Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Bestemmelse af friktionskoefficienterne for iskolde fortove under forskellige mængder snefald

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/63769
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1, 1
1Highway Academy, Chang’an University, 2School of Modern Posts (Logistics School) & Institute of Posts, Xi’an University of Posts and Telecommunications

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 Canada10,11. 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 friktionskoefficienten22,23. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Klargøring af udstyret

  1. BPT
    1. Sørg 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.
  2. Asfaltplader
    1. Sørg for, at prøvestørrelsen for asfaltblandingen, der anvendes til forsøget, er 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  3. Fryseudstyr
    1. Sørg for, at det anvendte fryseudstyr frit kan regulere temperaturen mellem -20 °C og 0 °C.
  4. Forbered andet udstyr, der anvendes i eksperimentet: et stativ, en målecylinder, et gummiark, et fortovstermometer, en glidende længdelineal og en børste.
    BEMÆRK: Størrelsen på det gummiark, der blev anvendt i forsøget, var 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm, og det skulle opfylde kvalitetskravene i tabel 124.
    1. Sørg for, at gummipladen ikke har nogen af følgende fejl: 1) oliepletter; 2) bredde kant slid større end 3,2 mm; eller 3) langvejs slid større end 1,6 mm.
    2. Før du bruger et nyt gummiark, skal du sikre dig, at gummipladen måles 10 gange ved hjælp af en BPT på en tør overflade, før du bruger den til officiel test.

2. Beregning og analyse af snefaldet

BEMÆRK: Tabel 2 viser klassificeringen af snefaldsklassen. I betragtning af ekstreme tilfælde kræver udstyret 24 timers snefald for at gennemføre undersøgelsen.

  1. For at sikre, at eksperimentet er let, skal du udføre den tilsvarende beregning og analyse ved hjælp af den øvre grænse for hvert niveau af snefald.
    BEMÆRK: De forskellige niveauer af snefaldsdybden og den tilsvarende vandmængde af prøverne efter beregning er angivet i tabel 3. Eksperimentet overvejede ikke indflydelsen af ekstraordinære snestorme, og kategorierne af meget let sne til store snestorme blev nummereret fra 1 til 6.

3. Kalibrering af udstyr

  1. Nivellering og nuljustering
    1. Placer BPT i en passende position.
      BEMÆRK: En passende position betyder, at jorden er flad og fri for huller.
    2. Drej nivelleringsspiralen på bunden af BPT for at sikre, at nivelleringsboblen forbliver i midterpositionen.
    3. Løsn fastgørelsesspiralen, drej løftespiralen for at få pendulet til at løfte og svinge frit, og stram derefter fastgørelsesspiralen.
    4. Placer pendularmen på pendulbordets højre udkragning, og hold armen i vandret position, mens markøren drejes til højre side i flugt med armen.
    5. Tryk på udløserknappen for at lade pendularmen svinge frit. Når pendulet krydser det laveste punkt for at nå det højeste punkt, skal du holde det i hånden.
      BEMÆRK: Hvis det er nøjagtigt, skal markøren angive nul på dette tidspunkt.
    6. Hvis markøren ikke viser nulpunktet, løsnes eller strammes nulpunktet, og trin 3.1.4 og trin 3.1.5 gentages, indtil markøren angiver nulpunktet.
  2. Kalibrering af glidelængden
    1. Placer asfaltpladen direkte under pendulet, mens fastgørelsesspiralen løsnes, så den nederste kant af gummipladen berører asfaltpladens overflade.
    2. Forbered glidelængdelinealen, og bring den tæt på gummipladen.
    3. Løft bærehåndtaget, så det venstre skalamærke på glidelængdelinealen flugter med den nederste kant af gummipladen.
    4. Løft bærehåndtaget, og flyt pendulet til højre, så den nederste kant af gummipladen kun rører asfaltpladens overflade.
    5. Overhold, om glidelængdelinealen er nivelleret med kanten af gummipladen. Hvis det er tilfældet, opfylder glidelængden kravet på 126 mm. Ellers skal du fortsætte følgende handlinger.
    6. Drej løftespiralen for at justere pendulets højde, og gentag trin 3.2.3-3.2.5 for at justere glidelængden, så den opfylder kravene.
    7. Når finjustering er nødvendig, drej nivelleringsspiralen på bunden.
      BEMÆRK: Nivelleringsboblen skal forblive i midten under justeringen.

4. Bestemmelse af friktionskoefficient

  1. Vælg syv asfaltplader, rengør dem med en børste, og tør dem naturligt ved stuetemperatur.
  2. Nummerer asfaltpladerne i størrelsesordenen 1-7.
  3. Placer asfaltpladerne i forme, og afkøl dem samtidigt og frys dem med et vandlag.
    BEMÆRK: I dette forsøg blev de syv prøver anbragt i fryseren ved en kontrolleret temperatur på -10 °C i 24 timer. De forskellige prøver med de tilsvarende vandmængder er vist i figur 2.
    1. Prøve 1: For at simulere meget let sne hældes 9 cm3 vand på asfaltprøven. Fyld asfaltpladens overflade med vand, og niveller den hævede del. Islaget forventes ikke helt at dække prøveoverfladens asfaltpartikler. Derfor vil nogle partikler blive udsat, og dette fænomen er kendt som ujævn is.
    2. Prøve 2: For at simulere let sne hældes 216 cm3 vand på asfaltprøven ved hjælp af en målecylinder. Den forventede istykkelse er 2,17 mm. I dette tilfælde dækker vandlaget fuldstændigt overfladen af prøven. Det skal være helt frosset efter glasur.
    3. Prøve 3: For at simulere medium sne hældes 441 cm3 vand på asfaltprøven ved hjælp af en målecylinder. Den forventede istykkelse er 5,4 mm.
    4. Prøve 4: For at simulere kraftig sne hældes 891 cm3 vand på asfaltprøven ved hjælp af en målecylinder. Den forventede istykkelse er 11 mm.
    5. Prøve 5: For at simulere en snestorm hældes 1,791 cm3 vand på asfaltprøven ved hjælp af en målecylinder. Den forventede istykkelse er 22,1 mm.
    6. Prøve 6: For at simulere en stor snestorm hældes 2.691 cm3 vand på asfaltprøven ved hjælp af en målecylinder. Den forventede istykkelse er 33,2 mm.
    7. Prøve 7: Anbring prøven direkte i fryseren til afkøling uden at tilsætte vand som en tørfrossen prøve til sammenligning.
  4. Efter frysning fjernes prøverne fra fryseren; Fjern igen formene, og læg dem på BPT-centrene, som tidligere blev udjævnet og nulstillet.
  5. Brug fortovstermometeret til at måle prøvens overfladetemperatur og registrere den.
  6. Udfør kalibrering af glidelængde for at sikre en glideafstand på 126 mm.
  7. Tryk på pendularmens udløserkontakt. Når pendularmen krydser det laveste punkt og svinger til det højeste, skal du holde det i hånden og læse og registrere resultatet.
  8. Gendan både pendularmen og markøren til henholdsvis nul og vandret position.
    BEMÆRK: Glidelængden skal kalibreres igen, hver gang en ny prøve testes.
  9. Gentag trinnene i alt 10 gange, og mål syv prøver i rækkefølge.
    BEMÆRK: Hver prøve har 10 måleudlæsninger, og både minimums- og maksimumværdiforskellene skal være mindre end 3.

5. Dataanalyse

  1. Dataene i figur 3 registreres i en tabel, og måleresultaterne beregnes som gennemsnit for at opnå det endelige resultat (tabel 4).
  2. Temperaturkorrektion for pendulværdier
    1. Indtast temperaturværdimålingerne i følgende ligning for at opnå den temperaturkompenserede BPN-værdi:
      Equation 1
      BEMÆRK: Temperaturenheden, der blev brugt i den oprindelige ligning, er Kelvin, mens de eksperimentelle temperaturer alle er i celsius, så der skal udføres en temperaturkonvertering. De to temperaturenheder konverteres som følger:
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Træk den kompenserede BPN-værdi fra den gennemsnitlige BPN-værdi i tabel 4 for at opnå den endelige temperaturkompenserede BPN-værdi.
    3. De endelige BPN-værdier i tabel 4 afbildes som et søjlediagram for mere intuitive resultater (figur 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 isfriktionskoefficient var ca. 25% af overfladefriktionskoefficienten for de tørre og våde prøver.

Baseret på prøve 1 blev meget let snefald noteret for at have en stærk indvirkning på vejfriktionskoefficienten. Selv med et meget tyndt islag reducerede isdannelsen af vejoverfladen forårsaget af sporsnefald stadig vejfriktionskoefficienten med ca. 50% sammenlignet med kontrolprøve 7. For prøve 4, prøve 5 og prøve 6 var de endelige gennemsnitlige BPN-værdier identiske. Dette indikerer, at islagets friktionskoefficient har tendens til at stabilisere sig, og at måling af et tykkere islag ikke er nødvendigt.

Med hensyn til prøve 2, prøve 3 og prøve 4 blev overfladefriktionskoefficienten observeret til gradvist at falde. Ovenstående prøver svarer til istykkelser på henholdsvis 2 mm, 5 mm og 11 mm. I teorien skulle friktionskoefficienten for disse prøver være konsistent, mens den faktiske måling af friktionskoefficienten var større for 2 mm islaget. Analysen peger på to grunde til dette. For det første har mikrostrukturen af prøveoverfladepartiklerne i islaget ved en istykkelse på 2 mm en vis indvirkning. Selvom isoverfladen af prøven er placeret vandret, med naturlig glasur, er den ikke glat på mikroskopisk niveau. For det andet kontakter pendularmen isen under eksperimentet. Isen komprimeres og deformeres fra friktionen af pendularmen på grund af isens tyndhed og det tryk, der udøves på den. Friktionsprocessen for gummiblokke bølger prøveemnets overfladepartikler, hvilket resulterer i en større friktionskoefficient.

Som vist i figur 4 havde isfriktionskoefficienten en tendens til hurtigt at falde, efterhånden som både snefaldet og tykkelsen af islaget steg. Desuden havde den en tendens til at stabilisere sig, når istykkelsen svarende til medium sne blev nået. Prøve 1 repræsenterer meget let sne, der klæbes til fortovsoverfladen efter isdannelse; dette resulterede i en reduktion i fortovets friktionskoefficient, og dens BPN-værdi faldt med ca. 43% sammenlignet med tørprøven. Prøve 2, prøve 3 og prøve 4 svarer til henholdsvis let, medium og tung sne, og islagtykkelserne af de tre prøver var forskellige efter isdannelse. Blandt dem var BPN-værdien af den mellemstore sne kun halvdelen af den lette sne, fordi tykkelsen af islaget svarende til lidt sne kun var 2 mm. Derfor påvirker mikrostrukturen af prøveoverfladen stadig friktionskoefficientværdien. Da islaget nåede de mellemstore og tunge snetykkelser, påvirkede prøvens mikrostruktur ikke længere friktionskoefficienten. Den lille forskel mellem de to BPN'er skyldes den forskellige ekstrudering af gummipladen på de forskellige istykkelser, hvilket fører til isdeformation. BPN'erne for de tunge sne-, snestorms- og store snestormsprøver var de samme, hvilket betyder, at når istykkelsen nåede 11 mm, deformerede gummipladen ikke længere islaget ved at komprimere det, og BPN'erne og friktionskoefficientværdierne forblev uændrede.

Temperatur Temperatur i miljøet (°C)
0 10 20 30 40
Fleksibilitet 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
Hårdhed 55 ± 5

Tabel 1: Tekniske indekskrav til gummipladen. Dette refererer især til naturgummi.

Niveau 12 timers snefald 24 timers snefald
Meget let sne < 0,1 < 0,1
Lidt sne 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Medium sne 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Kraftig sne 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Snestorm 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Stor snestorm 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Ekstraordinær snestorm ≥15.0 ≥30.0

Tabel 2: Klassificering af snefaldsniveau. Dataenheden i tabellen er millimeter (mm).

Niveau 24 timers snefald (mm) Snefald dybde (mm) Svarende til vandmængden på prøven (cm3) Svarende til tykkelsen af is på prøven (mm)
Meget let sne < 0,1 < 0,8 < 9 0.1
Lidt sne 2.4 19.2 216 2.6
Medium sne 4.9 39.2 441 5.4
Kraftig sne 9.9 79.2 891 10.9
Bilzzard 19.9 159.2 1791 21.9
Stor bilzzard 29.9 239.2 2691 32.9
Ekstraordinær snestorm ≥30.0 ≥240 ≥2700 33

Tabel 3: Forskellige snefaldsniveauer svarende til vandmængden på prøven. Tætheden af vand og is er henholdsvis 1 g/cm 3 og 0,92 g/cm3.

Prøvenummer Pendulværdi Temperatur: -1 °C Gennemsnitlig værdi Temperament-
ature korrigeret pendulværdi
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Equation 2 51 50 50 48 51 49 50 48 51 48 50 45
Equation 3 31 33 32 33 33 34 34 33 32 31 33 28
Equation 4 19 18 20 20 21 21 20 19 20 19 19 14
Equation 5 17 18 20 19 18 18 19 19 18 18 18 13
Equation 6 18 19 18 17 16 18 19 18 17 18 18 13
Equation 7 18 17 18 17 16 18 19 18 17 18 18 13
Equation 8 83 82 85 83 83 84 85 82 83 82 83 78

Tabel 4: Resultater for friktionskoefficienterne for de isdækkede asfaltprøver.

Figure 1
Figur 1: BPT, der blev brugt i eksperimentet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Forskellige prøver med de tilsvarende vandmængder. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Eksperimentelle optagelsesresultater (BPN). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Friktionskoefficienter for fortovsis under forskellige snefaldsniveauer. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 resultater25. Hvis friktionskoefficienten for den endelige prøve er for stor eller for lille som følge af dårlig blandingsklassificering, skal prøven forberedes på ny og testes endnu en gang. De forberedte asfaltplader skal vedligeholdes i overensstemmelse med kravene.

Et andet kritisk skridt er beregningen af snefaldet. Sneophobning er et resultat af nedbør. Ifølge forskning udført af Folkerepublikken Kinas meteorologiske bureau kan snefald måles ved følgende metode: En standardbeholder bruges til at smelte sneen, opsamlet i 12 timer eller 24 timer, i vand, og værdien opnået med en målekop måles i millimeter (mm), hvor 1 mm snefald repræsenterer en snedybde på ca. 8 mm26 . Prøvestørrelsen af den eksperimentelle præfabrikerede asfaltblanding er 30 cm x 30 cm x 5 cm, og 1 mm nedbør på asfaltpladen har et vandvolumen på 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. Ifølge denne beregningsmetode kan det krævede vandvolumen udledes af den tilsvarende prøve med en islagtykkelse på 1,1 mm.

Desuden er bestemmelsen af frysetemperatur og tid også vigtig. I eksperimentet indstilles temperaturområdet til -5 °C til -10 °C. Alle prøver skal fryses i mindst 24 timer. Tiden kan opnås ved at teste nedfrysning af prøverne før forsøget. Især kan den tid, der opnås af forskelligt udstyr med forskellige fryseeffekter, variere.

Dernæst skal den nederste kant af gummipladen røre overfladen af asfaltpladen, når gummipladens glidelængde kalibreres. Det bør ikke glide fremad med den svingende arms inerti, da dette ville medføre, at glidelængden afviger fra kravet på 126 mm.

Endelig skal der anvendes en temperaturkorrektionsmetode. Tidligere undersøgelser har vist, at BPN'er er relateret til både temperaturen og gummipladematerialet27. ASTM -specifikationen (E303-93) kræver brug af syntetisk gummi med lav temperaturfølsomhed, hvilket betyder, at der ikke er nogen temperaturkonverteringer involveret24,28. Imidlertid bruger de fleste nuværende eksperimenter BPT til indendørs bestemmelse af friktionskoefficienten for naturgummi. De BPN'er, der opnås ved disse forsøg ved forskellige temperaturer, skal omregnes til værdier ved standardtemperaturer29. Talrige undersøgelser har givet en række metoder til BPN temperaturkonvertering30. Dette papir anvender metoden fra Bazlamit et al., da de leverede formler til konvertering af BPN'er ved enhver temperatur til værdier ved standardtemperaturer31.

De fremtidige tekniske anvendelser af denne metode vedrører primært vejdesign og vintervejvedligeholdelse. For det første skal designere, når de designer veje i snedækkede og frosne områder, forstå det lokale snefaldsniveau, overveje den mulige istykkelse under vejdrift og bruge den gunstigste friktionskoefficient til vejdesignet. Friktionskoefficienterne svarende til forskellige istykkelser kan påvirke værdierne for tværhældning samt superelevationsværdierne i vejdesign, hvilket igen kan påvirke radius af vejens cirkulære kurve. For det andet kan vores eksperimenter hjælpe med at forbedre effektiviteten af vedligeholdelse af fortov om vinteren, da løsninger til sikring af passende friktionskoefficienter for fortove ved forskellige istykkelser kan videreudvikles. Ifølge resultaterne af papiret forbliver virkningen på køretøjskørsel den samme, når istykkelsen på vejoverfladen bliver større end 5 mm. Dette arbejde giver en reference til vejforvaltning om vinteren, hvilket tyder på, at visse foranstaltninger skal implementeres, før istykkelsen når 5 mm. Desuden viser denne undersøgelse, at den negative indvirkning på trafiksikkerheden kan være betydelig, selv med spormængder af let sne, da sådan sne er mere tilbøjelig til at fryse og forårsage et betydeligt fald i vejfriktionskoefficienten på meget kort tid.

Desuden har metoden, der præsenteres i papiret, også nogle begrænsninger. Opfølgende forsøg bør kombineres med faktiske vejdata for at verificere forsøgsresultaterne. Derudover skal det mellemstore sneområde opdeles yderligere for at bestemme den nøjagtige værdi, når friktionskoefficienten ikke længere afhænger af istykkelsen. Protokollens begrænsninger vedrører hovedsageligt manglende evne til at opnå ensartede isoverflader på prøverne, hvilket i nogle tilfælde fører til store eksperimentelle fejl.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende det videnskabelige forskningsprogram finansieret af Shaanxi Provincial Education Department (program nr. 21JK0908).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rajamani, R., Piyabongkarn, N., Lew, J., Yi, K., Phanomchoeng, G. Tire-road riction-coefficient estimation. IEEE Control Systems Magazine. 30 (4), 54-69 (2010).
  2. 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. , Stockholm. (2001).
  3. Kuttesch, J. S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data. Virginia Tech. , Master's thesis (2004).
  4. Juga, I., Nurmi, P., Hippi, M. Statistical modelling of wintertime road surface friction. Meteorological Applications. 20 (3), 318-329 (2013).
  5. Zhang, Y. The optimum amount of road deicing salt in humid areas. Advances in Engineering Research. 153 (2017), 283-290 (2017).
  6. Haavasoja, T., Pilli-Sihvola, Y. Friction as a measure of slippery road surfaces. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , Quebec, Canada. (2010).
  7. Norrman, J. Slipperiness on roads-an expert system classification. Meteorological Applications. 7 (1), 27-36 (2000).
  8. 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).
  9. Juga, I. The effect of snowfall and low temperature on road traffic accident rates in Souther. Proceedings of 16th International Road Weather Conference. SIRWEC. , Helsinki, Finland. (2012).
  10. Waluś, K. J., Olszewski, Z. Analysis of tire-road contact under winter conditions. Proceedings of the World Congress on Engineering. WFEO and UNESCO. , London, UK. (2011).
  11. 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).
  12. Hunter, J. E. Reconstructing collisions involving ice and slippery surfaces. SAE Transactions. 102, 1425-1436 (1993).
  13. Hayhoe, G., Shapley, C. Tire force generation on ice. Journal of Passenger Cars. 98 (6), 30-38 (1989).
  14. Peng, X., Xie, Y., Guo, K. A new method for determining tire traction on ice. SAE 2000 Automotive Dynamics & Stability Conference. , Detroit, Michigan. (2000).
  15. Klapproth, C., Kessel, T., Wiese, K., Wies, B. An advanced viscous model for rubber-ice-friction. Tribology International. 99, 169-181 (2016).
  16. Lahayne, O., et al. Rubber friction on ice: experiments and modeling. Tribology Letters. 62 (2), 17 (2016).
  17. Hippi, M., Juga, I., Nurmi, P. A statistical forecast model for road surface friction. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , Quebec, Canada. (2010).
  18. Ivanović, V., et al. Experimental identification of dynamic tire friction potential on ice surfaces. Vehicle System Dynamics. 44 (1), 93-103 (2006).
  19. 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).
  20. 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). , Luleaa, Sweden. (1998).
  21. Norem, H. Selection of strategies for winter maintenance of roads based on climatic parameters. Journal of Cold Regions Engineering. 23 (4), 113-135 (2009).
  22. 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).
  23. Henry, J. J. Evaluation of pavement friction characteristics. Transportation Research Board. , Washington, DC. (2000).
  24. ASTM International. ASTM E303-93. Standard Test Method for Measuring Surface Frictional Properties Using the British Pendulum Tester. ASTM International. , West Conshohocken, PA. (2018).
  25. ASTM International. ASTM D6926-20. Standard Practice for Preparation of Asphalt Mixture Specimens Using Marshall Apparatus. ASTM International. , West Conshohocken, PA. (2020).
  26. China Meteorological Association. Snowfall formation conditions and classification. Meteorological Bureau of the People's Republic of China. , Available from: http://www.cma.gov.cn/2011xzt/kpbd/SnowStorm/2018050902/201811/t20181106_482641.html (2018).
  27. Oliver, J. W., Tredrea, P., Pratt, D. Seasonal variation of skid resistance in Australia. Special Report No 37. Australian Road Research Board. , (1988).
  28. Steven, B. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Temperature Corrections and Operator/Machine Variability. University of California Pavement Research Center Davis and Berkely. , California, US. (2009).
  29. Transport Research Laboratory. BS 7976-2:2002. Pendulum testers - Method of operation. Transport Research Laboratory. , London, UK. (2002).
  30. Lu, Q. Friction testing of pavement preservation treatments: Literature review. UC Davis: University of California Pavement Research Center. , California, US. (2006).
  31. 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).

Tags

Teknik udgave 191 vejfriktionskoefficient snefald vejisning pendulfriktionskoefficientmåler britisk pendulnummer (BPN)
Bestemmelse af friktionskoefficienterne for iskolde fortove under forskellige mængder snefald
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pan, B., Chai, H., Lu, B., Shao, Y., … More

Pan, B., Chai, H., Lu, B., Shao, Y., Liu, J., Zhang, R. Determination of the Friction Coefficients of Icy Pavements Under Different Amounts of Snowfall. J. Vis. Exp. (191), e63769, doi:10.3791/63769 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter