Bestemmelse av friksjonskoeffisientene til isete fortau under forskjellige mengder snøfall

Summary

Her presenterer vi en metode for å bestemme friksjonskoeffisienten til fortau med forskjellige istykkelser innendørs. Den komplette prosedyren inkluderer forberedelse av utstyret, beregning og analyse av snøfallet, utstyrskalibrering, friksjonskoeffisientbestemmelse og dataanalyse.

Abstract

Is på veibanen kan føre til en betydelig reduksjon i friksjonskoeffisienten, og dermed true kjøresikkerheten. Det er imidlertid fortsatt ingen studier som gir nøyaktige friksjonskoeffisientverdier for fortau dekket av is, noe som er skadelig for både vegutforming og valg av vintervegvedlikeholdstiltak. Derfor presenterer denne artikkelen en eksperimentell metode for å bestemme friksjonskoeffisienten til isete veibaner om vinteren. En britisk bærbar tester (BPT), også kjent som en pendelfriksjonskoeffisientmåler, ble ansatt for eksperimentet. Eksperimentet ble delt inn i følgende fem trinn: forberedelse av utstyret, beregning og analyse av snøfallet, utstyrskalibrering, friksjonskoeffisientbestemmelse og dataanalyse. Nøyaktigheten av det endelige eksperimentet påvirkes direkte av utstyrets nøyaktighet, som er beskrevet i detalj. Videre foreslår denne artikkelen en metode for å beregne istykkelsen for tilsvarende mengder snøfall. Resultatene illustrerer at selv ujevn is dannet av svært lett snøfall kan føre til en betydelig reduksjon i friksjonskoeffisienten til fortauet, og dermed true kjøresikkerheten. I tillegg er friksjonskoeffisienten på topp når istykkelsen når 5 mm, noe som betyr at beskyttelsestiltak bør iverksettes for å unngå dannelse av slik is.

Introduction

Dekkfriksjon er definert som grepet mellom kjøretøyets dekk og den underliggende veibanen¹. Indeksen som oftest forbindes med vegfriksjon i vegprosjektering er vegfriksjonskoeffisienten. Friksjon er en av de viktigste faktorene i vegdesign og er nest etter holdbarhet. Det er en sterk og klar sammenheng mellom vegfriksjonsytelse og ulykkesrisiko². For eksempel er det en signifikant negativ korrelasjon mellom trafikkulykkesrater og dekkeskinnemotstand ^3,4,5. Flere faktorer kan bidra til en reduksjon i vegfriksjon, og en av de mest direkte og innflytelsesrike av disse faktorene er snøfall⁶. Spesielt fører snøfall til at det dannes is på fortauet, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i vegfriksjonskoeffisienten ^7,8. En studie som fokuserte på faktorene som påvirker trafikkulykkesratene i Sør-Finland, bemerket at ulykkesfrekvensen ofte topper seg på dager med kraftig snøfall, og at mer enn 10 cm snø kan føre til en dobling av ulykkesfrekvensen⁹. Lignende resultater er funnet i studier utført både i Sverige og Canada^10,11. Derfor er det avgjørende å studere friksjonsegenskapene til snøfrosne fortau for å forbedre trafikksikkerheten.

Å bestemme friksjonskoeffisienten til isete fortau er en kompleks prosess fordi friksjonskoeffisienten kan variere under forskjellige snøfallsnivåer og istykkelser på fortauet. Videre kan varierende temperaturer og dekkegenskaper også påvirke friksjonskoeffisienten. Tidligere har det blitt utført en rekke eksperimenter for å studere friksjonsegenskapene til dekk på is¹². På grunn av forskjellene i individuelle miljøer og dekkegenskaper, kan konsistente resultater imidlertid ikke oppnås og brukes som grunnlag for teoretiske studier. Derfor har mange forskere forsøkt å utvikle teoretiske modeller for å analysere friksjonen av dekk på is. Hayhoe og Sahpley¹³ foreslo konseptet med våtfriksjonsvarmeutveksling i grensesnittet mellom dekk og is, mens Peng et ^al.14 foreslo en avansert datamodell for å forutsi friksjon basert på konseptet ovenfor. I tillegg presenterte Klapproth en innovativ matematisk modell for å beskrive friksjonen av grov gummi på glatt is¹⁵. Imidlertid har de ovennevnte modellene vist seg å ha betydelige feil, hovedsakelig på grunn av deres manglende evne til nøyaktig og effektivt å karakterisere friksjonsegenskapene til dekk på is¹⁶.

For å redusere feilene i teoretiske modeller, er det nødvendig med en stor mengde eksperimentelle data. Det finske meteorologiske byrået utviklet en friksjonsmodell for å forutsi isete dekkefriksjon, og formelen for den modellen var hovedsakelig basert på data hentet fra veiværstasjoner og gjennom statistisk analyse¹⁷. Videre samlet Ivanović og medarbeidere en betydelig mengde eksperimentelle data ved å analysere friksjonsegenskapene til dekk på is og beregnet friksjonskoeffisienten til is ved regresjonsanalyse¹⁸. Gao og medarbeidere foreslo også en ny prediksjonsmodell for dekkgummi-is-trekkraft ved å kombinere Levenberg-Marquardt (LM) optimaliseringsalgoritme med et nevralt nettverk for å oppnå formelen for friksjonskoeffisienten på is¹⁹. Alle de ovennevnte modellene har blitt enten validert eller anvendt i praksis og anses dermed som gjennomførbare.

I tillegg til teoretiske metoder er det utviklet mange praktiske metoder for å måle friksjonskoeffisienten til fortau i snødekte og frosne områder. På grunn av værets særegenheter har disse metodene blitt mye brukt i nordiske land som Sverige, Norge og Finland²⁰. I Sverige brukes følgende tre hovedtyper av friksjonsmåler: BV11, SFT og BV14. BV14, en dobbeltfriksjonstester utviklet spesielt for vintervedlikeholdsvurderinger, er direkte koblet til målekjøretøyet og måler tørrfriksjonen på begge hjulbanene samtidig²⁰. I Finland brukes friksjonsmåleren (TIE 475) til vurdering av vedlikehold av vinterveger, mens i Norge er friksjonsmåleren ROAR (uten vann) et vanlig utstyr². De fleste vinterfriksjonsmålingene som er utført i Sverige, Norge og Finland er utført med vanlige personbiler med ABS og instrumenter som måler retardasjon under bremsing ^2,20. Fordelen med denne metoden er at den er enkel og relativt billig, og den største ulempen er at nøyaktigheten av metoden er svært lav.

Studiene beskrevet ovenfor gir metoder for å forutsi og oppdage friksjonskoeffisienter på is. Imidlertid er det fortsatt ikke gitt en enhetlig metode og en spesifikk verdi for å veilede vegdesignere. For vinterveier kan dessuten friksjonskoeffisienten mellom dekkene og isen variere med hensyn til ulike istykkelser, og det bør også iverksettes ulike disponeringstiltak²¹. Derfor tar dette papiret sikte på å bestemme friksjonskoeffisienten til isete veier under forskjellige mengder snøfall.

Internasjonalt er den britiske bærbare testeren (BPT) og det svenske vei- og transportforskningsinstituttets bærbare friksjonstester (VTI PFT) for tiden de mest brukte instrumentene for måling av friksjonskoeffisienten^22,23. PFT er en bærbar friksjonstester utviklet av VTI, og den lar operatøren ta målinger i oppreist stilling og lagre dataene på datamaskinen²². PFT kan måle de fleste profilerte veimerkinger, men antall tilgjengelige instrumenter er fortsatt svært lite². BPT er en pendelfriksjonskoeffisienttester som ble utviklet av British Road Research Laboratory (RRL, nå TRL). Instrumentet er en dynamisk pendelkollisjonstype tester som brukes til å måle energitapet i tilfeller der en glidebryter av gummi drives over en testoverflate. Resultatene er rapportert som British Pendulum Numbers (BPNs) for å understreke at de er spesifikke for denne testeren og ikke direkte ekvivalente med de fra andre enheter²⁴. Instrumentet har vist seg å være nyttig for bestemmelse av friksjonskoeffisienter i det eksperimentelle dekkefeltet²³. Dette eksperimentet bruker BPT for bestemmelse av friksjonskoeffisienter.

Denne studien beskriver den eksperimentelle prosedyren for å måle friksjonskoeffisienten til isete fortau som tilsvarer forskjellige snøfallsmengder innendørs. Problemene som skal bemerkes i forsøkene, for eksempel eksperimentell kalibrering, eksperimentell implementering og metoder for dataanalyse, forklares i detalj. De nåværende eksperimentelle prosedyrene kan oppsummeres ved følgende fem trinn: 1) klargjøring av utstyret, 2) beregning og analyse av snøfallet, 3) utstyrskalibrering, 4) friksjonskoeffisientbestemmelse og 5) dataanalyse.

Protocol

1. Klargjøring av utstyret BPTSørg for at BPT (figur 1) er innenfor levetiden og at overflaten er ren og uskadet.MERK: Komponentene i BPT er basen, utjevningsspiralen, utjevningsboblen, pekeren, pendelen, løftespiralen, festespiralen, håndtaket og skiven. AsfaltplaterSørg for at asfaltblandingsprøvestørrelsen som brukes til eksperimentet, er 30 cm x 30 cm x 5 cm. FryseutstyrSørg for at …

Representative Results

Prøve 7 i tabell 4 er den tørre prøvekontrollgruppen, mens de resterende prøvene 1-6 tilsvarer istykkelser fra veldig lett snø til stor snøstorm. Ved sammenligning av prøve 7 og de andre seks gruppene ble isdannelse observert for å redusere friksjonskoeffisienten til vegdekket betydelig. Videre ble friksjonskoeffisienten for fortau redusert med økende istykkelse, og istykkelsen hadde en tendens til å stabilisere seg på 5 mm, noe som tilsvarer middels snø. Den endel…

Discussion

Denne artikkelen undersøker prosedyren for å teste friksjonskoeffisienten til isete fortau ved hjelp av en BPT. Flere punkter må analyseres grundig og diskuteres i detalj her. For det første, når det gjelder fremstilling av asfaltblandingsprøvene, bør man prøve å bruke vegpetroleumsasfalt for å forberede prøvene, men dette er ikke et krav. Fremstillingen av asfaltblandingsprøvene skal utføres i strengt samsvar med ASTM (D6926-20) eksperimentelle protokoller, da dette påvirker nøyaktigheten av de endelige r…

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