Waiting
Login processing...

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

Engineering

Farklı Miktarlarda Kar Yağışı Altında Buzlu Kaldırımların Sürtünme Katsayılarının Belirlenmesi

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

Burada, iç mekanlarda farklı buz kalınlıklarına sahip kaldırımların sürtünme katsayısını belirlemek için bir yöntem sunuyoruz. Tüm prosedür, ekipmanın hazırlanmasını, kar yağışının hesaplanmasını ve analizini, ekipman kalibrasyonunu, sürtünme katsayısının belirlenmesini ve veri analizini içerir.

Abstract

Yol yüzeylerindeki buz, sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya neden olabilir ve böylece sürüş güvenliğini tehlikeye atabilir. Bununla birlikte, buzla kaplı kaldırımlar için kesin sürtünme katsayısı değerleri sağlayan ve hem yol tasarımına hem de kışlık yol bakım önlemlerinin seçimine zarar veren hiçbir çalışma hala yoktur. Bu nedenle, bu makale kışın buzlu yol yüzeylerinin sürtünme katsayısını belirlemek için deneysel bir yöntem sunmaktadır. Deney için sarkaç sürtünme katsayısı ölçer olarak da bilinen bir İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) kullanıldı. Deney aşağıdaki beş adıma ayrıldı: ekipmanın hazırlanması, kar yağışının hesaplanması ve analizi, ekipman kalibrasyonu, sürtünme katsayısının belirlenmesi ve veri analizi. Son deneyin doğruluğu, ayrıntılı olarak açıklanan ekipman doğruluğundan doğrudan etkilenir. Ayrıca, bu makale, karşılık gelen kar yağışı miktarları için buz kalınlığını hesaplamak için bir yöntem önermektedir. Sonuçlar, çok hafif kar yağışının oluşturduğu yamalı buzun bile, kaldırımın sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya yol açabileceğini ve böylece sürüş güvenliğini tehlikeye atabileceğini göstermektedir. Ek olarak, buz kalınlığı 5 mm'ye ulaştığında sürtünme katsayısı zirvededir, yani bu tür buzun oluşumunu önlemek için koruma önlemleri alınmalıdır.

Introduction

Kaldırım sürtünmesi, araç lastikleri ile altta yatan yol yüzeyi1 arasındaki kavrama olarak tanımlanır. Yol tasarımında kaldırım sürtünmesi ile en sık ilişkilendirilen endeks, kaldırım sürtünme katsayısıdır. Sürtünme, yol tasarımında en önemli faktörlerden biridir ve dayanıklılıktan sonra ikinci sıradadır. Kaldırım sürtünme performansı ile kaza riski2 arasında güçlü ve net bir korelasyon vardır. Örneğin, trafik kazası oranları ile kaldırım kayma direnci 3,4,5 arasında anlamlı bir negatif korelasyon vardır. Kaldırım sürtünmesinin azalmasına çeşitli faktörler katkıda bulunabilir ve bu faktörlerin en doğrudan ve etkili olanlarından biri kar yağışı6'dır. Spesifik olarak, kar yağışı kaldırımda buz oluşmasına neden olur, böylece yol sürtünme katsayısı 7,8'de önemli bir azalmaya neden olur. Güney Finlandiya'daki trafik kazası oranlarını etkileyen faktörlere odaklanan bir çalışma, kaza oranlarının genellikle yoğun kar yağışlı günlerde zirveye ulaştığını ve 10 cm'den fazla karın kaza oranının iki katına çıkmasına neden olabileceğini belirtmiştir9. Benzer sonuçlar hem İsveç'te hem de Kanada'da yapılan çalışmalarda da bulunmuştur10,11. Bu nedenle, karla donmuş kaldırımların sürtünme özelliklerini incelemek, yol güvenliğini artırmak için çok önemlidir.

Buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının belirlenmesi karmaşık bir işlemdir, çünkü sürtünme katsayısı farklı kar yağışı seviyeleri ve kaldırım buz kalınlıkları altında değişebilir. Ayrıca, değişen sıcaklıklar ve lastik özellikleri de sürtünme katsayısını etkileyebilir. Geçmişte, lastiklerin buz12 üzerindeki sürtünme özelliklerini incelemek için çok sayıda deney yapılmıştır. Bununla birlikte, bireysel ortamlardaki farklılıklar ve lastik özellikleri nedeniyle, tutarlı sonuçlar elde edilemez ve teorik çalışmalar için bir temel olarak kullanılamaz. Bu nedenle, birçok araştırmacı lastiklerin buz üzerindeki sürtünmesini analiz etmek için teorik modeller geliştirmeye çalışmıştır. Hayhoe ve Sahpley13 , lastikler ve buz arasındaki arayüzde ıslak sürtünme ısı değişimi kavramını önerirken, Peng ve ark.14 , yukarıdaki konsepte dayanarak sürtünmeyi tahmin etmek için gelişmiş bir veri modeli önerdi. Ek olarak, Klapproth pürüzsüz buz15 üzerindeki kaba kauçuğun sürtünmesini tanımlamak için yenilikçi bir matematiksel model sundu. Bununla birlikte, yukarıdaki modellerin, esas olarak lastiklerin buz16 üzerindeki sürtünme özelliklerini doğru ve verimli bir şekilde karakterize edememeleri nedeniyle önemli hatalara sahip oldukları gösterilmiştir.

Teorik modellerin hatalarını azaltmak için, büyük miktarda deneysel veriye ihtiyaç vardır. Finlandiya Meteoroloji Ajansı, buzlu kaldırım sürtünmesini tahmin etmek için bir sürtünme modeli geliştirdi ve bu modelin formülü öncelikle yol hava istasyonlarından ve istatistiksel analiz yoluyla elde edilen verilere dayanıyordu17. Ayrıca, Ivanović ve ark. lastiklerin buz üzerindeki sürtünme özelliklerini analiz ederek önemli miktarda deneysel veri toplamış ve regresyon analizi18 ile buzun sürtünme katsayısını hesaplamıştır. Gao ve ark. ayrıca, buz19'daki sürtünme katsayısının formülünü elde etmek için Levenberg-Marquardt (LM) optimizasyon algoritmasını bir sinir ağıyla birleştirerek lastik-kauçuk-buz çekişinin yeni bir tahmin modelini önerdi. Yukarıdaki tüm modeller ya onaylanmış ya da pratikte uygulanmıştır ve bu nedenle uygulanabilir olarak kabul edilmektedir.

Teorik yöntemlere ek olarak, karlı ve donmuş alanlarda kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için birçok pratik yöntem geliştirilmiştir. Havanın özellikleri nedeniyle, bu yöntemler İsveç, Norveç ve Finlandiya20 gibi İskandinav ülkelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. İsveç'te, aşağıdaki üç ana sürtünme ölçüm cihazı türü kullanılmaktadır: BV11, SFT ve BV14. Kış bakım değerlendirmeleri için özel olarak geliştirilmiş çift sürtünme test cihazı BV14, ölçüm aracına doğrudan bağlıdır ve her iki tekerlek yolundaki kuru sürtünmeyi aynı anda ölçer20. Finlandiya'da, sürtünme ölçüm aracı (TIE 475) kış yol bakım değerlendirmeleri için kullanılırken, Norveç'te ROAR sürtünme ölçüm cihazı (susuz) yaygın olarak kullanılan bir ekipman parçasıdır2. İsveç, Norveç ve Finlandiya'da gerçekleştirilen kış sürtünme ölçümlerinin çoğu, ABS'li sıradan binek otomobiller ve2,20 frenleme altında yavaşlamayı ölçen aletler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin avantajı, basit ve nispeten ucuz olmasıdır ve ana dezavantajı, yöntemin doğruluğunun çok düşük olmasıdır.

Yukarıda açıklanan çalışmalar, buz üzerindeki sürtünme katsayılarını tahmin etmek ve tespit etmek için yöntemler sunmaktadır. Bununla birlikte, yol tasarımcılarına rehberlik etmek için tek tip bir yöntem ve belirli bir değer hala sağlanmamıştır. Ayrıca, kış yolları için, lastikler ve buz arasındaki sürtünme katsayısı farklı buz kalınlıklarına göre değişebilir ve farklı bertaraf önlemleri de uygulanmalıdır21. Bu nedenle, bu yazıda buzlu yolların farklı miktarlarda kar yağışı altında sürtünme katsayısını belirleme amaçlanmıştır.

Uluslararası olarak, İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) ve İsveç Yol ve Ulaşım Araştırma Enstitüsü taşınabilir sürtünme test cihazı (VTI PFT) şu anda sürtünme katsayısı22,23'ü ölçmek için en yaygın kullanılan cihazlardır. PFT, VTI tarafından geliştirilen taşınabilir bir sürtünme test cihazıdır ve operatörün dik konumda ölçüm yapmasına ve verileri bilgisayara kaydetmesine olanak tanır22. PFT, çoğu konturlu yol işaretini ölçebilir, ancak şu anda mevcut olan cihazların sayısı hala çok küçüktür2. BPT, İngiliz Yol Araştırma Laboratuvarı (RRL, şimdi TRL) tarafından geliştirilen bir sarkaç sürtünme katsayısı test cihazıdır. Cihaz, bir lastik sürgü kenarının bir test yüzeyi üzerinde itildiği durumlarda enerji kaybını ölçmek için kullanılan dinamik bir sarkaç darbe tipi test cihazıdır. Sonuçlar, bu test cihazına özgü olduklarını ve diğer cihazlardakilere doğrudan eşdeğer olmadıklarını vurgulamak için İngiliz Sarkaç Sayıları (BPN'ler) olarak rapor edilmiştir24. Cihazın deneysel kaldırım alanı23'teki sürtünme katsayılarının belirlenmesinde yararlı olduğu gösterilmiştir. Bu deney, sürtünme katsayılarının belirlenmesi için BPT'yi kullanır.

Bu çalışmada, iç mekanlarda farklı kar yağışı miktarlarına karşılık gelen buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için deneysel prosedür açıklanmaktadır. Deneysel kalibrasyon, deneysel uygulama, veri analizi yöntemleri gibi deneylerde dikkat edilmesi gereken problemler ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Mevcut deneysel prosedürler aşağıdaki beş adımla özetlenebilir: 1) ekipmanın hazırlanması, 2) kar yağışının hesaplanması ve analizi, 3) ekipman kalibrasyonu, 4) sürtünme katsayısının belirlenmesi ve 5) veri analizi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Ekipmanın hazırlanması

  1. BPT (Mesleki Mücadele T
    1. BPT'nin (Şekil 1) hizmet ömrü içinde olduğundan ve yüzeyin temiz ve hasarsız olduğundan emin olun.
      NOT: BPT'nin bileşenleri taban, tesviye spirali, tesviye kabarcığı, işaretçi, sarkaç, kaldırma spirali, sabitleme spirali, tutamak ve kadrandır.
  2. Asfalt levhalar
    1. Deney için kullanılan asfalt karışımı numune boyutunun 30 cm x 30 cm x 5 cm olduğundan emin olun.
  3. Dondurma ekipmanları
    1. Kullanılan dondurma ekipmanının -20 °C ile 0 °C arasındaki sıcaklığı serbestçe düzenleyebildiğinden emin olun.
  4. Deneyde kullanılan diğer ekipmanları hazırlayın: bir tripod, bir ölçüm silindiri, bir lastik levha, bir kaldırım termometresi, bir sürgülü uzunluk cetveli ve bir fırça.
    NOT: Deneyde kullanılan kauçuk levhanın boyutu 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm boyutlarındadır ve Tablo 124'te verilen kalite gereksinimlerini karşılamalıdır.
    1. Kauçuk levhanın aşağıdaki kusurlardan herhangi birine sahip olmadığından emin olun: 1) yağ lekeleri; 2) genişlik kenar aşınması 3,2 mm'den büyük; veya 3) uzunlamasına yollar 1,6 mm'den daha büyük aşınır.
    2. Yeni bir kauçuk levha kullanmadan önce, resmi test için kullanmadan önce kauçuk tabakanın kuru bir yüzeyde BPT kullanılarak 10 kez ölçüldüğünden emin olun.

2. Kar yağışının hesaplanması ve analizi

NOT: Tablo 2 , kar yağışı sınıfı sınıflandırmasını sağlar. Aşırı durumlar göz önüne alındığında, ekipman çalışmayı yürütmek için 24 saat kar yağışı gerektirir.

  1. Deneyin kolaylığını sağlamak için, her kar yağışı seviyesi için üst sınırı kullanarak ilgili hesaplama ve analizi yapın.
    NOT: Kar yağışı derinliğinin farklı seviyeleri ve hesaplamadan sonra numunelerin karşılık gelen su hacmi Tablo 3'te verilmiştir. Deney, olağanüstü kar fırtınalarının etkisini dikkate almadı ve çok hafif kardan büyük kar fırtınalarına kadar olan kategoriler 1'den 6'ya kadar numaralandırıldı.

3. Ekipman kalibrasyonu

  1. Tesviye ve sıfır ayar
    1. BPT'yi uygun bir konuma yerleştirin.
      NOT: Uygun bir konum, zeminin düz ve çukursuz olduğu anlamına gelir.
    2. Tesviye balonunun orta konumda kalmasını sağlamak için BPT'nin tabanındaki tesviye spiralini döndürün.
    3. Sabitleme spiralini gevşetin, sarkaç kaldırma ve serbestçe sallanma yapmak için kaldırma spiralini döndürün ve ardından sabitleme spiralini sıkın.
    4. Sarkaç kolunu sarkaç tablasının sağ konsoluna yerleştirin, işaretçiyi kolla aynı hizada olacak şekilde sağ tarafa doğru döndürürken kolu yatay konumda tutun.
    5. Sarkaç kolunun serbestçe sallanmasına izin vermek için serbest bırakma düğmesine basın. Sarkaç en yüksek noktaya ulaşmak için en düşük noktayı geçtiğinde, elle tutun.
      NOT: Doğruysa, işaretçi şu anda sıfır göstermelidir.
    6. İşaretçi sıfır noktasını göstermiyorsa, sıfırlama somununu gevşetin veya sıkın ve işaretçi sıfır noktasını gösterene kadar adım 3.1.4 ve adım 3.1.5'i yineleyin.
  2. Kayar uzunluğun kalibrasyonu
    1. Sabitleme spiralini gevşetirken asfalt levhayı doğrudan sarkaç altına yerleştirin, böylece kauçuk levhanın en alt kenarı asfalt levhanın yüzeyine temas eder.
    2. Kayar uzunluk cetvelini hazırlayın ve kauçuk tabakaya yaklaştırın.
    3. Taşıma kolunu, sürgülü uzunluktaki cetvelin sol ölçek işaretinin kauçuk tabakanın en alt kenarıyla aynı hizada olacak şekilde kaldırın.
    4. Taşıma kolunu kaldırın ve sarkacı sağa doğru hareket ettirin, böylece kauçuk tabakanın en alt kenarı asfalt levhanın yüzeyine temas eder.
    5. Kayar uzunluk cetvelinin kauçuk tabakanın kenarı ile düzleştirilip düzleştirilmediğini gözlemleyin. Eğer öyleyse, sürgülü uzunluk 126 mm gereksinimini karşılar. Aksi takdirde, aşağıdaki işlemlere devam edin.
    6. Sarkaçın yüksekliğini ayarlamak için kaldırma spiralini çevirin ve kayma uzunluğunu gereksinimleri karşılayacak şekilde ayarlamak için 3.2.3-3.2.5 adımlarını tekrarlayın.
    7. İnce ayar gerektiğinde, tesviye spiralini taban üzerinde döndürün.
      NOT: Dengeleme balonunun ayarlama sırasında merkezde kalması gerekir.

4. Sürtünme katsayısı tayini

  1. Yedi asfalt levha parçası seçin, bir fırçayla temizleyin ve oda sıcaklığında doğal olarak kurulayın.
  2. Asfalt levhaları 1-7 sırasına göre numaralandırın.
  3. Asfalt plakalarını kalıplara yerleştirin ve aynı anda bir su tabakasıyla soğutun ve dondurun.
    NOT: Bu deneyde, yedi numune 24 saat boyunca -10 °C kontrollü bir sıcaklıkta dondurucuya yerleştirildi. İlgili su hacimlerine sahip farklı numuneler Şekil 2'de gösterilmiştir.
    1. Örnek 1: Çok hafif karı simüle etmek için, asfalt numunesine 9cm3 su dökün. Asfalt levha yüzey boşluğunu suyla doldurun ve yükseltilmiş kısmı düzleştirin. Buz tabakasının numune yüzeyi asfalt parçacıklarını tamamen kaplaması beklenmemektedir. Bu nedenle, bazı parçacıklar açığa çıkacak ve bu fenomen yamalı buz olarak bilinir.
    2. Örnek 2: Hafif karı simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesine 216cm3 su dökün. Beklenen buzlanma kalınlığı 2.17 mm'dir. Bu durumda, su tabakası numunenin yüzeyini tamamen kaplar. Buzlanmadan sonra tamamen dondurulmalıdır.
    3. Örnek 3: Orta karı simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesine 441cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 5.4 mm'dir.
    4. Örnek 4: Yoğun karı simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesine 891cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 11 mm'dir.
    5. Örnek 5: Bir kar fırtınasını simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesinin üzerine 1.791cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 22.1 mm'dir.
    6. Örnek 6: Büyük bir kar fırtınasını simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesinin üzerine 2.691cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 33.2 mm'dir.
    7. Örnek 7: Karşılaştırma için kuru dondurulmuş numune olarak su eklemeden numuneyi soğutma için doğrudan dondurucuya yerleştirin.
  4. Dondurulduktan sonra, örnekleri dondurucudan çıkarın; Buna karşılık, kalıpları çıkarın ve daha önce düzleştirilmiş ve sıfırlanmış BPT merkezlerine yerleştirin.
  5. Numunenin yüzey sıcaklığını ölçmek ve kaydetmek için kaldırım termometresini kullanın.
  6. 126 mm'lik bir kayma mesafesi sağlamak için kayar uzunluk kalibrasyonu gerçekleştirin.
  7. Sarkaç kolu serbest bırakma düğmesine basın. Sarkaç kolu en alçak noktayı geçtiğinde ve en yüksek noktaya sallandığında, elle tutun ve sonucu okuyun ve kaydedin.
  8. Hem sarkaç kolunu hem de işaretçiyi sırasıyla sıfır ve yatay konumlara geri yükleyin.
    NOT: Kayar uzunluk, her yeni numune test edildiğinde yeniden kalibre edilmelidir.
  9. Adımları toplam 10 kez tekrarlayın ve yedi örneği sırayla ölçün.
    NOT: Her numunenin 10 ölçüm okuması vardır ve hem minimum hem de maksimum değer farkları 3'ten az olmalıdır.

5. Veri analizi

  1. Şekil 3'teki verileri bir tabloya kaydedin ve nihai sonucu elde etmek için ölçüm sonuçlarının ortalamasını alın (Tablo 4).
  2. Sarkaç değerleri için sıcaklık düzeltmesi
    1. Sıcaklık dengelemeli BPN değerini elde etmek için sıcaklık değeri ölçümlerini aşağıdaki denkleme girin:
      Equation 1
      NOT: Orijinal denklemde kullanılan sıcaklık birimi Kelvin'dir, deneysel sıcaklıkların hepsi santigrat derecededir, bu nedenle bir sıcaklık dönüşümü yapılmalıdır. İki sıcaklık birimi aşağıdaki gibi dönüştürülür:
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Son sıcaklık dengelemeli BPN değerini elde etmek için telafi edilen BPN değerini Tablo 4'teki ortalama BPN değerinden çıkarın.
    3. Daha sezgisel sonuçlar için Tablo 4'teki son BPN değerlerini çubuk grafik olarak çizin (Şekil 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tablo 4'teki Örnek 7, kuru numune kontrol grubuyken, kalan numune 1-6, çok hafif kardan büyük bir kar fırtınasına kadar değişen buz kalınlıklarına karşılık gelir.

Örnek 7 ve diğer altı grup karşılaştırıldığında, buz oluşumunun kaldırımın sürtünme katsayısını önemli ölçüde azalttığı gözlenmiştir. Ayrıca, kaldırım sürtünme katsayısı artan buz kalınlığı ile azaldı ve buz kalınlığı orta karda karşılık gelen 5 mm'de stabilize olma eğilimindeydi. Son buz sürtünme katsayısı, kuru ve ıslak numunelerin yüzey sürtünme katsayısının yaklaşık% 25'iydi.

Örnek 1'e dayanarak, çok hafif kar yağışının yol sürtünme katsayısı üzerinde güçlü bir etkisi olduğu belirtildi. Ayrıca, çok ince bir buz tabakasıyla bile, iz kar yağışının neden olduğu yol yüzeyinin buzlanması, yol sürtünme katsayısını kontrol numunesi 7'ye kıyasla yaklaşık% 50 oranında azaltmıştır. Örnek 4, örnek 5 ve örnek 6 için, nihai ortalama BPN değerleri aynıydı. Bu, buz tabakasının yol sürtünme katsayısının stabilize olma eğiliminde olduğunu ve daha kalın bir buz tabakasının ölçülmesinin gerekli olmadığını gösterir.

Örnek 2, örnek 3 ve örnek 4 ile ilgili olarak, yüzey sürtünme katsayısının kademeli olarak azaldığı gözlenmiştir. Yukarıdaki örnekler sırasıyla 2 mm, 5 mm ve 11 mm buz kalınlıklarına karşılık gelir. Teorik olarak, bu numunelerin sürtünme katsayısı tutarlı olmalıdır, oysa sürtünme katsayısının gerçek ölçümü 2 mm buz tabakası için daha büyüktü. Analiz bunun iki nedenini öne sürüyor. İlk olarak, 2 mm'lik bir buz kalınlığında, buz tabakasındaki numune yüzey parçacıklarının mikroyapısının belirli bir etkisi vardır. Numunenin buz yüzeyi yatay olarak yerleştirilse bile, doğal buzlanma ile, mikroskobik düzeyde pürüzsüz değildir. İkincisi, sarkaç kolu deney sırasında buzla temas eder. Buz, buzun inceliği ve üzerine uygulanan basınç nedeniyle sarkaç kolunun sürtünmesinden sıkıştırılır ve deforme olur. Kauçuk blok sürtünme işlemi, test parçasının yüzey parçacıklarını dalgalandırır ve daha büyük bir sürtünme katsayısı ile sonuçlanır.

Şekil 4'te gösterildiği gibi, buz sürtünme katsayısı, hem kar yağışı hem de buz tabakasının kalınlığı arttıkça hızla azalma eğilimindeydi. Ayrıca, orta karlara karşılık gelen buz kalınlığına ulaşıldığında stabilize olma eğilimindeydi. Örnek 1, buzlanmadan sonra kaldırım yüzeyine yapışan çok hafif karı temsil eder; bu, kaldırım sürtünme katsayısında bir azalmaya neden oldu ve BPN değeri kuru numuneye kıyasla yaklaşık% 43 oranında azaldı. Örnek 2, örnek 3 ve örnek 4, sırasıyla hafif, orta ve yoğun kara karşılık gelir ve üç numunenin buz tabakası kalınlıkları buzlanmadan sonra farklıydı. Bunlar arasında, orta karın BPN değeri, hafif karın sadece yarısıydı, çünkü az kar miktarına karşılık gelen buz tabakasının kalınlığı sadece 2 mm idi. Bu nedenle, numune yüzeyinin mikro yapısı hala sürtünme katsayısı değerini etkiler. Buz tabakası orta ve yoğun kar kalınlıklarına ulaştığında, numunenin mikro yapısı artık sürtünme katsayısını etkilemedi. İki BPN arasındaki küçük fark, kauçuk tabakanın farklı buz kalınlıkları üzerindeki farklı ekstrüzyonundan kaynaklanmaktadır ve bu da buz deformasyonuna yol açmaktadır. Yoğun kar, kar fırtınası ve büyük kar fırtınası örneklerinin BPN'leri aynıydı, yani buz kalınlığı 11 mm'ye ulaştığında, kauçuk tabaka artık buz tabakasını sıkıştırarak deforme etmedi ve BPN'ler ve sürtünme katsayısı değerleri değişmeden kaldı.

Sıcaklık Ortam sıcaklığı (°C)
0 10 20 30 40
Esneklik 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
Zorluk 55 ± 5

Tablo 1: Kauçuk levha için teknik indeks gereksinimleri. Bu, özellikle doğal kauçuğu ifade eder.

Düzey 12 saat kar yağışı 24 saat kar yağışı
Çok Hafif Kar < 0.1 < 0.1
Küçük Kar 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Orta Kar 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Yoğun Kar 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Kar fırtınası 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Büyük Kar Fırtınası 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Olağanüstü Kar Fırtınası ≥15,0 ≥30,0

Tablo 2: Kar yağışı seviye sınıflandırması. Tablodaki veri birimi milimetredir (mm).

Düzey 24s kar yağışı (mm) Kar yağışı derinliği (mm) Numune üzerindeki su hacmine karşılık gelir (cm3) Numune üzerindeki buzun kalınlığına karşılık gelir (mm)
Çok Hafif Kar < 0.1 < 0.8 < 9 0.1
Küçük Kar 2.4 19.2 216 2.6
Orta Kar 4.9 39.2 441 5.4
Yoğun Kar 9.9 79.2 891 10.9
Bilardo 19.9 159.2 1791 21.9
Büyük Bilardo 29.9 239.2 2691 32.9
Olağanüstü Kar Fırtınası ≥30,0 ≥240 ≥2700 33

Tablo 3: Numune üzerindeki su hacmine karşılık gelen farklı kar yağışı seviyeleri. Su ve buz yoğunlukları sırasıyla 1g / cm3 ve 0.92g /cm3'tür.

Örnek numarası Sarkaç değeri Sıcaklık: -1°C Ortalama değer Öfke-
atür düzeltilmiş sarkaç değeri
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

Tablo 4: Buzla kaplı asfalt numunelerinin sürtünme katsayılarına ilişkin sonuçlar.

Figure 1
Şekil 1: Deneyde kullanılan BPT. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: İlgili su hacimlerine sahip farklı örnekler. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Deneysel kayıt sonuçları (BPN). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Farklı kar yağışı seviyeleri altında kaldırım buzunun sürtünme katsayıları. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu yazıda BPT kullanılarak buzlu kaplamanın sürtünme katsayısının test edilmesi prosedürü incelenmektedir. Birkaç noktanın kapsamlı bir şekilde analiz edilmesi ve burada ayrıntılı olarak tartışılması gerekir. İlk olarak, asfalt karışımı numunelerinin hazırlanması açısından, numuneleri hazırlamak için yol petrol asfaltı kullanılmaya çalışılmalıdır, ancak bu bir gereklilik değildir. Asfalt karışımı numunelerinin hazırlanması, ASTM (D6926-20) deney protokollerine sıkı sıkıya bağlı olarak yapılmalıdır, çünkü bu, nihai sonuçların doğruluğunu etkiler25. Son numunenin sürtünme katsayısı, zayıf karışım sınıflandırmasının bir sonucu olarak çok büyük veya çok küçükse, numune yeniden hazırlanmalı ve bir kez daha test edilmelidir. Hazırlanan asfalt levhaların bakımları gereksinimlere uygun olarak yapılmalıdır.

Bir diğer kritik adım ise kar yağışının hesaplanmasıdır. Kar birikmesi yağışın bir sonucudur. Çin Halk Cumhuriyeti Meteoroloji Bürosu tarafından yapılan araştırmaya göre, kar yağışı aşağıdaki yöntemle ölçülebilir: 12 saat veya 24 saatte toplanan karı suya eritmek için standart bir kap kullanılır ve bir ölçüm kabı ile elde edilen değer, yaklaşık 8 mm26 kar derinliğini temsil eden 1 mm kar yağışı ile milimetre (mm) cinsinden ölçülür. . Deneysel prefabrik asfalt karışımının numune büyüklüğü 30 cm x 30 cm x 5 cm'dir ve asfalt levha üzerindeki 1 mm çökeltme 30 cm x 30 x cm 0.1 cm = 90cm3 su hacmine sahiptir. Bu hesaplama yöntemine göre, gerekli su hacmi1,1 mm buz tabakası kalınlığına sahip ilgili numuneden türetilebilir.

Ayrıca, donma sıcaklığının ve zamanının belirlenmesi de önemlidir. Deneyde, sıcaklık aralığı -5 °C ila -10 °C olarak ayarlanmıştır. Tüm numuneler en az 24 saat dondurulmalıdır. Deneyden önce numunelerin dondurulmasını test ederek zaman elde edilebilir. Özellikle, farklı donma etkilerine sahip farklı ekipmanlar tarafından elde edilen süre değişebilir.

Daha sonra, kauçuk levhanın kayar uzunluğunu kalibre ederken, kauçuk levhanın en alt kenarı asfalt levhanın yüzeyine temas etmelidir. Sallanan kolun ataleti ile ileri doğru kaymamalıdır, çünkü bu, kayma uzunluğunun 126 mm gereksiniminden farklı olmasına neden olur.

Son olarak, bir sıcaklık düzeltme yöntemi kullanılmalıdır. Önceki çalışmalar, BPN'lerin hem sıcaklık hem de kauçuk levha malzemesi27 ile ilişkili olduğunu göstermiştir. ASTM (E303-93) spesifikasyonu, sıcaklığa karşı düşük hassasiyete sahip sentetik kauçuğun kullanılmasını gerektirir, yani24,28 sıcaklık dönüşümü söz konusu değildir. Bununla birlikte, mevcut deneylerin çoğu, doğal kauçuk için sürtünme katsayısının iç mekan tayini için BPT'yi kullanmaktadır. Bu deneylerden farklı sıcaklıklarda elde edilen BPN'ler standart sıcaklıklardaki değerlere dönüştürülmelidir29. Çok sayıda çalışma, BPN sıcaklık dönüşümü30 için bir dizi yöntem sağlamıştır. Bu makale, herhangi bir sıcaklıktaki BPN'lerin standart sıcaklıklardaki değerlere dönüştürülmesi için formüller sağladıkları için Bazlamit ve ark. yöntemini kullanmaktadır31.

Bu yöntemin gelecekteki mühendislik uygulamaları öncelikle yol tasarımı ve kış yol bakımı ile ilgilidir. İlk olarak, karlı ve donmuş alanlarda yollar tasarlarken, tasarımcılar yerel kar yağışı seviyesini anlamalı, yol çalışması sırasında olası buz kalınlığını göz önünde bulundurmalı ve yol tasarımı için en uygun sürtünme katsayısını kullanmalıdır. Farklı buz kalınlıklarına karşılık gelen sürtünme katsayıları, çapraz eğim değerlerini ve yol tasarımındaki süper yükseklik değerlerini etkileyebilir ve bu da yolun dairesel eğrisinin yarıçapını etkileyebilir. İkincisi, deneylerimiz kışın kaldırım bakımının verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir, çünkü farklı buzlanma kalınlıklarında kaldırımların uygun sürtünme katsayılarını sağlamak için çözümler daha da geliştirilebilir. Makalenin sonuçlarına göre, yol yüzeyindeki buz kalınlığı 5 mm'den büyük olduğunda araç sürüşü üzerindeki etki aynı kalır. Bu çalışma, kışın yol yönetimi için bir referans sağlar ve buz kalınlığı 5 mm'ye ulaşmadan önce belirli önlemlerin uygulanması gerektiğini düşündürmektedir. Ek olarak, bu çalışma, yol güvenliği üzerindeki olumsuz etkinin eser miktarda hafif karla bile önemli olabileceğini, çünkü bu tür karların donma olasılığının daha yüksek olduğunu ve çok kısa bir süre içinde yol sürtünme katsayısında önemli bir düşüşe neden olabileceğini göstermektedir.

Ayrıca, makalede sunulan yöntemin de bazı sınırlamaları vardır. Takip deneyleri, deney sonuçlarını doğrulamak için gerçek yol verileriyle birleştirilmelidir. Ek olarak, sürtünme katsayısı artık buz kalınlığına bağlı olmadığında kesin değeri belirlemek için orta kar aralığı daha da bölünmelidir. Protokolün sınırlamaları esas olarak, numuneler üzerinde düzgün buz yüzeyleri elde edilememesi ile ilgilidir ve bu da bazı durumlarda büyük deneysel hatalara yol açar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Acknowledgments

Yazarlar, Shaanxi İl Eğitim Departmanı tarafından finanse edilen Bilimsel Araştırma Programına (Program No. 21JK0908) teşekkür etmek istemektedir.

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

Mühendislik Sayı 191 Yol sürtünme katsayısı kar yağışı yol buzlanması sarkaç sürtünme katsayısı ölçer İngiliz Sarkaç Sayısı (BPN)
Farklı Miktarlarda Kar Yağışı Altında Buzlu Kaldırımların Sürtünme Katsayılarının Belirlenmesi
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