다양한 양의 강설량에서 얼음 포장의 마찰 계수 결정

포장 마찰은 차량 타이어와 기본 노면 사이의 그립으로 정의됩니다¹. 도로 설계에서 포장 마찰과 가장 일반적으로 관련된 지수는 포장 마찰 계수입니다. 마찰은 도로 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나이며 내구성 다음으로 중요합니다. 포장 마찰 성능과 사고 위험 사이에는 강력하고 명확한 상관 관계가 있습니다². 예를 들어, 도로 사고율과 포장 미끄럼 저항 ^3,4,5 사이에는 상당한 음의 상관 관계가 있습니다. 몇 가지 요인이 포장 마찰 감소에 기여할 수 있으며 이러한 요인 중 가장 직접적이고 영향력있는 요인 중 하나는 강설량⁶입니다. 특히, 강설로 인해 포장 도로에 얼음이 형성되어 도로 마찰 계수 ^7,8이 크게 감소합니다. 핀란드 남부의 교통 사고율에 영향을 미치는 요인에 초점을 맞춘 연구에 따르면 사고율은 일반적으로 폭설이 내리는 날에 최고조에 달하며 눈이 10cm 이상이면^사고율이 두 배로 증가할 수 있습니다9. 스웨덴과 캐나다에서 수행 된 연구에서도 유사한 결과가 발견되었습니다^10,11. 따라서 눈 얼어 붙은 포장 도로의 마찰 특성을 연구하는 것은 도로 안전을 개선하는 데 중요합니다.

얼음 포장의 마찰 계수를 결정하는 것은 마찰 계수가 강설량 수준과 포장 얼음 두께에 따라 다를 수 있기 때문에 복잡한 과정입니다. 또한 다양한 온도와 타이어 특성도 마찰 계수에 영향을 미칠 수 있습니다. 과거에는 얼음¹²에서 타이어의 마찰 특성을 연구하기 위해 수많은 실험이 수행되었습니다. 그러나 개별 환경과 타이어 특성의 차이로 인해 일관된 결과를 얻을 수 없으며 이론적 연구의 기초로 사용할 수 없습니다. 따라서 많은 연구자들이 얼음 위의 타이어 마찰을 분석하기위한 이론적 모델을 개발하려고 시도했습니다. Hayhoe와 Sahpley¹³ 은 타이어와 얼음 사이의 계면에서 습식 마찰 열 교환의 개념을 제안한 반면, Peng et ^al.14 는 위의 개념을 기반으로 마찰을 예측하는 고급 데이터 모델을 제안했습니다. 또한 Klapproth는 매끄러운 얼음¹⁵에서 거친 고무의 마찰을 설명하기위한 혁신적인 수학적 모델을 제시했습니다. 그러나 위의 모델은 주로 얼음¹⁶에서 타이어의 마찰 특성을 정확하고 효율적으로 특성화할 수 없기 때문에 심각한 오류가 있는 것으로 나타났습니다.

이론적 모델의 오류를 줄이려면 많은 양의 실험 데이터가 필요합니다. 핀란드 기상청은 얼음 포장 마찰을 예측하기 위한 마찰 모델을 개발했으며, 이 모델의 공식은 주로 도로 기상 관측소에서 얻은 데이터와 통계 분석¹⁷을 기반으로 했습니다. 또한 Ivanović 등은 얼음 위의 타이어의 마찰 특성을 분석하여 상당한 양의 실험 데이터를 수집하고 회귀 분석¹⁸로 얼음의 마찰 계수를 계산했습니다. Gao et al.은 또한 Levenberg-Marquardt (LM) 최적화 알고리즘과 신경망을 결합하여 얼음¹⁹의 마찰 계수 공식을 얻음으로써 타이어-고무-얼음 견인의 새로운 예측 모델을 제안했습니다. 위의 모든 모델은 실제로 검증되거나 적용되었으므로 실현 가능한 것으로 간주됩니다.

이론적 인 방법 외에도 눈 및 얼어 붙은 지역에서 포장의 마찰 계수를 측정하기위한 많은 실용적인 방법이 개발되었습니다. 날씨의 특수성으로 인해 이러한 방법은 스웨덴, 노르웨이 및 핀란드와 같은 북유럽 국가에서 널리 사용되었습니다²⁰. 스웨덴에서는 BV11, SFT 및 BV14의 세 가지 주요 유형의 마찰 측정 장치가 사용됩니다. 겨울철 유지보수 평가를 위해 특별히 개발된 이중 마찰 시험기인 BV14는 측정 차량에 직접 연결되어 두 바퀴 경로의 건조 마찰을 동시에 측정합니다(²⁰). 핀란드에서는 마찰 측정 차량 (TIE 475)이 겨울철 도로 유지 보수 평가에 사용되는 반면 노르웨이에서는 ROAR 마찰 측정 장치 (물 없음)가 일반적으로 사용되는 장비²입니다. 스웨덴, 노르웨이 및 핀란드에서 수행 된 대부분의 겨울 마찰 측정은 ABS가있는 일반 승용차와 제동 ^2,20에서 감속을 측정하는 계기를 사용하여 수행되었습니다. 이 방법의 장점은 간단하고 상대적으로 저렴하다는 것이며, 주요 단점은 방법의 정확도가 매우 낮다는 것입니다.

위에서 설명한 연구는 얼음 위의 마찰 계수를 예측하고 감지하는 방법을 제공합니다. 그러나 도로 설계자를 안내하는 균일 한 방법과 특정 값은 아직 제공되지 않았습니다. 또한, 겨울철 도로의 경우, 타이어와 얼음 사이의 마찰 계수는 얼음 두께에 따라 다를 수 있으며, 다른 폐기 조치도 시행되어야한다²¹. 따라서이 논문은 다양한 양의 강설량에서 빙판길의 마찰 계수를 결정하는 것을 목표로합니다.

국제적으로 영국 휴대용 테스터 (BPT)와 스웨덴 도로 및 교통 연구소 휴대용 마찰 테스터 (VTI PFT)는 현재 마찰 계수^22,23을 측정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 도구입니다. PFT는 VTI에 의해 개발된 휴대용 마찰 시험기로서, 작업자가 직립 자세로 측정을 수행하고 컴퓨터⁽²²)에 데이터를 저장할 수 있게 한다. PFT는 대부분의 윤곽이 있는 도로 표시를 측정할 수 있지만 현재 사용 가능한 기기의 수는 여전히 매우 적습니다². BPT는 영국 도로 연구소 (RRL, 현재 TRL)에서 개발 한 진자 마찰 계수 테스터입니다. 계기는 고무 슬라이더 가장자리가 시험 표면 위로 추진되는 경우에 에너지 손실을 측정하기 위하여 이용되는 동적인 진자 충격 유형 검사자입니다. 결과는 영국 진자 번호(BPN)로서 보고되어 이들이 이 테스터에 특정되고 다른 장치(²⁴)로부터의 것과 직접적으로 동일하지 않다는 것을 강조한다. 이 계측기는 실험 포장 필드(²³)에서 마찰 계수를 결정하는데 유용한 것으로 나타났다. 이 실험에서는 마찰 계수를 결정하기 위해 BPT를 사용합니다.

본 연구는 실내의 다양한 강설량에 해당하는 얼음 포장의 마찰 계수를 측정하는 실험 절차를 설명합니다. 실험 보정, 실험 구현 및 데이터 분석 방법과 같은 실험에서 주목해야 할 문제가 자세히 설명됩니다. 본 실험 절차는 1) 장비 준비, 2) 강설량 계산 및 분석, 3) 장비 교정, 4) 마찰 계수 결정 및 5) 데이터 분석의 5 단계로 요약 할 수 있습니다.