Определение коэффициентов трения обледенелых тротуаров при различных количествах снегопадов

Трение дорожного покрытия определяется как сцепление между шинами транспортного средства и подстилающим дорожным покрытием¹. Индексом, наиболее часто ассоциируемым с трением дорожного покрытия при проектировании дорог, является коэффициент трения дорожного покрытия. Трение является одним из наиболее важных факторов в дорожном дизайне и уступает только долговечности. Существует сильная и четкая корреляция между эффективностью трения дорожного покрытия и риском аварии². Например, существует значительная отрицательная корреляция между показателями дорожно-транспортных происшествий и устойчивостью тротуаров к скольжению ^3,4,5. Несколько факторов могут способствовать снижению трения тротуара, и одним из самых прямых и влиятельных из этих факторов является снегопад⁶. В частности, снегопад вызывает образование льда на асфальте, что приводит к значительному снижению коэффициента трения дороги ^7,8. В исследовании, посвященном факторам, влияющим на уровень дорожно-транспортных происшествий на юге Финляндии, отмечается, что аварийность обычно достигает пика в дни с сильным снегопадом и что более 10 см снега может привести к удвоению аварийности⁹. Аналогичные результаты были обнаружены в исследованиях, проведенных как в Швеции, так и в Канаде^10,11. Поэтому изучение фрикционных свойств заснеженных покрытий имеет решающее значение для повышения безопасности дорожного движения.

Определение коэффициента трения обледенелых тротуаров является сложным процессом, поскольку коэффициент трения может варьироваться при различных уровнях снегопадов и толщине льда на тротуарах. Кроме того, различные температуры и характеристики шин также могут влиять на коэффициент трения. В прошлом были проведены многочисленные эксперименты по изучению характеристик трения шин на льду¹². Однако из-за различий в отдельных средах и характеристиках шин последовательные результаты не могут быть получены и использованы в качестве основы для теоретических исследований. Поэтому многие исследователи пытались разработать теоретические модели для анализа трения шин на льду. Hayhoe и Sahpley¹³ предложили концепцию теплообмена мокрого трения на границе раздела между шинами и льдом, в то время как Peng et ^al.14 предложили расширенную модель данных для прогнозирования трения на основе вышеуказанной концепции. Кроме того, Клаппрот представил инновационную математическую модель для описания трения шероховатой резины о гладкий^{лед 15}. Однако было показано, что вышеуказанные модели имеют значительные погрешности, главным образом из-за их неспособности точно и эффективно охарактеризовать фрикционные свойства шин на льду¹⁶.

Для уменьшения погрешностей теоретических моделей необходимо большое количество экспериментальных данных. Финское метеорологическое агентство разработало модель трения для прогнозирования трения обледенелого дорожного покрытия, и формула для этой модели была основана главным образом на данных, полученных с дорожных метеостанций и статистического анализа¹⁷. Кроме того, Ivanović et al. собрали значительное количество экспериментальных данных, проанализировав характеристики трения шин на льду и рассчитав коэффициент трения льда путем регрессионного анализа¹⁸. Gao et al. также предложили новую модель прогнозирования тяги шин-резина-лед, объединив алгоритм оптимизации Левенберга-Марквардта (LM) с нейронной сетью для получения формулы коэффициента трения на льду¹⁹. Все вышеуказанные модели были либо проверены, либо применены на практике и, таким образом, считаются осуществимыми.

Помимо теоретических методов, разработано множество практических методов измерения коэффициента трения тротуаров в заснеженных и замерзших районах. Из-за особенностей погоды эти методы широко используются в скандинавских странах, таких как Швеция, Норвегия и Финляндия²⁰. В Швеции используются следующие три основных типа фрикционных измерительных приборов: BV11, SFT и BV14. BV14, двойной тестер трения, разработанный специально для оценки зимнего технического обслуживания, напрямую подключается к измерительному транспортному средству и измеряет сухое трение на обоих путях колес одновременно²⁰. В Финляндии транспортное средство для измерения трения (TIE 475) используется для оценки содержания зимних дорог, в то время как в Норвегии устройство измерения трения ROAR (без воды) является широко используемым элементом оборудования². Большинство зимних измерений трения, проведенных в Швеции, Норвегии и Финляндии, были выполнены с использованием обычных легковых автомобилей с ABS и приборами, измеряющими замедление при торможении ^2,20. Преимущество этого метода в том, что он прост и относительно недорог, а основным недостатком является то, что точность метода очень низкая.

Исследования, описанные выше, предоставляют методы прогнозирования и обнаружения коэффициентов трения на льду. Однако единообразный метод и конкретная ценность для руководства дорожными дизайнерами до сих пор не представлены. Кроме того, для зимних дорог коэффициент трения между шинами и льдом может варьироваться в зависимости от толщины льда, и следует также принять различные меры по удалению²¹. Поэтому целью данной работы является определение коэффициента трения обледенелых дорог при различном количестве снегопадов.

На международном уровне британский портативный тестер (BPT) и портативный тестер трения Шведского института автомобильных и транспортных исследований (VTI PFT) в настоящее время являются наиболее часто используемыми приборами для измерения коэффициента трения^22,23. PFT – это портативный тестер трения, разработанный VTI, и он позволяет оператору проводить измерения в вертикальном положении и сохранять данные на компьютере²². PFT может измерять большинство контурной дорожной разметки, но количество доступных в настоящее время инструментов все еще очень мало². BPT – это тестер коэффициента трения маятника, который был разработан Британской лабораторией дорожных исследований (RRL, теперь TRL). Прибор представляет собой динамический маятниковый ударный тестер, используемый для измерения потерь энергии в случаях, когда резиновая кромка ползунка перемещается по испытательной поверхности. Результаты представлены как британские маятниковые числа (BPN), чтобы подчеркнуть, что они специфичны для этого тестера и не напрямую эквивалентны тем, которые получены от других устройств²⁴. Было показано, что прибор полезен для определения коэффициентов трения в экспериментальном поле²³ дорожного покрытия. Этот эксперимент использует BPT для определения коэффициентов трения.

В настоящем исследовании описывается экспериментальная процедура измерения коэффициента трения обледенелых тротуаров, соответствующего различным количествам снегопадов в помещении. Подробно объясняются проблемы, которые следует отметить в экспериментах, такие как экспериментальная калибровка, экспериментальная реализация и методы анализа данных. Настоящие экспериментальные процедуры можно резюмировать следующими пятью этапами: 1) подготовка оборудования, 2) расчет и анализ снегопада, 3) калибровка оборудования, 4) определение коэффициента трения и 5) анализ данных.