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 av friksjonskoeffisientene til isete fortau under forskjellige mengder snøfall

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 presenterer vi en metode for å bestemme friksjonskoeffisienten til fortau med forskjellige istykkelser innendørs. Den komplette prosedyren inkluderer forberedelse av utstyret, beregning og analyse av snøfallet, utstyrskalibrering, friksjonskoeffisientbestemmelse og dataanalyse.

Abstract

Is på veibanen kan føre til en betydelig reduksjon i friksjonskoeffisienten, og dermed true kjøresikkerheten. Det er imidlertid fortsatt ingen studier som gir nøyaktige friksjonskoeffisientverdier for fortau dekket av is, noe som er skadelig for både vegutforming og valg av vintervegvedlikeholdstiltak. Derfor presenterer denne artikkelen en eksperimentell metode for å bestemme friksjonskoeffisienten til isete veibaner om vinteren. En britisk bærbar tester (BPT), også kjent som en pendelfriksjonskoeffisientmåler, ble ansatt for eksperimentet. Eksperimentet ble delt inn i følgende fem trinn: forberedelse av utstyret, beregning og analyse av snøfallet, utstyrskalibrering, friksjonskoeffisientbestemmelse og dataanalyse. Nøyaktigheten av det endelige eksperimentet påvirkes direkte av utstyrets nøyaktighet, som er beskrevet i detalj. Videre foreslår denne artikkelen en metode for å beregne istykkelsen for tilsvarende mengder snøfall. Resultatene illustrerer at selv ujevn is dannet av svært lett snøfall kan føre til en betydelig reduksjon i friksjonskoeffisienten til fortauet, og dermed true kjøresikkerheten. I tillegg er friksjonskoeffisienten på topp når istykkelsen når 5 mm, noe som betyr at beskyttelsestiltak bør iverksettes for å unngå dannelse av slik is.

Introduction

Dekkfriksjon er definert som grepet mellom kjøretøyets dekk og den underliggende veibanen1. Indeksen som oftest forbindes med vegfriksjon i vegprosjektering er vegfriksjonskoeffisienten. Friksjon er en av de viktigste faktorene i vegdesign og er nest etter holdbarhet. Det er en sterk og klar sammenheng mellom vegfriksjonsytelse og ulykkesrisiko2. For eksempel er det en signifikant negativ korrelasjon mellom trafikkulykkesrater og dekkeskinnemotstand 3,4,5. Flere faktorer kan bidra til en reduksjon i vegfriksjon, og en av de mest direkte og innflytelsesrike av disse faktorene er snøfall6. Spesielt fører snøfall til at det dannes is på fortauet, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i vegfriksjonskoeffisienten 7,8. En studie som fokuserte på faktorene som påvirker trafikkulykkesratene i Sør-Finland, bemerket at ulykkesfrekvensen ofte topper seg på dager med kraftig snøfall, og at mer enn 10 cm snø kan føre til en dobling av ulykkesfrekvensen9. Lignende resultater er funnet i studier utført både i Sverige og Canada10,11. Derfor er det avgjørende å studere friksjonsegenskapene til snøfrosne fortau for å forbedre trafikksikkerheten.

Å bestemme friksjonskoeffisienten til isete fortau er en kompleks prosess fordi friksjonskoeffisienten kan variere under forskjellige snøfallsnivåer og istykkelser på fortauet. Videre kan varierende temperaturer og dekkegenskaper også påvirke friksjonskoeffisienten. Tidligere har det blitt utført en rekke eksperimenter for å studere friksjonsegenskapene til dekk på is12. På grunn av forskjellene i individuelle miljøer og dekkegenskaper, kan konsistente resultater imidlertid ikke oppnås og brukes som grunnlag for teoretiske studier. Derfor har mange forskere forsøkt å utvikle teoretiske modeller for å analysere friksjonen av dekk på is. Hayhoe og Sahpley13 foreslo konseptet med våtfriksjonsvarmeutveksling i grensesnittet mellom dekk og is, mens Peng et al.14 foreslo en avansert datamodell for å forutsi friksjon basert på konseptet ovenfor. I tillegg presenterte Klapproth en innovativ matematisk modell for å beskrive friksjonen av grov gummi på glatt is15. Imidlertid har de ovennevnte modellene vist seg å ha betydelige feil, hovedsakelig på grunn av deres manglende evne til nøyaktig og effektivt å karakterisere friksjonsegenskapene til dekk på is16.

For å redusere feilene i teoretiske modeller, er det nødvendig med en stor mengde eksperimentelle data. Det finske meteorologiske byrået utviklet en friksjonsmodell for å forutsi isete dekkefriksjon, og formelen for den modellen var hovedsakelig basert på data hentet fra veiværstasjoner og gjennom statistisk analyse17. Videre samlet Ivanović og medarbeidere en betydelig mengde eksperimentelle data ved å analysere friksjonsegenskapene til dekk på is og beregnet friksjonskoeffisienten til is ved regresjonsanalyse18. Gao og medarbeidere foreslo også en ny prediksjonsmodell for dekkgummi-is-trekkraft ved å kombinere Levenberg-Marquardt (LM) optimaliseringsalgoritme med et nevralt nettverk for å oppnå formelen for friksjonskoeffisienten på is19. Alle de ovennevnte modellene har blitt enten validert eller anvendt i praksis og anses dermed som gjennomførbare.

I tillegg til teoretiske metoder er det utviklet mange praktiske metoder for å måle friksjonskoeffisienten til fortau i snødekte og frosne områder. På grunn av værets særegenheter har disse metodene blitt mye brukt i nordiske land som Sverige, Norge og Finland20. I Sverige brukes følgende tre hovedtyper av friksjonsmåler: BV11, SFT og BV14. BV14, en dobbeltfriksjonstester utviklet spesielt for vintervedlikeholdsvurderinger, er direkte koblet til målekjøretøyet og måler tørrfriksjonen på begge hjulbanene samtidig20. I Finland brukes friksjonsmåleren (TIE 475) til vurdering av vedlikehold av vinterveger, mens i Norge er friksjonsmåleren ROAR (uten vann) et vanlig utstyr2. De fleste vinterfriksjonsmålingene som er utført i Sverige, Norge og Finland er utført med vanlige personbiler med ABS og instrumenter som måler retardasjon under bremsing 2,20. Fordelen med denne metoden er at den er enkel og relativt billig, og den største ulempen er at nøyaktigheten av metoden er svært lav.

Studiene beskrevet ovenfor gir metoder for å forutsi og oppdage friksjonskoeffisienter på is. Imidlertid er det fortsatt ikke gitt en enhetlig metode og en spesifikk verdi for å veilede vegdesignere. For vinterveier kan dessuten friksjonskoeffisienten mellom dekkene og isen variere med hensyn til ulike istykkelser, og det bør også iverksettes ulike disponeringstiltak21. Derfor tar dette papiret sikte på å bestemme friksjonskoeffisienten til isete veier under forskjellige mengder snøfall.

Internasjonalt er den britiske bærbare testeren (BPT) og det svenske vei- og transportforskningsinstituttets bærbare friksjonstester (VTI PFT) for tiden de mest brukte instrumentene for måling av friksjonskoeffisienten22,23. PFT er en bærbar friksjonstester utviklet av VTI, og den lar operatøren ta målinger i oppreist stilling og lagre dataene på datamaskinen22. PFT kan måle de fleste profilerte veimerkinger, men antall tilgjengelige instrumenter er fortsatt svært lite2. BPT er en pendelfriksjonskoeffisienttester som ble utviklet av British Road Research Laboratory (RRL, nå TRL). Instrumentet er en dynamisk pendelkollisjonstype tester som brukes til å måle energitapet i tilfeller der en glidebryter av gummi drives over en testoverflate. Resultatene er rapportert som British Pendulum Numbers (BPNs) for å understreke at de er spesifikke for denne testeren og ikke direkte ekvivalente med de fra andre enheter24. Instrumentet har vist seg å være nyttig for bestemmelse av friksjonskoeffisienter i det eksperimentelle dekkefeltet23. Dette eksperimentet bruker BPT for bestemmelse av friksjonskoeffisienter.

Denne studien beskriver den eksperimentelle prosedyren for å måle friksjonskoeffisienten til isete fortau som tilsvarer forskjellige snøfallsmengder innendørs. Problemene som skal bemerkes i forsøkene, for eksempel eksperimentell kalibrering, eksperimentell implementering og metoder for dataanalyse, forklares i detalj. De nåværende eksperimentelle prosedyrene kan oppsummeres ved følgende fem trinn: 1) klargjøring av utstyret, 2) beregning og analyse av snøfallet, 3) utstyrskalibrering, 4) friksjonskoeffisientbestemmelse og 5) dataanalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Klargjøring av utstyret

  1. BPT
    1. Sørg for at BPT (figur 1) er innenfor levetiden og at overflaten er ren og uskadet.
      MERK: Komponentene i BPT er basen, utjevningsspiralen, utjevningsboblen, pekeren, pendelen, løftespiralen, festespiralen, håndtaket og skiven.
  2. Asfaltplater
    1. Sørg for at asfaltblandingsprøvestørrelsen som brukes til eksperimentet, er 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  3. Fryseutstyr
    1. Sørg for at fryseutstyret som brukes, fritt kan regulere temperaturen mellom -20 °C og 0 °C.
  4. Forbered annet utstyr som brukes i forsøket: et stativ, en målesylinder, et gummiark, et fortautermometer, en glidelengdelinjal og en børste.
    MERK: Størrelsen på gummiplaten som ble brukt i forsøket var 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm, og den skal oppfylle kvalitetskravene gitt i tabell 124.
    1. Forsikre deg om at gummiplaten ikke har noen av følgende feil: 1) oljeflekker; 2) breddekantslitasje større enn 3,2 mm; eller 3) på langs slitasje større enn 1,6 mm.
    2. Før du bruker en ny gummiplate, må du sørge for at gummiplaten måles 10 ganger ved hjelp av en BPT på en tørr overflate før du bruker den til offisiell testing.

2. Beregning og analyse av snøfallet

MERK: Tabell 2 angir klassifiseringen av snøfallsklassen. Med tanke på ekstreme tilfeller krever utstyret 24 timers snøfall for å gjennomføre studien.

  1. For å sikre at eksperimentet er enkelt, utfør den tilsvarende beregningen og analysen ved å bruke den øvre grensen for hvert nivå av snøfall.
    MERK: De forskjellige nivåene av snøfallsdybden og det tilsvarende vannvolumet til prøvene etter beregning er gitt i tabell 3. Forsøket vurderte ikke påvirkning av ekstraordinære snøstormer, og kategoriene veldig lett snø til store snøstormer ble nummerert fra 1 til 6.

3. Kalibrering av utstyr

  1. Utjevning og nulljustering
    1. Plasser BPT i en passende posisjon.
      MERK: En passende posisjon betyr at bakken er flat og fri for jettegryter.
    2. Roter nivelleringsspiralen på undersiden av BPT for å sikre at nivelleringsboblen forblir i midtstilling.
    3. Løsne festespiralen, roter løftespiralen for å få pendelen til å løfte og svinge fritt, og stram deretter festespiralen.
    4. Plasser pendelarmen på høyre utkrager på pendelbordet, og hold armen i horisontal stilling mens du roterer pekeren til høyre side i flukt med armen.
    5. Trykk på utløserknappen for å la pendelarmen svinge fritt. Når pendelen krysser det laveste punktet for å nå det høyeste punktet, hold det for hånd.
      MERK: Hvis den er nøyaktig, skal pekeren indikere null på dette tidspunktet.
    6. Hvis pekeren ikke viser nullpunktet, løsner eller strammer du nullstillingsmutteren og gjentar trinn 3.1.4 og trinn 3.1.5 til pekeren angir nullpunktet.
  2. Kalibrering av glidelengden
    1. Plasser asfaltplaten rett under pendelen mens du løsner festespiralen slik at den laveste kanten av gummiplaten berører overflaten på asfaltplaten.
    2. Forbered glidelengdelinjalen, og hold den nær gummiplaten.
    3. Løft bærehåndtaket slik at det venstre skalamerket på glidelengdelinjalen er i flukt med den laveste kanten av gummiplaten.
    4. Løft bærehåndtaket, og flytt pendelen til høyre slik at den laveste kanten av gummiplaten bare berører overflaten av asfaltplaten.
    5. Vær oppmerksom på om glidelengdelinjalen er jevnet med kanten av gummiplaten. Hvis det er det, oppfyller glidelengden kravet om 126 mm. Ellers fortsetter du følgende operasjoner.
    6. Vri løftespiralen for å justere høyden på pendelen, og gjenta trinn 3.2.3-3.2.5 for å justere skyvelengden slik at den oppfyller kravene.
    7. Når finjustering er nødvendig, vri utjevningsspiralen på basen.
      MERK: Utjevningsboblen må forbli i midten under justeringen.

4. Bestemmelse av friksjonskoeffisient

  1. Velg syv asfaltplater, rengjør dem med en børste og tørk dem naturlig ved romtemperatur.
  2. Nummerer asfaltplatene i størrelsesorden 1-7.
  3. Plasser asfaltplatene i former, og avkjøl og frys dem samtidig med et vannlag.
    MERK: I dette eksperimentet ble de syv prøvene plassert i fryseren ved en kontrollert temperatur på -10 °C i 24 timer. De ulike prøvene med tilsvarende vannmengde er vist i figur 2.
    1. Prøve 1: For å simulere veldig lett snø, hell 9 cm3 vann på asfaltprøven. Fyll asfaltplatens overflate tomrom med vann, og nivå den hevede delen. Islaget forventes ikke å dekke asfaltpartiklene på overflaten fullstendig. Derfor vil noen partikler bli utsatt, og dette fenomenet er kjent som ujevn is.
    2. Prøve 2: For å simulere lett snø, hell 216 cm3 vann på asfaltprøven ved hjelp av en målesylinder. Forventet isingtykkelse er 2,17 mm. I dette tilfellet dekker vannlaget helt overflaten av prøven. Det skal være helt frosset etter glasur.
    3. Prøve 3: For å simulere middels snø, hell 441 cm3 vann på asfaltprøven ved hjelp av en målesylinder. Forventet istykkelse er 5,4 mm.
    4. Prøve 4: For å simulere tung snø, hell 891 cm3 vann på asfaltprøven ved hjelp av en målesylinder. Forventet istykkelse er 11 mm.
    5. Prøve 5: For å simulere en snøstorm, hell 1,791 cm3 vann på asfaltprøven ved hjelp av en målesylinder. Forventet istykkelse er 22,1 mm.
    6. Prøve 6: For å simulere en stor snøstorm, hell 2,691 cm3 vann på asfaltprøven ved hjelp av en målesylinder. Forventet istykkelse er 33,2 mm.
    7. Prøve 7: Plasser prøven direkte i fryseren for kjøling uten å tilsette vann som en tørrfryst prøve for sammenligning.
  4. Etter frysing, fjern prøvene fra fryseren; i sin tur, fjern formene, og plasser dem på BPT-sentrene, som tidligere ble nivellert og nullet.
  5. Bruk fortautermometeret til å måle overflatetemperaturen på prøven og registrere den.
  6. Utfør glidelengdekalibrering for å sikre en glideavstand på 126 mm.
  7. Trykk på pendelarmens utløserbryter. Når pendelarmen krysser det laveste punktet og svinger til det høyeste, hold det for hånd og les og registrer resultatet.
  8. Gjenopprett både pendelarmen og pekeren til henholdsvis null og horisontal posisjon.
    MERK: Glidelengden bør kalibreres på nytt hver gang en ny prøve testes.
  9. Gjenta trinnene totalt 10 ganger, og mål syv prøver i rekkefølge.
    MERK: Hver prøve har 10 måleavlesninger, og både minimums- og maksimumsverdiforskjellene skal være mindre enn 3.

5. Analyse av data

  1. Registrer dataene i figur 3 i en tabell, og gjennomsnitt av måleresultatene for å oppnå det endelige resultatet (tabell 4).
  2. Temperaturkorreksjon for pendelverdier
    1. Skriv inn temperaturverdimålingene i følgende ligning for å oppnå den temperaturkompenserte BPN-verdien:
      Equation 1
      MERK: Temperaturenheten som brukes i den opprinnelige ligningen er Kelvin, mens de eksperimentelle temperaturene alle er i celsius, så en temperaturkonvertering må utføres. De to temperaturenhetene konverteres som følger:
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Trekk den kompenserte BPN-verdien fra gjennomsnittlig BPN-verdi i tabell 4 for å oppnå den endelige temperaturkompenserte BPN-verdien.
    3. Plott de endelige BPN-verdiene i tabell 4 som et søylediagram for mer intuitive resultater (figur 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Prøve 7 i tabell 4 er den tørre prøvekontrollgruppen, mens de resterende prøvene 1-6 tilsvarer istykkelser fra veldig lett snø til stor snøstorm.

Ved sammenligning av prøve 7 og de andre seks gruppene ble isdannelse observert for å redusere friksjonskoeffisienten til vegdekket betydelig. Videre ble friksjonskoeffisienten for fortau redusert med økende istykkelse, og istykkelsen hadde en tendens til å stabilisere seg på 5 mm, noe som tilsvarer middels snø. Den endelige isfriksjonskoeffisienten var ca. 25 % av overflatefriksjonskoeffisienten til de tørre og våte prøvene.

Basert på prøve 1 ble det observert svært lett snøfall å ha en sterk innvirkning på friksjonskoeffisienten på veien. Videre, selv med et veldig tynt islag, reduserte isingen av vegoverflaten forårsaket av snøfall fortsatt friksjonskoeffisienten for vegen med ca. 50 % sammenlignet med kontrollprøven 7. For utvalg 4, utvalg 5 og utvalg 6 var de endelige gjennomsnittlige BPN-verdiene identiske. Dette indikerer at veifriksjonskoeffisienten til islaget har en tendens til å stabilisere seg, og at måling av et tykkere islag ikke er nødvendig.

Med hensyn til prøve 2, prøve 3 og prøve 4 ble overflatefriksjonskoeffisienten observert å gradvis reduseres. Ovennevnte prøver tilsvarer istykkelser på henholdsvis 2 mm, 5 mm og 11 mm. I teorien skulle friksjonskoeffisienten til disse prøvene være konsistent, mens den faktiske målingen av friksjonskoeffisienten var større for 2 mm islaget. Analysen antyder to grunner til dette. For det første, ved en istykkelse på 2 mm, har mikrostrukturen til prøveoverflatepartiklene i islaget en viss innvirkning. Selv om isoverflaten i prøven er plassert horisontalt, med naturlig ising, er den ikke glatt på mikroskopisk nivå. For det andre kommer pendelarmen i kontakt med isen under forsøket. Isen komprimeres og deformeres fra pendelarmens friksjon på grunn av isens tynnhet og trykket som utøves på den. Gummiblokkfriksjonsprosessen undulerer overflatepartiklene i teststykket, noe som resulterer i en større friksjonskoeffisient.

Som vist i figur 4, hadde isfriksjonskoeffisienten en tendens til å avta raskt etter hvert som både snøfallet og tykkelsen på islaget økte. Videre hadde den en tendens til å stabilisere seg når istykkelsen tilsvarende middels snø ble nådd. Prøve 1 representerer svært lett snø festet til fortauoverflaten etter ising; Dette resulterte i en reduksjon i vegfriksjonskoeffisienten, og BPN-verdien ble redusert med ca. 43 % sammenlignet med tørrprøven. Prøve 2, prøve 3 og prøve 4 tilsvarer henholdsvis lett, middels og tung snø, og islagtykkelsen på de tre prøvene var forskjellige etter ising. Blant dem var BPN-verdien av middels snø bare halvparten av den lette snøen fordi tykkelsen på islaget som tilsvarer lite snø bare var 2 mm. Derfor påvirker mikrostrukturen til prøveflaten fortsatt friksjonskoeffisientverdien. Når islaget nådde middels og tung snøtykkelse, påvirket ikke lenger mikrostrukturen i prøven friksjonskoeffisienten. Den lille forskjellen mellom de to BPN-ene skyldes den forskjellige ekstruderingen av gummiplaten på de forskjellige istykkelsene, noe som fører til isdeformasjon. BPN-ene til de tunge snø-, snøstorm- og store snøstormprøvene var de samme, noe som betyr at når istykkelsen nådde 11 mm, deformerte gummiplaten ikke lenger islaget ved å komprimere det, og BPN-ene og friksjonskoeffisientverdiene forble uendret.

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

Tabell 1: Tekniske indekskrav for gummiplaten. Dette refererer spesielt til naturgummi.

Nivå 12t snøfall 24 timer snøfall
Veldig lett snø < 0.1 < 0.1
Lite snø 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Middels snø 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Tung snø 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Snøstorm 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Stor snøstorm 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Ekstraordinær snøstorm ≥15.0 ≥30.0

Tabell 2: Klassifisering av snøfallsnivå. Dataenheten i tabellen er millimeter (mm).

Nivå 24t snøfall (mm) Snøfall dybde (mm) Tilsvarer volumet av vann på prøven (cm3) Tilsvarer tykkelsen på isen på prøven (mm)
Veldig lett snø < 0.1 < 0,8 < 9 0.1
Lite snø 2.4 19.2 216 2.6
Middels snø 4.9 39.2 441 5.4
Tung snø 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 snøstorm ≥30.0 ≥240 ≥2700 33

Tabell 3: Ulike snømengder tilsvarende vannmengden på prøven. Tettheten av vann og is er henholdsvis 1g/cm 3 og 0,92g/cm3.

Eksempel nummer Pendelverdi Temperatur: -1 °C Gjennomsnittlig verdi Humør-
ature korrigert pendelverdi
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

Tabell 4: Resultater for friksjonskoeffisientene til de isdekte asfaltprøvene.

Figure 1
Figur 1: BPT brukt i forsøket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Ulike prøver med tilhørende vannmengder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Eksperimentelle opptaksresultater (BPN). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Friksjonskoeffisienter for dekkeis under ulike snøfallsnivåer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne artikkelen undersøker prosedyren for å teste friksjonskoeffisienten til isete fortau ved hjelp av en BPT. Flere punkter må analyseres grundig og diskuteres i detalj her. For det første, når det gjelder fremstilling av asfaltblandingsprøvene, bør man prøve å bruke vegpetroleumsasfalt for å forberede prøvene, men dette er ikke et krav. Fremstillingen av asfaltblandingsprøvene skal utføres i strengt samsvar med ASTM (D6926-20) eksperimentelle protokoller, da dette påvirker nøyaktigheten av de endelige resultatene25. Hvis friksjonskoeffisienten til den endelige prøven er for stor eller for liten som følge av dårlig blandingsgradering, må prøven klargjøres på nytt og testes en gang til. De forberedte asfaltplatene skal vedlikeholdes i samsvar med kravene.

Et annet kritisk skritt er beregningen av snøfallet. Snøakkumulering er et resultat av nedbør. Ifølge forskning utført av Meteorological Bureau of People's Republic of China, kan snøfall måles ved hjelp av følgende metode: En standardbeholder brukes til å smelte snøen, samlet i 12 timer eller 24 timer, i vann, og verdien oppnådd med en målekopp måles i millimeter (mm), med 1 mm snøfall som representerer en snødybde på ca. 8 mm26 . Prøvestørrelsen på den eksperimentelle prefabrikkerte asfaltblandingen er 30 cm x 30 cm x 5 cm, og 1 mm nedbør på asfaltplaten har et vannvolum på 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. I henhold til denne beregningsmetoden kan det nødvendige vannvolumet utledes fra den tilsvarende prøven med en islagtykkelse på 1,1 mm.

Videre er bestemmelsen av frysetemperatur og tid også viktig. I forsøket er temperaturområdet satt til -5 ° C til -10 ° C. Alle prøvene skal fryses i minst 24 timer. Tiden kan oppnås ved å teste frysing av prøvene før forsøket. Spesielt kan tiden oppnådd av forskjellig utstyr med forskjellige fryseeffekter variere.

Deretter, når du kalibrerer glidelengden på gummiplaten, skal den laveste kanten av gummiplaten berøre overflaten av asfaltplaten. Den skal ikke gli fremover med tregheten til svingarmen, da dette vil føre til at glidelengden avviker fra 126 mm-kravet.

Til slutt må en temperaturkorreksjonsmetode brukes. Tidligere studier har indikert at BPN er relatert til både temperatur og gummiplatemateriale27. ASTM-spesifikasjonen (E303-93) krever bruk av syntetisk gummi med lav følsomhet for temperatur, noe som betyr at det ikke er temperaturkonverteringer involvert24,28. Imidlertid bruker de fleste nåværende eksperimenter BPT for innendørs bestemmelse av friksjonskoeffisienten for naturgummi. BPN-ene oppnådd fra disse forsøkene ved forskjellige temperaturer må konverteres til verdier ved standardtemperaturer29. Tallrike studier har gitt en rekke metoder for BPN temperaturkonvertering30. Dette papiret benytter metoden til Bazlamit et al., da de ga formler for konvertering av BPN ved enhver temperatur til verdier ved standardtemperaturer31.

De fremtidige tekniske anvendelsene av denne metoden er primært knyttet til vegutforming og vintervedlikehold av veger. For det første, når man designer veier i snødekte og frosne områder, bør designere forstå det lokale snøfallsnivået, vurdere mulig istykkelse under vegdrift og bruke den gunstigste friksjonskoeffisienten for vegutformingen. Friksjonskoeffisientene som tilsvarer forskjellige istykkelser kan påvirke tverrskråningsverdiene samt superelevasjonsverdiene i vegprosjektering, noe som igjen kan påvirke radiusen til vegens sirkulære kurve. For det andre kan våre eksperimenter bidra til å forbedre effektiviteten av vedlikehold av fortau om vinteren, ettersom løsninger for å sikre passende friksjonskoeffisienter av fortau med forskjellige istykkelser kan videreutvikles. Ifølge resultatene av papiret forblir virkningen på kjøretøykjøring den samme når istykkelsen på veibanen blir større enn 5 mm. Dette arbeidet gir en referanse for veghåndtering om vinteren, og foreslår at visse tiltak bør iverksettes før istykkelsen når 5 mm. I tillegg viser denne studien at den negative innvirkningen på trafikksikkerheten kan være betydelig selv med spormengder av lett snø, da slik snø er mer sannsynlig å fryse og forårsake en betydelig reduksjon i vegfriksjonskoeffisienten på svært kort tid.

Videre har metoden som presenteres i papiret også noen begrensninger. Oppfølgingsforsøk bør kombineres med faktiske vegdata for å verifisere de eksperimentelle resultatene. I tillegg bør middels snøområde deles videre for å bestemme den nøyaktige verdien når friksjonskoeffisienten ikke lenger avhenger av istykkelsen. Begrensningene i protokollen er hovedsakelig knyttet til manglende evne til å oppnå ensartede isflater på prøvene, noe som i noen tilfeller fører til store eksperimentelle feil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å anerkjenne det vitenskapelige forskningsprogrammet finansiert av 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

Engineering utgave 191 Veifriksjonskoeffisient snøfall ising av veier pendelfriksjonskoeffisientmåler britisk pendelnummer (BPN)
Bestemmelse av friksjonskoeffisientene til isete fortau under forskjellige mengder snøfall
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