Summary

Определение коэффициентов трения обледенелых тротуаров при различных количествах снегопадов

Published: January 06, 2023
doi:

Summary

Здесь представлен метод определения коэффициента трения тротуаров с разной толщиной льда в помещении. Полная процедура включает в себя подготовку оборудования, расчет и анализ снегопада, калибровку оборудования, определение коэффициента трения и анализ данных.

Abstract

Лед на дорожном покрытии может привести к значительному снижению коэффициента трения, тем самым ставя под угрозу безопасность вождения. Однако до сих пор нет исследований, которые давали бы точные значения коэффициента трения для покрытого льдом тротуаров, что наносит ущерб как конструкции дорог, так и выбору зимних мер по содержанию дорог. Поэтому в данной статье представлен экспериментальный метод определения коэффициента трения обледенелых дорожных покрытий в зимний период. Для эксперимента был использован британский портативный тестер (BPT), также известный как измеритель коэффициента трения маятника. Эксперимент был разделен на следующие пять этапов: подготовка оборудования, расчет и анализ снегопада, калибровка оборудования, определение коэффициента трения и анализ данных. На точность финального эксперимента напрямую влияет точность оборудования, которая подробно описана. Кроме того, в данной статье предложен метод расчета толщины льда для соответствующего количества снегопадов. Результаты показывают, что даже пятнистый лед, образованный очень легким снегопадом, может привести к значительному снижению коэффициента трения дорожного покрытия, тем самым ставя под угрозу безопасность вождения. Кроме того, коэффициент трения достигает своего пика, когда толщина льда достигает 5 мм, что означает, что должны быть приняты меры защиты, чтобы избежать образования такого льда.

Introduction

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 Канаде10,11. 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 гладкийлед 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 трения22,23. 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.

Protocol

1. Подготовка оборудования БПТУбедитесь, что BPT (рисунок 1) находится в пределах своего срока службы и что поверхность чиста и неповреждена.ПРИМЕЧАНИЕ: Компонентами BPT являются основание, выравнивающая спираль, выравнивающий пузырь, указатель, маятни…

Representative Results

Образец 7 в таблице 4 является контрольной группой сухого образца, в то время как остальные образцы 1-6 соответствуют толщине льда в диапазоне от очень легкого снега до большой метели. При сравнении образца 7 и остальных шести групп наблюдалось значительное снижен…

Discussion

В настоящем документе рассматривается процедура испытания коэффициента трения обледенелого дорожного покрытия с использованием БПТ. Несколько моментов нуждаются в всестороннем анализе и подробно обсуждаются здесь. Во-первых, с точки зрения подготовки образцов асфальтобетонной сме?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы отметить Программу научных исследований, финансируемую Департаментом образования провинции Шэньси (Программа No 21JK0908).

Materials

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

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. , (2001).
  3. Kuttesch, J. S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data. Virginia Tech. , (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. , (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. , (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. , (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. , (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. , (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). , (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. , (2000).
  24. ASTM International. ASTM E303-93. Standard Test Method for Measuring Surface Frictional Properties Using the British Pendulum Tester. ASTM International. , (2018).
  25. ASTM International. ASTM D6926-20. Standard Practice for Preparation of Asphalt Mixture Specimens Using Marshall Apparatus. ASTM International. , (2020).
  26. Oliver, J. W., Tredrea, P., Pratt, D. Seasonal variation of skid resistance in Australia. Special Report No 37. Australian Road Research Board. , (1988).
  27. Steven, B. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Temperature Corrections and Operator/Machine Variability. University of California Pavement Research Center Davis and Berkely. , (2009).
  28. Transport Research Laboratory. BS 7976-2:2002. Pendulum testers – Method of operation. Transport Research Laboratory. , (2002).
  29. Lu, Q. Friction testing of pavement preservation treatments: Literature review. UC Davis: University of California Pavement Research Center. , (2006).
  30. 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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video