다양한 양의 강설량에서 얼음 포장의 마찰 계수 결정

요약

여기에서는 실내의 얼음 두께가 다른 포장의 마찰 계수를 결정하는 방법을 제시합니다. 전체 절차에는 장비 준비, 강설량 계산 및 분석, 장비 교정, 마찰 계수 결정 및 데이터 분석이 포함됩니다.

초록

노면의 얼음은 마찰 계수를 크게 감소시켜 운전 안전을 위협할 수 있습니다. 그러나 얼음으로 덮인 포장 도로에 대한 정확한 마찰 계수 값을 제공하는 연구는 아직 없으며, 이는 도로 설계와 겨울 도로 유지 관리 조치 선택 모두에 해 롭습니다. 따라서이 기사에서는 겨울철 빙판길의 마찰 계수를 결정하는 실험 방법을 제시합니다. 진자 마찰 계수 측정기라고도 알려진 영국 휴대용 테스터 (BPT)가 실험에 사용되었습니다. 실험은 장비 준비, 강설량 계산 및 분석, 장비 교정, 마찰 계수 결정 및 데이터 분석의 5 단계로 나뉩니다. 최종 실험의 정확도는 자세히 설명 된 장비 정확도의 직접적인 영향을받습니다. 또한이 기사에서는 해당 강설량에 대한 얼음 두께를 계산하는 방법을 제안합니다. 결과는 매우 가벼운 강설로 인해 형성된 고르지 못한 얼음조차도 포장의 마찰 계수를 크게 감소시켜 운전 안전을 위협 할 수 있음을 보여줍니다. 또한 마찰 계수는 얼음 두께가 5mm에 도달하면 최고조에 달하므로 이러한 얼음이 형성되지 않도록 보호 조치를 취해야 합니다.

서문

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.

프로토콜

1. 장비 준비

1. 증권 시세 표시기
   1. BPT(그림 1)가 서비스 수명 내에 있고 표면이 깨끗하고 손상되지 않았는지 확인합니다.
      알림: BPT의 구성 요소는 베이스, 레벨링 나선형, 레벨링 버블, 포인터, 진자, 리프팅 나선형, 고정 나선형, 핸들 및 다이얼입니다.
2. 아스팔트 석판
   1. 실험에 사용된 아스팔트 혼합물 샘플 크기가 30cm x 30cm x 5cm인지 확인합니다.
3. 냉동 장비
   1. 사용 된 냉동 장비가 -20 °C와 0 °C 사이의 온도를 자유롭게 조절할 수 있는지 확인하십시오.
4. 실험에 사용 된 다른 장비 (삼각대, 측정 실린더, 고무 시트, 포장 온도계, 슬라이딩 길이 눈금자 및 브러시)를 준비하십시오.
   참고 : 실험에 사용 된 고무 시트의 크기는 6.35mm x 25.4mm x 76.2mm였으며 표 1²⁴에 주어진 품질 요구 사항을 충족해야합니다.
   1. 고무 시트에 다음과 같은 결함이 없는지 확인하십시오 : 1) 기름 얼룩; 2) 너비 가장자리 마모가 3.2mm보다 큽니다. 또는 3) 길이 길이 마모가 1.6mm보다 큽니다.
   2. 새 고무 시트를 사용하기 전에 공식 테스트에 사용하기 전에 건조한 표면에서 BPT를 사용하여 고무 시트를 10 회 측정했는지 확인하십시오.

2. 강설량 계산 및 분석

참고: 표 2 는 강설량 등급 분류를 제공합니다. 극단적 인 경우를 고려할 때, 장비는 연구를 수행하기 위해 24 시간의 강설량이 필요합니다.

1. 실험의 용이성을 보장하기 위해 각 강설량 수준의 상한을 사용하여 해당 계산 및 분석을 수행하십시오.
   알림: 다양한 강설량 깊이의 수준과 계산 후 샘플의 해당 수량은 표 3에 나와 있습니다. 이 실험은 특별한 눈보라의 영향을 고려하지 않았으며 매우 가벼운 눈에서 큰 눈보라까지의 범주는 1에서 6까지 번호가 매겨졌습니다.

3. 장비 교정

1. 레벨링 및 제로 조정
   1. BPT를 적절한 위치에 놓습니다.
      알림: 적절한 위치는지면이 평평하고 움푹 들어간 곳이 없음을 의미합니다.
   2. BPT 바닥의 레벨링 나선을 돌려 레벨링 버블이 중간 위치에 유지되도록 합니다.
   3. 고정 나선을 풀고 리프팅 나선을 돌려 진자를 들어 올리고 자유롭게 스윙 한 다음 고정 나선을 조입니다.
   4. 진자 테이블의 오른쪽 캔틸레버에 진자 암을 놓고 팔을 수평 위치에 유지하면서 포인터를 암과 같은 높이로 오른쪽으로 돌립니다.
   5. 해제 버튼을 눌러 진자 팔이 자유롭게 흔들리도록 합니다. 진자가 가장 낮은 지점을 교차하여 가장 높은 지점에 도달하면 손으로 잡습니다.
      참고: 정확하면 포인터가 이때 0을 나타내야 합니다.
   6. 포인터에 영점이 표시되지 않으면 영점 조정 너트를 풀거나 조이고 포인터가 영점을 나타낼 때까지 3.1.4단계와 3.1.5단계를 반복합니다.
2. 슬라이딩 길이의 교정
   1. 고무 시트의 가장 낮은 가장자리가 아스팔트 슬래브의 표면에 닿도록 고정 나선을 풀면서 아스팔트 슬래브를 진자 바로 아래에 놓습니다.
   2. 슬라이딩 길이 눈금자를 준비하고 고무 시트에 가깝게 가져옵니다.
   3. 슬라이딩 길이 자의 왼쪽 눈금 표시가 고무 시트의 가장 낮은 가장자리와 같은 높이가 되도록 운반 손잡이를 들어 올립니다.
   4. 운반 손잡이를 들어 올리고 진자를 오른쪽으로 움직여 고무 시트의 가장 낮은 가장자리가 아스팔트 슬래브의 표면에 닿도록합니다.
   5. 슬라이딩 길이 눈금자가 고무 시트의 가장자리와 수평을 이루고 있는지 관찰하십시오. 이 경우 슬라이딩 길이는 126mm의 요구 사항을 충족합니다. 그렇지 않으면 다음 작업을 계속하십시오.
   6. 리프팅 나선을 돌려 진자의 높이를 조정하고 3.2.3-3.2.5단계를 반복하여 요구 사항을 충족하도록 슬라이딩 길이를 조정합니다.
   7. 미세 조정이 필요한 경우 베이스의 레벨링 나선을 비틀십시오.
      알림: 레벨링 버블은 조정하는 동안 중앙에 남아 있어야 합니다.

4. 마찰 계수 결정

1. 7 개의 아스팔트 슬래브 조각을 선택하고 브러시로 닦은 다음 실온에서 자연 건조시킵니다.
2. 아스팔트 슬래브의 번호는 1-7의 순서로 매깁니다.
3. 아스팔트 슬래브를 주형에 넣고 동시에 수층으로 냉각하고 얼립니다.
   참고: 이 실험에서는 7개의 샘플을 -10°C의 제어된 온도에서 24시간 동안 냉동실에 넣었습니다. 해당 물의 양을 가진 다양한 샘플이 그림 2에 나와 있습니다.
   1. 샘플 1: 매우 가벼운 눈을 시뮬레이션하려면 아스팔트 샘플에 9cm³ 의 물을 붓습니다. 아스팔트 슬래브 표면 빈 공간을 물로 채우고 융기 된 부분을 평평하게하십시오. 얼음 층은 샘플 표면 아스팔트 입자를 완전히 덮을 것으로 예상되지 않습니다. 따라서 일부 입자가 노출되며이 현상을 고르지 못한 얼음이라고합니다.
   2. 샘플 2: 가벼운 눈을 시뮬레이션하려면 측정 실린더를 사용하여 아스팔트 샘플에 216cm³ 의 물을 붓습니다. 예상 결빙 두께는 2.17mm입니다. 이 경우, 수층은 샘플의 표면을 완전히 덮는다. 착빙 후 완전히 얼어 붙어야합니다.
   3. 샘플 3: 중간 눈을 시뮬레이션하려면 측정 실린더를 사용하여 아스팔트 샘플에 441cm³ 의 물을 붓습니다. 예상되는 얼음 두께는 5.4mm입니다.
   4. 샘플 4: 폭설을 시뮬레이션하려면 측정 실린더를 사용하여 아스팔트 샘플에 891cm³ 의 물을 붓습니다. 예상되는 얼음 두께는 11mm입니다.
   5. 샘플 5: 눈보라를 시뮬레이션하려면 측정 실린더를 사용하여 아스팔트 샘플에 1,791cm³ 의 물을 붓습니다. 예상되는 얼음 두께는 22.1mm입니다.
   6. 샘플 6: 큰 눈보라를 시뮬레이션하려면 측정 실린더를 사용하여 아스팔트 샘플에 2,691cm³ 의 물을 붓습니다. 예상되는 얼음 두께는 33.2mm입니다.
   7. 샘플 7: 비교를 위해 건조 냉동 샘플로 물을 추가하지 않고 냉각을 위해 샘플을 냉동실에 직접 넣습니다.
4. 냉동 후 냉동실에서 샘플을 제거하십시오. 그런 다음 금형을 제거하고 이전에 수평을 유지하고 영점 조정 된 BPT 센터에 놓습니다.
5. 포장 온도계를 사용하여 샘플의 표면 온도를 측정하고 기록합니다.
6. 슬라이딩 길이 보정을 수행하여 슬라이딩 거리가 126mm임을 보장합니다.
7. 진자 암 해제 스위치를 누릅니다. 진자 팔이 가장 낮은 지점을 교차하고 가장 높은 지점으로 스윙 할 때 손으로 잡고 결과를 읽고 기록하십시오.
8. 진자 암과 포인터를 각각 0 및 수평 위치로 복원합니다.
   알림: 슬라이딩 길이는 새 샘플을 테스트할 때마다 다시 보정해야 합니다.
9. 단계를 총 10회 반복하고 7개의 샘플을 순서대로 측정합니다.
   알림: 각 샘플에는 10개의 측정값 판독값이 있으며 최소값과 최대값 차이는 모두 3보다 작아야 합니다.

5. 데이터 분석

1. 그림 3의 데이터를 표에 기록하고 측정 결과를 평균하여 최종 결과를 얻습니다(표 4).
2. 진자 값에 대한 온도 보정
   1. 온도 값 측정값을 다음 방정식에 입력하여 온도 보상 BPN 값을 얻습니다.
      
      알림: 원래 방정식에 사용된 온도 단위는 켈빈이고 실험 온도는 모두 섭씨이므로 온도 변환을 수행해야 합니다. 두 온도 단위는 다음과 같이 변환됩니다.
      T (케이) = 273.15 + 티 (^oC)
   2. 표 4의 평균 BPN 값에서 보상된 BPN 값을 빼서 최종 온도 보상 BPN 값을 얻습니다.
   3. 보다 직관적인 결과를 위해 표 4의 최종 BPN 값을 막대 그래프로 플로팅합니다(그림 4).

결과

표 4의 샘플 7은 건조 샘플 대조군이고 나머지 샘플 1-6은 매우 가벼운 눈에서 큰 눈보라에 이르는 얼음 두께에 해당합니다.

샘플 7과 다른 6 개 그룹을 비교할 때, 얼음 형성은 포장의 마찰 계수를 현저히 감소시키는 것으로 관찰되었다. 또한, 얼음 두께가 증가함에 따라 포장 마찰 계수가 감소하고, 얼음 두께는 중간 눈에 해당하는 5mm에서 안정화되는 경향이있었습...

토론

본 논문에서는 BPT를 사용하여 얼음 포장의 마찰 계수를 테스트하는 절차를 검토합니다. 몇 가지 사항을 종합적으로 분석해야하며 여기에서 자세히 설명합니다. 첫째, 아스팔트 혼합물 샘플의 준비 측면에서 도로 석유 아스팔트를 사용하여 샘플을 준비해야하지만 이는 필수 사항은 아닙니다. 아스팔트 혼합물 샘플의 준비는 최종 결과(²⁵)의 정확도에 영향을 미치기 때문에 ASTM (D6...

자료

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