Bestämning av friktionskoefficienterna för isiga trottoarer under olika mängder snöfall
Summary
Här presenterar vi en metod för att bestämma friktionskoefficienten för trottoarer med olika istjocklekar inomhus. Den fullständiga proceduren inkluderar förberedelse av utrustningen, beräkning och analys av snöfallet, utrustningskalibrering, friktionskoefficientbestämning och dataanalys.
Abstract
Is på vägytor kan leda till en signifikant minskning av friktionskoefficienten, vilket äventyrar körsäkerheten. Det finns dock fortfarande inga studier som ger exakta friktionskoefficientvärden för trottoarer täckta av is, vilket är skadligt för både vägutformning och valet av vinterväghållningsåtgärder. Därför presenterar denna artikel en experimentell metod för att bestämma friktionskoefficienten för isiga vägytor på vintern. En brittisk bärbar testare (BPT), även känd som en pendelfriktionskoefficientmätare, användes för experimentet. Experimentet delades in i följande fem steg: förberedelse av utrustningen, beräkning och analys av snöfallet, utrustningskalibrering, friktionskoefficientbestämning och dataanalys. Noggrannheten i det slutliga experimentet påverkas direkt av utrustningens noggrannhet, som beskrivs i detalj. Dessutom föreslår denna artikel en metod för att beräkna istjockleken för motsvarande mängder snöfall. Resultaten illustrerar att även fläckvis is som bildas av mycket lätt snöfall kan leda till en signifikant minskning av friktionskoefficienten på trottoaren, vilket äventyrar körsäkerheten. Dessutom är friktionskoefficienten som högst när istjockleken når 5 mm, vilket innebär att skyddsåtgärder bör vidtas för att undvika bildandet av sådan is.
Introduction
Beläggningsfriktion definieras som greppet mellan fordonets däck och den underliggande vägytan1. Det index som oftast förknippas med beläggningsfriktion vid vägutformning är beläggningsfriktionskoefficienten. Friktion är en av de viktigaste faktorerna i vägdesign och är näst efter hållbarhet. Det finns ett starkt och tydligt samband mellan beläggningsfriktionsprestanda och olycksrisk2. Det finns till exempel ett signifikant negativt samband mellan trafikolyckor och beläggningsmotståndet 3,4,5. Flera faktorer kan bidra till en minskning av beläggningsfriktionen, och en av de mest direkta och inflytelserika av dessa faktorer är snöfall6. Specifikt orsakar snöfall att is bildas på trottoaren, vilket resulterar i en betydande minskning av vägfriktionskoefficienten 7,8. I en studie som fokuserar på de faktorer som påverkar antalet trafikolyckor i södra Finland konstaterades att olycksfrekvensen ofta toppar på dagar med kraftigt snöfall och att mer än 10 cm snö kan leda till en fördubbling av olycksfrekvensen9. Liknande resultat har hittats i studier utförda både i Sverige och Kanada10,11. Därför är det avgörande att studera friktionsegenskaperna hos snöfrusna trottoarer för att förbättra trafiksäkerheten.
Att bestämma friktionskoefficienten för isiga trottoarer är en komplex process eftersom friktionskoefficienten kan variera under olika snöfallsnivåer och beläggningsistjocklekar. Dessutom kan varierande temperaturer och däckegenskaper också påverka friktionskoefficienten. Tidigare har många experiment genomförts för att studera friktionsegenskaperna hos däck på is12. På grund av skillnaderna i enskilda miljöer och däckegenskaper kan konsekventa resultat emellertid inte erhållas och användas som grund för teoretiska studier. Därför har många forskare försökt utveckla teoretiska modeller för att analysera friktionen av däck på is. Hayhoe och Sahpley13 föreslog begreppet våtfriktionsvärmeväxling vid gränssnittet mellan däck och is, medan Peng et al.14 föreslog en avancerad datamodell för att förutsäga friktion baserat på ovanstående koncept. Dessutom presenterade Klapproth en innovativ matematisk modell för att beskriva friktionen av grovt gummi på slät is15. Ovanstående modeller har emellertid visat sig ha betydande fel, främst på grund av deras oförmåga att exakt och effektivt karakterisera friktionsegenskaperna hos däck på is16.
För att minska felen i teoretiska modeller behövs en stor mängd experimentella data. Meteorologiska byrån utvecklade en friktionsmodell för att förutsäga isig beläggningsfriktion, och formeln för den modellen baserades främst på data från vägväderstationer och genom statistisk analys17. samlade dessutom in en betydande mängd experimentella data genom att analysera friktionsegenskaperna hos däck på is och beräknade friktionskoefficienten för is genom regressionsanalys18. föreslog också en ny förutsägelsemodell för däck-gummi-is-dragkraft genom att kombinera Levenberg-Marquardt (LM) optimeringsalgoritm med ett neuralt nätverk för att erhålla formeln för friktionskoefficienten på is19. Alla ovanstående modeller har antingen validerats eller tillämpats i praktiken och anses därför vara genomförbara.
Förutom teoretiska metoder har många praktiska metoder utvecklats för att mäta friktionskoefficienten för trottoarer i snöiga och frusna områden. På grund av vädrets särdrag har dessa metoder använts i stor utsträckning i nordiska länder som Sverige, Norge och Finland20. I Sverige används följande tre huvudtyper av friktionsmätningsanordningar: BV11, SFT och BV14. BV14, en dubbel friktionstestare utvecklad speciellt för vinterunderhållsbedömningar, är direkt ansluten till mätfordonet och mäter torrfriktionen på båda hjulbanorna samtidigt20. I Finland används friktionsmätningsfordonet (TIE 475) för vinterbedömningar av vägunderhåll, medan ROAR-friktionsmätningsanordningen (utan vatten) i Norge är en vanlig utrustning2. De flesta vinterfriktionsmätningar som gjorts i Sverige, Norge och Finland har utförts med vanliga personbilar med ABS och instrument som mäter retardation vid inbromsning 2,20. Fördelen med denna metod är att den är enkel och relativt billig, och den största nackdelen är att metodens noggrannhet är mycket låg.
Studierna som beskrivs ovan ger metoder för att förutsäga och detektera friktionskoefficienter på is. En enhetlig metod och ett specifikt värde för att vägleda vägkonstruktörer har dock fortfarande inte tillhandahållits. För vintervägar kan dessutom friktionskoefficienten mellan däcken och isen variera med avseende på olika istjocklekar, och olika bortskaffningsåtgärder bör också genomföras21. Därför syftar detta dokument till att bestämma friktionskoefficienten för isiga vägar under olika mängder snöfall.
Internationellt är den brittiska bärbara testaren (BPT) och Svenska väg- och transportforskningsinstitutets bärbara friktionstestare (VTI PFT) idag de vanligaste instrumenten för att mäta friktionskoefficienten22,23. PFT är en bärbar friktionstestare utvecklad av VTI, och det gör det möjligt för operatören att göra mätningar i upprätt läge och spara data på datorn22. PFT kan mäta de flesta konturerade vägmarkeringar, men antalet instrument som för närvarande finns tillgängliga är fortfarande mycket litet2. BPT är en pendelfriktionskoefficienttestare som utvecklades av British Road Research Laboratory (RRL, nu TRL). Instrumentet är en dynamisk pendelslagstestare som används för att mäta energiförlusten i fall då en gummireglagekant drivs över en testyta. Resultaten rapporteras som British Pendulum Numbers (BPN) för att betona att de är specifika för denna testare och inte direkt likvärdiga med dem från andra enheter24. Instrumentet har visat sig vara användbart för bestämning av friktionskoefficienter i experimentbeläggningsfältet23. Detta experiment använder BPT för bestämning av friktionskoefficienter.
Denna studie beskriver det experimentella förfarandet för att mäta friktionskoefficienten för isiga trottoarer som motsvarar olika snöfallsmängder inomhus. De problem som ska noteras i experimenten, såsom experimentell kalibrering, experimentell implementering och metoderna för dataanalys, förklaras i detalj. De nuvarande experimentella förfarandena kan sammanfattas med följande fem steg: 1) förberedelsen av utrustningen, 2) beräkning och analys av snöfallet, 3) utrustningskalibrering, 4) bestämning av friktionskoefficient och 5) dataanalys.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument undersöker förfarandet för att testa friktionskoefficienten för isig beläggning med hjälp av en BPT. Flera punkter måste analyseras omfattande och diskuteras i detalj här. För det första, när det gäller beredningen av asfaltblandningsproverna, bör man försöka använda petroleumasfalt för att förbereda proverna, men detta är inte ett krav. Beredningen av asfaltblandningsproverna bör utföras i strikt överensstämmelse med ASTM (D6926-20) experimentella protokoll, eftersom detta påverkar…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna det vetenskapliga forskningsprogrammet som finansieras av Shaanxi Provincial Education Department (Program 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).
