Wyznaczanie współczynników tarcia nawierzchni oblodzonych przy różnych ilościach opadów śniegu

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy metodę określania współczynnika tarcia chodników o różnej grubości lodu w pomieszczeniach. Cała procedura obejmuje przygotowanie sprzętu, obliczenie i analizę opadów śniegu, kalibrację sprzętu, określenie współczynnika tarcia i analizę danych.

Streszczenie

Lód na nawierzchniach dróg może prowadzić do znacznego spadku współczynnika tarcia, zagrażając tym samym bezpieczeństwu jazdy. Wciąż jednak nie ma badań, które podałyby dokładne wartości współczynnika tarcia dla nawierzchni pokrytych lodem, co jest niekorzystne zarówno dla projektowania dróg, jak i doboru środków zimowego utrzymania dróg. W związku z tym w artykule przedstawiono eksperymentalną metodę wyznaczania współczynnika tarcia oblodzonych nawierzchni drogowych w okresie zimowym. Do eksperymentu wykorzystano brytyjski przenośny tester (BPT), znany również jako wahadłowy miernik współczynnika tarcia. Eksperyment został podzielony na pięć następujących etapów: przygotowanie sprzętu, obliczenie i analiza opadów śniegu, kalibracja sprzętu, określenie współczynnika tarcia i analiza danych. Na dokładność końcowego eksperymentu bezpośredni wpływ ma dokładność sprzętu, która jest szczegółowo opisana. Ponadto w artykule zaproponowano metodę obliczania grubości lodu dla odpowiednich ilości opadów śniegu. Wyniki pokazują, że nawet niejednolity lód utworzony przez bardzo lekkie opady śniegu może prowadzić do znacznego spadku współczynnika tarcia nawierzchni, zagrażając tym samym bezpieczeństwu jazdy. Ponadto współczynnik tarcia osiąga szczyt, gdy grubość lodu osiąga 5 mm, co oznacza, że należy podjąć środki ochronne, aby uniknąć tworzenia się takiego lodu.

Wprowadzenie

Tarcie w nawierzchni jest definiowane jako przyczepność między oponami pojazdu a leżącą pod nim powierzchnią drogi¹. Wskaźnikiem najczęściej kojarzonym z tarciem nawierzchni w projektowaniu dróg jest współczynnik tarcia nawierzchni. Tarcie jest jednym z najważniejszych czynników w projektowaniu dróg i ustępuje tylko trwałości. Istnieje silna i wyraźna korelacja między tarciem nawierzchni a ryzykiem wypadku². Na przykład istnieje znacząca ujemna korelacja między liczbą wypadków drogowych a odpornością nawierzchni na poślizg^3,4,5. Kilka czynników może przyczyniać się do zmniejszenia tarcia nawierzchni, a jednym z najbardziej bezpośrednich i wpływowych z tych czynników są opady śniegu⁶. W szczególności opady śniegu powodują tworzenie się lodu na chodniku, co skutkuje znacznym zmniejszeniem współczynnika tarcia na drodze^7,8. Badanie skupiające się na czynnikach wpływających na liczbę wypadków drogowych w południowej Finlandii wykazało, że wskaźniki wypadków zwykle osiągają szczyt w dni z obfitymi opadami śniegu, a ponad 10 cm śniegu może prowadzić do podwojenia wskaźnika wypadków⁹. Podobne wyniki uzyskano w badaniach przeprowadzonych zarówno w Szwecji, jak i w Kanadzie^10,11. Dlatego badanie właściwości ciernych zamarzniętych nawierzchni ma kluczowe znaczenie dla poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego.

Określanie współczynnika tarcia oblodzonych chodników jest złożonym procesem, ponieważ współczynnik tarcia może się zmieniać w zależności od różnych poziomów opadów śniegu i grubości lodu na chodniku. Ponadto różne temperatury i charakterystyka opon mogą również wpływać na współczynnik tarcia. W przeszłości przeprowadzono liczne eksperymenty mające na celu zbadanie charakterystyki tarcia opon na lodzie¹². Jednak ze względu na różnice w poszczególnych środowiskach i charakterystyce opon nie można uzyskać spójnych wyników i wykorzystać ich jako podstawy do badań teoretycznych. Dlatego wielu badaczy próbowało opracować modele teoretyczne do analizy tarcia opon o lód. Hayhoe i Sahpley¹³ zaproponowali koncepcję wymiany ciepła przy tarciu mokrym na styku opon i lodu, podczas gdy Peng et al.¹⁴ zaproponowali zaawansowany model danych do przewidywania tarcia w oparciu o powyższą koncepcję. Ponadto firma Klapproth zaprezentowała innowacyjny model matematyczny do opisu tarcia szorstkiej gumy na gładkim lodzie¹⁵. Wykazano jednak, że powyższe modele zawierają znaczne błędy, głównie ze względu na ich niezdolność do dokładnego i skutecznego scharakteryzowania właściwości tarcia opon na lodzie¹⁶.

Aby zredukować błędy modeli teoretycznych, potrzebna jest duża ilość danych eksperymentalnych. Fińska Agencja Meteorologiczna opracowała model tarcia do przewidywania tarcia nawierzchni oblodzonej, a wzór na ten model opierał się przede wszystkim na danych uzyskanych z drogowych stacji meteorologicznych oraz poprzez analizę statystyczną¹⁷. Ponadto Ivanović i in. zebrali znaczną ilość danych eksperymentalnych, analizując charakterystykę tarcia opon na lodzie i obliczyli współczynnik tarcia lodu za pomocą analizy regresji¹⁸. Gao i in. zaproponowali również nowatorski model predykcyjny trakcji opona-guma-lód, łącząc algorytm optymalizacji Levenberg-Marquardt (LM) z siecią neuronową w celu uzyskania wzoru na współczynnik tarcia na lodzie¹⁹. Wszystkie powyższe modele zostały zatwierdzone lub zastosowane w praktyce, a zatem uznaje się je za wykonalne.

Oprócz metod teoretycznych, opracowano wiele praktycznych metod pomiaru współczynnika tarcia chodników na zaśnieżonych i zamarzniętych obszarach. Ze względu na specyfikę pogody, metody te są szeroko stosowane w krajach nordyckich, takich jak Szwecja, Norwegia i Finlandia²⁰. W Szwecji stosuje się następujące trzy główne typy urządzeń do pomiaru tarcia: BV11, SFT i BV14. BV14, podwójny tester tarcia opracowany specjalnie do oceny zimowego utrzymania, jest bezpośrednio połączony z pojazdem pomiarowym i mierzy tarcie suche na obu torach kół jednocześnie²⁰. W Finlandii pojazd do pomiaru tarcia (TIE 475) jest używany do oceny zimowego utrzymania dróg, podczas gdy w Norwegii powszechnie używanym elementem wyposażenia jest miernik tarcia ROAR (bez wody)². Większość pomiarów tarcia w zimie przeprowadzonych w Szwecji, Norwegii i Finlandii została wykonana przy użyciu zwykłych samochodów osobowych z ABS i przyrządami mierzącymi opóźnienie podczas hamowania^2,20. Zaletą tej metody jest to, że jest prosta i stosunkowo niedroga, a główną wadą jest to, że dokładność metody jest bardzo niska.

Badania opisane powyżej dostarczają metod przewidywania i wykrywania współczynników tarcia na lodzie. Nadal jednak nie przedstawiono jednolitej metody i konkretnej wartości, którymi mogliby kierować się projektanci dróg. Co więcej, w przypadku dróg zimowych współczynnik tarcia między oponami a lodem może się różnić w zależności od grubości lodu, a także należy wdrożyć różne środki usuwania²¹. W związku z tym celem niniejszej pracy jest określenie współczynnika tarcia dróg oblodzonych przy różnych opadach śniegu.

Międzynarodowo, brytyjski przenośny tester (BPT) oraz przenośny tester tarcia Szwedzkiego Instytutu Badawczego Dróg i Transportu (VTI PFT) są obecnie najczęściej używanymi instrumentami do pomiaru współczynnika tarcia^22,23. PFT to przenośny tester tarcia opracowany przez VTI, który pozwala operatorowi wykonywać pomiary w pozycji pionowej i zapisywać dane na komputerze²². PFT może mierzyć większość konturowych oznaczeń drogowych, ale liczba obecnie dostępnych instrumentów jest nadal bardzo mała². BPT to wahadłowy tester współczynnika tarcia, który został opracowany przez Brytyjskie Laboratorium Badań Drogowych (RRL, obecnie TRL). Przyrząd jest dynamicznym wahadłowym testerem udarności używanym do pomiaru strat energii w przypadkach, gdy gumowa krawędź suwaka jest przesuwana po powierzchni testowej. Wyniki są podawane jako brytyjskie liczby wahadła (BPN), aby podkreślić, że są one specyficzne dla tego testera i nie są bezpośrednio równoważne z tymi z innych urządzeń²⁴. Wykazano, że przyrząd jest przydatny do wyznaczania współczynników tarcia w eksperymentalnym polu nawierzchni²³. W tym eksperymencie wykorzystano BPT do określenia współczynników tarcia.

Niniejsze badanie opisuje eksperymentalną procedurę pomiaru współczynnika tarcia oblodzonych chodników odpowiadającego różnym ilościom opadów śniegu w pomieszczeniach. Szczegółowo wyjaśniono problemy, na które należy zwrócić uwagę w eksperymentach, takie jak kalibracja eksperymentalna, implementacja eksperymentu i metody analizy danych. Obecne procedury eksperymentalne można podsumować następującymi pięcioma krokami: 1) przygotowanie sprzętu, 2) obliczanie i analiza opadów śniegu, 3) kalibracja sprzętu, 4) wyznaczanie współczynnika tarcia oraz 5) analiza danych.

Protokół

1. Przygotowanie sprzętu

1. Bpt
   1. Upewnij się, że BPT (Rysunek 1) jest w swoim okresie użytkowania, a powierzchnia jest czysta i nieuszkodzona.
      UWAGA: Elementami BPT są podstawa, spirala poziomująca, bańka poziomująca, wskaźnik, wahadło, spirala podnosząca, spirala mocująca, uchwyt i tarcza.
2. Płyty asfaltowe
   1. Upewnij się, że wielkość próbki mieszanki mineralno-asfaltowej użytej w doświadczeniu wynosi 30 cm x 30 cm x 5 cm.
3. Sprzęt do zamrażania
   1. Upewnij się, że używany sprzęt zamrażający może swobodnie regulować temperaturę w zakresie od -20 °C do 0 °C.
4. Przygotuj inne urządzenia użyte w eksperymencie: statyw, cylinder miarowy, arkusz gumy, termometr chodnikowy, linijkę do przesuwania długości i szczotkę.
   UWAGA: Rozmiar arkusza gumy użytego w eksperymencie wynosił 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm i powinien spełniać wymagania jakościowe podane w Tabeli 1²⁴.
   1. Upewnij się, że arkusz gumy nie ma żadnej z następujących wad: 1) plamy oleju; 2) zużycie krawędzi w szerokości większe niż 3,2 mm; lub 3) zużycie wzdłużne większe niż 1,6 mm.
   2. Przed użyciem nowego arkusza gumy upewnij się, że arkusz gumy został zmierzony 10 razy za pomocą BPT na suchej powierzchni przed użyciem go do oficjalnych testów.

2. Obliczanie i analiza opadów śniegu

UWAGA: Tabela 2 przedstawia klasyfikację klas opadów śniegu. Biorąc pod uwagę skrajne przypadki, sprzęt wymaga 24 godzin opadów śniegu do przeprowadzenia badania.

1. Aby zapewnić łatwość przeprowadzenia eksperymentu, należy przeprowadzić odpowiednie obliczenia i analizy, stosując górną granicę dla każdego poziomu opadów śniegu.
   UWAGA: Różne poziomy głębokości opadów śniegu i odpowiadająca im objętość wody w próbkach po obliczeniach są przedstawione w tabeli 3. W eksperymencie nie uwzględniono wpływu nadzwyczajnych burz śnieżnych, a kategorie od bardzo lekkiego śniegu do dużych zamieci śnieżnych ponumerowano od 1 do 6.

3. Kalibracja sprzętu

1. Poziomowanie i regulacja zera
   1. Umieść BPT w odpowiedniej pozycji.
      UWAGA: Odpowiednia pozycja oznacza, że podłoże jest płaskie i wolne od wybojów.
   2. Obróć spiralę poziomującą na podstawie BPT, aby upewnić się, że bańka poziomująca pozostaje w środkowej pozycji.
   3. Poluzuj spiralę mocującą, obróć spiralę podnoszącą, aby wahadło uniosło się i swobodnie kołysało, a następnie dokręć spiralę mocującą.
   4. Umieść ramię wahadła na prawej kantyli stołu wahadła, utrzymując ramię w pozycji poziomej, jednocześnie obracając wskazówkę w prawą stronę równo z ramieniem.
   5. Naciśnij przycisk zwalniający, aby ramię wahadła mogło się swobodnie kołysać. Gdy wahadło przekroczy najniższy punkt, aby osiągnąć najwyższy punkt, przytrzymaj je ręcznie.
      UWAGA: Jeśli jest dokładny, wskaźnik powinien w tym momencie wskazywać zero.
   6. Jeśli wskazówka nie pokazuje punktu zerowego, poluzuj lub dokręć nakrętkę zerową i powtarzaj kroki 3.1.4 i 3.1.5, aż wskazówka wskaże punkt zerowy.
2. Kalibracja długości przesuwu
   1. Płytę asfaltową należy umieścić bezpośrednio pod wahadłem, jednocześnie odkręcając spiralę mocującą tak, aby najniższa krawędź arkusza gumy stykała się z powierzchnią płyty asfaltowej.
   2. Przygotuj linijkę długości przesuwnej i zbliż ją do arkusza gumy.
   3. Podnieś uchwyt do przenoszenia tak, aby lewy znacznik skali przesuwanej linijki długości zrównał się z dolną krawędzią arkusza gumy.
   4. Podnieś uchwyt do przenoszenia i przesuń wahadło w prawo, tak aby najniższa krawędź arkusza gumy dotykała tylko powierzchni płyty asfaltowej.
   5. Obserwuj, czy linijka przesuwna jest wypoziomowana z krawędzią arkusza gumy. Jeśli tak, długość przesuwu spełnia wymóg 126 mm. W przeciwnym razie kontynuuj następujące operacje.
   6. Obróć spiralę podnoszenia, aby wyregulować wysokość wahadła i powtórz kroki 3.2.3-3.2.5, aby dostosować długość przesuwu tak, aby spełniała wymagania.
   7. Gdy potrzebne jest precyzyjne dostrojenie, przekręć spiralę poziomującą na podstawie.
      UWAGA: Bańka poziomująca musi pozostać na środku podczas regulacji.

4. Wyznaczanie współczynnika tarcia

1. Wybierz siedem kawałków płyty asfaltowej, wyczyść je szczotką i wysusz w naturalny sposób w temperaturze pokojowej.
2. Ponumeruj płyty asfaltowe w kolejności od 1 do 7.
3. Płyty asfaltowe umieścić w foremkach, a jednocześnie ostudzić i zamrozić warstwą wody.
   UWAGA: W tym eksperymencie siedem próbek umieszczono w zamrażarce w kontrolowanej temperaturze -10 °C na 24 godziny. Różne próbki wraz z odpowiadającymi im objętościami wody są pokazane w Rysunek 2.
   1. Próbka 1: Aby zasymulować bardzo lekki śnieg, wlej 9^cm3 wody na próbkę asfaltu. Wypełnij pustkę po powierzchni płyty asfaltowej wodą i wyrównaj podniesioną część. Oczekuje się, że warstwa lodu nie pokryje całkowicie cząstek asfaltu na powierzchni próbki. W związku z tym niektóre cząstki zostaną odsłonięte, a zjawisko to jest znane jako niejednolity lód.
   2. Próbka 2: Aby zasymulować lekki śnieg, wlej 216^cm3 wody na próbkę asfaltu za pomocą cylindra miarowego. Przewidywana grubość lukru to 2,17 mm. W takim przypadku warstwa wody całkowicie pokrywa powierzchnię próbki. Po oblodzeniu powinien być całkowicie zamrożony.
   3. Próbka 3: Aby zasymulować średni śnieg, wlej 441^cm3 wody na próbkę asfaltu za pomocą cylindra miarowego. Przewidywana grubość lodu to 5,4 mm.
   4. Próbka 4: Aby zasymulować obfite opady śniegu, wlej 891^cm3 wody na próbkę asfaltu za pomocą cylindra miarowego. Przewidywana grubość lodu to 11 mm.
   5. Próbka 5: Aby zasymulować śnieżycę, należy wlać 1 791^cm3 wody na próbkę asfaltu za pomocą cylindra miarowego. Przewidywana grubość lodu to 22,1 mm.
   6. Próbka 6: Aby zasymulować dużą śnieżycę, wylej 2 691^cm3 wody na próbkę asfaltu za pomocą cylindra miarowego. Przewidywana grubość lodu to 33,2 mm.
   7. Próbka 7: Bezpośrednio umieścić próbkę w zamrażarce w celu schłodzenia bez dodawania wody jako suchą zamrożoną próbkę do porównania.
4. Po zamrożeniu wyjmij próbki z zamrażarki, a następnie wyjmij formy i umieść je na centrach BPT, które zostały wcześniej wyrównane i wyzerowane.
5. Użyj termometru chodnikowego, aby zmierzyć temperaturę powierzchni próbki i zapisać ją.
6. Wykonaj kalibrację długości przesuwu, aby zapewnić odległość przesuwu 126 mm.
7. Naciśnij przełącznik zwalniający ramię wahadła. Gdy ramię wahadła przetnie najniższy punkt i wychyli się do najwyższego, przytrzymaj je w dłoni, a następnie przeczytaj i zapisz wynik.
8. Przywróć zarówno ramię wahadła, jak i wskazówkę odpowiednio do pozycji zerowej i poziomej.
   UWAGA: Długość suwaka powinna być ponownie kalibrowana za każdym razem, gdy testowana jest nowa próbka.
9. Powtórz kroki w sumie 10 razy i zmierz kolejno siedem próbek.
   UWAGA: Każda próbka ma 10 odczytów pomiaru, a zarówno minimalna, jak i maksymalna różnica wartości powinna być mniejsza niż 3.

5. Analiza danych

1. Zapisz dane w Rysunek 3 w tabeli i uśrednij wyniki pomiarów, aby uzyskać ostateczny wynik (Tabela 4).
2. Korekta temperatury dla wartości wahadła
   1. Wprowadź pomiary wartości temperatury do poniższego równania, aby uzyskać wartość BPN z kompensacją temperatury:
      
      UWAGA: Jednostką temperatury użytą w pierwotnym równaniu jest Kelwin, podczas gdy wszystkie temperatury eksperymentalne są w stopniach Celsjusza, więc należy przeprowadzić konwersję temperatury. Dwie jednostki temperatury są przeliczane w następujący sposób:
      T (K) = 273,15 + T (^oC)
   2. Odejmij skompensowaną wartość BPN od średniej wartości BPN w tabeli 4, aby uzyskać ostateczną wartość BPN z kompensacją temperatury.
   3. Wykreśl końcowe wartości BPN w tabeli 4 jako wykres słupkowy, aby uzyskać bardziej intuicyjne wyniki (Rysunek 4).

Wyniki

Próbka 7 w Tabeli 4 to grupa kontrolna suchej próbki, podczas gdy pozostałe próbki 1-6 odpowiadają grubości lodu od bardzo lekkiego śniegu do dużej zamieci

.

Podczas porównywania próbki 7 i pozostałych sześciu grup, zaobserwowano, że tworzenie się lodu znacznie zmniejsza współczynnik tarcia chodnika. Ponadto współczynnik tarcia nawierzchni zmniejszał się wraz ze wzrostem grubości lodu, a grubość lodu miała tendencję do stabilizowania się na poziomie 5 mm, co odpowiada średniemu...

Dyskusja

W niniejszej pracy przeanalizowano procedurę badania współczynnika tarcia nawierzchni oblodzonej za pomocą BPT. Kilka punktów należy kompleksowo przeanalizować i szczegółowo omówić tutaj. Po pierwsze, jeśli chodzi o przygotowanie próbek mieszanki mineralno-asfaltowej, należy starać się użyć asfaltu drogowego do przygotowania próbek, ale nie jest to wymóg. Przygotowanie próbek mieszanki mineralno-asfaltowej powinno odbywać się w ścisłej zgodności z protokołami doświadczalnymi ASTM (D6926-20), ponieważ wpływa to na dokładn...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Szczotka	Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD	L-31
Sprzęt do zamrażania	Haier Group	BC / BD-251HD
Cylinder pomiarowy	Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mold Co., LTD	lb1
Termometr chodnikowy	Fluke Electronic Insrtument Company	F62MAX
Wahadłowy miernik tarcia	Muyang County Highway Instrument Co., LTD	/
Arkusz gumowy	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
Linijka długości przesuwnej	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
statyw	Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD	TRGC1169