常是起步忘记放手刹, 而停车却忘记拉手刹。对于有一定驾驶经验的人来说, 停车忘拉手刹的就很少了。停车忘记拉手刹是一大忌。因为坡道停车不拉手刹, 即使驾驶员刚离开机车时不溜车, 但机车一旦受到小的扰动, 也会溜车, 其危险不言而喻。另外, 如果停车后驾驶员在车内, 除了要将手刹拉起, 脚还应踩在刹车上。

二是挂挡。尽管机车的手刹通常情况下都能有效制动, 但在一些大坡度坡道上停车, 手刹却未必靠得住。为确保万无一失, 预防手刹失灵, 在停车拉紧手刹的同时再挂上挡, 使齿轮完全咬住, 机车才会真的很难移动。在上坡路段上停车, 应将挡位挂在1挡;在下坡路段停车, 应将挡位挂在倒挡。

三是在轮胎下面垫上三角木、砖头或大石块。在一些极陡峭的斜坡上停车更应如此, 以防万一。

如何在坡道上驾驶农用运输车 篇8

农用运输车在行驶过程中, 常会遇到坡道、路口、桥梁、涵洞和隧道等特别路段。农用运输车在坡道上行驶时, 驾驶员必须根据坡道行车的特点, 根据坡度大小、弯道缓急、路面宽窄和坡度长短, 以及农用运输车的性能和装载情况, 采取恰当的操作方法, 做到转向适度适量, 换挡迅速敏捷, 手脚配合协调, 制动适时合理。如果操作不当, 会使发动机熄火, 甚至造成农用运输车滑溜倒退或车辆失控, 发生交通事故。农用运输车在乡间便道和简易公路的坡道, 特别是在丘陵山地道路的陡坡上行驶时, 应先停车查看坡路陡坦情况, 然后根据实际情况采取恰当的操作方法, 以便顺利通过。

一、上坡

1. 车辆上坡前, 应根据坡度的大小、坡道的曲直及来往车辆情况选择适当的挡位和速度。

当坡道短又不是很陡, 且路面宽阔, 两侧无障碍时, 可利用高速惯性通过;当遇坡道长而陡时, 由于上坡阻力的长时间作用, 车辆的有效牵引力大为削弱, 此时既要利用高速冲坡, 又要及时变换挡位, 不可长时间用高速挡勉强行驶, 也不易使用过低挡位, 使上坡速度过慢。总之, 要保持车辆有充足的动力尽快驶过坡道。

2. 车辆上坡临近坡顶时, 应及时减速和鸣喇叭, 靠右行驶, 并警惕对面来车和来人, 以免发生事故。

傍山险路上坡时, 在不影响会车的情况下, 可在坡道中央行驶, 不应临山谷边缘行驶。通过弯曲车道时, 由于驾驶员的视线受到限制, 必须低速靠右行驶, 并多鸣喇叭, 绝对不允许在弯道上超车。

3. 上坡换挡, 动作要快捷, 并注意各动作的紧密配合, 以免发生车辆停顿、换挡困难, 甚至换不进挡位的现象。

上坡行驶时, 如有两辆同向行驶的车辆, 车距应保持在30 m以上, 以防倒溜车发生危险。

二、下坡

1. 下坡起步。

先踏下离合踏板, 将变速手柄置于Ⅰ挡位置, 松开手制动后, 农用运输车即开始顺坡溜动, 待车辆达到一定速度时, 抬起离合踏板, 传动系统即带动发动机启动。在下坡道路上严禁用高速挡起步, 以免传动系统受到猛烈冲击而损坏。

2. 下坡行驶。

农用运输车在下坡道路上应低速慢行, 严禁空挡滑行。一般情况下在下坡行驶途中不要换挡, 以防农用运输车速度过高失去控制。为了及早控制车速, 当发动机启动后就应轻踏制动, 特别是下坡转弯视线不清, 交通情况不明, 更应将车速控制在随时可以制动停车的状况, 但不可在下坡转弯时使用紧急制动, 以免“横车”而发生事故。下坡行驶如使用制动器时间过长, 会使制动鼓过热, 从而使制动效能降低, 所以应选择适当地点停车休息, 进行“凉刹”, 并趁机进行途中车辆检查, 严禁在高温的制动鼓上泼凉水, 以免引起裂纹和变形。下坡行驶要适当拉开车距, 一般不应小于50 m。

三、坡路停车

农用运输车在坡道上行驶应尽量避免停车, 特别是在坡度较大的坡道上。如确需停车时, 应选好停车地点, 停车地点最好选在路面较宽、不易打滑、视野开阔和容易找到石头塞住车轮的地方, 尽量不要在转弯处或窄狭路面上停车。停车时应将前轮朝向安全的方向。

1. 上坡停车。

农用运输车在上坡途中停车, 选好停车地点后, 如要发动机不熄火停车, 则应先踏下离合踏板, 将变速手柄置于空挡位置, 抬起离合踏板, 等车渐停时, 踏下制动踏板把车停住, 然后拉紧手制动;如需较长时间停车, 则在踏下离合踏板后, 将变速手柄置于Ⅰ挡位置, 抬起离合踏板, 踏下制动踏板, 待发动机熄火后, 拉紧手制动。停车后, 应在农用运输车两后轮的后面塞垫阻滑物, 如三角木、石块、砖块等, 以防车辆下滑。

2. 下坡停车。

坡道设计 篇9

在崎岖月面环境中行驶的月球车,经常会遇到月海、月坑、月脉、月谷、月溪等地貌类型。虽然可通过路径规划设计出一条较平坦的无障碍路线,但那只是避开了大的陨石坑和岩石等,而在行进途中仍可能遇到小的石块、陡坡、月坑等障碍。而对于这些数量较多、尺寸较小的障碍,如果采用避障的方法将会耗费很多的时间与功率(节约能耗对于能源有限的月球车来说是很重要的),这就要求月球车在这种非平坦地形情况下能自动调整行走状态或通过地面遥操作,克服地形障碍,安全地行驶至指定目标点。

在月球车运动控制策略方面,不少学者作了相关方面的研究。例如,Iagnemma等[1]对转向-摇臂式月球车在松软月面中的运动控制进行了系统研究;Ishigami等[2]研究了月球车坡道行驶时运动控制问题;陈世荣[3]对摇杆-转向架式月球车月面通过性能进行了研究;邓宗全等[4]结合摇臂式移动系统的结构特点,对月球车行进于崎岖地形时的协调运动控制进行了研究;葛平淑等[5]对六轮月球车路径跟踪控制进行了研究;孙鹏等[6]对深空探测车可变直径车轮牵引通过性进行了分析。在这些研究中,对月球车坡道行驶过程中运动控制策略的研究甚少。月球车驱动的整体协调控制策略可以确保月球车正常的行驶能力,并且在完成路径跟踪的同时节省能量的消耗,降低车轮、机构的磨损,延长月球车的工作时间。

1 月球车坡道行驶地面力学模型

当月球车在坡道上匀速行驶时,其受力情况如图1所示,FDP为挂钩牵引力,Fn为车轮正压力,G为月球车重力,z为车轮轮轴心的下陷量,ϕ为斜坡倾角。L1、L2分别为质心到前后车轮与月面接触点在坡道方向上的距离,H为质心到坡道的垂直距离,这三个参数可通过确定月球车的质心和姿态得到。根据准静力平衡关系,可得

FDP1+FDP2+FDP3=Gsin ϕ (1)

Fn1+Fn2+Fn3=Gcos ϕ (2)

图2所示为月球车车轮在松软月壤上运动时,车轮与月壤的相互作用模型。其中,T为由驱动器施加在车轮转轴上的扭矩,ω为车轮的角速度,v为车轮轮心转轴处的线速度;θ1为接近角,θ2为离去角,θm表示最大应力点的接近角。θm=(c1+c2s)θ1,其中c1、c2与接触面特性有关,一般情况,取c1≈0.4,0≤c2≤0.3,s为车轮滑转率,车轮与土壤作用区内任意一点的剪应力记为τ,正应力记为σ[7]。

根据Ishigami等[8]在Bekker 承压模型和Wong的承压理论基础上提出的承压改进模型,可获得正应力的计算公式:

$\sigma {}_1(\theta )=r{}^n(\frac{k{}_{\text{c}}}{b}+k{}_{\text{ϕ}})(\cos \theta -\cos \theta {}_1){}^n$ (3)

$\sigma {}_2(\theta )=r{}^n(\frac{k{}_{\text{c}}}{b}+k{}_{\text{ϕ}})(\cos (\theta {}_1-\frac{\theta }{\theta {}_{\text{m}}}(\theta {}_1-\theta {}_{\text{m}}))-\cos \theta {}_1){}^n$ (4)

式中,kc为土壤黏性模量;kϕ为土壤剪切模量;r为轮胎半径;b为轮胎宽度;n为变形指数,通常取值为1。

根据Janosi等[9]的塑性土壤剪切模型,可获得剪应力计算公式:

$\tau (\theta )=(c+\sigma (\theta )\tan \phi )(1-\text{e}{}^{-\frac{r}{k}(\theta {}_1-\theta -(1-s)(\sin \theta {}_1-\sin \theta ))})$ (5)

式中,c为土壤的内聚力;φ为土壤的内摩擦角;k为土壤的剪切变形模量。

根据准静力平衡关系可得:

上述模型未知数多,比较复杂,不便于月球车软土动力学仿真模块程序的编写,需对模型进行简化修正。

Iagnemma等[10]在Vincent研究的基础上,提出以直线代替复杂的应力曲线。另外,一般情况下,θ2很小,几乎为0,为了简化计算,进一步假设θ2=0,这样简化后的应力公式可表示为

$\alpha (\theta )=\{\begin{array}{l}\frac{\theta }{\theta {}_{\text{m}}}\alpha {}_{\text{m}}0\le \theta \le \theta {}_{\text{m}}\\ \frac{\theta {}_1-\theta }{\theta {}_1-\theta {}_{\text{m}}}\alpha {}_{\text{m}}\theta {}_{\text{m}}＜\theta \le \theta {}_1\end{array}$

其中,α(θ)为应力(正应力或剪应力),αm为最大应力(正应力或剪应力)。根据Iagnemma的试验,简化后的正应力与实际正应力误差在9.34%之内,剪应力误差在12.15%之内[10]。

这样就可以得到作用力的简化公式:

$\begin{array}{l}F{}_{\text{n}}=\frac{rb}{\theta {}_{\text{m}}(\theta {}_1-\theta {}_{\text{m}})}[\sigma {}_{\text{m}}(\theta {}_1\cos \theta {}_{\text{m}}-\theta {}_{\text{m}}\cos \theta {}_1-\\ \theta {}_1+\theta {}_{\text{m}})+\tau {}_{\text{m}}(\theta {}_1\sin \theta {}_{\text{m}}-\theta {}_{\text{m}}\sin \theta {}_1)](8)\end{array}$

$\begin{array}{l}F{}_{\text{D}\text{Ρ}}=\frac{rb}{\theta {}_{\text{m}}(\theta {}_1-\theta {}_{\text{m}})}[\tau {}_{\text{m}}(\theta {}_1\cos \theta {}_{\text{m}}-\theta {}_{\text{m}}\cos \theta {}_1-\\ \theta {}_1+\theta {}_{\text{m}})-\sigma {}_{\text{m}}(\theta {}_1\sin \theta {}_{\text{m}}-\theta {}_{\text{m}}\sin \theta {}_1)](9)\end{array}$

其中

$\begin{array}{l}\theta {}_1=\arccos (1-z/r)\\ \theta {}_{\text{m}}=(c{}_1+c{}_{2}s)\arccos (1-z/r)\\ \sigma {}_{\text{m}}=(k{}_1+k{}_{2}b)(r/b){}^n(\cos \theta {}_{\text{m}}-\cos \theta {}_1){}^n\\ \tau {}_{\text{m}}=(c+\sigma {}_{\text{m}}\tan \text{ϕ})(1-\text{e}{}^{-\frac{r}{k}}[\theta {}_1-\\ \theta {}_{\text{m}}-(1-s)(\sin \theta {}_1-\sin \theta {}_{\text{m}})])\end{array}$

可以看出,简化后的力学模型的计算过程变得很简洁,只要测出车轮的最大下陷量z,就可以计算出驱动力和正压力,这样便于月球车软土动力学仿真模块程序的编写。

基于Bekker承压模型,车轮静下陷量z可由下式求得[11]:

$z=[\frac{3W}{(3-n)(k{}_{\text{c}}+bk{}_{\text{ϕ}})\sqrt{2r}}]{}^{\frac{2}{2n+1}}=(\frac{3W}{bk\sqrt{2r}(3-n)}){}^{\frac{2}{2n+1}}$ (10)

式中,W为车轮载荷;$k=\frac{k{}_{\text{c}}}{b}+k{}_{\text{ϕ}}$。

实际上,月球车在爬坡过程中,后面车轮往往行驶在前面车轮形成的车辙中,月面的土壤被“扰动”而发生了明显的变形,使得后续车轮接触的月壤的许多特征将不同于月壤处于未扰动和变形前的特征。很多学者在计算前后车轮沉陷量过程中,往往将前后车轮采用相同的计算方法,忽略了月球车实际行驶状况,因此,本文将月球车行驶过程中前后车轮的沉陷量分开计算。

图3所示是Bekker土壤模型的典型载荷-沉陷关系曲线,该图包含了三段曲线:沉陷量z随着载荷P的增加而增加的加载曲线OA;土壤变形没有完全恢复,从而导致一部分不可恢复的塑性变形曲线OB和可恢复的弹性变形BA′的卸载曲线AB;重复加载后,初始阶段沉陷-压力关系曲线为BA,到达A随后则为曲线AC,如此往复。根据载荷-沉陷关系,月球车行驶过程中,前面车轮的载荷-沉陷关系可用OA段来表示,当月面承受载荷到达A点时,对应的沉陷量的大小为OA′,车轮行驶过后,由于弹性土壤的恢复能力,月面下陷深度为OB段;月球车后面的车轮在前面车轮行驶过的月面上行驶时,相当于一个重复加载的过程,沉陷量随载荷的变化曲线为BA-AC,当载荷到达C点时,对应的沉陷量在E点[12]。

对于前面车轮,采用Bekker沉陷模型进行计算:

${\rm P}=(\frac{k{}_{\text{c}}}{b}+k{}_{\phi })z{}^n$

对于后面车轮的沉陷量计算,应该在原有计算的结果上减去前面车轮的沉陷量,并且还需加上弹性土壤的回弹量:

z2=z′2-z1+ze

式中,z2为后面车轮实际沉陷量;z′2为后轮修正前沉陷量;z1为前面车轮沉陷量;ze为土壤的回弹量。

如果后轮重复加载所施加的压力在BA段,则后轮的沉陷量可以通过近似直线的AB段方程来进行计算,AB段直线方程为

P=PA-kAB(zA-z)

则沉陷量可表示为

$z=z{}_A-\frac{k{}_{AB}}{{\rm P}{}_A}$

式中,zA为A点即前面车轮对应的沉陷量;kAB为直线AB的斜率,可以通过试验测得;PA为A点即前面车轮对应的载荷。

综上所述,修正后月球车后面车轮的沉陷量可表示为

这样月球车坡道行驶地面力学模型就可以表示为

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{i=1}^{3}F}{}_{\text{D}\text{Ρ}i}={\displaystyle \sum _{i=1}^3\frac{rb}{\theta {}_{\text{m}i}(\theta {}_{1i}-\theta {}_{\text{m}i})}}[\tau {}_{\text{m}i}(\theta {}_{1i}\cos \theta {}_{\text{m}i}-\theta {}_{\text{m}i}\cos \theta {}_{1i}-\\ \theta {}_{1i}+\theta {}_{\text{m}i})-\sigma {}_{\text{m}i}(\theta {}_{1i}\sin \theta {}_{\text{m}i}-\theta {}_{\text{m}i}\sin \theta {}_{1i})]=G\sin \phi (12)\end{array}$

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{i=1}^{3}F}{}_{\text{n}i}={\displaystyle \sum _{i=1}^3\frac{rb}{\theta {}_{\text{m}i}(\theta {}_{1i}-\theta {}_{\text{m}i})}}[\sigma {}_{\text{m}i}(\theta {}_{1i}\cos \theta {}_{\text{m}i}-\theta {}_{\text{m}i}\cos \theta {}_{1i}-\\ \theta {}_{1i}+\theta {}_{\text{m}i})+\tau {}_{\text{m}i}(\theta {}_{1i}\sin \theta {}_{\text{m}i}-\theta {}_{\text{m}i}\sin \theta {}_{1i})]=G\cos \phi (13)\end{array}$

2 月球车坡道行驶运动控制策略

月球车在坡道上行驶时,其运动控制策略主要是考虑其坡道通过性能和驱动效率。月球车无法通过坡道主要原因是车轮牵引能力不足或者悬架失稳使车体发生倾翻。一般选取月球车所能通过的最大坡道的坡度角ϕmax作为其通过性能的评价指标,当坡度角大于ϕmax时,采取的运动控制策略是避障。当坡度角小于ϕmax时,说明月球车有足够的驱动力爬上坡道,但由于月球车的能源是有限的,为保证月球车系统的能耗最小,应尽可能提高驱动效率,因此采取的运动控制策略是应尽可能在最高驱动效率下运动。

2.1 月球车坡道行驶通过性分析及其运动控制策略

2.1.1 坡道牵引通过性

月球车坡道牵引通过性是指在驱动电机功率足够的情况下,月球车的车轮能产生足够的牵引力来克服坡道阻力以通过坡道的能力。

当月球车在坡道上匀速行驶时,若车轮运动产生的切向力为FT,滚动阻力为FR,则车轮牵引力FDP可表示为

FDP=FT-FR

当驱动电机功率足够时,车轮牵引力主要取决于车轮与路面的附着情况。假定月球车在月面上的最大附着系数为μ,滚动阻力系数为f,则

FT≤Fnμ

FR≤Fnf

FDP=FT-FR≤Fn(μ-f)

FDP1+FDP2+FDP3≤(Fn1+Fn2+Fn3)(μ-f) (14)

将式(1)、式(2)代入式(14),可得

Gsinϕ≤Gcosϕ(μ-f)

tanϕ≤(μ-f)

ϕ≤arctan(μ-f) (15)

由于月球表面引力较小而且地面松软、遍布灰尘,故可认为月球车在月面上的最大附着系数应该达到0.6～0.7,而滚动阻力系数较小,一般为0.2～0.3,这里取μ=0.6,f=0.2,代入式(15),可求得月球车爬坡角度应满足:ϕ≤21.8°。

2.1.2 坡道倾翻稳定性

月球车坡道倾翻稳定性是指在路面附着条件足够的情况下,月球车在坡道上行驶时不发生悬架运动失效或车体倾翻的能力。这里仅讨论纵向坡道倾翻稳定性,选用月球车在上坡时不发生纵向翻倾的最大坡度角ϕmax作为评价指标。

月球车不发生纵向翻倾的条件是月球车的质心落在车轮的支撑范围之内,根据图1中的几何关系,最大坡度角ϕmax可通过以下公式计算:

$\text{ϕ}{}_{\max }=\arctan \frac{L{}_2}{{\rm H}}$ (16)

本文分析所依据的月球车样车模型中,L1=430mm、L2=630mm、H=700mm,代入式(16),可求得月球车爬坡时不发生翻倾的最大坡度角为42.5°。

通过以上分析可得出,月球车能够爬上的最大路面坡度角小于其上坡车体发生翻倾对应的坡度角,因此月球车的上坡通过性主要由其牵引通过性决定。因此,月球车坡路行驶时的运动控制策略之一是:最大坡度角超过21.8°时,应避障。

2.2 月球车坡道行驶车轮驱动效率分析及其运动控制策略

当月球车在坡道上行驶时,为保证足够的车轮牵引力,应考虑增加车轮转速、提高滑转率。然而滑转率增加,车轮下陷也增加,使得运动阻力也增加,从而降低了驱动效率。月球车的能源是有限的,车轮驱动效率降低,月球车前进相同路程消耗的能量也就增加,月球车可以探测的月球环境范围就变小,可见车轮在月壤上的驱动效率对于能源节约有很大影响。因此在保证其通过性的前提下,如何提高驱动效率,使系统能耗最小,是月球车坡路行驶运动控制规划的最终目标。

驱动效率ηr是月球车车轮输出功率与输入功率之比,反映了车轮功率传递过程中的能量损失,可以用下式计算:

$\eta {}_{\text{r}}=\frac{F{}_{\text{D}\text{Ρ}}v}{{\rm T}{}_{\text{r}}\omega {}_{\text{r}}}=\frac{F{}_{\text{D}\text{Ρ}}r(1-s)}{{\rm T}{}_{\text{r}}}$ (17)

式中,ωr为驱动轮角速度;Tr为驱动力矩。

从上式可以看出,影响驱动效率的主要因素有滑转率、车轮的下陷深度。

月球车在松软月面坡道上行驶,当滑转率比较小时,车轮下陷深度较小,驱动效率较高。随着滑转率的增加,车轮下陷深度也随着增加,车轮前进需要克服更大的压实阻力,降低了驱动效率,但是下陷深度增加也使得车轮与月壤正应力、剪切应力以及接触面积增加,牵引力也获得增加,不过牵引力增加的速度小于阻力增加的速度,所以车轮下陷深度增加时牵引力和前进阻力都增加,但驱动效率降低。因此存在一个最佳滑转率,其对应的车轮驱动效率最高。

月球车车轮的滑转率跟车轮转速有关,通过控制驱动电机的给定电压从而控制车轮转速,进而控制滑转率,就可达到控制驱动效率的目的。因此,月球车坡道行驶时的运动控制策略之二是:在具有足够的车轮牵引力下,应控制月球车在最佳滑转率下运动,以保证车轮驱动效率最高。

3 仿真试验

在月球车三维可视化仿真平台中,月球车动力学模型是基于多体动力学仿真系统Vortex实现的,它提供了一个月球车与地面接触的刚性模型。在此基础上,加入用C++编写的软土动力学计算模块、电机驱动控制模块,设置好各模块接口之间的数据传递,可实现联合仿真。系统仿真的物理环境由Vortex来设置,利用Vortex函数来设置仿真环境的重力加速度,大小为月球重力加速度值,以虚拟月面重力场环境。试验条件参数为:车轮载荷30N、车轮半径0.175m、车轮宽度0.135m、车轮齿数24个;月球表面重力加速度设为1.63m/s2;月球土壤特性参数月面黏聚模量kc=1380Pa/mm-1(m为土壤的变形指数,决定kc的可变量纲)、月面摩擦模量kϕ=814 520Pa/mm;Bekker承压指数n=1.0、内摩擦角φ=0.541、剪切变形模量k=0.018、土壤的内聚力c=172.0Pa。

月球车在坡道行驶时的仿真效果如图4所示。

图5、图6所示分别为月球车以0.04m/s的速度爬上20°坡时车轮正压力和车轮牵引力变化仿真曲线。由于仿真平台中月面设置成崎岖不平的,所以月球车爬坡过程中,其三个车轮的正压力、牵引力是波动的。从图中可以看出,在上坡过程中,月球车后轮的正压力、牵引力最大,而中间车轮正压力、牵引力最小。主要原因是月球车爬坡时,由于月球车本身重力的作用,使得后轮受力增大,车轮下陷深度增大,后轮正压力和牵引力都相应增大。而中间车轮与后轮同与副摇臂铰接,可绕主摇臂摆动,所以后轮下陷,中间车轮则往上抬,使得下陷深度减少,中间轮正压力和牵引力相应减小。由于设置的路面是不平的,在30s处坡面有个小突起,所以正压力和牵引力在30s左右时出现较剧烈波动。

1.后轮正压力 2.前轮正压力 3.中间轮正压力

1.后轮牵引力 2.前轮牵引力 3.中间轮牵引力

图7所示为月球车爬坡时车轮正压力随月面坡度角的变化曲线,从图中可以看出,后轮正压力随坡度角增大而增加,而中间轮正压力随坡度角增大而减小。当坡度角为43°左右时,中轮正压力接近为0,就是说车轮将脱离月面,即月球车有失稳倾翻的趋势,这与前面分析的月球车爬坡时不发生翻倾的最大坡度角基本接近。

1.后轮正压力 2.前轮正压力 3.中间轮正压力

图8所示为车轮牵引力随月面坡度角的变化曲线,同样,后轮牵引力随坡度角增大而增加,而中间轮牵引力随坡度角增大而减少。从图中可看出,当坡度角度为20°左右时,中间轮的牵引力约为12N,而车轮载荷30N,根据前面分析,若最大爬坡角度为21.8°,则车轮重力在坡面方向的分力刚好为12N,两者基本一致。

1.后轮牵引力 2.前轮牵引力 3.中间轮牵引力

图9所示为驱动效率与滑转率的关系曲线,从图中可看出,滑转率小时,驱动效率高,达到最大驱动效率后,驱动效率随滑转率增大而下降,因此,存在一个最佳滑转率使得驱动效率最高。图9中最佳滑转率为0.28,此时驱动效率最高达0.78。图10所示为车轮最大驱动效率随月面坡度角的变化曲线,驱动效率随着坡度角的增大而减小。图11所示为最佳滑转率随坡度角的变化曲线,从图中可以看出最佳滑转率随着坡度角的增加而增大。月球车在斜坡面行驶时,车轮的牵引力不仅要克服车轮的月面运动阻力,还要克服车体重量在斜坡面方向的分力,随着坡度角的增加,所需牵引力增大,所以应增加车轮转速提高滑转率。利用最佳滑转率随坡度变化曲线就可以控制不同坡度下月球车的运动速度,从而达到提高驱动效率,节约能量的目的。

1.后轮驱动效率 2.前轮驱动效率 3.中间轮驱动效率

图12为在上海某航天研究所软土实验室进行的月球车爬坡性能试验,左图为试验样车,右图为试验坡道,坡道的车辙是样车通过时留下的。试验结果表明,当月球车以0.04m/s的速度行驶时,月球车能爬上的最大坡度角为22°,与仿真试验的结果基本吻合。

4 结论

(1)建立了月球车爬坡地面力学模型,在分析月球车轮地相互作用的基础上,对月球车受力模型进行简化修正,以便于月球车软土动力学仿真模块程序的编写。

(2)在月球车爬坡过程中,考虑后面车轮行驶在前面车轮形成的车辙中时,月面的土壤扰动和变形对车轮最大沉陷量的影响,将月球车行驶过程中前后车轮的沉陷量分开计算,使建立的车轮爬坡地面力学模型更加准确。

(3)通过对月球车坡路行驶过程分析,得出当坡度角大于21.8°时,应进行避障的运动控制策略。而在具有足够的车轮牵引力下,通过控制驱动电机的给定电压,从而控制车轮转速,使月球车在最佳滑转率下行驶,达到使驱动效率最高,系统能耗最小的运动控制策略。

(4)利用月球车三维可视化仿真平台,对月球车爬坡过程和运动控制策略进行仿真验证,并与实验室试验结果进行比较,仿真结果与试验结果、理论分析基本吻合。

摘要：坡道是崎岖月面环境的典型路况,在分析月球车轮地相互作用模型并对其进行修正的基础上,建立月球车坡道行驶地面力学模型。同时考虑前面车轮对月壤扰动变形的影响,提出了月球车行驶过程中前后车轮沉陷量的计算方法。最后通过分析月球车坡路行驶运动过程,得出如下结论:当坡度角大于21.8°时,应进行避障,而当月球车具有足够的车轮牵引力时,应控制车轮转速,使月球车在最佳滑转率下行驶。在月球车三维可视化仿真平台中进行了仿真验证和试验验证。

关键词：月球车,坡道行驶,地面力学模型,运动控制策略

参考文献

[1]Iagnemma K,Dubowsky S.Traction Control ofWheeled Robotic Vehicles in Rough Terrain withApplication to Planetary Rovers[J].The Interna-tional Journal of Robotics Research,2004,23:1029-1040.

[2]Ishigami G,Nagatani K,Yoshida K.Slope TraversalControls for Planetary Exploration Rover on SandyTerrain[J].Journal of Field Robotics,2009,26(3):264-286.

[3]陈世荣.摇杆-转向架式月球车月面通过性能研究[D].合肥:中国科学技术大学,2009.

[4]邓宗全,侯绪研,高海波,等.基于运动协调控制的摇臂式探测车路径多属性决策[J].吉林大学学报,2008,38(4):930-935.

[5]葛平淑,王荣本,郭烈.基于模糊逻辑的六轮月球车路径跟踪控制[J].吉林大学学报,2011,41(2):503-508.

[6]孙鹏,高峰,李雯,等.深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析[J].北京航空航天大学学报,2007,33(12):1404-1407.

[7]Ishigami G,Miwa A,Nagatani K,et al.Terrame-chanics-based Model for Steering Maneuver ofPlanetary Exploration Rovers on Loose Soil[J].Journal of Field Robotics,2007,24(3):233-250.

[8]Ishigami G,Miwa A,Nagatani K,et al.Terrame-chanics-based Analysis on Slope Traversability fora Planetary Exploration rover[C]//InternationalSymposium on Space Technology and Science.To-kyo:Japan Society for Aeronautical and Space Sci-ences,2006:1025-1030.

[9]Jansoi Z,Hanamto B.The Analytical Determinationof Drawbar Pull as a Function of Slip for TrackedVehicles in Deformable Soils[C]//InternationalConference of the International Society forTerrain-Vehicle Systems.Turin:ISTVS,1961:707-726.

[10]Iagnemma K,Kang S,Shibly H,et al.Online Ter-rain Parameter Estimation for Wheeled Mobile Ro-bots with Application to Planetary Rovers[J].IEEE Trans.Robitics,2004,20(5):921-927.

[11]杨艳春,鲍劲松,金烨.基于虚拟现实环境的六轮月球车运动性能分析[J].上海交通大学学报,2010,44(8):1079-1083.