Bepaling van de wrijvingscoëfficiënten van ijzige trottoirs bij verschillende hoeveelheden sneeuwval
Summary
Hier presenteren we een methode voor het bepalen van de wrijvingscoëfficiënt van verhardingen met verschillende ijsdiktes binnenshuis. De volledige procedure omvat de voorbereiding van de apparatuur, de berekening en analyse van de sneeuwval, kalibratie van de apparatuur, bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en gegevensanalyse.
Abstract
IJs op wegdek kan leiden tot een aanzienlijke verlaging van de wrijvingscoëfficiënt, waardoor de rijveiligheid in gevaar komt. Er zijn echter nog steeds geen studies die exacte wrijvingscoëfficiëntwaarden bieden voor verhardingen bedekt met ijs, wat schadelijk is voor zowel het wegontwerp als de selectie van winterse wegenonderhoudsmaatregelen. Daarom presenteert dit artikel een experimentele methode om de wrijvingscoëfficiënt van ijzig wegdek in de winter te bepalen. Een Britse draagbare tester (BPT), ook bekend als een slingerwrijvingscoëfficiëntmeter, werd gebruikt voor het experiment. Het experiment was verdeeld in de volgende vijf stappen: de voorbereiding van de apparatuur, de berekening en analyse van de sneeuwval, kalibratie van de apparatuur, bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en gegevensanalyse. De nauwkeurigheid van het uiteindelijke experiment wordt direct beïnvloed door de nauwkeurigheid van de apparatuur, die in detail wordt beschreven. Bovendien suggereert dit artikel een methode voor het berekenen van de ijsdikte voor overeenkomstige hoeveelheden sneeuwval. De resultaten illustreren dat zelfs fragmentarisch ijs gevormd door zeer lichte sneeuwval kan leiden tot een aanzienlijke afname van de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek, waardoor de rijveiligheid in gevaar komt. Bovendien is de wrijvingscoëfficiënt op zijn hoogtepunt wanneer de ijsdikte 5 mm bereikt, wat betekent dat beschermingsmaatregelen moeten worden genomen om de vorming van dergelijk ijs te voorkomen.
Introduction
Wegdekwrijving wordt gedefinieerd als de grip tussen de banden van het voertuig en het onderliggende wegdek1. De index die het meest wordt geassocieerd met stoepwrijving in het wegontwerp is de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek. Wrijving is een van de belangrijkste factoren in het wegontwerp en is de tweede alleen voor duurzaamheid. Er is een sterke en duidelijke correlatie tussen de wrijvingsprestaties van het wegdek en het ongevalsrisico2. Er is bijvoorbeeld een significante negatieve correlatie tussen het aantal verkeersongevallen en de weerstand tegen trottoirs 3,4,5. Verschillende factoren kunnen bijdragen aan een afname van de wrijving van het wegdek, en een van de meest directe en invloedrijke van deze factoren is sneeuwval6. In het bijzonder zorgt sneeuwval ervoor dat er ijs op de stoep ontstaat, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de wrijvingscoëfficiënt 7,8. Een studie gericht op de factoren die van invloed zijn op de verkeersongevallen in Zuid-Finland merkte op dat het aantal ongevallen vaak piekt op dagen met zware sneeuwval en dat meer dan 10 cm sneeuw kan leiden tot een verdubbeling van het aantal ongevallen9. Vergelijkbare resultaten zijn gevonden in studies uitgevoerd in zowel Zweden als Canada10,11. Daarom is het bestuderen van de wrijvingseigenschappen van besneeuwde trottoirs cruciaal voor het verbeteren van de verkeersveiligheid.
Het bepalen van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige verhardingen is een complex proces omdat de wrijvingscoëfficiënt kan variëren onder verschillende sneeuwvalniveaus en verhardingsijsdiktes. Bovendien kunnen verschillende temperaturen en bandeneigenschappen ook van invloed zijn op de wrijvingscoëfficiënt. In het verleden zijn talloze experimenten uitgevoerd om de wrijvingskarakteristieken van banden op ijste bestuderen 12. Vanwege de verschillen in individuele omgevingen en bandenkenmerken kunnen consistente resultaten echter niet worden verkregen en gebruikt als basis voor theoretische studies. Daarom hebben veel onderzoekers geprobeerd theoretische modellen te ontwikkelen om de wrijving van banden op ijs te analyseren. Hayhoe en Sahpley13 suggereerden het concept van natte wrijvingswarmte-uitwisseling op het grensvlak tussen banden en ijs, terwijl Peng et al.14 een geavanceerd gegevensmodel voorstelden om wrijving te voorspellen op basis van het bovenstaande concept. Daarnaast presenteerde Klapproth een innovatief wiskundig model voor het beschrijven van de wrijving van ruw rubber op glad ijs15. Van de bovenstaande modellen is echter aangetoond dat ze aanzienlijke fouten bevatten, voornamelijk vanwege hun onvermogen om de wrijvingseigenschappen van banden op ijs nauwkeurig en efficiënt te karakteriseren16.
Om de fouten van theoretische modellen te verminderen, is een grote hoeveelheid experimentele gegevens nodig. Het Finse meteorologische agentschap ontwikkelde een wrijvingsmodel voor het voorspellen van ijzige verhardingswrijving, en de formule voor dat model was voornamelijk gebaseerd op gegevens verkregen van weerstations op de weg en door statistische analyse17. Bovendien verzamelden Ivanović et al. een aanzienlijke hoeveelheid experimentele gegevens door de wrijvingskarakteristieken van banden op ijs te analyseren en de wrijvingscoëfficiënt van ijs te berekenen door regressieanalyse18. Gao et al. stelden ook een nieuw voorspellingsmodel voor van banden-rubber-ijstractie door het Levenberg-Marquardt (LM) optimalisatiealgoritme te combineren met een neuraal netwerk om de formule voor de wrijvingscoëfficiënt op ijs19 te verkrijgen. Alle bovenstaande modellen zijn gevalideerd of in de praktijk toegepast en worden dus haalbaar geacht.
Naast theoretische methoden zijn er veel praktische methoden ontwikkeld voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt van verhardingen in besneeuwde en bevroren gebieden. Vanwege de bijzonderheden van het weer zijn deze methoden op grote schaal gebruikt in Scandinavische landen zoals Zweden, Noorwegen en Finland20. In Zweden worden de volgende drie hoofdtypen wrijvingsmeetapparatuur gebruikt: de BV11, SFT en BV14. De BV14, een dubbele wrijvingstester die speciaal is ontwikkeld voor winteronderhoudsbeoordelingen, is direct verbonden met het meetvoertuig en meet tegelijkertijd de droge wrijving op beide wielpaden20. In Finland wordt het wrijvingsmeetvoertuig (TIE 475) gebruikt voor beoordelingen van het onderhoud van wegen in de winter, terwijl in Noorwegen het ROAR-wrijvingsmeetapparaat (zonder water) een veelgebruikt apparaat is2. De meeste winterwrijvingsmetingen die in Zweden, Noorwegen en Finland zijn uitgevoerd, zijn uitgevoerd met gewone personenauto’s met ABS en instrumenten die de vertraging meten bij het remmen 2,20. Het voordeel van deze methode is dat het eenvoudig en relatief goedkoop is, en het grootste nadeel is dat de nauwkeurigheid van de methode erg laag is.
De hierboven beschreven studies bieden methoden voor het voorspellen en detecteren van wrijvingscoëfficiënten op ijs. Een uniforme methode en een specifieke waarde om wegontwerpers te begeleiden zijn echter nog steeds niet verstrekt. Bovendien kan voor winterwegen de wrijvingscoëfficiënt tussen de banden en het ijs variëren met betrekking tot verschillende ijsdiktes, en moeten ook verschillende verwijderingsmaatregelen worden geïmplementeerd21. Daarom is dit artikel bedoeld om de wrijvingscoëfficiënt van ijzige wegen onder verschillende hoeveelheden sneeuwval te bepalen.
Internationaal zijn de Britse draagbare tester (BPT) en de Zweedse Road and Transport Research Institute portable friction tester (VTI PFT) momenteel de meest gebruikte instrumenten voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt22,23. De PFT is een draagbare wrijvingstester ontwikkeld door VTI en stelt de operator in staat om metingen rechtop uit te voeren en de gegevens op de computer op te slaan22. De PFT kan de meeste voorgevormde wegmarkeringen meten, maar het aantal instrumenten dat momenteel beschikbaar is, is nog steeds erg klein2. De BPT is een slingerwrijvingscoëfficiënttester die is ontwikkeld door het British Road Research Laboratory (RRL, nu TRL). Het instrument is een dynamische slingerslag-type tester die wordt gebruikt om het energieverlies te meten in gevallen waarin een rubberen schuifrand over een testoppervlak wordt voortgestuwd. De resultaten worden gerapporteerd als British Pendulum Numbers (BPN’s) om te benadrukken dat ze specifiek zijn voor deze tester en niet direct gelijkwaardig aan die van andere apparaten24. Het instrument is nuttig gebleken voor de bepaling van wrijvingscoëfficiënten in het experimentele verhardingsveld23. Dit experiment gebruikt de BPT voor het bepalen van wrijvingscoëfficiënten.
De huidige studie beschrijft de experimentele procedure voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige verhardingen die overeenkomen met verschillende sneeuwvalhoeveelheden binnenshuis. De problemen die in de experimenten moeten worden opgemerkt, zoals experimentele kalibratie, experimentele implementatie en de methoden van gegevensanalyse, worden in detail uitgelegd. De huidige experimentele procedures kunnen worden samengevat in de volgende vijf stappen: 1) de voorbereiding van de apparatuur, 2) de berekening en analyse van de sneeuwval, 3) kalibratie van de apparatuur, 4) bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en 5) gegevensanalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het onderhavige artikel onderzoekt de procedure voor het testen van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige bestrating met behulp van een BPT. Verschillende punten moeten uitgebreid worden geanalyseerd en worden hier in detail besproken. Ten eerste, in termen van de voorbereiding van de asfaltmengselmonsters, moet men proberen om petroleumasfalt voor de weg te gebruiken om de monsters voor te bereiden, maar dit is geen vereiste. De bereiding van de asfaltmengselmonsters moet worden uitgevoerd in strikte overeenstemming met …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag het wetenschappelijk onderzoeksprogramma erkennen dat wordt gefinancierd door de Shaanxi Provincial Education Department (programma nr. 21JK0908).
Materials
| Brush | Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD | L-31 | |
| Freezing equipment | Haier Group | BC/BD-251HD | |
| Measuring cylinder | Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD | lb1 | |
| Pavement thermometer | Fluke Electronic Insrtument Company | F62MAX | |
| Pendulum Friction Cofficient Meter | Muyang County Highway Instrument Co., LTD | / | |
| Rubber sheet | Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD | 785120123500 | |
| Sliding length ruler | Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD | 785120123500 | |
| Tripod | Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD | TRGC1169 |
Riferimenti
- Rajamani, R., Piyabongkarn, N., Lew, J., Yi, K., Phanomchoeng, G. Tire-road riction-coefficient estimation. IEEE Control Systems Magazine. 30 (4), 54-69 (2010).
- Wallman, C. -. G., Åström, H. Friction measurement methods and the correlation between road friction and traffic safety: A literature review. Swedish National Road and Transport Research Institute. , (2001).
- Kuttesch, J. S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data. Virginia Tech. , (2004).
- Juga, I., Nurmi, P., Hippi, M. Statistical modelling of wintertime road surface friction. Meteorological Applications. 20 (3), 318-329 (2013).
- Zhang, Y. The optimum amount of road deicing salt in humid areas. Advances in Engineering Research. 153 (2017), 283-290 (2017).
- Haavasoja, T., Pilli-Sihvola, Y. Friction as a measure of slippery road surfaces. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2010).
- Norrman, J. Slipperiness on roads-an expert system classification. Meteorological Applications. 7 (1), 27-36 (2000).
- Mayora, J. M. P., Piña, R. J. An assessment of the skid resistance effect on traffic safety under wet-pavement conditions. Accident Analysis & Prevention. 41 (4), 881-886 (2009).
- Juga, I. The effect of snowfall and low temperature on road traffic accident rates in Souther. Proceedings of 16th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2012).
- Waluś, K. J., Olszewski, Z. Analysis of tire-road contact under winter conditions. Proceedings of the World Congress on Engineering. WFEO and UNESCO. , (2011).
- Salimi, S., Nassiri, S., Bayat, A., Halliday, D. Lateral coefficient of friction for characterizing winter road conditions. Canadian Journal of Civil Engineering. 43 (1), 73-83 (2016).
- Hunter, J. E. Reconstructing collisions involving ice and slippery surfaces. SAE Transactions. 102, 1425-1436 (1993).
- Hayhoe, G., Shapley, C. Tire force generation on ice. Journal of Passenger Cars. 98 (6), 30-38 (1989).
- Peng, X., Xie, Y., Guo, K. A new method for determining tire traction on ice. SAE 2000 Automotive Dynamics & Stability Conference. , (2000).
- Klapproth, C., Kessel, T., Wiese, K., Wies, B. An advanced viscous model for rubber-ice-friction. Tribology International. 99, 169-181 (2016).
- Lahayne, O., et al. Rubber friction on ice: experiments and modeling. Tribology Letters. 62 (2), 17 (2016).
- Hippi, M., Juga, I., Nurmi, P. A statistical forecast model for road surface friction. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2010).
- Ivanović, V., et al. Experimental identification of dynamic tire friction potential on ice surfaces. Vehicle System Dynamics. 44 (1), 93-103 (2006).
- Gao, J., Zhang, Y., Du, Y., Li, Q. Optimization of the tire ice traction using combined Levenberg-Marquardt (LM) algorithm and neural network. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 41, 40 (2019).
- Nordstroem, O. Development and validation of BV14, a new twin track fixed slip friction tested for winter road maintenance monitoring in Sweden. Proceedings of XTH PIARC International Winter Road Congress. Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI). , (1998).
- Norem, H. Selection of strategies for winter maintenance of roads based on climatic parameters. Journal of Cold Regions Engineering. 23 (4), 113-135 (2009).
- Bergström, A., Åström, H., Magnusson, R. Friction measurement on cycleways using a portable friction tester. Journal of Cold Regions Engineering. 17 (1), 37-57 (2003).
- Henry, J. J. Evaluation of pavement friction characteristics. Transportation Research Board. , (2000).
- ASTM International. ASTM E303-93. Standard Test Method for Measuring Surface Frictional Properties Using the British Pendulum Tester. ASTM International. , (2018).
- ASTM International. ASTM D6926-20. Standard Practice for Preparation of Asphalt Mixture Specimens Using Marshall Apparatus. ASTM International. , (2020).
- Oliver, J. W., Tredrea, P., Pratt, D. Seasonal variation of skid resistance in Australia. Special Report No 37. Australian Road Research Board. , (1988).
- Steven, B. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Temperature Corrections and Operator/Machine Variability. University of California Pavement Research Center Davis and Berkely. , (2009).
- Transport Research Laboratory. BS 7976-2:2002. Pendulum testers – Method of operation. Transport Research Laboratory. , (2002).
- Lu, Q. Friction testing of pavement preservation treatments: Literature review. UC Davis: University of California Pavement Research Center. , (2006).
- Bazlamit, S. M., Reza, F. Changes in asphalt pavement friction components and adjustment of skid number for temperature. Journal of Transportation Engineering. 131 (6), 470-476 (2005).
