Waiting
Login processing...

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

Engineering

Bestämning av friktionskoefficienterna för isiga trottoarer under olika mängder snöfall

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

Här presenterar vi en metod för att bestämma friktionskoefficienten för trottoarer med olika istjocklekar inomhus. Den fullständiga proceduren inkluderar förberedelse av utrustningen, beräkning och analys av snöfallet, utrustningskalibrering, friktionskoefficientbestämning och dataanalys.

Abstract

Is på vägytor kan leda till en signifikant minskning av friktionskoefficienten, vilket äventyrar körsäkerheten. Det finns dock fortfarande inga studier som ger exakta friktionskoefficientvärden för trottoarer täckta av is, vilket är skadligt för både vägutformning och valet av vinterväghållningsåtgärder. Därför presenterar denna artikel en experimentell metod för att bestämma friktionskoefficienten för isiga vägytor på vintern. En brittisk bärbar testare (BPT), även känd som en pendelfriktionskoefficientmätare, användes för experimentet. Experimentet delades in i följande fem steg: förberedelse av utrustningen, beräkning och analys av snöfallet, utrustningskalibrering, friktionskoefficientbestämning och dataanalys. Noggrannheten i det slutliga experimentet påverkas direkt av utrustningens noggrannhet, som beskrivs i detalj. Dessutom föreslår denna artikel en metod för att beräkna istjockleken för motsvarande mängder snöfall. Resultaten illustrerar att även fläckvis is som bildas av mycket lätt snöfall kan leda till en signifikant minskning av friktionskoefficienten på trottoaren, vilket äventyrar körsäkerheten. Dessutom är friktionskoefficienten som högst när istjockleken når 5 mm, vilket innebär att skyddsåtgärder bör vidtas för att undvika bildandet av sådan is.

Introduction

Beläggningsfriktion definieras som greppet mellan fordonets däck och den underliggande vägytan1. Det index som oftast förknippas med beläggningsfriktion vid vägutformning är beläggningsfriktionskoefficienten. Friktion är en av de viktigaste faktorerna i vägdesign och är näst efter hållbarhet. Det finns ett starkt och tydligt samband mellan beläggningsfriktionsprestanda och olycksrisk2. Det finns till exempel ett signifikant negativt samband mellan trafikolyckor och beläggningsmotståndet 3,4,5. Flera faktorer kan bidra till en minskning av beläggningsfriktionen, och en av de mest direkta och inflytelserika av dessa faktorer är snöfall6. Specifikt orsakar snöfall att is bildas på trottoaren, vilket resulterar i en betydande minskning av vägfriktionskoefficienten 7,8. I en studie som fokuserar på de faktorer som påverkar antalet trafikolyckor i södra Finland konstaterades att olycksfrekvensen ofta toppar på dagar med kraftigt snöfall och att mer än 10 cm snö kan leda till en fördubbling av olycksfrekvensen9. Liknande resultat har hittats i studier utförda både i Sverige och Kanada10,11. Därför är det avgörande att studera friktionsegenskaperna hos snöfrusna trottoarer för att förbättra trafiksäkerheten.

Att bestämma friktionskoefficienten för isiga trottoarer är en komplex process eftersom friktionskoefficienten kan variera under olika snöfallsnivåer och beläggningsistjocklekar. Dessutom kan varierande temperaturer och däckegenskaper också påverka friktionskoefficienten. Tidigare har många experiment genomförts för att studera friktionsegenskaperna hos däck på is12. På grund av skillnaderna i enskilda miljöer och däckegenskaper kan konsekventa resultat emellertid inte erhållas och användas som grund för teoretiska studier. Därför har många forskare försökt utveckla teoretiska modeller för att analysera friktionen av däck på is. Hayhoe och Sahpley13 föreslog begreppet våtfriktionsvärmeväxling vid gränssnittet mellan däck och is, medan Peng et al.14 föreslog en avancerad datamodell för att förutsäga friktion baserat på ovanstående koncept. Dessutom presenterade Klapproth en innovativ matematisk modell för att beskriva friktionen av grovt gummi på slät is15. Ovanstående modeller har emellertid visat sig ha betydande fel, främst på grund av deras oförmåga att exakt och effektivt karakterisera friktionsegenskaperna hos däck på is16.

För att minska felen i teoretiska modeller behövs en stor mängd experimentella data. Meteorologiska byrån utvecklade en friktionsmodell för att förutsäga isig beläggningsfriktion, och formeln för den modellen baserades främst på data från vägväderstationer och genom statistisk analys17. samlade dessutom in en betydande mängd experimentella data genom att analysera friktionsegenskaperna hos däck på is och beräknade friktionskoefficienten för is genom regressionsanalys18. föreslog också en ny förutsägelsemodell för däck-gummi-is-dragkraft genom att kombinera Levenberg-Marquardt (LM) optimeringsalgoritm med ett neuralt nätverk för att erhålla formeln för friktionskoefficienten på is19. Alla ovanstående modeller har antingen validerats eller tillämpats i praktiken och anses därför vara genomförbara.

Förutom teoretiska metoder har många praktiska metoder utvecklats för att mäta friktionskoefficienten för trottoarer i snöiga och frusna områden. På grund av vädrets särdrag har dessa metoder använts i stor utsträckning i nordiska länder som Sverige, Norge och Finland20. I Sverige används följande tre huvudtyper av friktionsmätningsanordningar: BV11, SFT och BV14. BV14, en dubbel friktionstestare utvecklad speciellt för vinterunderhållsbedömningar, är direkt ansluten till mätfordonet och mäter torrfriktionen på båda hjulbanorna samtidigt20. I Finland används friktionsmätningsfordonet (TIE 475) för vinterbedömningar av vägunderhåll, medan ROAR-friktionsmätningsanordningen (utan vatten) i Norge är en vanlig utrustning2. De flesta vinterfriktionsmätningar som gjorts i Sverige, Norge och Finland har utförts med vanliga personbilar med ABS och instrument som mäter retardation vid inbromsning 2,20. Fördelen med denna metod är att den är enkel och relativt billig, och den största nackdelen är att metodens noggrannhet är mycket låg.

Studierna som beskrivs ovan ger metoder för att förutsäga och detektera friktionskoefficienter på is. En enhetlig metod och ett specifikt värde för att vägleda vägkonstruktörer har dock fortfarande inte tillhandahållits. För vintervägar kan dessutom friktionskoefficienten mellan däcken och isen variera med avseende på olika istjocklekar, och olika bortskaffningsåtgärder bör också genomföras21. Därför syftar detta dokument till att bestämma friktionskoefficienten för isiga vägar under olika mängder snöfall.

Internationellt är den brittiska bärbara testaren (BPT) och Svenska väg- och transportforskningsinstitutets bärbara friktionstestare (VTI PFT) idag de vanligaste instrumenten för att mäta friktionskoefficienten22,23. PFT är en bärbar friktionstestare utvecklad av VTI, och det gör det möjligt för operatören att göra mätningar i upprätt läge och spara data på datorn22. PFT kan mäta de flesta konturerade vägmarkeringar, men antalet instrument som för närvarande finns tillgängliga är fortfarande mycket litet2. BPT är en pendelfriktionskoefficienttestare som utvecklades av British Road Research Laboratory (RRL, nu TRL). Instrumentet är en dynamisk pendelslagstestare som används för att mäta energiförlusten i fall då en gummireglagekant drivs över en testyta. Resultaten rapporteras som British Pendulum Numbers (BPN) för att betona att de är specifika för denna testare och inte direkt likvärdiga med dem från andra enheter24. Instrumentet har visat sig vara användbart för bestämning av friktionskoefficienter i experimentbeläggningsfältet23. Detta experiment använder BPT för bestämning av friktionskoefficienter.

Denna studie beskriver det experimentella förfarandet för att mäta friktionskoefficienten för isiga trottoarer som motsvarar olika snöfallsmängder inomhus. De problem som ska noteras i experimenten, såsom experimentell kalibrering, experimentell implementering och metoderna för dataanalys, förklaras i detalj. De nuvarande experimentella förfarandena kan sammanfattas med följande fem steg: 1) förberedelsen av utrustningen, 2) beräkning och analys av snöfallet, 3) utrustningskalibrering, 4) bestämning av friktionskoefficient och 5) dataanalys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Förberedelse av utrustningen

  1. BPT
    1. Se till att BPT (figur 1) är inom sin livslängd och att ytan är ren och oskadad.
      OBS: Komponenterna i BPT är basen, nivelleringsspiralen, nivelleringsbubblan, pekaren, pendeln, lyftspiralen, fästspiralen, handtaget och ratten.
  2. Asfaltplattor
    1. Se till att provstorleken på asfaltblandningen som används för experimentet är 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  3. Frysutrustning
    1. Se till att den frysutrustning som används fritt kan reglera temperaturen mellan -20 °C och 0 °C.
  4. Förbered annan utrustning som används i experimentet: ett stativ, en mätcylinder, ett gummiark, en trottoartermometer, en glidande längdlinjal och en borste.
    OBS: Storleken på gummiarket som användes i experimentet var 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm, och det bör uppfylla kvalitetskraven i tabell 124.
    1. Se till att gummiarket inte har någon av följande defekter: 1) oljefläckar; 2) breddvägar kantslitage större än 3,2 mm; eller 3) Slits på längden mer än 1,6 mm.
    2. Innan du använder ett nytt gummiark, se till att gummiarket mäts 10 gånger med en BPT på en torr yta innan du använder den för officiell testning.

2. Beräkning och analys av snöfallet

OBS: Tabell 2 visar klassificeringen av snöfallsklassen. Med tanke på extrema fall kräver utrustningen 24 timmars snöfall för att genomföra studien.

  1. För att säkerställa experimentets lätthet, utför motsvarande beräkning och analys med hjälp av den övre gränsen för varje snöfallsnivå.
    Anm.: De olika nivåerna av snöfallsdjupet och motsvarande vattenvolym för proverna efter beräkning anges i tabell 3. Experimentet tog inte hänsyn till påverkan av extraordinära snöstormar, och kategorierna av mycket lätt snö till stora snöstormar numrerades från 1 till 6.

3. Kalibrering av utrustning

  1. Nivellering och nolljustering
    1. Placera BPT i en lämplig position.
      OBS: En lämplig position innebär att marken är platt och fri från gropar.
    2. Vrid nivelleringsspiralen på basen av BPT för att säkerställa att nivelleringsbubblan förblir i mittläget.
    3. Lossa fästspiralen, rotera lyftspiralen så att pendeln lyfter och svänger fritt och dra sedan åt fästspiralen.
    4. Placera pendelarmen på pendelbordets högra utskjutande sida och håll armen i horisontellt läge medan du roterar pekaren till höger sida i jämnhöjd med armen.
    5. Tryck på frigöringsknappen för att låta pendelarmen svänga fritt. När pendeln korsar den lägsta punkten för att nå den högsta punkten, håll den för hand.
      OBS: Om det är korrekt bör pekaren ange noll just nu.
    6. Om nollpunkten inte visas på pekaren lossar eller drar du åt nollställningsmuttern och upprepar steg 3.1.4 och steg 3.1.5 tills pekaren anger nollpunkten.
  2. Kalibrering av glidlängden
    1. Placera asfaltplattan direkt under pendeln medan du lossar fästspiralen så att gummiarkets lägsta kant vidrör asfaltplattans yta.
    2. Förbered glidlängdslinjalen och för den nära gummiarket.
    3. Lyft bärhandtaget så att det vänstra skalmärket på glidlängdslinjalen är i jämnhöjd med gummiarkets lägsta kant.
    4. Lyft bärhandtaget och flytta pendeln åt höger så att gummiplåtens lägsta kant bara vidrör asfaltplattans yta.
    5. Observera om glidlängdslinjalen är jämn med gummiarkets kant. Om så är fallet uppfyller glidlängden kravet på 126 mm. Annars fortsätter du följande åtgärder.
    6. Vrid lyftspiralen för att justera pendelns höjd och upprepa steg 3.2.3-3.2.5 för att justera glidlängden så att den uppfyller kraven.
    7. När finjustering behövs, vrid nivelleringsspiralen på basen.
      OBS: Nivelleringsbubblan måste förbli i mitten under justeringen.

4. Bestämning av friktionskoefficient

  1. Välj sju asfaltbitar, rengör dem med en borste och torka dem naturligt vid rumstemperatur.
  2. Numrera asfaltplattorna i storleksordningen 1-7.
  3. Lägg asfaltplattorna i formar och kyl och frys dem samtidigt med ett vattenlager.
    OBS: I detta experiment placerades de sju proverna i frysen vid en kontrollerad temperatur på -10 °C i 24 timmar. De olika proverna med motsvarande vattenvolymer visas i figur 2.
    1. Prov 1: För att simulera mycket lätt snö, häll 9 cm3 vatten på asfaltprovet. Fyll asfaltbeläggningens tomrum med vatten och jämna ut den upphöjda delen. Islagret förväntas inte helt täcka provytans asfaltpartiklar. Därför kommer vissa partiklar att exponeras, och detta fenomen är känt som fläckvis is.
    2. Prov 2: För att simulera lätt snö, häll 216 cm3 vatten på asfaltprovet med en mätcylinder. Den förväntade isbildningstjockleken är 2,17 mm. I detta fall täcker vattenskiktet helt ytan på provet. Det ska vara helt fryst efter isbildning.
    3. Prov 3: För att simulera medelsnö, häll 441 cm3 vatten på asfaltprovet med en mätcylinder. Den förväntade istjockleken är 5,4 mm.
    4. Prov 4: För att simulera tung snö, häll 891 cm3 vatten på asfaltprovet med en mätcylinder. Den förväntade istjockleken är 11 mm.
    5. Prov 5: För att simulera en snöstorm, häll 1 791 cm3 vatten på asfaltprovet med hjälp av en mätcylinder. Den förväntade istjockleken är 22,1 mm.
    6. Prov 6: För att simulera en stor snöstorm, häll 2,691 cm3 vatten på asfaltprovet med hjälp av en mätcylinder. Den förväntade istjockleken är 33,2 mm.
    7. Prov 7: Placera provet direkt i frysen för kylning utan tillsats av vatten som ett torrfryst prov för jämförelse.
  4. Efter frysning, ta bort proverna från frysen; i sin tur ta bort formarna och placera dem på BPT-centren, som tidigare jämnades och nollställdes.
  5. Använd trottoartermometern för att mäta provets yttemperatur och registrera det.
  6. Utför glidlängdskalibrering för att säkerställa ett glidavstånd på 126 mm.
  7. Tryck på pendelarmens frigöringsbrytare. När pendelarmen korsar den lägsta punkten och svänger till den högsta, håll den för hand och läs och registrera resultatet.
  8. Återställ både pendelarmen och pekaren till noll respektive horisontella lägen.
    OBS: Glidlängden bör kalibreras om varje gång ett nytt prov testas.
  9. Upprepa stegen totalt 10 gånger och mät sju prover i följd.
    OBS: Varje prov har 10 mätavläsningar, och både minsta och maximala värdeskillnader bör vara mindre än 3.

5. Analys av data

  1. Registrera data i figur 3 i en tabell och beräkna medelvärdet av mätresultaten för att få det slutliga resultatet (tabell 4).
  2. Temperaturkorrigering för pendelvärden
    1. Mata in temperaturvärdesmätningarna i följande ekvation för att få det temperaturkompenserade BPN-värdet:
      Equation 1
      OBS: Temperaturenheten som används i den ursprungliga ekvationen är Kelvin, medan de experimentella temperaturerna alla är i celsius, så en temperaturomvandling måste utföras. De två temperaturenheterna omvandlas enligt följande:
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Subtrahera det kompenserade BPN-värdet från det genomsnittliga BPN-värdet i tabell 4 för att erhålla det slutliga temperaturkompenserade BPN-värdet.
    3. Rita upp de slutliga BPN-värdena i tabell 4 som ett stapeldiagram för mer intuitiva resultat (figur 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Prov 7 i tabell 4 är den torra provkontrollgruppen, medan de återstående proverna 1-6 motsvarar istjocklekar som sträcker sig från mycket lätt snö till en stor snöstorm.

Vid jämförelse av prov 7 och de andra sex grupperna observerades isbildning för att signifikant minska trottoarens friktionskoefficient. Vidare minskade beläggningsfriktionskoefficienten med ökande istjocklek, och istjockleken tenderade att stabiliseras vid 5 mm, vilket motsvarar medelsnö. Den slutliga isfriktionskoefficienten var cirka 25% av ytfriktionskoefficienten för de torra och våta proverna.

Baserat på prov 1 noterades mycket lätt snöfall för att ha en stark inverkan på vägfriktionskoefficienten. Dessutom, även med ett mycket tunt islager, minskade isbildningen av vägytan orsakad av spårsnöfall fortfarande vägfriktionskoefficienten med cirka 50% jämfört med kontrollprovet 7. För prov 4, prov 5 och prov 6 var de slutliga genomsnittliga BPN-värdena identiska. Detta indikerar att isskiktets vägfriktionskoefficient tenderar att stabiliseras och att mätningen av ett tjockare islager inte är nödvändigt.

Med avseende på prov 2, prov 3 och prov 4 observerades ytfriktionskoefficienten för att gradvis minska. Ovanstående prover motsvarar istjocklekar på 2 mm, 5 mm respektive 11 mm. I teorin bör friktionskoefficienten för dessa prover vara konsekvent, medan den faktiska mätningen av friktionskoefficienten var större för 2 mm isskiktet. Analysen tyder på två skäl till detta. För det första, vid en istjocklek av 2 mm, har mikrostrukturen hos provytans partiklar i isskiktet en viss inverkan. Även om provets isyta placeras horisontellt, med naturlig isbildning, är den inte jämn på mikroskopisk nivå. För det andra kommer pendelarmen i kontakt med isen under experimentet. Isen komprimeras och deformeras från pendelarmens friktion på grund av isens tunnhet och trycket som utövas på den. Gummiblockfriktionsprocessen böljar ytpartiklarna i teststycket, vilket resulterar i en större friktionskoefficient.

Som visas i figur 4 tenderade isfriktionskoefficienten att snabbt minska när både snöfallet och tjockleken på islagret ökade. Dessutom tenderade den att stabiliseras när istjockleken motsvarande medelsnö uppnåddes. Prov 1 representerar mycket lätt snö som fästs på trottoarytan efter isbildning; Detta resulterade i en minskning av beläggningsfriktionskoefficienten och dess BPN-värde minskade med cirka 43% jämfört med det torra provet. Prov 2, prov 3 och prov 4 motsvarar lätt, medium respektive tung snö, och isskikttjocklekarna för de tre proverna var olika efter isbildning. Bland dem var BPN-värdet för medelsnön bara hälften av det lätta snön eftersom tjockleken på islagret som motsvarade lite snö bara var 2 mm. Därför påverkar mikrostrukturen hos provytan fortfarande friktionskoefficientvärdet. När isskiktet nådde de medelstora och tunga snötjocklekarna påverkade provets mikrostruktur inte längre friktionskoefficienten. Den lilla skillnaden mellan de två BPN: erna beror på den olika extruderingen av gummiarket på de olika istjocklekarna, vilket leder till isdeformation. BPN: erna för de tunga snö-, snöstorms- och stora snöstormsproverna var desamma, vilket innebär att när istjockleken nådde 11 mm deformerade gummiarket inte längre isskiktet genom att komprimera det, och BPN: erna och friktionskoefficientvärdena förblev oförändrade.

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

Tabell 1: Tekniska indexkrav för gummiplåten. Detta gäller särskilt naturgummi.

Nivå 12h snöfall 24h snöfall
Mycket lätt snö < 0,1 < 0,1
Liten snö 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Medium snö 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Tung snö 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Snöstorm 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Stor snöstorm 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Extraordinär snöstorm ≥15.0 ≥30.0

Tabell 2: Klassificering av snöfallsnivå. Dataenheten i tabellen är millimeter (mm).

Nivå 24h snöfall (mm) Snöfallsdjup (mm) Motsvarar vattenvolymen på provet (cm3) Motsvarar istjockleken på provet (mm)
Mycket lätt snö < 0,1 < 0,8 < 9 0.1
Liten snö 2.4 19.2 216 2.6
Medium snö 4.9 39.2 441 5.4
Tung snö 9.9 79.2 891 10.9
Bilzzard 19.9 159.2 1791 21.9
Stor Bilzzard 29.9 239.2 2691 32.9
Extraordinär snöstorm ≥30.0 ≥240 ≥2700 33

Tabell 3: Olika snöfallsnivåer som motsvarar vattenvolymen på provet. Tätheten av vatten och is är 1g/cm 3 respektive 0,92g/cm3.

Provnummer Pendelvärde Temperatur: -1°C Genomsnittligt värde Humör-
ature korrigerat pendelvärde
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: Resultat för friktionskoefficienterna för de istäckta asfaltproverna.

Figure 1
Bild 1: BPT som används i experimentet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Olika prover med motsvarande vattenvolymer. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Experimentella inspelningsresultat (BPN). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Friktionskoefficienter för trottoaris under olika snöfallsnivåer. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Detta dokument undersöker förfarandet för att testa friktionskoefficienten för isig beläggning med hjälp av en BPT. Flera punkter måste analyseras omfattande och diskuteras i detalj här. För det första, när det gäller beredningen av asfaltblandningsproverna, bör man försöka använda petroleumasfalt för att förbereda proverna, men detta är inte ett krav. Beredningen av asfaltblandningsproverna bör utföras i strikt överensstämmelse med ASTM (D6926-20) experimentella protokoll, eftersom detta påverkar noggrannheten i slutresultaten25. Om friktionskoefficienten för det slutliga provet är för stor eller för liten till följd av dålig blandningsklassificering, skall provet beredas på nytt och testas en gång till. De förberedda asfaltplattorna bör bibehållas i enlighet med kraven.

Ett annat kritiskt steg är beräkningen av snöfallet. Snöackumulering är ett resultat av nederbörd. Enligt forskning utförd av Folkrepubliken Kinas meteorologiska byrå kan snöfall mätas med följande metod: en standardbehållare används för att smälta snön, uppsamlad i 12 h eller 24 h, i vatten, och värdet som erhålls med en mätkopp mäts i millimeter (mm), med 1 mm snöfall som representerar ett snödjup på cirka 8 mm26 . Provstorleken på den experimentella prefabricerade asfaltblandningen är 30 cm x 30 cm x 5 cm och 1 mm nederbörd på asfaltplattan har en vattenvolym på 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. Enligt denna beräkningsmetod kan den erforderliga vattenvolymen härledas från motsvarande prov med en isskikttjocklek av 1,1 mm.

Dessutom är bestämningen av frystemperatur och tid också viktig. I experimentet är temperaturområdet inställt på −5 °C till −10 °C. Alla prover ska frysas i minst 24 timmar. Tiden kan erhållas genom att testfrysa proverna före experimentet. I synnerhet kan tiden som erhålls av olika utrustningar med olika fryseffekter variera.

Därefter, när du kalibrerar gummiarkets glidlängd, bör gummiarkets lägsta kant vidröra asfaltplattans yta. Den bör inte glida framåt med svängarmens tröghet, eftersom detta skulle leda till att glidlängden skiljer sig från kravet på 126 mm.

Slutligen måste en temperaturkorrigeringsmetod användas. Tidigare studier har visat att BPN är relaterade till både temperatur och gummiplåtmaterial27. ASTM -specifikationen (E303-93) kräver användning av syntetiskt gummi med låg känslighet för temperatur, vilket innebär att det inte finns några temperaturomvandlingar inblandade24,28. De flesta aktuella experiment använder dock BPT för inomhusbestämning av friktionskoefficienten för naturgummi. De BPN som erhålls från dessa experiment vid olika temperaturer måste omvandlas till värden vid standardtemperaturer29. Många studier har tillhandahållit en rad metoder för BPN-temperaturomvandling30. Detta papper använder metoden för Bazlamit et al., eftersom de tillhandahöll formler för omvandling av BPN vid vilken temperatur som helst till värden vid standardtemperaturer31.

De framtida tekniska tillämpningarna av denna metod avser främst vägdesign och vintervägunderhåll. För det första, när man utformar vägar i snöiga och frusna områden, bör designers förstå den lokala snöfallsnivån, överväga den möjliga istjockleken under vägdrift och använda den mest gynnsamma friktionskoefficienten för vägdesignen. Friktionskoefficienterna som motsvarar olika istjocklekar kan påverka tvärfallsvärdena samt superelevationsvärdena i vägutformningen, vilket i sin tur kan påverka radien på vägens cirkulära kurva. För det andra kan våra experiment hjälpa till att förbättra effektiviteten i trottoarunderhållet på vintern, eftersom lösningar för att säkerställa lämpliga friktionskoefficienter för trottoarer vid olika isbildningstjocklekar kan utvecklas ytterligare. Enligt resultaten av papperet förblir påverkan på fordonskörning densamma när istjockleken på vägytan blir större än 5 mm. Detta arbete ger en referens för väghållning på vintern och föreslår att vissa åtgärder bör genomföras innan istjockleken når 5 mm. Dessutom visar den aktuella studien att den negativa påverkan på trafiksäkerheten kan vara betydande även med spårmängder av lätt snö, eftersom sådan snö är mer benägna att frysa och orsaka en betydande minskning av vägfriktionskoefficienten under en mycket kort period.

Vidare har metoden som presenteras i papperet också vissa begränsningar. Uppföljningsexperiment bör kombineras med faktiska vägdata för att verifiera försöksresultaten. Dessutom bör det medelstora snöområdet delas upp ytterligare för att bestämma det exakta värdet när friktionskoefficienten inte längre beror på istjockleken. Protokollets begränsningar hänför sig huvudsakligen till oförmågan att erhålla enhetliga isytor på proverna, vilket i vissa fall leder till stora experimentella fel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill erkänna det vetenskapliga forskningsprogrammet som finansieras 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

Teknik utgåva 191 Vägfriktionskoefficient snöfall vägisbildning pendelfriktionskoefficientmätare British Pendulum Number (BPN)
Bestämning av friktionskoefficienterna för isiga trottoarer under olika mängder snöfall
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