Bestemmelse af friktionskoefficienterne for iskolde fortove under forskellige mængder snefald

Summary

Her præsenterer vi en metode til bestemmelse af friktionskoefficienten for fortove med forskellige istykkelser indendørs. Den komplette procedure omfatter forberedelse af udstyret, beregning og analyse af snefaldet, udstyrskalibrering, bestemmelse af friktionskoefficient og dataanalyse.

Abstract

Is på vejoverflader kan føre til et betydeligt fald i friktionskoefficienten og dermed bringe kørselssikkerheden i fare. Der er dog stadig ingen undersøgelser, der giver nøjagtige friktionskoefficientværdier for fortove dækket af is, hvilket er skadeligt for både vejdesign og udvælgelsen af vintervejvedligeholdelsesforanstaltninger. Derfor præsenterer denne artikel en eksperimentel metode til bestemmelse af friktionskoefficienten for iskolde vejoverflader om vinteren. En britisk bærbar tester (BPT), også kendt som en pendulfriktionskoefficientmåler, blev anvendt til eksperimentet. Eksperimentet blev opdelt i følgende fem trin: forberedelse af udstyret, beregning og analyse af snefaldet, kalibrering af udstyr, bestemmelse af friktionskoefficient og dataanalyse. Nøjagtigheden af det endelige eksperiment påvirkes direkte af udstyrets nøjagtighed, som er beskrevet detaljeret. Desuden foreslår denne artikel en metode til beregning af istykkelsen for tilsvarende mængder snefald. Resultaterne illustrerer, at selv ujævn is dannet af meget let snefald kan føre til et betydeligt fald i fortovets friktionskoefficient og dermed bringe kørselssikkerheden i fare. Derudover er friktionskoefficienten på sit højeste, når istykkelsen når 5 mm, hvilket betyder, at der skal træffes beskyttelsesforanstaltninger for at undgå dannelse af sådan is.

Introduction

Fortovsfriktion defineres som grebet mellem køretøjets dæk og den underliggende vejoverflade¹. Det indeks, der oftest er forbundet med fortovsfriktion i vejdesign, er fortovets friktionskoefficient. Friktion er en af de vigtigste faktorer i vejdesign og er kun overgået af holdbarhed. Der er en stærk og klar sammenhæng mellem fortovsfriktionsydelse og ulykkesrisiko². For eksempel er der en signifikant negativ sammenhæng mellem trafikulykker og fortovsudskridningsmodstand ^3,4,5. Flere faktorer kan bidrage til et fald i fortovsfriktion, og en af de mest direkte og indflydelsesrige af disse faktorer er snefald⁶. Specifikt får snefald is til at danne sig på fortovet, hvilket resulterer i en betydelig reduktion i vejfriktionskoefficienten ^7,8. En undersøgelse med fokus på de faktorer, der påvirker antallet af trafikulykker i det sydlige Finland, bemærkede, at ulykkesfrekvensen ofte topper på dage med kraftigt snefald, og at mere end 10 cm sne kan føre til en fordobling af ulykkesfrekvensen⁹. Lignende resultater er fundet i undersøgelser udført både i Sverige og Canada^10,11. Derfor er det afgørende at undersøge friktionsegenskaberne ved snefrosne fortove for at forbedre trafiksikkerheden.

Bestemmelse af friktionskoefficienten for iskolde fortove er en kompleks proces, fordi friktionskoefficienten kan variere under forskellige snefaldsniveauer og fortovsistykkelser. Desuden kan varierende temperaturer og dækegenskaber også påvirke friktionskoefficienten. Tidligere er der udført adskillige eksperimenter for at studere friktionsegenskaberne ved dæk på is¹². På grund af forskellene i individuelle miljøer og dækegenskaber kan konsistente resultater imidlertid ikke opnås og bruges som grundlag for teoretiske undersøgelser. Derfor har mange forskere forsøgt at udvikle teoretiske modeller til at analysere friktionen af dæk på is. Hayhoe og Sahpley¹³ foreslog konceptet med våd friktionsvarmeveksling ved grænsefladen mellem dæk og is, mens Peng et ^al.14 foreslog en avanceret datamodel til at forudsige friktion baseret på ovenstående koncept. Derudover præsenterede Klapproth en innovativ matematisk model til beskrivelse af friktionen af ru gummi på glat is¹⁵. Ovennævnte modeller har imidlertid vist sig at have betydelige fejl, hovedsageligt på grund af deres manglende evne til nøjagtigt og effektivt at karakterisere friktionsegenskaberne af dæk på is¹⁶.

For at reducere fejlene i teoretiske modeller er der brug for en stor mængde eksperimentelle data. Det finske meteorologiske agentur udviklede en friktionsmodel til forudsigelse af iskold fortovsfriktion, og formlen for denne model var primært baseret på data fra vejvejrstationer og gennem statistisk analyse¹⁷. Desuden indsamlede Ivanović et al. en betydelig mængde eksperimentelle data ved at analysere friktionsegenskaberne for dæk på is og beregnede friktionskoefficienten for is ved regressionsanalyse¹⁸. Gao et al. foreslog også en ny forudsigelsesmodel for dæk-gummi-is-trækkraft ved at kombinere Levenberg-Marquardt (LM) optimeringsalgoritmen med et neuralt netværk for at opnå formlen for friktionskoefficienten på is¹⁹. Alle ovennævnte modeller er enten valideret eller anvendt i praksis og anses derfor for gennemførlige.

Ud over teoretiske metoder er der udviklet mange praktiske metoder til måling af friktionskoefficienten for fortove i snedækkede og frosne områder. På grund af vejrets særlige forhold er disse metoder blevet brugt i vid udstrækning i nordiske lande som Sverige, Norge og Finland²⁰. I Sverige anvendes følgende tre hovedtyper af friktionsmåleinstrumenter: BV11, SFT og BV14. BV14, en dobbelt friktionstester udviklet specielt til vintervedligeholdelsesvurderinger, er direkte forbundet med målekøretøjet og måler tørfriktionen på begge hjulbaner samtidigt²⁰. I Finland anvendes friktionsmålekøretøjet (TIE 475) til vintervedligeholdelse af veje, mens ROAR-friktionsmåleapparatet (uden vand) i Norge er et almindeligt anvendt stykke udstyr². De fleste af de vinterfriktionsmålinger, der er udført i Sverige, Norge og Finland, er udført ved hjælp af almindelige personbiler med ABS og instrumenter, der måler deceleration under bremsning ^2,20. Fordelen ved denne metode er, at den er enkel og relativt billig, og den største ulempe er, at metodens nøjagtighed er meget lav.

De ovenfor beskrevne undersøgelser giver metoder til at forudsige og detektere friktionskoefficienter på is. Der er dog stadig ikke givet en ensartet metode og en specifik værdi til at vejlede vejdesignere. Desuden kan friktionskoefficienten mellem dæk og is variere med hensyn til forskellige istykkelser for vinterveje, og der bør også gennemføres forskellige bortskaffelsesforanstaltninger²¹. Derfor har dette papir til formål at bestemme friktionskoefficienten for isglatte veje under forskellige mængder snefald.

Internationalt er den britiske bærbare tester (BPT) og det svenske vej- og transportforskningsinstitut bærbare friktionstester (VTI PFT) i øjeblikket de mest anvendte instrumenter til måling af friktionskoefficienten^22,23. PFT er en bærbar friktionstester udviklet af VTI, og den giver operatøren mulighed for at foretage målinger i opretstående stilling og gemme dataene på computeren²². PFT kan måle de fleste konturerede vejmarkeringer, men antallet af instrumenter, der i øjeblikket er tilgængelige, er stadig meget lille². BPT er en pendulfriktionskoefficienttester, der blev udviklet af British Road Research Laboratory (RRL, nu TRL). Instrumentet er en dynamisk pendul-slagtester, der bruges til at måle energitabet i tilfælde, hvor en gummiglidekant drives over en testoverflade. Resultaterne rapporteres som britiske pendulnumre (BPN’er) for at understrege, at de er specifikke for denne tester og ikke direkte svarer til dem fra andre enheder²⁴. Instrumentet har vist sig at være nyttigt til bestemmelse af friktionskoefficienter i det eksperimentelle fortovsfelt²³. Dette eksperiment bruger BPT til bestemmelse af friktionskoefficienter.

Denne undersøgelse beskriver den eksperimentelle procedure til måling af friktionskoefficienten for iskolde fortove svarende til forskellige snefaldsmængder indendørs. De problemer, der skal bemærkes i eksperimenterne, såsom eksperimentel kalibrering, eksperimentel implementering og metoderne til dataanalyse, forklares detaljeret. De nuværende eksperimentelle procedurer kan opsummeres ved hjælp af følgende fem trin: 1) forberedelse af udstyret, 2) beregning og analyse af snefaldet, 3) kalibrering af udstyr, 4) bestemmelse af friktionskoefficient og 5) dataanalyse.

Protocol

1. Klargøring af udstyret BPTSørg for, at BPT (figur 1) er inden for dets levetid, og at overfladen er ren og ubeskadiget.BEMÆRK: Komponenterne i BPT er basen, nivelleringsspiralen, nivelleringsboblen, markøren, pendulet, løftespiralen, fastgørelsesspiralen, håndtaget og urskiven. AsfaltpladerSørg for, at prøvestørrelsen for asfaltblandingen, der anvendes til forsøget, er 30 cm x 30 cm x 5 cm. <…

Representative Results

Prøve 7 i tabel 4 er den tørre prøvekontrolgruppe, mens de resterende prøver 1-6 svarer til istykkelser, der spænder fra meget let sne til en stor snestorm. Ved sammenligning af prøve 7 og de andre seks grupper blev isdannelse observeret for signifikant at reducere fortovets friktionskoefficient. Desuden faldt fortovsfriktionskoefficienten med stigende istykkelse, og istykkelsen havde tendens til at stabilisere sig ved 5 mm, hvilket svarer til medium sne. Den endelige is…

Discussion

Dette papir undersøger proceduren for test af friktionskoefficienten for iskold fortov ved hjælp af en BPT. Flere punkter skal analyseres grundigt og diskuteres detaljeret her. For det første skal man med hensyn til fremstilling af asfaltblandingsprøverne forsøge at bruge vejolieasfalt til at forberede prøverne, men det er ikke et krav. Forberedelsen af asfaltblandingsprøverne skal udføres i nøje overensstemmelse med ASTM (D6926-20) eksperimentelle protokoller, da dette påvirker nøjagtigheden af de endelige re…

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