高速公路新型防撞波形護(hù)欄的整體設(shè)計獲獎科研報告

高速公路新型防撞波形護(hù)欄的整體設(shè)計獲獎科研報告

摘

要：在我們的生活中，幾乎每天都會有車輛撞到高速公路防護(hù)欄的交通事故發(fā)生。這些血淋淋的事故，讓我想到了我們要減少開車上高速公路，更讓我產(chǎn)生了重新整體設(shè)計和改進(jìn)高速公路防護(hù)欄的想法。下面我談?wù)勎覍Ω咚俟凡ㄐ巫o(hù)欄的一些認(rèn)識，同時也向大家介紹我設(shè)計的新型防撞方波形護(hù)欄。

一、高速公路波形護(hù)欄的重要性

這段時間，我通過一些調(diào)查和學(xué)習(xí)，讓我了解了很多有關(guān)交通事故的數(shù)據(jù)和知識。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，家用小轎車逐漸走進(jìn)每一個家庭。然而，隨著家用小轎車的增多，交通事故也多了起來，每一年的死亡人數(shù)卻有增無減，這給無數(shù)個家庭帶來了巨大的損失和沉痛的傷害。面臨這樣的趨勢，人們迫切希望增強(qiáng)道路行駛的安全性。高速公路是主要的行駛道路，也是事故多發(fā)路段，特別是當(dāng)車輛出現(xiàn)意外情況而緊急改變行駛方向，或者因車輛本身出現(xiàn)故障失控時，車輛就會沖出道路，自然而然地就發(fā)生了交通事故，這個時候，交通道路防護(hù)設(shè)施的重要性就體現(xiàn)出來了，而高速公路防護(hù)欄作為保護(hù)車輛行駛的設(shè)施，很大程度上決定了道路的安全性。

我國的高速公路防護(hù)欄基本上都是雙向四排設(shè)計的，每個方向兩排，并且安裝在道路的兩側(cè)，這些防護(hù)欄由一塊塊波形的鋼板通過金屬立柱而固定連接在一起，安全防護(hù)性能較好。這些鋼板的尺寸規(guī)格多數(shù)為：單節(jié)每塊長400厘米，展開寬度為48厘米，厚度為0.3厘米，最矮的防護(hù)欄上線距離地面約80厘米，最高且加寬的防護(hù)欄上線距離地面約120厘米。鋼板材質(zhì)以普通碳素結(jié)構(gòu)鋼為主，此鋼材由于含碳適中，綜合性能較好，是目前正在開發(fā)研究中的新鋼種，其強(qiáng)度、塑性耗能值和焊接等性能得到很好的配合，達(dá)到了很好的效果。防護(hù)欄的高度設(shè)計也非常重要，它既要有杜絕被車輛突破的強(qiáng)度，也要具有防止重心較高的重型車輛從波形梁（橫梁）上方越出的高度，還要具有避免小型車輛從波形梁下方鉆出的可能。

二、高速公路波形護(hù)欄的作用原理

防護(hù)欄的作用原理，就是將車輛動能轉(zhuǎn)化為欄桿自身的塑性變形耗能，發(fā)揮緩沖的作用。也就是說，當(dāng)車輛出現(xiàn)意外情況而緊急改變行駛方向或者因車輛本身出現(xiàn)故障而失控沖向道路防護(hù)欄時，車輛的大部分動能就會轉(zhuǎn)變?yōu)榉雷o(hù)欄金屬塑性變形的能量而被逐步消耗掉，同時，防護(hù)欄還能校正車輛的運動方向和軌跡，避免車輛橫向打轉(zhuǎn)或翻滾等不良后果，減輕事故的嚴(yán)重程度，從而減少了對車輛的損毀和對人員的傷害。我們可以設(shè)想一下，假如一輛高速行駛的車輛撞向一堵鋼筋水泥硬墻，汽車會在瞬間停止，此時，車輛的大部分動能就會轉(zhuǎn)化為破壞車輛本身的能量，就會造成車輛的嚴(yán)重?fù)p毀和人員的傷害。

三、高速公路新型防撞波形護(hù)欄的整體設(shè)計

通過上面對高速公路波形護(hù)欄的重要性和作用原理的理解及介紹，高速公路波形護(hù)欄雖然不能減少事故的發(fā)生，但可以通過新的設(shè)計和不斷的改進(jìn)來大大減少事故引起的車輛損毀和人員傷亡。隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路波形護(hù)欄無論在選材方面還是在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，都面臨著更高的質(zhì)量和安全要求，然而，目前的高速公路波形護(hù)欄的質(zhì)量和安全都還不能完全滿足車輛安全的要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計有待重新整體設(shè)計。因此，我特別設(shè)計了一款新型防撞護(hù)欄，形狀為方波形的，以此來最大限度滿足車輛安全的要求。

（一）設(shè)計目的：通過新型防撞方波形護(hù)欄的整體設(shè)計和不斷改進(jìn)，來大大減少事故引起的車輛損毀和人員傷亡。當(dāng)車輛發(fā)生意外時，新型防撞方波形護(hù)欄能最大限度滿足車輛安全的要求。

（二）設(shè)計方法：

1.把波形護(hù)欄的每一塊波形梁（橫梁）設(shè)計為兩塊方波形的，即從中間一分為二，并通過抗拉阻尼彈簧連接起來，兩組抗拉阻尼彈簧之間由帶保險插銷螺絲釘鎖住，就像關(guān)節(jié)一樣能活動;當(dāng)車輛與波形護(hù)欄碰撞時，波形梁因彈簧受力而向外變形擴(kuò)張，以此來吸收絕大部分的碰撞能量（圖一），同時，波形梁的外表面粘了一層一定厚度的橡膠層，由于橡膠層的柔軟性，當(dāng)車輛與波形護(hù)欄碰撞時，也能吸收和消耗掉一部分碰撞能量（圖二）。

2.立柱的頂部被金屬外罩緊貼套著，金屬外罩通過波形梁固定架（緩沖板）與波形梁連接在一起（圖三）。把波形護(hù)欄的立柱設(shè)計成抗折彎變形復(fù)位彈簧，中間用實心橡膠棒填充，實心橡膠棒表面噴涂橙色反光涂料，不再是傳統(tǒng)的空心金屬管了，橡膠棒的材料主要由廢舊輪胎等塑料材質(zhì)制成（圖三），當(dāng)車輛與波形護(hù)欄碰撞時，抗折彎變形復(fù)位彈簧和橡膠棒就會同時向外變形擴(kuò)張，車輛的大部分碰撞能量就在方波形梁連接處的抗拉阻尼彈簧的阻礙下緩慢變形，并在立柱的抗折彎變形力的阻礙下被逐步分解成不同的方向而被吸收掉;在金屬外罩面向高速公路的部位安裝一個與立柱平行的柱狀橡膠輪，柱狀橡膠輪帶有固定軸承且能自由滾動，它也能吸收部分碰撞能量和改變碰撞車輛的運動方向（圖四），避免車輛橫向打轉(zhuǎn)或翻滾。

（三）實驗結(jié)果：經(jīng)過反復(fù)研究和實驗，通過這樣把波形護(hù)欄重新整體設(shè)計和改進(jìn)后，防撞性能大大增強(qiáng)了，安全系數(shù)大大提高了。當(dāng)車輛撞上波形護(hù)欄時，由于波形梁、實心橡膠棒立柱和柱狀橡膠輪的自身塑性變形耗能作用，其大部分碰撞能量會瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ巫o(hù)欄伸縮變形的能量而被逐步分散吸收掉，從而大大減少了對車輛損毀和人員傷害（另附有實驗演示功能圖和說明）。而且，只要不是特別嚴(yán)重的車輛碰撞，防撞波形護(hù)欄基本上可以自身修復(fù)，減少了因更換護(hù)欄而造成的資源浪費，也降低了后期的維護(hù)成本，節(jié)約了資源，不再像原來那樣經(jīng)常都在更換維修護(hù)欄了。采用方波形梁能最大限度增大受沖擊面積，可以減小對車輛局部的沖擊力，也利于橡膠層的固定。

（四）分析、結(jié)論：這樣整體設(shè)計出來的波形護(hù)欄，結(jié)構(gòu)簡單科學(xué)、安裝方便，具有自身修復(fù)功能，后期維護(hù)成本低;由于橡膠棒、柱狀橡膠輪和方波形梁外層粘貼的緩沖橡膠層都可以用廢舊輪胎橡膠重新熱塑成型來利用，成本較低又不會浪費，整體性能和維護(hù)成本優(yōu)于現(xiàn)在普遍使用的護(hù)欄，實用性強(qiáng)