Waiting
Login processing...

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

Engineering

קביעת מקדמי החיכוך של מדרכות קפואות תחת כמויות שונות של שלג

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

כאן אנו מציגים שיטה לקביעת מקדם החיכוך של מדרכות בעובי קרח שונה בתוך הבית. ההליך המלא כולל הכנת הציוד, חישוב וניתוח השלג, כיול הציוד, קביעת מקדם החיכוך וניתוח הנתונים.

Abstract

קרח על משטחי הכביש עלול להוביל לירידה משמעותית במקדם החיכוך, ובכך לסכן את בטיחות הנהיגה. עם זאת, עדיין אין מחקרים המספקים ערכי מקדם חיכוך מדויקים למדרכות המכוסות בקרח, מה שמזיק הן לתכנון הכבישים והן לבחירת אמצעי תחזוקת הכבישים בחורף. לכן, מאמר זה מציג שיטה ניסיונית לקביעת מקדם החיכוך של משטחי כביש קפואים בחורף. לצורך הניסוי נעשה שימוש בבוחן נייד בריטי (BPT), הידוע גם כמד מקדם חיכוך מטוטלת. הניסוי חולק לחמשת השלבים הבאים: הכנת הציוד, חישוב וניתוח השלג, כיול הציוד, קביעת מקדם החיכוך וניתוח הנתונים. הדיוק של הניסוי הסופי מושפע ישירות מדיוק הציוד, המתואר בפירוט. יתר על כן, מאמר זה מציע שיטה לחישוב עובי הקרח עבור כמויות מתאימות של שלג. התוצאות ממחישות כי אפילו קרח מטושטש שנוצר על ידי שלג קל מאוד עלול להוביל לירידה משמעותית במקדם החיכוך של המדרכה, ובכך לסכן את בטיחות הנהיגה. בנוסף, מקדם החיכוך נמצא בשיאו כאשר עובי הקרח מגיע ל-5 מ"מ, כלומר יש לנקוט באמצעי הגנה כדי למנוע היווצרות קרח כזה.

Introduction

חיכוך מדרכות מוגדר כאחיזה בין צמיגי הרכב למשטח הכבישהבסיסי 1. המדד הנפוץ ביותר לחיכוך מדרכות בתכנון כבישים הוא מקדם החיכוך של המדרכה. חיכוך הוא אחד הגורמים החשובים ביותר בתכנון כבישים והוא שני רק לעמידות. קיים מתאם חזק וברור בין ביצועי חיכוך המדרכה לבין סיכון לתאונות2. לדוגמה, קיים מתאם שלילי מובהק בין שיעורי תאונות הדרכים לבין עמידות החלקה על המדרכה 3,4,5. מספר גורמים עשויים לתרום לירידה בחיכוך המדרכה, ואחד הגורמים הישירים והמשפיעים ביותר הוא שלג6. באופן ספציפי, שלג גורם להיווצרות קרח על המדרכה, ובכך גורם להפחתה משמעותית במקדם החיכוך בכביש 7,8. מחקר המתמקד בגורמים המשפיעים על שיעורי תאונות הדרכים בדרום פינלנד ציין כי שיעורי התאונות מגיעים בדרך כלל לשיא בימים עם שלג כבד וכי יותר מ -10 ס"מ של שלג יכולים להוביל להכפלת שיעור התאונות9. תוצאות דומות נמצאו במחקרים שבוצעו הן בשוודיה והן בקנדה10,11. לכן, חקר תכונות החיכוך של מדרכות קפואות שלג הוא חיוני לשיפור הבטיחות בדרכים.

קביעת מקדם החיכוך של מדרכות קפואות היא תהליך מורכב מכיוון שמקדם החיכוך עשוי להשתנות תחת רמות שלג שונות ועובי קרח מדרכה. יתר על כן, טמפרטורות ומאפייני צמיגים משתנים עשויים להשפיע גם על מקדם החיכוך. בעבר נערכו ניסויים רבים כדי לחקור את מאפייני החיכוך של צמיגים על קרח12. עם זאת, בשל ההבדלים בסביבות בודדות ובמאפייני צמיגים, לא ניתן להשיג תוצאות עקביות ולהשתמש בהן כבסיס למחקרים תיאורטיים. לכן, חוקרים רבים ניסו לפתח מודלים תיאורטיים כדי לנתח את החיכוך של צמיגים על קרח. Hayhoe ו-Sahpley13 הציעו את הרעיון של חילופי חום חיכוך רטוב בממשק שבין צמיגים לקרח, בעוד ש-Peng et al.14 הציעו מודל נתונים מתקדם לחיזוי חיכוך על סמך הרעיון הנ"ל. בנוסף, הציג קלאפרות' מודל מתמטי חדשני לתיאור החיכוך של גומי מחוספס על קרחחלק 15. עם זאת, הדגמים הנ"ל הוכחו כבעלי טעויות משמעותיות, בעיקר בשל חוסר יכולתם לאפיין במדויק וביעילות את תכונות החיכוך של צמיגים על קרח16.

כדי להפחית את השגיאות של מודלים תיאורטיים, יש צורך בכמות גדולה של נתונים ניסיוניים. הסוכנות המטאורולוגית הפינית פיתחה מודל חיכוך לחיזוי חיכוך מדרכות קפואות, והנוסחה למודל זה התבססה בעיקר על נתונים שהתקבלו מתחנות מזג אוויר בכבישים ובאמצעות ניתוח סטטיסטי17. יתר על כן, Ivanović et al. אספו כמות משמעותית של נתונים ניסיוניים על ידי ניתוח מאפייני החיכוך של צמיגים על קרח וחישבו את מקדם החיכוך של הקרח על ידי ניתוח רגרסיה18. Gao et al. הציעו גם מודל חיזוי חדשני של מתיחת צמיגים-גומי-קרח על ידי שילוב אלגוריתם האופטימיזציה Levenberg-Marquardt (LM) עם רשת עצבית כדי לקבל את הנוסחה למקדם החיכוך על קרח19. כל המודלים הנ"ל אומתו או יושמו בפועל ולכן נחשבים אפשריים.

בנוסף לשיטות תיאורטיות, פותחו שיטות מעשיות רבות למדידת מקדם החיכוך של מדרכות באזורים מושלגים וקפואים. בשל המאפיינים של מזג האוויר, שיטות אלה היו בשימוש נרחב במדינות נורדיות כגון שוודיה, נורבגיה, ופינלנד20. בשוודיה, נעשה שימוש בשלושת הסוגים העיקריים הבאים של מכשירי מדידת חיכוך: BV11, SFT ו- BV14. ה- BV14, בודק חיכוך כפול שפותח במיוחד להערכות תחזוקת חורף, מחובר ישירות לרכב המדידה ומודד את החיכוך היבש בשני נתיבי הגלגלים בו זמנית20. בפינלנד, רכב מדידת החיכוך (TIE 475) משמש להערכות תחזוקת כבישים בחורף, בעוד שבנורווגיה, מכשיר מדידת החיכוך ROAR (ללא מים) הוא ציוד נפוץ2. רוב מדידות החיכוך בחורף שבוצעו בשוודיה, נורבגיה ופינלנד בוצעו באמצעות מכוניות נוסעים רגילות עם ABS ומכשירים המודדים האטה תחת בלימה 2,20. היתרון של שיטה זו הוא שהיא פשוטה וזולה יחסית, והחיסרון העיקרי הוא שהדיוק של השיטה נמוך מאוד.

המחקרים שתוארו לעיל מספקים שיטות לחיזוי וגילוי מקדמי חיכוך על קרח. עם זאת, שיטה אחידה וערך ספציפי להנחיית מתכנני דרכים עדיין לא סופקו. יתר על כן, בכבישי חורף, מקדם החיכוך בין הצמיגים לקרח עשוי להשתנות ביחס לעובי קרח שונים, ויש ליישם גם אמצעי סילוקשונים 21. לכן, מאמר זה נועד לקבוע את מקדם החיכוך של כבישים קפואים תחת כמויות שונות של שלג.

בעולם, הבודק הנייד הבריטי (BPT) ובודק החיכוך הנייד של המכון השוודי לחקר הכבישים והתחבורה (VTI PFT) הם כיום המכשירים הנפוצים ביותר למדידת מקדם החיכוך22,23. ה- PFT הוא בודק חיכוך נייד שפותח על ידי VTI, והוא מאפשר למפעיל לבצע מדידות במצב זקוף ולשמור את הנתונים במחשב22. ה-PFT יכול למדוד את רוב סימוני הכבישים המעוצבים, אך מספר המכשירים הזמינים כיום הוא עדייןקטן מאוד 2. BPT הוא בודק מקדם חיכוך מטוטלת שפותח על ידי המעבדה הבריטית לחקר הדרכים (RRL, כיום TRL). המכשיר הוא בודק דינמי מסוג פגיעה במטוטלת המשמש למדידת אובדן האנרגיה במקרים שבהם קצה מחוון גומי מונע על משטח בדיקה. התוצאות מדווחות כמספרי מטוטלת בריטיים (BPN) כדי להדגיש שהם ספציפיים לבודק זה ואינם שקולים ישירות לאלה ממכשירים אחרים24. המכשיר הוכח כשימושי לקביעת מקדמי חיכוך בשדה המדרכה הניסיוני23. ניסוי זה משתמש ב- BPT לקביעת מקדמי חיכוך.

המחקר הנוכחי מתאר את ההליך הניסויי למדידת מקדם החיכוך של מדרכות קפואות המתאים לכמויות שלג שונות בתוך הבית. הבעיות שיש לציין בניסויים, כגון כיול ניסויים, יישום ניסויים ושיטות ניתוח נתונים, מוסברות בפירוט. ניתן לסכם את הליכי הניסוי הנוכחיים בחמשת השלבים הבאים: 1) הכנת הציוד, 2) חישוב וניתוח השלג, 3) כיול הציוד, 4) קביעת מקדם החיכוך, ו-5) ניתוח נתונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת הציוד

  1. BPT
    1. ודא שה-BPT (איור 1) נמצא בתוך חיי השירות שלו ושהמשטח נקי ולא פגום.
      הערה: רכיבי ה-BPT הם ספירלת הבסיס, ספירלת פילוס, בועת פילוס, מצביע, מטוטלת, ספירלת הרמה, ספירלת הידוק, ידית וחוגה.
  2. לוחות אספלט
    1. יש לוודא שגודל דגימת תערובת האספלט המשמשת לניסוי הוא 30 ס"מ על 30 ס"מ על 5 ס"מ.
  3. ציוד הקפאה
    1. ודא כי ציוד ההקפאה המשמש יכול לווסת באופן חופשי את הטמפרטורה בין -20 °C (75 °F) ו 0 °C (75 °F).
  4. הכינו ציוד נוסף ששימש בניסוי: חצובה, גליל מדידה, יריעת גומי, מדחום מדרכה, סרגל אורך הזזה ומברשת.
    הערה: גודל יריעת הגומי ששימשה בניסוי היה 6.35 מ"מ x 25.4 מ"מ x 76.2 מ"מ, והיא צריכה לעמוד בדרישות האיכות המפורטות בטבלה 124.
    1. ודא כי גיליון הגומי אינו כולל אף אחד מהפגמים הבאים: 1) כתמי שמן; 2) רוחב קצה ללבוש גדול מ 3.2 מ"מ; או 3) אורך ללבוש גדול מ 1.6 מ"מ.
    2. לפני השימוש ביריעת גומי חדשה, ודא שיריעת הגומי נמדדת 10 פעמים באמצעות BPT על משטח יבש לפני השימוש בה לבדיקה רשמית.

2. חישוב וניתוח השלג

הערה: טבלה 2 מספקת את סיווג מחלקת השלג. בהתחשב במקרים קיצוניים, הציוד דורש 24 שעות של שלג כדי לערוך את המחקר.

  1. כדי להבטיח את הקלות של הניסוי, לבצע את החישוב המתאים וניתוח באמצעות הגבול העליון עבור כל רמה של שלג.
    הערה: הרמות השונות של עומק השלג ונפח המים המתאים של הדגימות לאחר החישוב מובאים בטבלה 3. הניסוי לא לקח בחשבון את ההשפעה של סופות שלג יוצאות דופן, והקטגוריות של שלג קל מאוד לסופות שלגים גדולות היו ממוספרות מ 1 עד 6.

3. כיול ציוד

  1. פילוס ואפס התאמה
    1. הניחו את ה-BPT במצב מתאים.
      הערה: מיקום מתאים פירושו שהקרקע שטוחה ונטולת מהמורות.
    2. סובב את ספירלת הפילוס בבסיס ה-BPT כדי להבטיח שבועת הפילוס תישאר במיקום האמצעי.
    3. שחררו את ספירלת ההידוק, סובבו את ספירלת ההרמה כדי לגרום למטוטלת להתרומם ולהתנדנד בחופשיות, ולאחר מכן הדקו את ספירלת ההידוק.
    4. הנח את זרוע המטוטלת על המטוטלת הימנית של שולחן המטוטלת, תוך שמירה על הזרוע במצב אופקי תוך סיבוב המצביע לצד ימין עם הזרוע.
    5. לחץ על לחצן השחרור כדי לאפשר לזרוע המטוטלת להתנדנד בחופשיות. כאשר המטוטלת חוצה את הנקודה הנמוכה ביותר כדי להגיע לנקודה הגבוהה ביותר, החזיקו אותה ביד.
      הערה: אם הוא מדויק, המצביע צריך לציין אפס בשלב זה.
    6. אם המצביע אינו מציג את נקודת האפס, שחררו או הדקו את אום האפס, וחזרו על שלבים 3.1.4 ושלב 3.1.5 עד שהמצביע יציין את נקודת האפס.
  2. כיול אורך ההחלקה
    1. הניחו את לוח האספלט ישירות מתחת למטוטלת תוך שחרור ספירלת ההידוק כך שהקצה הנמוך ביותר של יריעת הגומי ייגע בפני השטח של לוח האספלט.
    2. הכינו את סרגל אורך ההזזה, וקירבו אותו ליריעת הגומי.
    3. הרם את ידית הנשיאה כך שסימן הסולם השמאלי של סרגל אורך ההחלקה יהיה צמוד לקצה הנמוך ביותר של יריעת הגומי.
    4. הרימו את ידית הנשיאה, והזיזו את המטוטלת ימינה כך שהקצה הנמוך ביותר של יריעת הגומי פשוט ייגע בפני השטח של לוח האספלט.
    5. שים לב אם סרגל אורך ההחלקה מאוזן עם קצה יריעת הגומי. אם כן, אורך ההחלקה עונה על הדרישה של 126 מ"מ. אחרת, המשך בפעולות הבאות.
    6. סובב את ספירלת ההרמה כדי להתאים את גובה המטוטלת, וחזור על שלבים 3.2.3-3.2.5 כדי להתאים את אורך ההחלקה כך שיענה על הדרישות.
    7. כאשר יש צורך בכוונון עדין, סובבו את ספירלת הפילוס בבסיס.
      הערה: בועת הפילוס צריכה להישאר במרכז במהלך ההתאמה.

4. קביעת מקדם חיכוך

  1. בחרו שבעה חלקי לוח אספלט, נקו אותם עם מברשת וייבשו אותם באופן טבעי בטמפרטורת החדר.
  2. מספר לוחות האספלט בסדר גודל של 1-7.
  3. מניחים את לוחות האספלט בתבניות, ובמקביל מקררים ומקפיאים אותם בשכבת מים.
    הערה: בניסוי זה, שבע הדגימות הוכנסו למקפיא בטמפרטורה מבוקרת של -10 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות. הדגימות השונות עם נפחי המים המתאימים מוצגות באיור 2.
    1. דוגמה 1: כדי לדמות שלג קל מאוד, יש לשפוך 9 ס"מ3 מים על דגימת האספלט. מלאו את חלל לוח האספלט במים, ויישרו את החלק המוגבה. שכבת הקרח לא צפויה לכסות לחלוטין את חלקיקי האספלט של פני השטח של הדגימה. לכן, חלק מהחלקיקים ייחשפו, ותופעה זו ידועה בשם קרח מטושטש.
    2. דוגמה 2: כדי לדמות שלג קל, שפכו 216 ס"מ3 מים על דגימת האספלט באמצעות גליל מדידה. עובי הדובדבן הצפוי הוא 2.17 מ"מ. במקרה זה, שכבת המים מכסה לחלוטין את פני השטח של הדגימה. זה צריך להיות קפוא לחלוטין לאחר הדובדבן.
    3. דוגמה 3: כדי לדמות שלג בינוני, יש לשפוך 441 ס"מ3 מים על דגימת האספלט באמצעות גליל מדידה. עובי הקרח הצפוי הוא 5.4 מ"מ.
    4. דוגמה 4: כדי לדמות שלג כבד, שפכו 891 ס"מ3 מים על דגימת האספלט באמצעות גליל מדידה. עובי הקרח הצפוי הוא 11 מ"מ.
    5. דוגמה 5: כדי לדמות סופת שלגים, שפכו 1,791 ס"מ3 מים על דגימת האספלט באמצעות גליל מדידה. עובי הקרח הצפוי הוא 22.1 מ"מ.
    6. דוגמה 6: כדי לדמות סופת שלגים גדולה, שפכו 2,691 ס"מ3 מים על דגימת האספלט באמצעות גליל מדידה. עובי הקרח הצפוי הוא 33.2 מ"מ.
    7. דוגמה 7: הכניסו את הדגימה ישירות למקפיא לקירור מבלי להוסיף מים כדגימה קפואה יבשה לצורך השוואה.
  4. לאחר ההקפאה, להסיר את הדגימות מהמקפיא; בתורו, להסיר את התבניות, ומניחים אותם על מרכזי BPT, אשר בעבר היה מפולס ואפס.
  5. השתמש במדחום המדרכה כדי למדוד את טמפרטורת פני השטח של הדגימה ולהקליט אותה.
  6. בצע כיול אורך החלקה כדי להבטיח מרחק החלקה של 126 מ"מ.
  7. לחץ על מתג שחרור זרוע המטוטלת. כאשר זרוע המטוטלת חוצה את הנקודה הנמוכה ביותר ומתנדנדת לנקודה הגבוהה ביותר, החזיקו אותה ביד, וקראו ותעדו את התוצאה.
  8. שחזר הן את זרוע המטוטלת והן את המצביע למיקום אפס ואופקי, בהתאמה.
    הערה: יש לכייל מחדש את אורך ההחלקה בכל פעם שנבדקת דגימה חדשה.
  9. חזור על הצעדים בסך הכל 10 פעמים, ומדוד שבע דגימות ברצף.
    הערה: לכל דגימה יש 10 קריאות מדידה, וגם הפרשי הערכים המינימליים וגם הפרשי הערכים המרביים צריכים להיות קטנים מ- 3.

5. ניתוח נתונים

  1. רשום את הנתונים באיור 3 בטבלה, וממוצע את תוצאות המדידה כדי לקבל את התוצאה הסופית (טבלה 4).
  2. תיקון טמפרטורה לערכי מטוטלת
    1. הזן את מדידות ערך הטמפרטורה במשוואה הבאה כדי לקבל את ערך ה- BPN המפוצה בטמפרטורה:
      Equation 1
      הערה: יחידת הטמפרטורה ששימשה במשוואה המקורית היא קלווין, בעוד שטמפרטורות הניסוי הן כולן צלזיוס, ולכן יש לבצע המרת טמפרטורה. שתי יחידות הטמפרטורה מומרות באופן הבא:
      T (K) = 273.15 + T (oC)
    2. הפחת את ערך ה- BPN המפוצה מערך ה- BPN הממוצע בטבלה 4 כדי לקבל את ערך ה- BPN הסופי המפוצה בטמפרטורה.
    3. התווה את ערכי ה- BPN הסופיים בטבלה 4 כגרף עמודות לקבלת תוצאות אינטואיטיביות יותר (איור 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מדגם 7 בטבלה 4 הוא קבוצת הביקורת של הדגימה היבשה, ואילו שאר הדגימות 1-6 מתאימות לעובי קרח הנעים בין שלג קל מאוד לסופת שלגים גדולה.

כאשר משווים בין מדגם 7 לשש הקבוצות האחרות, נצפתה היווצרות קרח המפחיתה באופן משמעותי את מקדם החיכוך של המדרכה. יתר על כן, מקדם החיכוך של המדרכה ירד עם העלייה בעובי הקרח, ועובי הקרח נטה להתייצב על 5 מ"מ, מה שמתאים לשלג בינוני. מקדם החיכוך הסופי של הקרח היה כ-25% ממקדם החיכוך של פני השטח של הדגימות היבשות והרטובות.

בהתבסס על מדגם 1, שלג קל מאוד צוין כבעל השפעה חזקה על מקדם החיכוך בכביש. יתר על כן, אפילו עם שכבת קרח דקה מאוד, הדובדבן של פני הכביש שנגרם על ידי שלג עקבות עדיין הפחית את מקדם החיכוך בכביש בכ -50% בהשוואה למדגם הבקרה 7. עבור מדגם 4, מדגם 5 ומדגם 6, ערכי ה-BPN הממוצעים הסופיים היו זהים. זה מצביע על כך שמקדם החיכוך בכביש של שכבת הקרח נוטה להתייצב ושאין צורך במדידה של שכבת קרח עבה יותר.

ביחס למדגם 2, מדגם 3 ומדגם 4, מקדם החיכוך על פני השטח נצפה יורד בהדרגה. הדגימות הנ"ל מתאימות לעובי קרח של 2 מ"מ, 5 מ"מ ו -11 מ"מ, בהתאמה. בתיאוריה, מקדם החיכוך של דגימות אלה צריך להיות עקבי, בעוד שהמדידה בפועל של מקדם החיכוך הייתה גדולה יותר עבור שכבת הקרח של 2 מ"מ. הניתוח מצביע על שתי סיבות לכך. ראשית, בעובי קרח של 2 מ"מ, למיקרו-מבנה של חלקיקי פני השטח של הדגימה בשכבת הקרח יש השפעה מסוימת. גם אם משטח הקרח של הדגימה ממוקם אופקית, עם הדובדבן הטבעי, הוא אינו חלק ברמה המיקרוסקופית. שנית, זרוע המטוטלת יוצרת קשר עם הקרח במהלך הניסוי. הקרח נדחס ומעוות מהחיכוך של זרוע המטוטלת בשל דקיקות הקרח והלחץ המופעל עליו. תהליך החיכוך של בלוק הגומי מסיר את חלקיקי פני השטח של פיסת הבדיקה, וכתוצאה מכך מקדם החיכוך גדול יותר.

כפי שניתן לראות באיור 4, מקדם החיכוך של הקרח נטה לרדת במהירות ככל שגם השלג וגם עובי שכבת הקרח גדלו. יתר על כן, הוא נטה להתייצב כאשר הגיע עובי הקרח המתאים לשלג בינוני. מדגם 1 מייצג שלג קל מאוד שנדבק למשטח המדרכה לאחר הדובדבן; התוצאה הייתה הפחתה במקדם החיכוך של המדרכה, וערך ה-BPN שלו ירד בכ-43% בהשוואה לדגימה היבשה. מדגם 2, מדגם 3 ומדגם 4 מתאימים לשלג קל, בינוני וכבד, בהתאמה, ועובי שכבת הקרח של שלוש הדגימות היה שונה לאחר הדובדבן. ביניהם, ערך ה- BPN של השלג הבינוני היה רק מחצית מזה של השלג הקל מכיוון שעובי שכבת הקרח המתאימה לשלג קטן היה רק 2 מ"מ. לכן, המיקרו-מבנה של משטח הדגימה עדיין משפיע על ערך מקדם החיכוך. כאשר שכבת הקרח הגיעה לעובי השלג הבינוני והכבד, המיקרו-מבנה של הדגימה כבר לא השפיע על מקדם החיכוך. ההבדל הקל בין שני ה-BPN נובע מההבלטה השונה של יריעת הגומי על עוביי הקרח השונים, מה שמוביל לעיוות קרח. ה-BPNs של דגימות השלג הכבדות, סופת השלגים וסופת השלגים הגדולה היו זהים, כלומר כאשר עובי הקרח הגיע ל-11 מ"מ, יריעת הגומי כבר לא עיוותה את שכבת הקרח על ידי דחיסתה, וערכי מקדם ה-BPN ומקדם החיכוך נותרו ללא שינוי.

טמפרטורה טמפרטורת הסביבה (°C)
0 10 20 30 40
גמישות 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
קשיות 55 ± 5

טבלה 1: דרישות אינדקס טכני עבור גיליון הגומי. הכוונה היא לגומי טבעי בפרט.

רמה 12 שעות שלג שלג 24 שעות
שלג קל מאוד < 0.1 < 0.1
שלג קטן 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
שלג בינוני 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
שלג כבד 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
סופת שלגים 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
סופת שלגים גדולה 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
סופת שלגים יוצאת דופן ≥15.0 ≥30.0

טבלה 2: סיווג מפלס השלג. יחידת הנתונים בטבלה היא מילימטרים (מ"מ).

רמה 24 שעות שלג (מ"מ) עומק שלג (מ"מ) מתאים לנפח המים בדגימה (ס"מ3) מתאים לעובי הקרח על הדגימה (מ"מ)
שלג קל מאוד < 0.1 < 0.8 < 9 0.1
שלג קטן 2.4 19.2 216 2.6
שלג בינוני 4.9 39.2 441 5.4
שלג כבד 9.9 79.2 891 10.9
בילזארד 19.9 159.2 1791 21.9
בילזארד גדול 29.9 239.2 2691 32.9
סופת שלגים יוצאת דופן ≥30.0 ≥240 ≥2700 33

טבלה 3: רמות שלג שונות המתאימות לנפח המים בדגימה. צפיפות המים והקרח היא 1 גרם/ס"מ 3 ו-0.92 גרם/ס"מ3, בהתאמה.

מספר לדוגמה ערך מטוטלת טמפרטורה: -1°C ערך ממוצע המזג-
ערך מטוטלת מתוקן
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

טבלה 4: תוצאות מקדמי החיכוך של דגימות האספלט המכוסות בקרח.

Figure 1
איור 1: ה-BPT ששימש בניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: דגימות שונות עם נפחי המים המתאימים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: תוצאות הקלטה ניסיוניות (BPN). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: מקדמי חיכוך של קרח מדרכה ברמות שלג שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המאמר הנוכחי בוחן את הנוהל לבדיקת מקדם החיכוך של ריצוף קפוא באמצעות BPT. מספר נקודות צריכות להיות מנותחות באופן מקיף ונדונות בפירוט כאן. ראשית, מבחינת הכנת דגימות תערובת האספלט, יש לנסות להשתמש באספלט נפט בכביש כדי להכין את הדגימות, אך זו אינה דרישה. הכנת דגימות תערובת האספלט צריכה להתבצע בהתאם קפדנית לפרוטוקולי הניסוי ASTM (D6926-20), שכן הדבר משפיע על דיוק התוצאות הסופיות25. אם מקדם החיכוך של הדגימה הסופית גדול מדי או קטן מדי כתוצאה מדירוג תערובת לקוי, יש להכין מחדש את הדגימה ולבדוק אותה פעם נוספת. לוחות האספלט המוכנים צריכים להישמר בהתאם לדרישות.

צעד קריטי נוסף הוא חישוב השלג. הצטברות שלג היא תוצאה של משקעים. על פי מחקר שנערך על ידי הלשכה המטאורולוגית של הרפובליקה העממית של סין, שלג עשוי להימדד בשיטה הבאה: מיכל סטנדרטי משמש להמסת השלג, שנאסף תוך 12 שעות או 24 שעות, למים, והערך המתקבל עם מדידה נמדד במילימטרים (מ"מ), כאשר 1 מ"מ של שלג מייצג עומק שלג של כ 8 מ"מ26 . גודל המדגם של תערובת האספלט הטרומית הניסיונית הוא 30 ס"מ x 30 ס"מ x 5 ס"מ, ו 1 מ"מ של משקעים על לוח האספלט יש נפח מים של 30 ס"מ x 30 x ס"מ 0.1 ס"מ = 90 ס"מ3. על פי שיטת חישוב זו, נפח המים הנדרש יכול להיגזר מהמדגם המתאים בעובי שכבת קרח של 1.1 מ"מ.

יתר על כן, קביעת הטמפרטורה והזמן הקפואים חשובים גם הם. בניסוי, טווח הטמפרטורות מוגדר ל-−5 °C עד −10 °C. יש להקפיא את כל הדגימות למשך 24 שעות לפחות. ניתן להשיג את הזמן על ידי בדיקת הקפאת הדגימות לפני הניסוי. יש לציין כי הזמן המתקבל על ידי ציוד שונה עם השפעות הקפאה שונות עשוי להשתנות.

לאחר מכן, בעת כיול אורך ההחלקה של יריעת הגומי, הקצה הנמוך ביותר של יריעת הגומי צריך לגעת בפני השטח של לוח האספלט. זה לא צריך להחליק קדימה עם האינרציה של הזרוע המתנדנדת, כמו זה יגרום אורך החלקה שונה מן הדרישה 126 מ"מ.

לבסוף, יש להשתמש בשיטת תיקון טמפרטורה. מחקרים קודמים הצביעו על כך ש-BPN קשורים הן לטמפרטורה והן לחומר הגומי27. מפרט ASTM (E303-93) דורש שימוש בגומי סינתטי עם רגישות נמוכה לטמפרטורה, כלומר אין המרות טמפרטורה המעורבותב-24,28. עם זאת, רוב הניסויים הנוכחיים משתמשים ב- BPT לקביעה פנימית של מקדם החיכוך עבור גומי טבעי. ה-BPN המתקבלים מניסויים אלה בטמפרטורות שונות חייבים להיות מומרים לערכים בטמפרטורות סטנדרטיות29. מחקרים רבים סיפקו מגוון שיטות להמרת טמפרטורת BPN30. המאמר הנוכחי משתמש בשיטה של Bazlamit et al., כפי שהם סיפקו נוסחאות להמרה של BPNs בכל טמפרטורה לערכים בטמפרטורות סטנדרטיות31.

היישומים ההנדסיים העתידיים של שיטה זו מתייחסים בעיקר לתכנון כבישים ותחזוקת כבישים בחורף. ראשית, בעת תכנון כבישים באזורים מושלגים וקפואים, על המתכננים להבין את רמת השלג המקומית, לשקול את עובי הקרח האפשרי במהלך פעולת הכביש, ולהשתמש במקדם החיכוך הנוח ביותר לתכנון הכביש. מקדמי החיכוך המתאימים לעובי קרח שונים עשויים להשפיע על ערכי השיפוע הצולב, כמו גם על ערכי ה-superelevation בתכנון הכביש, אשר בתורם עשויים להשפיע על רדיוס העקומה המעגלית של הכביש. שנית, הניסויים שלנו עשויים לסייע בשיפור היעילות של תחזוקת המדרכות בחורף, שכן ניתן לפתח עוד פתרונות להבטחת מקדמי חיכוך מתאימים של מדרכות בעובי ציפוי שונה. על פי תוצאות המאמר, ההשפעה על נהיגה ברכב נשארת זהה ברגע שעובי הקרח על פני הכביש הופך להיות גדול מ -5 מ"מ. עבודה זו מספקת התייחסות לניהול כבישים בחורף, ומציעה כי יש ליישם אמצעים מסוימים לפני שעובי הקרח מגיע ל -5 מ"מ. בנוסף, המחקר הנוכחי מראה כי ההשפעה השלילית על הבטיחות בדרכים יכולה להיות משמעותית גם עם כמויות זעירות של שלג קל, שכן שלג כזה צפוי יותר לקפוא ולגרום לירידה משמעותית במקדם החיכוך בכביש בפרק זמן קצר מאוד.

יתר על כן, לשיטה המוצגת במאמר יש גם כמה מגבלות. יש לשלב ניסויי מעקב עם נתוני דרכים בפועל כדי לאמת את תוצאות הניסוי. בנוסף, יש לחלק עוד יותר את טווח השלג הבינוני כדי לקבוע את הערך המדויק כאשר מקדם החיכוך כבר לא תלוי בעובי הקרח. מגבלות הפרוטוקול מתייחסות בעיקר לחוסר היכולת להשיג משטחי קרח אחידים על הדגימות, מה שמוביל במקרים מסוימים לטעויות ניסוי גדולות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

המחברים רוצים להודות לתוכנית המחקר המדעית הממומנת על ידי מחלקת החינוך המחוזית של שאאנשי (תוכנית מס '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

הנדסה גיליון 191 מקדם חיכוך כביש שלג ציפוי כביש מד מקדם חיכוך מטוטלת מספר מטוטלת בריטית (BPN)
קביעת מקדמי החיכוך של מדרכות קפואות תחת כמויות שונות של שלג
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