一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其包括路基以及設于所述路基上表面的制動床。本實用新型的有益效果為：該基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)在實現有效攔阻的同時，能夠保證乘客的安全以及避免車輛結構發(fā)生重大破壞。該車輛攔阻系統(tǒng)主要由緩沖吸能材料組成，其具有可設計的壓潰強度，在車輪碾壓下該材料吸收車輛動能，達到攔停車輛或使車輛減速的目的。該車輛攔阻系統(tǒng)還具有減速效果好、制動過程安全、振動小等特點，可應用于公路避險車道等領域。
【專利說明】
一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本實用新型涉及土木工程和材料科學技術領域，具體涉及一種攔阻能力可設計且 性能穩(wěn)定的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，在實現有效攔阻的同時，保證乘客的安全 以及避免車輛結構發(fā)生重大破壞。
【背景技術】
[0002] 隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國公路通車里程發(fā)生了跨越式增長，截止2014年末 全國公路總里程446.39萬公里，公路密度46.50公里/百平方公里，其中全國等級公路里程 390.08萬公里，更重要的是中西部的山嶺重丘區(qū)的公路密度迅速增長。在山嶺重丘區(qū)，由于 地形、地貌和地質等因素的限制，山區(qū)公路需克服高差展線，不可避免存在連續(xù)下坡路段。 車輛在此路段上行駛，長時間使用行車制動，使得制動系統(tǒng)"熱衰退"現象十分突出，嚴重時 車輛制動能力完全喪失，引起重大惡性事故。為解決此問題，美國于上世紀50年代在加利福 尼亞修建了第一條避險車道，我國于1998年在八達嶺高速公路修建第一條避險車道。目前 在山區(qū)公路建設規(guī)范中指出：在平均縱坡達到4%，連續(xù)下坡3km以上時，宜設置避險車道。
[0003] 避險車道技術發(fā)展至今，經歷了不同的應用類型，包括重力型（依靠陡峭的坡度使 車輛減速）、沙堆型（靠重力及沙堆阻力來使車輛減速），以及目前常見的砂礫型(通過砂礫 的滾動阻力使失控車輛減速或停止）。重力型需要足夠長的車道，受地理因素制約較大。沙 堆型的攔阻性能受天氣影響大，高數值的減速度會導致人員及車輛的嚴重損傷。砂礫型避 險車道所用材料常為鵝卵石、碎石塊等重質材料，減速過程會引起車輛的較大振動，導致貨 物散落、貨箱脫掛脫銷，從而導致車輛側翻和方向失控;砂礫硬度較高，在車輛沖入時易導 致油箱破損，砂礫與金屬摩擦起火花后，從而導致嚴重的起火甚至爆炸事故;另外，該類硬 質集料式材料在長時間重力作用下結構進一步密實，以及通過水的漫流從匝道的頂部和兩 側進入砂礫堆中的細料也使得砂礫的密實度增加，導致滾動阻力變小，使得砂床功能減弱。 綜上所述，攔阻性能穩(wěn)定性差、攔阻力缺乏設計以及減振等問題，給使用避險車道的人員和 車輛帶來了事故隱患。嚴重的水平減速度和突然的垂直加速度，造成人員、車輛、財產受損， 另外在此過程中前后輪減速度不匹配，使車輛失去平衡，導致貨物散落、后輪分離和掛車向 前傾覆;較小的攔阻力易導致避險無效。
[0004] 授權公告號為CN204266073U實用新型專利公開一種高速公路避險車道，其減速制 動層由多孔型、回字型、工字型或倒U型的微強度阻尼混凝土預制塊鋪砌而成，避險車輛壓 上后材料粉碎并產生沉陷，輪胎與微強度阻尼混凝土產生一定的摩擦力實現緩沖，使車輛 快速停下，微強度阻尼混凝土強度低，避險過程中不會損傷車輛，車輛沉陷時汽車油箱剮蹭 到微強度阻尼混凝土不會破壞，并且預制塊的力學及使用性能穩(wěn)定，不會出現砂石等多次 使用后板結變硬、冬天融雪凍結變硬等現象。然而，專利中的微強度阻尼材料的減速機理與 沙堆、碎集料和豆礫石相同，是依靠輪胎與攔阻材料間的摩擦力實現的，仍存在攔阻能力有 限、對不同車輛的攔阻效果無法控制、攔阻過程中車輛受力不均勻(如初始力過大）、攔阻過 程中車輛方向不受控制等問題。 【實用新型內容】
[0005] 為解決現有技術中的避險車道攔阻能力有限、對不同車輛的攔阻效果無法控制、 攔阻過程中車輛受力不均勻、攔阻過程中車輛方向不受控制等技術缺陷，本實用新型提供 一種攔阻能力可設計且性能穩(wěn)定的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，在實現有效攔阻的 同時，能夠保證乘客的安全以及避免車輛結構發(fā)生重大破壞，同時，本實用新型的基于緩沖 吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)主要由緩沖吸能材料組成，其具有可設計的壓潰強度，在車輪碾 壓下該材料吸收車輛動能，達到攔停車輛或使車輛減速的目的。本實用新型的基于緩沖吸 能材料的車輛攔阻系統(tǒng)還具有減速效果好、制動過程安全、振動小等特點，可應用于公路避 險車道等領域。
[0006] 為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案為：
[0007] -種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其包括路基以及設于所述路基上表面的 制動床。
[0008] 優(yōu)選的，所述路基的坡角a為0-40度，所述路基的前段為緩沖段，所述制動床設于 所述路基的后段。
[0009] 優(yōu)選的，所述緩沖段的長度為0~50米，寬度為3~12米。
[0010] 優(yōu)選的，所述緩沖段的路面摩阻的滾動阻力系數為0.01~0.15。緩沖段利用坡度 或路面摩阻來降低車輛的動能;所述緩沖段的路面摩阻依據車輛攔阻系統(tǒng)的目標效果而設 計。
[0011]優(yōu)選的，所述制動床的材料為緩沖吸能材料。所述緩沖吸能材料為泡沫玻璃、輕質 多孔混凝土、多孔有機硅或者輕質陶粒。
[0012] 優(yōu)選的，所述制動床的材料為輕質材料，其密度為50kg/m3~500kg/m3。
[0013] 優(yōu)選的，所述制動床的厚度為0.2~0.7m，且厚度從前至后逐漸增加。
[0014] 優(yōu)選的，所述制動床的長度為20~100m，寬度為3~12m。
[0015] 所述制動床區(qū)域材料厚度、長度和寬度依據車輛攔阻系統(tǒng)的目標效果而設計。
[0016] 所述制動床材料的力學性能特征為：在2MPa壓力范圍內，材料的最大壓潰度2 70%，且單位體積材料吸能效率2 200KJ。
[0017] 優(yōu)選的，所述制動床的安裝方式為預制體式、集料式或者澆筑式。
[0018] 優(yōu)選的，該基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)還包括設于所述緩沖段與所述制動 床兩側以及所述制動床末端的護欄，所述護欄具有使車輛方向回正以及強制攔停將要沖出 減速區(qū)域車輛的作用。
[0019] 優(yōu)選的，所述制動床的前端設有臺階或者緩坡結構。
[0020] 一種制動床，為上述任一項所述的制動床。
[0021 ]本實用新型的有益效果為：
[0022] 1)、制動床材料為輕質材料，隨時間的推移其堆積密度穩(wěn)定，不會引發(fā)因重力堆積 而導致的攔阻性能變化；
[0023] 2)、制動床材料的強度低，易在外壓下破碎，故而攔阻過程中車輛的減速過程平 緩，可有效避免由于減速度過大而導致的"車停貨不停"事故；
[0024] 3)、制動床材料的強度低，攔阻過程中不會使車輛主要結構，特別是油箱造成破 損;并且在攔阻過程中不易產生火花，降低著火隱患；
[0025] 4)、制動床材料的強度低易在外壓下破碎，故在攔阻過程中車輛不會產生較大的 顛簸振動，使車輛結構安全、貨物安全，有效避免由于顛簸振動而引發(fā)的車輛側翻和方向失 控；
[0026] 5)、將制動床材料力學性能、系統(tǒng)的坡度、緩沖段的摩阻性能、車輛載重、胎壓、速 度、車輛輪胎規(guī)格等參數作為輸入參數，可通過計算模型計算該基于緩沖吸能材料的車輛 攔阻系統(tǒng)的對常見車輛的攔阻性能，也就是說，可根據具體公路的實際情況(限速、限重、常 見車輛類型、下坡長度及坡度等參數)調整該基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)中材料的 力學性能、系統(tǒng)坡度、緩沖段的摩阻性能、制動床長度等參數，以實現對具體情況的具體設 計；
[0027] 6)、安裝方式多樣，便于施工選擇。
【附圖說明】
[0028] 圖1-1為本實用新型第一實施例的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)的結構示意 圖；
[0029] 圖1-2為本實用新型第二實施例的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)的結構示意 圖；
[0030] 圖2為非集料式結構車輪碾壓過程分析示意圖；
[0031 ]圖3為集料式結構車輪碾壓過程分析示意圖；
[0032]圖4為輕質混凝土砌塊材料應力-壓潰度曲線示例；
[0033]圖5為泡沫玻璃砌塊材料應力-壓潰度曲線示例；
[0034]圖6為多孔有機硅砌塊材料應力-壓潰度曲線示例；
[0035]圖7為泡沫玻璃塊材料應力-壓潰度曲線示例；
[0036]圖8為輕質陶粒材料應力-壓潰度曲線示例；
[0037]圖9為輕質混凝土塊材料應力-壓潰度曲線示例。
[0038] 圖中，
[0039] 1-路基;11-前段;12-后段;2_制動床;3_護欄。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖對本實用新型的結構進行詳細解釋說明。
[0041] 如圖1-1至圖1-2所示，本實用新型提供的一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系 統(tǒng)，其包括路基1以及設于所述路基1上表面的制動床2。所述路基1的坡角a為0-40度，所述 路基1的前段11為緩沖段，所述制動床2設于所述路基1的后段12。該基于緩沖吸能材料的車 輛攔阻系統(tǒng)還包括設于所述緩沖段與所述制動床2兩側以及所述制動床2末端的護欄3。所 述制動床2的安裝方式為預制體式：由緩沖吸能材料的預制塊堆砌而成，優(yōu)選輕質混凝土砌 塊、多孔有機硅砌塊、泡沫玻璃砌塊等;集料式：由緩沖吸能材料塊狀集料堆積而成，優(yōu)選輕 質混凝土、泡沫玻璃、輕質陶粒等;澆筑式:緩沖吸能材料漿料現場澆筑而成，優(yōu)選輕質混凝 土、多孔有機娃等。
[0042] 如圖2至圖3所示，本實用新型提供的一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)具有 三種安裝方法，集料式安裝后攔阻材料呈集料式分布，預制體式和澆筑式安裝后攔阻材料 呈非集料式分布。進入攔阻床的車輛會受到材料阻力，并將攔阻材料壓實。
[0043]如圖4至圖9所示，本實用新型提供的一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)的制 動床2內緩沖吸能材料的力學性能測定方法如下:將制動床2材料裝入剛性圓筒內進行壓縮 試驗，壓縮面直徑和桶高均為30.48cm，壓縮速度500mm/min，測定材料在實驗條件下的應 力-壓潰度曲線或者應力-應變曲線，計算單位體積材料在壓縮過程中的吸能效率。
[0044]在特性材料力學性能試驗中，材料潰縮吸收能量，期間能量吸收效率最高時的壓 潰度為最大壓潰度，能量吸收效率按公式X計算：
[0046] 式中：
[0047] η 試樣潰縮時的能量吸收效率；
[0048] σ--試樣的壓應力，單位為兆帕(MPa);
[0049] ε 試樣的壓潰度。
[0050] 該系統(tǒng)對車輛的攔阻機理如下：當車輛沖入該系統(tǒng)內，在沖入制動床2前車輛在重 力或地面摩阻的作用下產生一定的減速，當進入制動床2后，車輪會壓碎緩沖吸能材料，靠 該材料的破碎吸收車輛的動能。在材料選擇中已經考慮到常見車輛的胎壓、載重、速度等設 計參數，在具體的道路設計條件下該制動床2可產生適宜的攔阻力，從而使設計范圍內的車 輛在不會發(fā)生重大破壞和乘員不過度受力的前提下，讓車輛逐漸減速并最終停止在制動床 2內。
[0051] 實施例一：
[0052]系統(tǒng)結構如圖1-1所示，坡角a為20度（圖1-1僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度25m，滾阻系數為0.1，制動床2寬10m，長100m，材料為輕質 混凝土砌塊(密度為200kg/m3)，砌塊尺寸為長lOOOmmX寬lOOOmmX高500mm。測試材料的力 學性能，如圖4所示，該材料在2MPa范圍內的最大壓潰度為80 %，單位體積潰縮吸能效率為 271KJ/m3。經理論計算該系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深 度400mm的車輛的攔阻距離為97m。
[0053] 實施例二：
[0054]系統(tǒng)結構如圖1-1所示，坡角a為30度（圖1-1僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度〇m，制動床2寬12m，長90m，材料為泡沫玻璃砌塊(密度為 250kg/m3)，砌塊尺寸為長1000_X寬1000_X高600mm。測試材料的力學性能，如圖5所示， 該材料在2MPa范圍內的最大壓潰度為70%，單位體積潰縮吸能效率為300KJ/m3。經理論計 算該系統(tǒng)對質量6 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1200mm，壓痕深度400mm的車輛的攔 阻距離為76m。
[0055] 實施例三：
[0056] 系統(tǒng)結構如圖1-1所示，坡角a為35度（圖1-1僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度〇m，制動床2寬8m，長90m，材料為多孔有機硅砌塊(密度為 300kg/m3)，砌塊尺寸為長1200mmX寬1200mmX高600mm。測試材料的力學性能，如圖6所示， 該材料在2MPa范圍內的最大壓潰度為75%，單位體積潰縮吸能效率為290KJ/m3。經理論計 算該系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬800mm，壓痕深度400mm的車輛的攔 阻距離為74m。
[0057] 實施例四：
[0058]系統(tǒng)結構如圖1-1所示，坡角a為20度（圖1-1僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度25m，滾阻系數為0.1，制動床2寬10m，長100m，材料為輕質 混凝土砌塊(密度為200kg/m3)，砌塊尺寸為長500mmX寬500mmX高100mm。測試材料的力學 性能，如圖5所示，該材料在2MPa范圍內的最大壓潰度為80%，單位體積潰縮吸能效率為 271KJ/m3。經理論計算該系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深 度400mm的車輛的攔阻距離為106m。
[0059] 實施例五：
[0060] 系統(tǒng)結構如圖1-2所示，坡角a為15度（圖1-2僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度50m，滾阻系數為0.15，制動床2寬10m，長100m，材料為輕 質混凝土砌塊(密度為200kg/m3)，砌塊尺寸為長500mmX寬500mmX高100mm。測試材料的力 學性能，如圖5所示，該材料在2MPa范圍內的最大壓潰度為80%，單位體積潰縮吸能效率為 350KJ/m3。經理論計算該系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深 度450mm的車輛的攔阻距離為125m。
[0061 ]實施例六：
[0062] 系統(tǒng)結構如圖1-2所示，坡角a為30度（圖1-1僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度40m，滾阻系數為0.1，制動床2寬14m，長95m，材料為泡沫 玻璃塊(密度為210kg/m3)，塊體尺寸在2.5cm~6cm。測試材料的力學性能，如圖7所示，該材 料在2MPa范圍內的最大壓潰度為75%，單位體積潰縮吸能效率為240KJ/m3。經理論計算該 系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深度400mm的車輛的攔阻距 離為87m。
[0063] 實施例七：
[0064] 系統(tǒng)結構如圖1-2所示，坡角a為10度（圖1-2僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度0 m，制動床2寬8 m，長12 0 m，材料為輕質陶粒（密度為 150kg/m3)，顆粒尺寸在0.5cm~3cm。測試材料的力學性能，如圖8所示，該材料在2MPa范圍 內的最大壓潰度為82%，單位體積潰縮吸能效率為350KJ/m3。經理論計算該系統(tǒng)對質量5 X l〇4kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深度400mm的車輛的攔阻距離為123m。
[0065] 實施例八：
[0066] 系統(tǒng)結構如圖1-2所示，坡角a為40度（圖1-2僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度l〇m，滾阻系數為0.1，制動床2寬6m，長70m，材料為輕質混 凝土塊(密度為270kg/m3)，塊體尺寸在2.5cm~8cm。測試材料的力學性能，如圖9所示，該材 料在2MPa范圍內的最大壓潰度為75%，單位體積潰縮吸能效率為220KJ/m3。經理論計算該 系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深度400mm的車輛的攔阻距 離為70m。
[0067] 實施例九：
[0068] 系統(tǒng)結構如圖1-2所示，坡角a為10度（圖1-2僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度20m，滾阻系數為0.1，制動床2寬12m，長90m，材料為現場 澆筑輕質混凝土 (密度為280kg/m3)。待混凝土凝結硬化后，測試材料的力學性能，如圖5所 示，該材料在2MPa范圍內的最大壓潰度為73 %，單位體積潰縮吸能效率為360KJ/m3。經理論 計算該系統(tǒng)對質量5 X 104kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深度400mm的車輛的 攔阻距離為140m。
[0069] 實施例十：
[0070]系統(tǒng)結構如圖1-2所示，坡角a為10度（圖1-2僅為結構示意圖，并未按照實際坡角 繪制，僅供參考結構），緩沖段長度20m，滾阻系數為0.1，制動床2寬12m，長100m，材料為現場 澆筑多孔有機硅(密度為260kg/m3)。測試材料的力學性能，如圖7所示，該材料在2MPa范圍 內的最大壓潰度為78%，單位體積潰縮吸能效率為380KJ/m3。經理論計算該系統(tǒng)對質量5 X l〇4kg，速度120km/h，車輪總壓痕寬1000mm，壓痕深度400mm的車輛的攔阻距離為126m。
[0071] 本實用新型提供的一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)的圖1-1和圖1-2的結 構的區(qū)別在于，圖1-1的制動床2是下沉的；而圖1-2的制動床2在路基1上面，并且圖1-2的制 動床2的前端設有臺階。所述制動床2前端的臺階也可以替換為緩坡結構。在制動床2的前端 設置臺階或者緩坡結構，可以提高制動效果。
[0072] 本實用新型還提供了一種如上述任一項所述的制動床2。
[0073] 以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用 新型實質內容上所作的任何修改、等同替換和簡單改進等，均應包含在本實用新型的保護 范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，其包括路基（1)以及設于所述 路基（1)上表面的制動床(2)。2. 根據權利要求1所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述路基 (1) 的坡角a為0-40度，所述路基（1)的前段(11)為緩沖段，所述制動床(2)設于所述路基（1) 的后段(12)。3. 根據權利要求2所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述緩沖段 的長度為〇~50米，寬度為3~12米。4. 根據權利要求2所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述緩沖段 的路面摩阻的滾動阻力系數為0.01~0.15。5. 根據權利要求1所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述制動床 (2) 的材料為緩沖吸能材料。6. 根據權利要求5所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述緩沖吸 能材料為泡沫玻璃、輕質多孔混凝土、多孔有機硅或者輕質陶粒。7. 根據權利要求1所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述制動床 (2)的材料為輕質材料，其密度為50kg/m3~500kg/m3。8. 根據權利要求1所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述制動床 (2)的厚度為0.2~0.7m，且厚度從前至后逐漸增加。9. 根據權利要求8所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述制動床 (2)的長度為20~100m，寬度為3~12m。10. 根據權利要求1所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述制動 床(2)的安裝方式為預制體式、集料式或者澆筑式。11. 根據權利要求2所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，該基于緩 沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)還包括設于所述緩沖段與所述制動床(2)兩側以及所述制動床 (2)末端的護欄(3)。12. 根據權利要求1所述的基于緩沖吸能材料的車輛攔阻系統(tǒng)，其特征在于，所述制動 床(2)的前端設有臺階或者緩坡結構。13. -種制動床，其特征在于，該制動床（2)為如權利要求1-12任一項所述的制動床 ⑵。
【文檔編號】E01C9/00GK205617173SQ201620197812
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】趙陽, 孔祥駿, 鄭確, 肖憲波, 史亞杰, 王淑敏, 劉平
【申請人】中國民航科學技術研究院, 航科院（北京）科技發(fā)展有限公司