Bestimmung der Reibungskoeffizienten von Eisbelägen bei unterschiedlichen Schneemengen

Zusammenfassung

Hier stellen wir eine Methode zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten von Fahrbahnbelägen mit unterschiedlichen Eisdicken in Innenräumen vor. Das komplette Verfahren umfasst die Vorbereitung der Ausrüstung, die Berechnung und Analyse des Schneefalls, die Gerätekalibrierung, die Bestimmung des Reibungskoeffizienten und die Datenanalyse.

Zusammenfassung

Eis auf Fahrbahnen kann zu einer deutlichen Abnahme des Reibungskoeffizienten führen und damit die Fahrsicherheit gefährden. Es gibt jedoch noch keine Studien, die genaue Reibungskoeffizientenwerte für mit Eis bedeckte Fahrbahnen liefern, was sowohl der Straßengestaltung als auch der Auswahl der Winterdienstmaßnahmen abträglich ist. Daher stellt dieser Artikel eine experimentelle Methode vor, um den Reibungskoeffizienten von vereisten Straßenbelägen im Winter zu bestimmen. Ein britischer tragbarer Tester (BPT), auch bekannt als Pendelreibungskoeffizientenmessgerät, wurde für das Experiment eingesetzt. Das Experiment gliederte sich in die folgenden fünf Schritte: Vorbereitung der Ausrüstung, Berechnung und Analyse des Schneefalls, Gerätekalibrierung, Bestimmung des Reibungskoeffizienten und Datenanalyse. Die Genauigkeit des abschließenden Experiments wird direkt von der Gerätegenauigkeit beeinflusst, die detailliert beschrieben wird. Darüber hinaus schlägt dieser Artikel eine Methode zur Berechnung der Eisdicke für entsprechende Schneemengen vor. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst fleckiges Eis, das durch sehr leichten Schneefall gebildet wird, zu einer deutlichen Abnahme des Reibungskoeffizienten der Fahrbahn führen und damit die Fahrsicherheit gefährden kann. Darüber hinaus ist der Reibungskoeffizient am höchsten, wenn die Eisdicke 5 mm erreicht, so dass Schutzmaßnahmen ergriffen werden sollten, um die Bildung von solchem Eis zu vermeiden.

Einleitung

Die Reibung auf der Fahrbahn ist definiert als der Grip zwischen den Fahrzeugreifen und der darunter liegenden Fahrbahnoberfläche¹. Der Index, der am häufigsten mit der Reibung von Fahrbahnbelägen in der Straßenplanung in Verbindung gebracht wird, ist der Reibungskoeffizient. Reibung ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Straßengestaltung und steht an zweiter Stelle nach der Haltbarkeit. Es besteht ein starker und klarer Zusammenhang zwischen der Reibungsleistung des Fahrbahnbelags und dem Unfallrisiko². Zum Beispiel gibt es eine signifikante negative Korrelation zwischen Verkehrsunfallraten und Fahrbahnrutschfestigkeit ^3,4,5. Mehrere Faktoren können zu einer Verringerung der Fahrbelagsreibung beitragen, und einer der direktesten und einflussreichsten dieser Faktoren ist Schneefall⁶. Konkret führt Schneefall zur Eisbildung auf dem Gehweg, wodurch sich der Fahrbahnreibungskoeffizient ^7,8 deutlich verringert. Eine Studie, die sich auf die Faktoren konzentriert, die die Verkehrsunfallraten in Südfinnland beeinflussen, stellte fest, dass die Unfallraten häufig an Tagen mit starkem Schneefall ihren Höhepunkt erreichen und dass mehr als 10 cm Schnee zu einer Verdoppelung der Unfallrate führen können⁹. Ähnliche Ergebnisse wurden in Studien gefunden, die sowohl in Schweden als auch in Kanada durchgeführt wurden^10,11. Daher ist die Untersuchung der Reibungseigenschaften von schneegefrorenen Fahrbahnen entscheidend für die Verbesserung der Verkehrssicherheit.

Die Bestimmung des Reibungskoeffizienten von Eisbelägen ist ein komplexer Prozess, da der Reibungskoeffizient bei unterschiedlichen Schneefallmengen und Eisdicken des Belags variieren kann. Darüber hinaus können unterschiedliche Temperaturen und Reifeneigenschaften den Reibungskoeffizienten beeinflussen. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Experimente durchgeführt, um die Reibungseigenschaften von Reifen auf Eis^{zu untersuchen 12}. Aufgrund der Unterschiede in den einzelnen Umgebungen und Reifeneigenschaften können jedoch keine konsistenten Ergebnisse erzielt und als Grundlage für theoretische Studien verwendet werden. Daher haben viele Forscher versucht, theoretische Modelle zu entwickeln, um die Reibung von Reifen auf Eis zu analysieren. Hayhoe und Sahpley¹³ schlugen das Konzept des Wärmeaustauschs durch nasse Reibung an der Schnittstelle zwischen Reifen und Eis vor, während Peng et ^al.14 ein fortschrittliches Datenmodell zur Vorhersage der Reibung basierend auf dem obigen Konzept vorschlugen. Darüber hinaus präsentierte Klapproth ein innovatives mathematisches Modell zur Beschreibung der Reibung von rauem Gummi auf glattem Eis¹⁵. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die oben genannten Modelle erhebliche Fehler aufweisen, hauptsächlich aufgrund ihrer Unfähigkeit, die Reibungseigenschaften von Reifen auf Eis genau und effizient zu charakterisieren¹⁶.

Um die Fehler theoretischer Modelle zu reduzieren, wird eine große Menge an experimentellen Daten benötigt. Die finnische Wetterbehörde entwickelte ein Reibungsmodell zur Vorhersage der Reibung auf eisigen Fahrbahnen, und die Formel für dieses Modell basierte in erster Linie auf Daten von Straßenwetterstationen und durch statistische Analysen¹⁷. Darüber hinaus sammelten Ivanović et al. eine signifikante Menge experimenteller Daten, indem sie die Reibungseigenschaften von Reifen auf Eis analysierten und den Reibungskoeffizienten von Eis durch Regressionsanalyse berechneten¹⁸. Gao et al. schlugen auch ein neuartiges Vorhersagemodell der Reifen-Gummi-Eis-Traktion vor, indem sie den Levenberg-Marquardt-Optimierungsalgorithmus (LM) mit einem neuronalen Netzwerk kombinierten, um die Formel für den Reibungskoeffizienten auf Eis¹⁹ zu erhalten. Alle oben genannten Modelle wurden entweder validiert oder in der Praxis angewendet und gelten daher als realisierbar.

Neben theoretischen Methoden wurden viele praktische Methoden zur Messung des Reibungskoeffizienten von Fahrbahnbelägen in verschneiten und gefrorenen Gebieten entwickelt. Aufgrund der Besonderheiten des Wetters sind diese Methoden in nordischen Ländern wie Schweden, Norwegen und Finnland weit verbreitet²⁰. In Schweden werden die folgenden drei Haupttypen von Reibungsmessgeräten verwendet: BV11, SFT und BV14. Der BV14, ein speziell für den Winterdienst entwickeltes Doppelreibungsprüfgerät, ist direkt mit dem Messfahrzeug verbunden und misst die Trockenreibung auf beiden Radwegen gleichzeitig²⁰. In Finnland wird das Reibungsmessfahrzeug (TIE 475) für Winterdienstbeurteilungen verwendet, während in Norwegen das ROAR-Reibungsmessgerät (ohne Wasser) ein häufig verwendetes Gerät² ist. Die meisten Winterreibungsmessungen in Schweden, Norwegen und Finnland wurden mit gewöhnlichen Personenkraftwagen mit ABS und Instrumenten zur Messung der Verzögerung beim Bremsen ^2,20 durchgeführt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie einfach und relativ kostengünstig ist, und der Hauptnachteil ist, dass die Genauigkeit der Methode sehr gering ist.

Die oben beschriebenen Studien liefern Methoden zur Vorhersage und Detektion von Reibungskoeffizienten auf Eis. Eine einheitliche Methode und ein spezifischer Wert zur Orientierung der Straßenplaner wurden jedoch noch nicht bereitgestellt. Darüber hinaus kann bei Winterstraßen der Reibungskoeffizient zwischen Reifen und Eis in Bezug auf unterschiedliche Eisdicken variieren, und es sollten auch unterschiedliche Entsorgungsmaßnahmen durchgeführt werden²¹. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, den Reibungskoeffizienten von vereisten Straßen unter unterschiedlichen Schneemengen zu bestimmen.

International sind der britische tragbare Tester (BPT) und der tragbare Reibungsprüfer des schwedischen Straßen- und Transportforschungsinstituts (VTI PFT) derzeit die am häufigsten verwendeten Instrumente zur Messung des Reibungskoeffizienten^22,23. Der PFT ist ein tragbares Reibungsprüfgerät, das von VTI entwickelt wurde und es dem Bediener ermöglicht, Messungen in aufrechter Position durchzuführen und die Daten auf dem Computer²² zu speichern. Der PFT kann die meisten konturierten Fahrbahnmarkierungen messen, aber die Anzahl der derzeit verfügbaren Instrumente ist immer noch sehr gering². Der BPT ist ein Pendelreibungskoeffiziententester, der vom British Road Research Laboratory (RRL, jetzt TRL) entwickelt wurde. Das Gerät ist ein dynamisches Pendelschlaggerät zur Messung des Energieverlusts in Fällen, in denen eine Gummischieberkante über eine Testoberfläche geschoben wird. Die Ergebnisse werden als British Pendulum Numbers (BPNs) gemeldet, um zu betonen, dass sie spezifisch für diesen Tester sind und nicht direkt denen anderer Geräte^{entsprechen 24}. Das Gerät hat sich als nützlich für die Bestimmung von Reibungskoeffizienten im experimentellen Fahrbahnfeld²³ erwiesen. Dieses Experiment verwendet den BPT zur Bestimmung von Reibungskoeffizienten.

Die vorliegende Studie beschreibt das experimentelle Verfahren zur Messung des Reibungskoeffizienten von Eisbelägen, die unterschiedlichen Schneefallmengen in Innenräumen entsprechen. Die in den Experimenten zu beachtenden Probleme wie experimentelle Kalibrierung, experimentelle Durchführung und Methoden der Datenanalyse werden ausführlich erläutert. Die vorliegenden experimentellen Verfahren lassen sich in den folgenden fünf Schritten zusammenfassen: 1) Vorbereitung der Ausrüstung, 2) Berechnung und Analyse des Schneefalls, 3) Gerätekalibrierung, 4) Bestimmung des Reibungskoeffizienten und 5) Datenanalyse.

Protokoll

1. Vorbereitung der Ausrüstung

1. BPT
   1. Stellen Sie sicher, dass sich der BPT (Abbildung 1) innerhalb seiner Lebensdauer befindet und dass die Oberfläche sauber und unbeschädigt ist.
      HINWEIS: Die Komponenten des BPT sind Basis, Nivellierspirale, Nivellierblase, Zeiger, Pendel, Hubspirale, Befestigungsspirale, Griff und Zifferblatt.
2. Asphaltplatten
   1. Stellen Sie sicher, dass die für den Versuch verwendete Probengröße der Asphaltmischung 30 cm x 30 cm x 5 cm beträgt.
3. Gefriergeräte
   1. Stellen Sie sicher, dass die verwendete Gefriereinrichtung die Temperatur zwischen -20 °C und 0 °C frei regulieren kann.
4. Bereiten Sie andere Geräte vor, die im Experiment verwendet werden: ein Stativ, einen Messzylinder, eine Gummifolie, ein Bürgersteigthermometer, ein gleitendes Längenlineal und eine Bürste.
   ANMERKUNG: Die im Versuch verwendete Gummifolie war 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm groß und sollte den Qualitätsanforderungen in Tabelle 1²⁴ entsprechen.
   1. Stellen Sie sicher, dass die Gummifolie keine der folgenden Mängel aufweist: 1) Ölflecken; 2) breiter Kantenverschleiß größer als 3,2 mm; oder 3) Längsverschleiß größer als 1,6 mm.
   2. Bevor Sie eine neue Gummifolie verwenden, stellen Sie sicher, dass die Gummifolie 10 Mal mit einem BPT auf einer trockenen Oberfläche gemessen wird, bevor Sie sie für offizielle Tests verwenden.

2. Berechnung und Analyse des Schneefalls

HINWEIS: Tabelle 2 zeigt die Klassifizierung der Schneefallklasse. In Extremfällen benötigt das Gerät 24 Stunden Schneefall, um die Studie durchzuführen.

1. Um die Einfachheit des Experiments zu gewährleisten, führen Sie die entsprechende Berechnung und Analyse unter Verwendung der Obergrenze für jede Schneefallstufe durch.
   ANMERKUNG: Die verschiedenen Niveaus der Schneefalltiefe und das entsprechende Wasservolumen der Proben nach der Berechnung sind in Tabelle 3 angegeben. Das Experiment berücksichtigte nicht den Einfluss außergewöhnlicher Schneestürme, und die Kategorien von sehr leichtem Schnee bis zu großen Schneestürmen wurden von 1 bis 6 nummeriert.

3. Gerätekalibrierung

1. Nivellierung und Nullverstellung
   1. Stellen Sie den BPT in eine geeignete Position.
      HINWEIS: Eine geeignete Position bedeutet, dass der Boden flach und frei von Schlaglöchern ist.
   2. Drehen Sie die Nivellierspirale an der Basis des BPT, um sicherzustellen, dass die Nivellierblase in der mittleren Position bleibt.
   3. Lösen Sie die Befestigungsspirale, drehen Sie die Hubspirale, damit sich das Pendel frei hebt und schwingt, und ziehen Sie dann die Befestigungsspirale fest.
   4. Platzieren Sie den Pendelarm auf dem rechten Ausleger des Pendeltisches, halten Sie den Arm in der horizontalen Position, während Sie den Zeiger bündig mit dem Arm auf die rechte Seite drehen.
   5. Drücken Sie den Entriegelungsknopf, um den Pendelarm frei schwingen zu lassen. Wenn das Pendel den tiefsten Punkt überquert, um den höchsten Punkt zu erreichen, halten Sie es mit der Hand.
      HINWEIS: Wenn es genau ist, sollte der Zeiger zu diesem Zeitpunkt Null anzeigen.
   6. Wenn der Zeiger den Nullpunkt nicht anzeigt, lösen oder ziehen Sie die Nullmutter an, und wiederholen Sie Schritt 3.1.4 und Schritt 3.1.5, bis der Zeiger den Nullpunkt anzeigt.
2. Kalibrierung der Gleitlänge
   1. Legen Sie die Asphaltplatte direkt unter das Pendel und lösen Sie dabei die Befestigungsspirale, so dass die unterste Kante der Gummiplatte die Oberfläche der Asphaltplatte berührt.
   2. Bereiten Sie das gleitende Lineal vor und bringen Sie es nahe an die Gummifolie.
   3. Heben Sie den Tragegriff so an, dass die linke Mensur des gleitenden Längenlineals bündig mit der untersten Kante der Gummifolie verläuft.
   4. Heben Sie den Tragegriff an und bewegen Sie das Pendel nach rechts, so dass die unterste Kante der Gummifolie gerade noch die Oberfläche der Asphaltplatte berührt.
   5. Beobachten Sie, ob das gleitende Längenlineal mit dem Rand der Gummifolie nivelliert ist. Ist dies der Fall, erfüllt die Gleitlänge die Anforderung von 126 mm. Andernfalls fahren Sie mit den folgenden Vorgängen fort.
   6. Drehen Sie die Hubspirale, um die Höhe des Pendels einzustellen, und wiederholen Sie die Schritte 3.2.3-3.2.5, um die Gleitlänge so einzustellen, dass sie den Anforderungen entspricht.
   7. Wenn eine Feinabstimmung erforderlich ist, drehen Sie die Nivellierspirale auf der Basis.
      HINWEIS: Die Nivellierblase muss während der Anpassung in der Mitte bleiben.

4. Bestimmung des Reibungskoeffizienten

1. Wählen Sie sieben Asphaltplatten aus, reinigen Sie sie mit einer Bürste und trocknen Sie sie natürlich bei Raumtemperatur.
2. Nummerieren Sie die Asphaltplatten in der Größenordnung von 1-7.
3. Legen Sie die Asphaltplatten in Formen und kühlen und frieren Sie sie gleichzeitig mit einer Wasserschicht ein.
   HINWEIS: In diesem Experiment wurden die sieben Proben bei einer kontrollierten Temperatur von -10 °C für 24 h in den Gefrierschrank gegeben. Die verschiedenen Proben mit den entsprechenden Wassermengen sind in Abbildung 2 dargestellt.
   1. Beispiel 1: Um sehr leichten Schnee zu simulieren, gießen Sie 9 cm³ Wasser auf die Asphaltprobe. Füllen Sie den Hohlraum der Asphaltplatte mit Wasser und nivellieren Sie den erhöhten Teil. Es ist nicht zu erwarten, dass die Eisschicht die Pulverpartikel der Probenoberfläche vollständig bedeckt. Daher werden einige Partikel freigelegt, und dieses Phänomen wird als fleckiges Eis bezeichnet.
   2. Beispiel 2: Um leichten Schneefall zu simulieren, gießen Sie 216 cm³ Wasser mit einem Messzylinder auf die Asphaltprobe. Die erwartete Vereisungsdicke beträgt 2,17 mm. In diesem Fall bedeckt die Wasserschicht die Oberfläche der Probe vollständig. Es sollte nach der Vereisung vollständig eingefroren werden.
   3. Beispiel 3: Um mittleren Schnee zu simulieren, gießen Sie 441 cm³ Wasser mit einem Messzylinder auf die Asphaltprobe. Die erwartete Eisdicke beträgt 5,4 mm.
   4. Beispiel 4: Um starken Schneefall zu simulieren, gießen Sie 891 cm³ Wasser mit einem Messzylinder auf die Asphaltprobe. Die erwartete Eisdicke beträgt 11 mm.
   5. Beispiel 5: Um einen Schneesturm zu simulieren, gießen Sie 1.791 cm³ Wasser mit einem Messzylinder auf die Asphaltprobe. Die erwartete Eisdicke beträgt 22,1 mm.
   6. Beispiel 6: Um einen großen Schneesturm zu simulieren, gießen Sie 2.691 cm³ Wasser mit einem Messzylinder auf die Asphaltprobe. Die erwartete Eisdicke beträgt 33,2 mm.
   7. Beispiel 7: Legen Sie die Probe direkt zum Abkühlen in den Gefrierschrank, ohne Wasser als trockene gefrorene Probe zum Vergleich hinzuzufügen.
4. Nach dem Einfrieren die Proben aus dem Gefrierschrank nehmen; Entfernen Sie wiederum die Formen und legen Sie sie auf die BPT-Zentren, die zuvor nivelliert und auf Null gesetzt wurden.
5. Verwenden Sie das Fahrbahnthermometer, um die Oberflächentemperatur der Probe zu messen und aufzuzeichnen.
6. Führen Sie eine Gleitlängenkalibrierung durch, um einen Gleitabstand von 126 mm zu gewährleisten.
7. Drücken Sie den Schwingarm-Entriegelungsschalter. Wenn der Pendelarm den tiefsten Punkt überquert und zum höchsten schwingt, halten Sie ihn mit der Hand und lesen und notieren Sie das Ergebnis.
8. Stellen Sie sowohl den Pendelarm als auch den Zeiger wieder auf die Null- bzw. horizontale Position zurück.
   HINWEIS: Die Gleitlänge sollte jedes Mal neu kalibriert werden, wenn eine neue Probe getestet wird.
9. Wiederholen Sie die Schritte insgesamt 10 Mal und messen Sie sieben Proben nacheinander.
   HINWEIS: Jede Probe hat 10 Messwerte, und sowohl die minimalen als auch die maximalen Wertunterschiede sollten kleiner als 3 sein.

5. Datenanalyse

1. Notieren Sie die Daten in Abbildung 3 in einer Tabelle, und mitteln Sie die Messergebnisse, um das Endergebnis zu erhalten (Tabelle 4).
2. Temperaturkorrektur für Pendelwerte
   1. Geben Sie die Temperaturwertmessungen in die folgende Gleichung ein, um den temperaturkompensierten BPN-Wert zu erhalten:
      
      HINWEIS: Die in der ursprünglichen Gleichung verwendete Temperatureinheit ist Kelvin, während die experimentellen Temperaturen alle in Celsius angegeben sind, so dass eine Temperaturumrechnung durchgeführt werden muss. Die beiden Temperatureinheiten werden wie folgt umgerechnet:
      T (K) = 273,15 + T (^oC)
   2. Subtrahieren Sie den kompensierten BPN-Wert vom mittleren BPN-Wert in Tabelle 4 , um den endgültigen temperaturkompensierten BPN-Wert zu erhalten.
   3. Zeichnen Sie die endgültigen BPN-Werte in Tabelle 4 als Balkendiagramm für intuitivere Ergebnisse (Abbildung 4).

Ergebnisse

Stichprobe 7 in Tabelle 4 ist die Trockenprobenkontrollgruppe, während die übrigen Proben 1-6 Eisdicken von sehr leichtem Schnee bis zu einem großen Schneesturm entsprechen.

Beim Vergleich von Probe 7 und den anderen sechs Gruppen wurde beobachtet, dass Eisbildung den Reibungskoeffizienten des Belags signifikant reduziert. Darüber hinaus nahm der Reibungskoeffizient des Belags mit zunehmender Eisdicke ab, und die Eisdicke stabilisierte sich tendenziell bei 5 mm, was mittlerem ...

Diskussion

Die vorliegende Arbeit untersucht das Verfahren zur Prüfung des Reibungskoeffizienten von Eisbelägen mit einem BPT. Einige Punkte müssen umfassend analysiert werden und werden hier ausführlich diskutiert. Erstens sollte man in Bezug auf die Vorbereitung der Proben der Asphaltmischung versuchen, Straßenerdasphalt zur Vorbereitung der Proben zu verwenden, aber dies ist keine Voraussetzung. Die Vorbereitung der Proben der Asphaltmischung sollte in strikter Übereinstimmung mit den Versuchsprotokollen ASTM (D6926-20) erfolgen...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Bürste	Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD	L-31
Gefriergerät	Haier Group	BC/BD-251HD
Messzylinder	Zhaoqing High-Tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD	lb1
Pflasterthermometer	Fluke Electronic Insrtument Company	F62MAX
Pendelreibungsmessgerät	Muyang County Highway Instrument Co., LTD	/
Gummiblech	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
Schiebelängenlineal	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., Ltd	785120123500
Stativ	Hangzhou Ruiqi Trading Co., Ltd	TRGC1169