高速公路隧道翻车事故液压扶正仿真分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 9期 高速公路隧道翻车事故液压扶正仿真分析 孔 屹刚 ， 宋福荣 ， 陆季挺 ， 魏聪梅 ， 安高成 ， 刘志奇 1 1 ． 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4； 2 ． 山西省高速公路管理局 ， 山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 针对 翻车这一高速公路隧道多发事故类型 ， 该 文设计 了一种用于高速公路 隧道 翻车事故快速救援的液压扶正设备 在 比较现 有大 吊车救援方法 ， 对其经济效益和应用前景进行分析 的基础上 ， 详细 阐述 了其工作原理 ． 最后 利用 M a d a b ／ S i m u l i n k软件建 立了高速 公路隧道翻车事故液压 扶正设备仿真模型并进行仿真实验 。借助扶正过程中千斤 顶、 液压泵、 换 向阀 、 溢 流阀、 油箱等液压扶正设备主 要部件的相应变化曲线 ， 仿真结果表明 ， 该文设计的液压扶正设备相 比大 吊车救援 方法操作简便 、 快 速高效 。 关键词 高速公路 ； 隧道 ； 翻车事故 ； 液压扶正 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ， T U 4 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 9 0 0 4 0 04 S i m u l a t i o n Ana l y s i s o f Hyd r a u l i c R e c t i f y i n g De v i c e f o r R o U o v e r Ac c i d e n t s i n Ex p r e s s wa y Tu n ne l KO N G Y i - g a n g a ， S O N G F u - r o n s ， L U J i - t i n ， WE I C o n g - m e i ， A N G a o - c h e n ， L I U Z h i - q i 1 ． T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ； 2 ． E x p r e s s w a y A d m i n i s t r a t i o n o f S h a n x i P r o v i n c e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t As r o l l o v e r a c c i d e n t s o c c u r f r e q u e n t l y i n e x p r e s s wa y t u n n e l ， a h y d r a u l i c r e c t i f y i n g d e v i c e f o r e x p r e s s w a y r a p i d r e s c u e i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r ． On t h e b a s i s o f a n a l y s i s o f t h e e c o n o mi c b e n e fi t s a n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n c o mp a ri s o n t o t h e e x i s t i n g l a r g e c r a n e r e s c u e me t h o d ， the w o r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c r e c t i f y i n g d e v i c e for e x p r e s s w a y r a p i d r e s c u e i s e l a b o r a t e d ， i t s s i mu l a t i o n mo d e l i s e s t a b l i s h e d a n d t h e s i mu l a t i o n e x p e ri me n t i s ma d e u s i n g Ma t l a b ／ S i mu l i n k s o f t w a r e ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ， b y me a n s o f the c o r r e s p o n d i n g c u r v e o f m a i n c o mp o n e n t s ， s u c h a s j a c k ， h y d r a u l i c p u m p ， d i r e c t i o n al v a l v e ， r e l i e f v a l v e ， o i l t a n k ， t h e h y d r a u l i c r e c t i f y i n g d e v i c e d e s i g n e d i n t h i s p a p e r c o mp a r e d a l a r g e c r a n e r e s c u e me t h o d i s s i mp l e ， f a s t a n d e f fi c i e n t f o r o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s e x p r e s s wa y； t u n n e l ； r o l l o v e r a c c i d e n t s ； h y d r a u l i c r e c t i f y i n g； s i mu l a t i o n O 引言 隧道在中国高速公路中占有很大 的比例 ．随着 高 速公路通车里程的增加 ， 隧道会越来越多 ， 越来 越长 ． 特别是长大隧道会越来越普遍[1 - 5 ] 高速公路隧道路段 不 同于一 般路段 ， 它处 于一个 近乎 封 闭的环境 中 翻 车 是高速公路 隧道发生的常见事故类型【6 ． 现有 翻车事 故救援方法通常是两辆大吊车从两个方 向分别进入隧 道 ． 在事故车辆 的两端起 吊并逐渐扶正车辆。受制于隧 道特殊的工作环境 ． 现有扶正方法时间长 ． 据统计通常 需 1 O h左右[ 1o - 埘 。事故发生后 。 如果不及 时清障不仅影 响道路的畅通 ．而且使司乘人员长时间处于危险环境 中． 一旦发生意外后果将难以预计 。 基金项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 6 0 6 7 4 0 3 5 ； 山西省交 通运输厅 科研项 目 2 0 1 1 2 2 8 ； 校博士启动基金 2 0 1 2 2 0 2 9 ； 山西省 自然科学基金 2 0 1 3 0 1 1 0 2 3 - 5 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 1 作者简介 孔屹刚 1 9 7 4 - ， 男 ， 山西太原人， 副教授 ， 博 士， 研究方向为风力 发电技术、 流体传动与控制 、 机电智能控制等。 4 0 另外 ， 大吊车市场价很高 ． 如 1 0 0吨大吊车通常在 四百万元左右 ． 一条高速公路配备多台大 吊车不现实 ． 同时大吊车的停放、 保养也是一个不容忽视的问题。针 对高速公路隧道这一特殊 的环境条件 ．基于液压传动 系统具有功率一 重量 比大 、 响应快 、 体积小等优点[ 1 3 1 4 ] ， 本文创新地设计了一种用于高速公路隧道翻车事故快 速救援的液压扶正设备 ． 比较现有救援方法 ． 对其经济 效益和应用前景作 了分析 ． 并详细阐述了其工作原理 ． 最后利用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k软件建立 了液压扶正设备仿 真模 型 ．完成 了高速公路隧道翻车事故液压扶正过程 的仿 真 实验研 究 1 经济效益分析 以祁临高速 为例计算事故 救援期 间损失 的通行 费。祁临高速起于祁县 ， 止于临汾， 途经晋中、 临汾两市 七 县 ． 全 长 1 7 6 k m． 是 山西 省规 划 建设 的“ 三 纵八 横 ” 公 路 网中沟通全省南北“ 中纵主干线” 大同至运城高速公 路的重要组成部分 。由于地形地质的复杂 ． 集中了 4座 Hv dr a ul i c s Pne u ma t i c s＆ Se a l s ／ N0 ． 0 9． 2 01 3 特大桥 2 0 5 1 m ， 1 4座大桥 3 9 0 5 m ， 9座 中桥 5 9 9 m ， 9条隧道 6 4 8 7 m单洞 ． 所 以祁 临高速每公里通行费应 该高于山西省高速每公里平均通行费。 截至 2 0 1 1 年底 ， 山西省 已建成高速公路 4 0 0 0 k m．全省高速公路通行费 收入达到 1 0 8 ． 2 6亿元 ． 首次突破 1 0 0亿元大关『 1 ] 。据此 可估算祁临高速年通行费收入应不低于 4 ． 7 6 3 亿／ 年。 1 0 8 2 6 4 3 祁 临高速平均每小时单 向通行费为 0 ． 0 0 0 2 7 2亿 元／ ／ J 、 时 ． 单向 2 ． 7 2万元／ t b时 单 向 垒L 0 ．0 0 0 2 7 2 2 3 6 5 2 4 2 。 、 采用现有吊车扶正方法救援 ．期 间发生事故 的高 速路段需关闭禁止通行 ， 所有车辆需绕行其他路段。救 援时间据统计通常需 1 0小时左右 ． 假定高速公 路全路 段封闭 ． 事故救援期间损失的通行费大约为 2 7 ． 2万元 。 2 ． 7 2 1 0 2 7 ． 2 3 另外 ． 按一 台大吊车平均租用价格 2 0 0 0元／ 小时计 算 ． 事故救援期间 2台大吊车的租用费大约为 4万元。 0 ． 2 x 1 0 x 2 4 4 液压扶正设备通过现场模拟演练 ．最多半个小时 即可完成事故车辆 的扶正 另外运输这些设备的专用 车辆相对大 吊车轻便 、 灵活 。 短 时间内即可到达事故现 场 ． 整个救援 时间一般不超过一个半小时 ． 事故救援期 间损失 的通行 费 大约 为 4 ． 0 8万 元 2 ． 7 2 1 ． 5 4 ． 0 8 5 从 以上两种事故救援方法分析可看出 ．现有事故 救援方法通行费 、 吊车租赁费损失总计 3 1 ． 2万元 ， 而采 用液压扶正设备进行救援 ， 只损失通行费 4 ． O 8万元 ， 即 可挽 回超过 2 7万元 的经济损失 。另外 。 如果事故车辆 装载大量危险品 ． 不能及 时清 障的话 ． 很有可能会引起 火灾 、危险品泄漏等威胁人 民生命财产安全的更严重 事故 ． 从这一点来说潜在 的经济效益将不可估量 。 2 工作原理 液压车辆扶正设备工作原理、 工作过程如图 1 所示。 1 顶推起重垫间隙 见图 l a ； 2 一块起重垫顶推后 ， 木块支撑放第二块起重垫 见 图 l b ； 3 起重垫顶推后换短千斤顶顶推 见图 l c 4 短千斤顶顶推后换短支撑杆保护 见图 l d ； 5 换长千斤顶顶推后换中支撑杆保护 见图 1 e 6 长 千斤顶换 位顶推 后换长 支撑杆 保护 见 图 I f ； 7 长千斤顶再次换位顶推后扶正 见图 1 f 。 【 g 图 1 液压车辆扶正设备工作原理 3 仿 真分析 按照在最 不利情 况下能 实施快 速救援 的作 业要 求 ， 针对 高速公路 隧道事故 车辆极端情况 ． 即事故车 辆 车厢 宽度 、 高度取 国标规定 上限值 2 ． 5 m， 自重加载 重取 国标规 定上 限值 5 0 t ．在 Ma t l a b ／ S i m u l i n k下建立 高 速公路 隧道翻车事故 液压车辆 扶正设备仿 真模 型 如图 2所示 。由于长 、 短 千斤顶 除了外 形尺寸和工作 行程有较大差别之外 ． 他们 工作原理 和工作方式基本 是一致 的 ．所 以本文只选取短千斤顶进行仿真实验 ． 对应如 图 1 c 、 图 1 d所示扶正过程 。 仿真所用主要参数 如 表 1 所 示 表 1 液 压 扶 正 设备 主要 参 数 参数 数值 液压泵额定压力 a 液压泵额定流量 L ／ m i n 活塞杆最大移动速度 m ／ s 短千斤顶最大举升力 1 【 N 短千斤顶最大行程 m m 短千斤顶外形结构长度 m m 3 2 l 6 1 ． 9 0 ． 1 2 6 0 4 0 0 7 1 0 41 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 9期 图 2液 压 扶 正 设 备仿 真 模 型 仿真实验中信号发生器输 出一个具有正负值的信 号输人N---位三通换向阀的 S端 ．用于触发二位三通 换 向阀阀芯左移或右移 ，不失一般性的表征手动 、 机 械 、 电控等形式的二位三通换向阀的换向过程 。液压泵 采 用 定量 泵 。 由 电动机 驱 动 。液压 泵 出 口接 溢 流 阀 ， 保 证溢流阀进 E l 压力 ． 即泵出 口压力恒定 ， 避免换 向阀阀 口常随压力波动开启 二位三通换 向阀输 入控制 信号如图 3所示 ． 0至 1 s区间 ， 信号 幅值 为 0 ， 二位三通换 向阀不动作 ； 1至 1 ． 1 5 s ．输入控制信号 由 0变到正 的最大幅值 3 ．且至 6 s 处都保 持正值 3不变 ， 在此期间 ． 换 向阀阀芯 向正 方向移动 ． 换 向阀处于左位 ， 液压油流人千斤顶左腔 ， 活塞杆 向右移动 ， 即推动事故车辆 向扶正方 向动作 6 s 至 6 ． 3 s ． 输人控制信号 由 3变到一 3 ． 且至 1 2 s 处都保持 负值一 3不变 ， 在此期 间 ， 换向阀阀芯向负方 向移动 。 换 向 阀处 于右 位 ． 流 人 千 斤 顶 液 压 油 回流 到 油 箱 ． 活 塞 杆向左移动 图 3 ～ 图 9是在二位三通换向阀由左位接 通到右位接通整个换 向过程 中 ， 千斤顶 、 液压泵 、 换 向 阀 、 溢流阀、 油箱等部件的相应变化 曲线。图 4为千斤 顶活塞位移变化 曲线 ． 图 5为千斤顶活塞速度变化曲 线 ． 图 6为液压 泵出 E l 压力 曲线 ． 图 7为千斤顶输 人 流量即换向阀输 出流量曲线 ． 图 8为溢流阀输人流量 曲线 ． 图 9为油箱容积曲线 ． 图 l 0为侧翻车辆扶正角 度 曲 线 1 o 集 一 1 O 2 4 6 8 1 0 1 2 时间 ／ s 图 3换 向阀输入控制信号 图 4千斤顶活塞位移变化 曲线 4 2 稍 媳 图 5 0 咖 饕一 。 一 一 l R 出 口 丑 出 艇 千斤顶活 塞速度变化 曲线 X 1 0 3 n 衄1 厘 2 0 7 2 0 6 2 0 5 2 0 4 2 0 3 2 0 2 2 O1 3 2 图 6液压 泵 出 口压 力 图 7千 斤 顶 输 入 流 量 图 8溢 流 阀 输 入 流量 OO 21 OO 2 00 1 9 鬟O _叭 8 删0O l 7 砖 0 ．0 1 6 OO1 5 ＼ 魁 图 9油箱容积 图 1 O侧翻车辆扶正角度 由图 4 、 图 5可知 ， 1 s 处 P A阀 口开启 。 千斤顶活塞 杆随 换 向阀接通左 位开 始右移 ．在 1 ． 1 5 s 处 ． P A 阀 口达 到最大开 口度 ，此时活塞杆速度达到最大值 0 ． 1 m ／ s 在 5 ． 1 s 处活塞杆达到最大行程 4 0 0 m m，活塞杆停止动作 ． 此时活塞杆速度 由最大值 0 ． 1 m ／ s 变到 O ．至 6 s 处活塞 杆维 持 最大 行程 4 0 0 mm不变 ．活塞 杆速 度 基本 保持 0 不变 6 s 处， P A阀口关闭， 换向阀阀芯向负方 向移动 。 活 塞杆开始向左移动但数值很小 ．所以速度为负值 6 ． 1 5 s 处 A T阀口开启．千斤顶活塞杆随换向阀接通右位开始 左移 ，即活塞杆行程逐渐减小 ． 6 ． 3 s 处 。 A T阀L I 达到最 大开 口度 ． 此时活塞杆速度达到负的最大值一 0 ． 1 m ／ s ． 在 1 0 ． 6 s 处活 塞杆 完全 缩 回停 止不 动 ．此 时活塞 杆 速度 由 负的最大值- 0 ． 1 m ／ s 变到 0 。 并保持到仿真实验结束。 定量泵出口接有溢流阀 ．仿真实验中溢流阀压力 设定为 3 2 MP a ， 由图 6可知 ， 液压泵 出口压力基本维持 3 2 MP a不变 。由图 7和图 8可知 ， 换向阀换向动作即千 斤顶活塞杆伸缩过程中．流人流出千斤顶的流量呈 明 显 变 化 ．而 流人 溢 流 阀 的流量 在 活塞 杆 伸 出过 程 中有 明显变化 ． 但在活塞杆缩 回过程中却无明显变化 ． 这主 要是因为在活塞杆伸出过程中．泵出口流量分流到千 斤 顶 和溢 流 阀 中 ． 而在 活塞 杆 缩 回过 程 中 ， 千 斤 顶 流量 下转第 8 3页 L u ／ 柏蜒 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 0 1 3 表 2 走枪距离对漆膜 附着力影响 注 采用空气喷枪 ， 走枪速度为 3 0 ～ 6 0 c m／ s ， 喷枪压力 为 O ． 3 MP a 2 ． 3底面 漆厚 度 比例 生产现场发现 ． 在清洗干净的基体表面 ， 单独测环 氧底漆的附着力都合格 ．而当喷涂 了一定厚度 的聚氨 酯面漆后 ． 整个漆膜的附着力就有可能满足不 了要求 ， 所 以为提高漆膜附着力 ． 在保证漆膜中厚度 、 外观及防 腐要求 的条件下可适当增加底漆的比例。调整底 、 面漆 厚度 比例后发现 5 3的厚度 比例最佳 见表 3 。 3 结语 近年来工程机械行业发展迅速 ． 竞争也异常激烈 ， 企业对成本控制相 当重视 ． 对零部件企业 ， 这种在粗车 工件表面手工喷涂 的施工方式还将持续一段时间。然 而各主机厂商对漆膜质量要求越来越高 ，这需要对涂 装工艺更深入研究 ， 找出最可靠最经济的加工工艺 。影 响漆膜附着力的因素很多 ．在实际工作过程 中要注意 不断总结和改进 表 3底 、 面 漆厚 度比例对漆膜 附着力影响 底、 面漆厚度比例 3 ／ 5 4 ／ 4 5 ／ 3 6 ／ 2 取样 2 O 2 O 2 0 2 O 合格数 l O 1 6 L 9 l 9 合格率 ％ 5 O 8 0 9 5 9 5 注 总厚度为8 O m 参 考 文 献 [ 1 】 王海庆， 李 丽， 庄光 山． 涂料与涂装 技术【 M】 ． 北 京 化学工业 出 版社． 2 0 1 2 ． 【 2 ] 陈素平， 杜方彦， 何唯平， 等． 涂 料与涂装疵病 分析【 M】 ． 北京 中 国纺织 出版社． 2 0 0 8 ． [ 3 ] 张卫中， 杨 金荣． 涂料生产设备 北京 化学工业出版社， 2 0 1 2 ． 上接 第 4 2页 直接 回流到油箱 中， 对溢流阀没有影响。由图 9可知 ， 油箱初始容积是 0 ． 0 2 m3 ．随着千斤顶活塞 杆的伸 出而 逐渐减小 。 活塞杆的缩 回而逐渐增大直至回到初始值 。 由图 1 0可知 ． 0 1 s 期间 ．起重垫事先把事故车辆顶推 到一定角度 约为 1 5 。 如 图 1 c 所示 ； 1 s 处 P A阀 口开 启 ． 随千斤顶活塞杆的伸 出。 侧翻车辆被逐渐扶正一定 角度 ．在 5 ． 1 s 达到最大扶正角度 2 4 ． 1 o ； 6 s 处 ， P A阀 口 关闭 ．换 向阀阀芯向负方 向移动 ，活塞杆开始 向左移 动 ， 此时换短支撑杆保护 如图 l d所示 ， 所 以侧 翻车 辆维持最大扶正角度不变 。 一 般情况下 ． 车辆都应先卸载货物再实施救援 ， 车 辆 自重加载重达 5 0 t 已属极端情况 。仿真实验结果 表 明 ． 在此极端情况下 ， 液压 扶正设备工作稳定 可靠 ， 完 全满足高速公路隧道事故车辆快速救援的要求 。 4结论 翻车是高速公路隧道事故的多发类型 ， 特别是对于 装载大量危险品的事故车辆 ．如不能及时清障的话 ， 很 有可能会引起火灾 、 危险品泄漏等更严重事故 ， 因此 ， 事 故发生后能否快速高效实施救援是非常重要 的 液压扶 正仿真实验研究充分表明 ． 相 比现有大 吊车救援方法 ， 采用液压扶正设备救援时间短且操作简单 ． 不仅经济效 益上具有很大优势 ， 而且社会效益上也具有重大意义 有利于改善我 国高速公路交通事故处理效率 ． 降低事故 发生率和事故伤亡率 ． 把保护人民群众的生命安全放在 首位 ， 充分体现“ 以人为本 ， 生命至上” 的原则 。 - - 一 卜 - - - - - 一 一 十 参 考 文 献 f l 1 中华人 民共 和 国交 通运输 部． 2 0 1 1年公 路水路 交通运输 行 业发 展统 计通 报． 2 0 1 2 0 4 2 5 [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． m o e ．g o v ． c n ／ z h u z h a n ／ t o n g j i g o n g b a o ／ f e n x i g o n g b a o ／ h a n g y e g o n g b a o ／ 2 0 1 2 0 4 ／ t 2 01 21M 2 5 1 2 31 7 78． h t r n 1 ． [ 2 ] 马壮林． 高速公 路隧道交通事故分析及预 防对策[ D ] ． 西 安 长 安 大学。 2 0 0 6 ． 【 3 】 郝志虎． 高 速公 路特长隧道群安全综合评价研究【 D ] ． 西安 长 安大学． 2 0 0 8 ． [ 4 】 马争锋 ． 高 速公 路隧道 群防灾救 援设施优 化配置研究 【 D 1 ． 重 庆 重庆交通大学， 2 0 1 1 ． [ 5 ]5 白云． 公路 隧道安全等级评价方法研究【 D 】 ． 重庆 重庆交通 大 学． 2 0 0 8 ． [ 6 】 赵 友功． 高速公路 隧道速度 特性分析及 安全策 略研究【 D ] ． 西 安 长 安 大 学 ， 2 0 1 0． 【 7 】 施洪乾． 高速公路 隧道群交 通事故 指标体系及 方法研究【 D 】 ． 成都 西南交通大学 ． 2 0 0 9 ． [ 8 】 李 金龙， 孔 晚华． 高速公路 交通事故 成 因分 析及对策研 究[ J 】 ． 中国安全科学学报， 2 0 0 5 ， 1 5 1 5 9 6 2 ． [ 9 】 戴忧华 ， 郭忠 印 ， 马艳 ， 等． 高速公路 隧道运行 环境安全评 价 指标[ J ] ． 同济大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 8 8 1 1 7 1 1 1 7 6 ． 【 1 0 】张玉春， 何 川， 吴德兴． 高速 公路隧道交 通事故特 性及其 防范 措施[ J ] ． 西南交通大学学报， 2 0 0 9 ， 4 4 5 7 7 6 - 7 8 2 ． [ 1 1 ]杨修 志． 高速公 路应 急抢 险救援设 备 的配备 与管理【 J 】 ． 建 设 机械技术与管理 ， 2 0 1 1 ， 6 8 6 8 8 ． 【 l 2 ] 陈德爱． 高速公路事故救援研究【 D 】 ． 北京 北京交通 大学， 2 0 0 7 ． [ 1 3 】王春行 ． 液压控制系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 1 4 ]王积伟， 章宏甲， 黄谊． 液压传动嗍 ． 北京 机械工业 出版社，2 0 0 7 ． 83