Waiting
Login processing...

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

Engineering

تحديد معاملات الاحتكاك للأرصفة الجليدية تحت كميات مختلفة من تساقط الثلوج

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

هنا ، نقدم طريقة لتحديد معامل الاحتكاك للأرصفة بسماكات جليدية مختلفة في الداخل. يتضمن الإجراء الكامل إعداد المعدات ، وحساب وتحليل تساقط الثلوج ، ومعايرة المعدات ، وتحديد معامل الاحتكاك ، وتحليل البيانات.

Abstract

يمكن أن يؤدي الجليد على أسطح الطرق إلى انخفاض كبير في معامل الاحتكاك ، مما يعرض سلامة القيادة للخطر. ومع ذلك ، لا توجد حتى الآن دراسات توفر قيما دقيقة لمعامل الاحتكاك للأرصفة المغطاة بالجليد ، مما يضر بكل من تصميم الطرق واختيار تدابير صيانة الطرق الشتوية. لذلك ، تقدم هذه المقالة طريقة تجريبية لتحديد معامل الاحتكاك لأسطح الطرق الجليدية في الشتاء. تم استخدام جهاز اختبار محمول بريطاني (BPT) ، يعرف أيضا باسم مقياس معامل احتكاك البندول ، للتجربة. تم تقسيم التجربة إلى الخطوات الخمس التالية: إعداد المعدات ، وحساب وتحليل تساقط الثلوج ، ومعايرة المعدات ، وتحديد معامل الاحتكاك ، وتحليل البيانات. تتأثر دقة التجربة النهائية بشكل مباشر بدقة المعدات الموضحة بالتفصيل. علاوة على ذلك ، تقترح هذه المقالة طريقة لحساب سمك الجليد للكميات المقابلة من تساقط الثلوج. توضح النتائج أنه حتى الجليد غير المكتمل المتشكل من تساقط الثلوج الخفيف جدا قد يؤدي إلى انخفاض كبير في معامل الاحتكاك للرصيف ، مما يعرض سلامة القيادة للخطر. بالإضافة إلى ذلك ، يكون معامل الاحتكاك في ذروته عندما يصل سمك الجليد إلى 5 مم ، مما يعني أنه يجب اتخاذ تدابير الحماية لتجنب تكوين مثل هذا الجليد.

Introduction

يعرف احتكاك الرصيف بأنه التماسك بين إطارات السيارة وسطح الطريق الأساسي1. المؤشر الأكثر شيوعا المرتبط باحتكاك الرصيف في تصميم الطرق هو معامل احتكاك الرصيف. الاحتكاك هو أحد أهم العوامل في تصميم الطرق ويأتي في المرتبة الثانية بعد المتانة. هناك علاقة قوية وواضحة بين أداء احتكاك الرصيف ومخاطر الحوادث2. على سبيل المثال ، هناك علاقة سلبية كبيرة بين معدلات حوادث الطرق ومقاومة انزلاق الرصيف3،4،5. قد تساهم عدة عوامل في تقليل احتكاك الرصيف، ومن أكثر هذه العوامل مباشرة وتأثيرا تساقط الثلوج6. على وجه التحديد ، يتسبب تساقط الثلوج في تكوين الجليد على الرصيف ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في معامل احتكاك الطريق 7,8. أشارت دراسة تركز على العوامل التي تؤثر على معدلات حوادث المرور في جنوب فنلندا إلى أن معدلات الحوادث عادة ما تصل إلى ذروتها في الأيام التي تتساقط فيها الثلوج بكثافة وأن أكثر من 10 سم من الثلج يمكن أن يؤدي إلى مضاعفة معدل الحوادث9. تم العثور على نتائج مماثلة في الدراسات التي أجريت في كل من السويد وكندا10,11. لذلك ، فإن دراسة خصائص الاحتكاك للأرصفة المتجمدة بالثلوج أمر بالغ الأهمية لتحسين السلامة على الطرق.

يعد تحديد معامل الاحتكاك للأرصفة الجليدية عملية معقدة لأن معامل الاحتكاك قد يختلف باختلاف مستويات تساقط الثلوج وسمك جليد الرصيف. علاوة على ذلك ، قد تؤثر درجات الحرارة المتغيرة وخصائص الإطارات أيضا على معامل الاحتكاك. في الماضي ، أجريت العديد من التجارب لدراسة خصائص الاحتكاك للإطارات على الجليد12. ومع ذلك ، نظرا للاختلافات في البيئات الفردية وخصائص الإطارات ، لا يمكن الحصول على نتائج متسقة واستخدامها كأساس للدراسات النظرية. لذلك ، حاول العديد من الباحثين تطوير نماذج نظرية لتحليل احتكاك الإطارات على الجليد. اقترح Hayhoe و Sahpley13 مفهوم التبادل الحراري للاحتكاك الرطب عند الواجهة بين الإطارات والجليد ، بينما اقترح Peng et al.14 نموذج بيانات متقدم للتنبؤ بالاحتكاك بناء على المفهوم أعلاه. بالإضافة إلى ذلك ، قدم Klapproth نموذجا رياضيا مبتكرا لوصف احتكاك المطاط الخام على الجليد الأملس15. ومع ذلك ، فقد ثبت أن النماذج المذكورة أعلاه بها أخطاء كبيرة ، ويرجع ذلك أساسا إلى عدم قدرتها على توصيف خصائص الاحتكاك للإطارات على الجليد16 بدقة وكفاءة.

لتقليل أخطاء النماذج النظرية ، هناك حاجة إلى كمية كبيرة من البيانات التجريبية. ووضعت وكالة الأرصاد الجوية الفنلندية نموذجا للاحتكاك للتنبؤ باحتكاك الرصف الجليدي، واستندت صيغة هذا النموذج في المقام الأول إلى البيانات التي تم الحصول عليها من محطات الأرصاد الجوية على الطرق ومن خلال التحليل الإحصائي17. علاوة على ذلك ، جمع Ivanović et al. كمية كبيرة من البيانات التجريبية من خلال تحليل خصائص الاحتكاك للإطارات على الجليد وحساب معامل الاحتكاك للجليد عن طريق تحليل الانحدار18. اقترح Gao et al. أيضا نموذج تنبؤ جديد لجر الإطارات والمطاط والجليد من خلال الجمع بين خوارزمية تحسين Levenberg-Marquardt (LM) مع شبكة عصبية للحصول على صيغة معامل الاحتكاك على الجليد19. تم التحقق من صحة جميع النماذج المذكورة أعلاه أو تطبيقها في الممارسة العملية ، وبالتالي تعتبر ممكنة.

بالإضافة إلى الأساليب النظرية ، تم تطوير العديد من الطرق العملية لقياس معامل الاحتكاك للأرصفة في المناطق الثلجية والمجمدة. نظرا لخصائص الطقس ، فقد تم استخدام هذه الأساليب على نطاق واسع في دول الشمال مثل السويد والنرويج وفنلندا20. في السويد ، يتم استخدام الأنواع الثلاثة الرئيسية التالية من أجهزة قياس الاحتكاك: BV11 و SFT و BV14. BV14 ، جهاز اختبار الاحتكاك المزدوج الذي تم تطويره خصيصا لتقييمات الصيانة الشتوية ، متصل مباشرة بمركبة القياس ويقيس الاحتكاك الجاف على كلا مساري العجلات في وقت واحد20. في فنلندا ، يتم استخدام مركبة قياس الاحتكاك (TIE 475) لتقييم صيانة الطرق في فصل الشتاء ، بينما في النرويج ، يعد جهاز قياس الاحتكاك ROAR (بدون ماء) قطعة من المعدات شائعة الاستخدام2. تم إجراء معظم قياسات الاحتكاك الشتوي التي أجريت في السويد والنرويج وفنلندا باستخدام سيارات الركاب العادية المزودة بنظام ABS وأدوات قياس التباطؤ تحت الكبح 2,20. ميزة هذه الطريقة هي أنها بسيطة وغير مكلفة نسبيا ، والعيب الرئيسي هو أن دقة الطريقة منخفضة للغاية.

توفر الدراسات الموصوفة أعلاه طرقا للتنبؤ بمعاملات الاحتكاك على الجليد واكتشافها. ومع ذلك ، لم يتم بعد توفير طريقة موحدة وقيمة محددة لتوجيه مصممي الطرق. علاوة على ذلك ، بالنسبة للطرق الشتوية ، قد يختلف معامل الاحتكاك بين الإطارات والجليد فيما يتعلق بسماكات الجليد المختلفة ، ويجب أيضا تنفيذ تدابير التخلص المختلفة21. لذلك ، تهدف هذه الورقة إلى تحديد معامل الاحتكاك للطرق الجليدية تحت كميات مختلفة من تساقط الثلوج.

على الصعيد الدولي ، يعد جهاز الاختبار المحمول البريطاني (BPT) وجهاز اختبار الاحتكاك المحمول التابع للمعهد السويدي لأبحاث الطرق والنقل (VTI PFT) أكثر الأدوات استخداما حاليا لقياس معامل الاحتكاك22,23. PFT هو جهاز اختبار احتكاك محمول تم تطويره بواسطة VTI ، ويسمح للمشغل بأخذ القياسات في وضع رأسي وحفظ البيانات على الكمبيوتر22. يمكن ل PFT قياس معظم علامات الطريق المحددة ، لكن عدد الأدوات المتاحة حاليا لا يزال صغيرا جدا2. BPT هو اختبار معامل احتكاك البندول الذي تم تطويره بواسطة مختبر أبحاث الطرق البريطاني (RRL ، الآن TRL). الأداة عبارة عن جهاز اختبار ديناميكي من نوع تأثير البندول يستخدم لقياس فقد الطاقة في الحالات التي يتم فيها دفع حافة منزلقة مطاطية فوق سطح اختبار. يتم الإبلاغ عن النتائج كأرقام البندول البريطانية (BPNs) للتأكيد على أنها خاصة بهذا المختبر وليست مكافئة مباشرة لتلك الموجودة في الأجهزة الأخرى24. وقد ثبت أن الأداة مفيدة لتحديد معاملات الاحتكاك في مجال الرصف التجريبي23. تستخدم هذه التجربة BPT لتحديد معاملات الاحتكاك.

تصف الدراسة الحالية الإجراء التجريبي لقياس معامل الاحتكاك للأرصفة الجليدية المقابلة لكميات تساقط الثلوج المختلفة في الداخل. يتم شرح المشكلات التي يجب ملاحظتها في التجارب ، مثل المعايرة التجريبية والتنفيذ التجريبي وطرق تحليل البيانات بالتفصيل. يمكن تلخيص الإجراءات التجريبية الحالية من خلال الخطوات الخمس التالية: 1) إعداد المعدات ، 2) حساب وتحليل تساقط الثلوج ، 3) معايرة المعدات ، 4) تحديد معامل الاحتكاك ، و 5) تحليل البيانات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد المعدات

  1. بي بي تي
    1. تأكد من أن BPT (الشكل 1) ضمن مدة خدمته وأن السطح نظيف وغير تالف.
      ملاحظة: مكونات BPT هي القاعدة ، حلزوني التسوية ، فقاعة التسوية ، المؤشر ، البندول ، دوامة الرفع ، دوامة التثبيت ، المقبض ، والقرص.
  2. ألواح الأسفلت
    1. تأكد من أن حجم عينة خليط الأسفلت المستخدم في التجربة هو 30 سم × 30 سم × 5 سم.
  3. معدات التجميد
    1. تأكد من أن معدات التجميد المستخدمة يمكنها تنظيم درجة الحرارة بحرية بين -20 درجة مئوية و 0 درجة مئوية.
  4. قم بإعداد المعدات الأخرى المستخدمة في التجربة: حامل ثلاثي القوائم ، وأسطوانة قياس ، وصفيحة مطاطية ، ومقياس حرارة للرصيف ، ومسطرة بطول منزلق ، وفرشاة.
    ملاحظة: كان حجم الصفيحة المطاطية المستخدمة في التجربة 6.35 مم × 25.4 مم × 76.2 مم ، ويجب أن تفي بمتطلبات الجودة الواردة في الجدول 124.
    1. تأكد من أن الصفيحة المطاطية لا تحتوي على أي من العيوب التالية: 1) بقع الزيت ؛ 2) تآكل حافة العرض أكبر من 3.2 مم ؛ أو 3) طول ارتداء أكبر من 1.6 ملم.
    2. قبل استخدام لوح مطاطي جديد ، تأكد من قياس الصفيحة المطاطية 10 مرات باستخدام BPT على سطح جاف قبل استخدامها للاختبار الرسمي.

2. حساب وتحليل تساقط الثلوج

ملاحظة: يقدم الجدول 2 تصنيف فئة تساقط الثلوج. بالنظر إلى الحالات القصوى ، تتطلب المعدات 24 ساعة من تساقط الثلوج لإجراء الدراسة.

  1. لضمان سهولة التجربة ، قم بإجراء الحساب والتحليل المقابل باستخدام الحد الأعلى لكل مستوى من مستويات تساقط الثلوج.
    ملاحظة: يتم توفير المستويات المختلفة لعمق تساقط الثلوج وحجم المياه المقابل للعينات بعد الحساب في الجدول 3. لم تأخذ التجربة في الاعتبار تأثير العواصف الثلجية غير العادية ، وتم ترقيم فئات الثلوج الخفيفة جدا إلى العواصف الثلجية الكبيرة من 1 إلى 6.

3. معايرة المعدات

  1. التسوية والتعديل الصفري
    1. ضع BPT في وضع مناسب.
      ملاحظة: الوضع المناسب يعني أن الأرض مسطحة وخالية من الحفر.
    2. قم بتدوير دوامة التسوية على قاعدة BPT لضمان بقاء فقاعة التسوية في الوضع الأوسط.
    3. قم بفك دوامة التثبيت ، وقم بتدوير دوامة الرفع لجعل البندول يرفع ويتأرجح بحرية ، ثم شد دوامة التثبيت.
    4. ضع ذراع البندول على الكابولي الأيمن لطاولة البندول ، مع إبقاء الذراع في الوضع الأفقي أثناء تدوير المؤشر إلى الجانب الأيمن مع تدفق الذراع.
    5. اضغط على زر التحرير للسماح لذراع البندول بالتأرجح بحرية. عندما يعبر البندول أدنى نقطة للوصول إلى أعلى نقطة ، أمسكها باليد.
      ملاحظة: إذا كان دقيقا، يجب أن يشير المؤشر إلى الصفر في الوقت الحالي.
    6. إذا لم يظهر المؤشر نقطة الصفر ، فقم بفك أو شد صمولة التصفير ، وكرر الخطوتين 3.1.4 والخطوة 3.1.5 حتى يشير المؤشر إلى نقطة الصفر.
  2. معايرة طول الانزلاق
    1. ضع لوح الأسفلت مباشرة تحت البندول أثناء فك دوامة التثبيت بحيث تلامس الحافة السفلية للصفائح المطاطية سطح لوح الأسفلت.
    2. قم بإعداد مسطرة الطول المنزلق ، واجعلها قريبة من الصفيحة المطاطية.
    3. ارفع مقبض الحمل بحيث تكون علامة المقياس الأيسر لمسطرة الطول المنزلق متدفقة مع أدنى حافة للصفائح المطاطية.
    4. ارفع مقبض الحمل ، وحرك البندول إلى اليمين بحيث تلامس الحافة السفلية للورقة المطاطية سطح لوح الأسفلت.
    5. لاحظ ما إذا كانت مسطرة الطول المنزلق مستوية بحافة الصفيحة المطاطية. إذا كان الأمر كذلك ، فإن طول الانزلاق يلبي متطلبات 126 مم. وإلا، فتابع العمليات التالية.
    6. أدر دوامة الرفع لضبط ارتفاع البندول ، وكرر الخطوات 3.2.3-3.2.5 لضبط طول الانزلاق بحيث يلبي المتطلبات.
    7. عند الحاجة إلى الضبط الدقيق ، قم بلف دوامة التسوية على القاعدة.
      ملاحظة: يجب أن تظل فقاعة التسوية في المركز أثناء الضبط.

4. تحديد معامل الاحتكاك

  1. حدد سبع قطع من ألواح الأسفلت ، وقم بتنظيفها بفرشاة ، وجففها بشكل طبيعي في درجة حرارة الغرفة.
  2. قم بترقيم ألواح الأسفلت بترتيب 1-7.
  3. ضع ألواح الأسفلت في قوالب ، وقم بتبريدها وتجميدها في نفس الوقت بطبقة مائية.
    ملاحظة: في هذه التجربة ، تم وضع العينات السبع في الفريزر عند درجة حرارة مضبوطة تبلغ -10 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. يوضح الشكل 2 العينات المختلفة مع أحجام المياه المقابلة.
    1. العينة 1: لمحاكاة الثلج الخفيف جدا ، صب 9 سم3 من الماء على عينة الأسفلت. املأ فراغ سطح بلاطة الأسفلت بالماء ، وقم بتسوية الجزء المرتفع. من غير المتوقع أن تغطي طبقة الجليد جزيئات الأسفلت السطحية للعينة بالكامل. لذلك ، سوف تتعرض بعض الجسيمات ، وتعرف هذه الظاهرة باسم الجليد غير المكتمل.
    2. العينة 2: لمحاكاة الثلج الخفيف ، صب 216 سم3 من الماء على عينة الأسفلت باستخدام أسطوانة قياس. سمك الجليد المتوقع هو 2.17 ملم. في هذه الحالة ، تغطي طبقة الماء سطح العينة بالكامل. يجب تجميده تماما بعد الجليد.
    3. العينة 3: لمحاكاة الثلج المتوسط ، صب 441 سم3 من الماء على عينة الأسفلت باستخدام أسطوانة قياس. سمك الجليد المتوقع هو 5.4 ملم.
    4. العينة 4: لمحاكاة الثلوج الكثيفة ، صب 891 سم3 من الماء على عينة الأسفلت باستخدام أسطوانة قياس. سمك الجليد المتوقع هو 11 ملم.
    5. العينة 5: لمحاكاة عاصفة ثلجية ، صب 1,791 سم3 من الماء على عينة الأسفلت باستخدام أسطوانة قياس. سمك الجليد المتوقع هو 22.1 ملم.
    6. العينة 6: لمحاكاة عاصفة ثلجية كبيرة ، صب 2,691 سم3 من الماء على عينة الأسفلت باستخدام أسطوانة قياس. سمك الجليد المتوقع هو 33.2 ملم.
    7. العينة 7: ضع العينة مباشرة في الفريزر للتبريد دون إضافة الماء كعينة مجمدة جافة للمقارنة.
  4. بعد التجميد ، قم بإزالة العينات من الثلاجة ؛ في المقابل ، قم بإزالة القوالب ووضعها على مراكز BPT ، والتي تم تسويتها وتصفيرها مسبقا.
  5. استخدم مقياس حرارة الرصيف لقياس درجة حرارة سطح العينة وتسجيلها.
  6. قم بإجراء معايرة طول الانزلاق لضمان مسافة انزلاق تبلغ 126 مم.
  7. اضغط على مفتاح تحرير ذراع البندول. عندما يعبر ذراع البندول أدنى نقطة ويتأرجح إلى أعلى نقطة ، أمسكها باليد ، واقرأ النتيجة وسجلها.
  8. استعادة كل من ذراع البندول والمؤشر إلى المواضع الصفرية والأفقية ، على التوالي.
    ملاحظة: يجب إعادة معايرة طول الانزلاق في كل مرة يتم فيها اختبار عينة جديدة.
  9. كرر الخطوات ما مجموعه 10 مرات ، وقم بقياس سبع عينات بالتسلسل.
    ملاحظة: تحتوي كل عينة على 10 قراءات قياس ، ويجب أن يكون كل من الحد الأدنى والحد الأقصى لفروق القيمة أقل من 3.

5. تحليل البيانات

  1. سجل البيانات في الشكل 3 في جدول ، وقم بحساب متوسط نتائج القياس للحصول على النتيجة النهائية (الجدول 4).
  2. تصحيح درجة الحرارة لقيم البندول
    1. أدخل قياسات قيمة درجة الحرارة في المعادلة التالية للحصول على قيمة BPN المعوضة لدرجة الحرارة:
      Equation 1
      ملاحظة: وحدة درجة الحرارة المستخدمة في المعادلة الأصلية هي كلفن ، في حين أن درجات الحرارة التجريبية كلها في درجة مئوية ، لذلك يجب إجراء تحويل درجة الحرارة. يتم تحويل وحدتي درجة الحرارة على النحو التالي:
      T (K) = 273.15 + T (oC)
    2. اطرح قيمة BPN المعوضة من متوسط قيمة BPN في الجدول 4 للحصول على قيمة BPN النهائية المعوضة عن درجة الحرارة.
    3. ارسم قيم BPN النهائية في الجدول 4 كرسم بياني شريطي للحصول على نتائج أكثر سهولة (الشكل 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

العينة 7 في الجدول 4 هي مجموعة التحكم في العينات الجافة ، في حين أن العينات المتبقية 1-6 تتوافق مع سمك الجليد الذي يتراوح من الثلج الخفيف جدا إلى عاصفة ثلجية كبيرة.

عند مقارنة العينة 7 والمجموعات الست الأخرى ، لوحظ أن تكوين الجليد يقلل بشكل كبير من معامل الاحتكاك للرصيف. علاوة على ذلك ، انخفض معامل احتكاك الرصيف مع زيادة سمك الجليد ، ويميل سمك الجليد إلى الاستقرار عند 5 مم ، وهو ما يتوافق مع الثلوج المتوسطة. كان معامل الاحتكاك الجليدي النهائي حوالي 25٪ من معامل الاحتكاك السطحي للعينات الجافة والرطبة.

استنادا إلى العينة 1 ، لوحظ أن تساقط الثلوج الخفيف جدا له تأثير قوي على معامل احتكاك الطريق. علاوة على ذلك ، حتى مع وجود طبقة جليدية رقيقة جدا ، فإن تثليج سطح الطريق الناجم عن تساقط الثلوج النزرة لا يزال يقلل من معامل احتكاك الطريق بنسبة 50٪ تقريبا مقارنة بعينة التحكم 7. بالنسبة للعينة 4 والعينة 5 والعينة 6 ، كان المتوسط النهائي لقيم BPN متطابقا. يشير هذا إلى أن معامل احتكاك الطريق لطبقة الجليد يميل إلى الاستقرار وأن قياس طبقة جليدية أكثر سمكا ليس ضروريا.

فيما يتعلق بالعينة 2 والعينة 3 والعينة 4 ، لوحظ انخفاض معامل الاحتكاك السطحي تدريجيا. تتوافق العينات المذكورة أعلاه مع سمك الجليد 2 مم و 5 مم و 11 مم على التوالي. من الناحية النظرية ، يجب أن يكون معامل الاحتكاك لهذه العينات متسقا ، في حين أن القياس الفعلي لمعامل الاحتكاك كان أكبر لطبقة الجليد 2 مم. يقترح التحليل سببين لذلك. أولا ، عند سمك جليدي يبلغ 2 مم ، يكون للبنية المجهرية لجزيئات سطح العينة في طبقة الجليد تأثير معين. حتى إذا تم وضع سطح الجليد للعينة أفقيا ، مع الجليد الطبيعي ، فإنه ليس سلسا على المستوى المجهري. ثانيا ، يتصل ذراع البندول بالجليد أثناء التجربة. يتم ضغط الجليد وتشويهه من احتكاك ذراع البندول بسبب نحافة الجليد والضغط الذي يمارس عليه. تعمل عملية احتكاك الكتلة المطاطية على تموج جزيئات سطح قطعة الاختبار ، مما يؤدي إلى معامل احتكاك أكبر.

كما هو موضح في الشكل 4 ، يميل معامل احتكاك الجليد إلى الانخفاض بسرعة مع زيادة تساقط الثلوج وسمك طبقة الجليد. علاوة على ذلك ، كان يميل إلى الاستقرار عند الوصول إلى سمك الجليد المقابل للثلوج المتوسطة. تمثل العينة 1 ثلجا خفيفا جدا ملتصقا بسطح الرصيف بعد الجليد ؛ أدى ذلك إلى انخفاض معامل احتكاك الرصيف ، وانخفضت قيمة BPN بنسبة 43٪ تقريبا مقارنة بالعينة الجافة. تتوافق العينة 2 والعينة 3 والعينة 4 مع الثلج الخفيف والمتوسط والكثيف ، على التوالي ، وكانت سماكة طبقة الجليد للعينات الثلاث مختلفة بعد الجليد. من بينها ، كانت قيمة BPN للثلج المتوسط نصف قيمة الثلج الخفيف فقط لأن سمك طبقة الجليد المقابلة للثلج الصغير كان 2 مم فقط. لذلك ، لا تزال البنية المجهرية لسطح العينة تؤثر على قيمة معامل الاحتكاك. عندما وصلت طبقة الجليد إلى سمك الثلج المتوسط والثقيل ، لم تعد البنية المجهرية للعينة تؤثر على معامل الاحتكاك. يرجع الاختلاف الطفيف بين اثنين من BPNs إلى اختلاف قذف الصفيحة المطاطية على سماكات الجليد المختلفة ، مما يؤدي إلى تشوه الجليد. كانت BPNs لعينات الثلوج الكثيفة والعاصفة الثلجية والعواصف الثلجية الكبيرة هي نفسها ، مما يعني أنه عندما وصل سمك الجليد إلى 11 مم ، لم تعد الصفيحة المطاطية تشوه طبقة الجليد عن طريق ضغطها ، وظلت قيم BPNs ومعامل الاحتكاك دون تغيير.

درجة الحرارة درجة الحرارة البيئية (°C)
0 10 20 30 40
المرونه 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
صلابه 55 ± 5

الجدول 1: متطلبات المؤشر الفني للصفائح المطاطية. هذا يشير إلى المطاط الطبيعي على وجه الخصوص.

مستوى 12 ساعة تساقط الثلوج تساقط الثلوج على مدار 24 ساعة
ثلج خفيف جدا < 0.1 < 0.1
ليتل سنو 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
ثلج متوسط 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
ثلوج كثيفة 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
عاصفه ثلجيه 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
عاصفة ثلجية كبيرة 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
عاصفة ثلجية استثنائية ≥15.0 ≥30.0

الجدول 2: تصنيف مستوى تساقط الثلوج. وحدة البيانات في الجدول هي ملليمترات (مم).

مستوى 24 ساعة تساقط الثلوج (مم) عمق تساقط الثلوج (مم) المقابلة لحجم الماء على العينة (سم3) المقابلة لسمك الجليد على العينة (مم)
ثلج خفيف جدا < 0.1 < 0.8 < 9 0.1
ليتل سنو 2.4 19.2 216 2.6
ثلج متوسط 4.9 39.2 441 5.4
ثلوج كثيفة 9.9 79.2 891 10.9
بيلزارد 19.9 159.2 1791 21.9
بيلزارد كبير 29.9 239.2 2691 32.9
عاصفة ثلجية استثنائية ≥30.0 ≥240 ≥2700 33

الجدول 3: مستويات تساقط الثلوج المختلفة المقابلة لحجم الماء على العينة. كثافة الماء والجليد هي 1 جم / سم 3 و 0.92 جم / سم3 ، على التوالي.

رقم العينة قيمة البندول درجة الحرارة: -1 °C متوسط القيمة خلد-
تصحيح قيمة البندول
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

الجدول 4: نتائج معاملات الاحتكاك لعينات الأسفلت المغطاة بالجليد.

Figure 1
الشكل 1: BPT المستخدم في التجربة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 2
الشكل 2: عينات مختلفة مع أحجام المياه المقابلة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 3
الشكل 3: نتائج التسجيل التجريبي (BPN). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 4
الشكل 4: معاملات الاحتكاك لجليد الرصيف تحت مستويات تساقط الثلوج المختلفة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تبحث هذه الورقة في إجراء اختبار معامل الاحتكاك للرصيف الجليدي باستخدام BPT. يجب تحليل العديد من النقاط بشكل شامل ومناقشتها بالتفصيل هنا. أولا ، فيما يتعلق بإعداد عينات خليط الأسفلت ، ينبغي للمرء أن يحاول استخدام الأسفلت البترولي للطرق لإعداد العينات ، ولكن هذا ليس شرطا. يجب أن يتم تحضير عينات خليط الأسفلت بما يتفق بدقة مع البروتوكولات التجريبية ASTM (D6926-20) ، لأن هذا يؤثر على دقة النتائج النهائية25. إذا كان معامل الاحتكاك للعينة النهائية كبيرا جدا أو صغيرا جدا نتيجة لضعف تصنيف المزيج ، فيجب إعادة تحضير العينة واختبارها مرة أخرى. يجب صيانة ألواح الأسفلت المعدة وفقا للمتطلبات.

خطوة أخرى حاسمة هي حساب تساقط الثلوج. تراكم الثلوج هو نتيجة لهطول الأمطار. وفقا لبحث أجراه مكتب الأرصاد الجوية لجمهورية الصين الشعبية ، يمكن قياس تساقط الثلوج بالطريقة التالية: يتم استخدام حاوية قياسية لإذابة الثلج ، التي تم جمعها في 12 ساعة أو 24 ساعة ، في الماء ، ويتم قياس القيمة التي تم الحصول عليها باستخدام كوب قياس بالمليمترات (مم) ، حيث يمثل 1 مم من تساقط الثلوج عمق ثلج يبلغ حوالي 8 مم26 . حجم عينة خليط الأسفلت الجاهز التجريبي هو 30 سم × 30 سم × 5 سم ، و 1 مم من الترسيب على لوح الأسفلت له حجم ماء 30 سم × 30 × سم 0.1 سم = 90 سم3. وفقا لطريقة الحساب هذه ، يمكن اشتقاق حجم الماء المطلوب من العينة المقابلة بسمك طبقة جليدية يبلغ 1.1 مم.

علاوة على ذلك ، فإن تحديد درجة حرارة التجمد والوقت مهمان أيضا. في التجربة ، تم ضبط نطاق درجة الحرارة على -5 درجة مئوية إلى -10 درجة مئوية. يجب تجميد جميع العينات لمدة 24 ساعة على الأقل. يمكن الحصول على الوقت عن طريق اختبار تجميد العينات قبل التجربة. والجدير بالذكر أن الوقت الذي يتم الحصول عليه بواسطة معدات مختلفة ذات تأثيرات تجميد مختلفة قد يختلف.

بعد ذلك ، عند معايرة الطول المنزلق للصفائح المطاطية ، يجب أن تلمس الحافة السفلية للصفائح المطاطية سطح لوح الأسفلت. لا ينبغي أن تنزلق للأمام مع القصور الذاتي للذراع المتأرجح ، لأن هذا قد يتسبب في اختلاف طول الانزلاق عن متطلبات 126 مم.

أخيرا ، يجب استخدام طريقة تصحيح درجة الحرارة. أشارت الدراسات السابقة إلى أن BPNs مرتبطة بكل من درجة الحرارة ومواد الألواح المطاطية27. تتطلب مواصفات ASTM (E303-93) استخدام المطاط الصناعي ذي الحساسية المنخفضة لدرجة الحرارة ، مما يعني عدم وجود تحويلات لدرجة الحرارة متضمنة24,28. ومع ذلك ، فإن معظم التجارب الحالية تستخدم BPT لتحديد معامل الاحتكاك الداخلي للمطاط الطبيعي. يجب تحويل BPNs التي تم الحصول عليها من هذه التجارب في درجات حرارة مختلفة إلى قيم في درجات الحرارة القياسية29. قدمت العديد من الدراسات مجموعة من الطرق لتحويل درجة حرارة BPN30. تستخدم هذه الورقة طريقة Bazlamit et al. ، حيث قدموا صيغا لتحويل BPNs في أي درجة حرارة إلى قيم عند درجات الحرارة القياسية31.

تتعلق التطبيقات الهندسية المستقبلية لهذه الطريقة في المقام الأول بتصميم الطرق وصيانة الطرق الشتوية. أولا ، عند تصميم الطرق في المناطق الثلجية والمجمدة ، يجب على المصممين فهم مستوى تساقط الثلوج المحلي ، والنظر في سمك الجليد المحتمل أثناء تشغيل الطريق ، واستخدام معامل الاحتكاك الأكثر ملاءمة لتصميم الطريق. قد تؤثر معاملات الاحتكاك المقابلة لسمك الجليد المختلفة على قيم المنحدرات المتقاطعة وكذلك قيم الارتفاع الفائق في تصميم الطريق ، والتي بدورها قد تؤثر على نصف قطر المنحنى الدائري للطريق. ثانيا ، قد تساعد تجاربنا في تحسين كفاءة صيانة الأرصفة في فصل الشتاء ، حيث يمكن تطوير حلول لضمان معاملات الاحتكاك المناسبة للأرصفة بسماكات الجليد المختلفة. وفقا لنتائج الورقة ، يظل التأثير على قيادة السيارة كما هو بمجرد أن يصبح سمك الجليد على سطح الطريق أكبر من 5 مم. يوفر هذا العمل مرجعا لإدارة الطرق في فصل الشتاء ، مما يشير إلى أنه يجب تنفيذ تدابير معينة قبل أن يصل سمك الجليد إلى 5 مم. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر الدراسة الحالية أن التأثير السلبي على السلامة على الطرق يمكن أن يكون كبيرا حتى مع وجود كميات ضئيلة من الثلج الخفيف ، حيث من المرجح أن يتجمد هذا الثلج ويسبب انخفاضا كبيرا في معامل احتكاك الطريق في فترة قصيرة جدا.

علاوة على ذلك ، فإن الطريقة المقدمة في الورقة لها بعض القيود أيضا. يجب دمج تجارب المتابعة مع بيانات الطريق الفعلية للتحقق من النتائج التجريبية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب تقسيم نطاق الثلج المتوسط بشكل أكبر لتحديد القيمة الدقيقة عندما لا يعتمد معامل الاحتكاك على سمك الجليد. تتعلق قيود البروتوكول بشكل أساسي بعدم القدرة على الحصول على أسطح جليدية موحدة على العينات ، مما يؤدي في بعض الحالات إلى أخطاء تجريبية كبيرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

يود المؤلفون أن ينوهوا ببرنامج البحث العلمي الممول من إدارة التعليم في مقاطعة شنشي (البرنامج رقم 21JK0908).

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

الهندسة، العدد 191، معامل احتكاك الطريق، تساقط الثلوج، تجمد الطرق، مقياس معامل احتكاك البندول، رقم البندول البريطاني (BPN)
تحديد معاملات الاحتكاك للأرصفة الجليدية تحت كميات مختلفة من تساقط الثلوج
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