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Engineering

बर्फबारी की विभिन्न मात्राओं के तहत बर्फीले फुटपाथ के घर्षण गुणांक का निर्धारण

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

यहां, हम घर के अंदर विभिन्न बर्फ मोटाई वाले फुटपाथ के घर्षण गुणांक को निर्धारित करने के लिए एक विधि प्रस्तुत करते हैं। पूरी प्रक्रिया में उपकरण की तैयारी, बर्फबारी की गणना और विश्लेषण, उपकरण अंशांकन, घर्षण गुणांक निर्धारण और डेटा विश्लेषण शामिल हैं।

Abstract

सड़क की सतहों पर बर्फ घर्षण गुणांक में उल्लेखनीय कमी ला सकती है, इस प्रकार ड्राइविंग सुरक्षा को खतरे में डाल सकती है। हालांकि, अभी भी कोई अध्ययन नहीं है जो बर्फ में ढके फुटपाथ के लिए सटीक घर्षण गुणांक मान प्रदान करता है, जो सड़क डिजाइन और शीतकालीन सड़क रखरखाव उपायों के चयन दोनों के लिए हानिकारक है। इसलिए, यह लेख सर्दियों में बर्फीली सड़क सतहों के घर्षण गुणांक को निर्धारित करने के लिए एक प्रयोगात्मक विधि प्रस्तुत करता है। प्रयोग के लिए एक ब्रिटिश पोर्टेबल परीक्षक (बीपीटी), जिसे पेंडुलम घर्षण गुणांक मीटर के रूप में भी जाना जाता है, को नियोजित किया गया था। प्रयोग को निम्नलिखित पांच चरणों में विभाजित किया गया था: उपकरण की तैयारी, बर्फबारी की गणना और विश्लेषण, उपकरण अंशांकन, घर्षण गुणांक निर्धारण और डेटा विश्लेषण। अंतिम प्रयोग की सटीकता सीधे उपकरण सटीकता से प्रभावित होती है, जिसे विस्तार से वर्णित किया गया है। इसके अलावा, यह लेख बर्फबारी की संबंधित मात्रा के लिए बर्फ की मोटाई की गणना करने के लिए एक विधि का सुझाव देता है। परिणाम बताते हैं कि बहुत हल्की बर्फबारी से बनने वाली पैची बर्फ भी फुटपाथ के घर्षण गुणांक में उल्लेखनीय कमी ला सकती है, इस प्रकार ड्राइविंग सुरक्षा को खतरे में डाल सकती है। इसके अतिरिक्त, घर्षण गुणांक अपने चरम पर होता है जब बर्फ की मोटाई 5 मिमी तक पहुंच जाती है, जिसका अर्थ है कि ऐसी बर्फ के गठन से बचने के लिए सुरक्षा उपाय किए जाने चाहिए।

Introduction

फुटपाथ घर्षण को वाहन टायर और अंतर्निहित सड़क की सतह के बीच पकड़ के रूप में परिभाषित कियागया है। सड़क डिजाइन में फुटपाथ घर्षण से जुड़ा सूचकांक सबसे अधिक फुटपाथ घर्षण गुणांक है। घर्षण सड़क डिजाइन में सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है और स्थायित्व के बाद दूसरे स्थान पर है। फुटपाथ घर्षण प्रदर्शन और दुर्घटना जोखिम2 के बीच एक मजबूत और स्पष्ट सहसंबंध है। उदाहरण के लिए, सड़क दुर्घटना दर और फुटपाथ स्किड प्रतिरोध 3,4,5 के बीच एक महत्वपूर्ण नकारात्मक सहसंबंध है। कई कारक फुटपाथ घर्षण में कमी में योगदान कर सकते हैं, और इन कारकों में से एक सबसे प्रत्यक्ष और प्रभावशाली बर्फबारीहै। विशेष रूप से, बर्फबारी के कारण फुटपाथ पर बर्फ बनती है, जिसके परिणामस्वरूप सड़क घर्षण गुणांक 7,8 में महत्वपूर्ण कमी आती है। दक्षिणी फिनलैंड में यातायात दुर्घटना दर को प्रभावित करने वाले कारकों पर ध्यान केंद्रित करने वाले एक अध्ययन में कहा गया है कि दुर्घटना दर आमतौर पर भारी बर्फबारी वाले दिनों में चरम पर होती है और 10 सेमी से अधिक बर्फ से दुर्घटना दरदोगुनी हो सकती है। स्वीडन और कनाडा10,11 दोनों में किए गए अध्ययनों में इसी तरह के परिणाम पाए गए हैं। इसलिए, सड़क सुरक्षा में सुधार के लिए बर्फ से जमे फुटपाथों के घर्षण गुणों का अध्ययन करना महत्वपूर्ण है।

बर्फीले फुटपाथ के घर्षण गुणांक का निर्धारण करना एक जटिल प्रक्रिया है क्योंकि घर्षण गुणांक विभिन्न बर्फबारी स्तरों और फुटपाथ बर्फ मोटाई के तहत भिन्न हो सकता है। इसके अलावा, अलग-अलग तापमान और टायर विशेषताएं घर्षण गुणांक को भी प्रभावित कर सकती हैं। अतीत में, बर्फ12 पर टायर की घर्षण विशेषताओं का अध्ययन करने के लिए कई प्रयोग किए गए हैं। हालांकि, व्यक्तिगत वातावरण और टायर विशेषताओं में अंतर के कारण, लगातार परिणाम प्राप्त नहीं किए जा सकते हैं और सैद्धांतिक अध्ययन के लिए आधार के रूप में उपयोग नहीं किए जा सकते हैं। इसलिए, कई शोधकर्ताओं ने बर्फ पर टायर के घर्षण का विश्लेषण करने के लिए सैद्धांतिक मॉडल विकसित करने का प्रयास किया है। हेहो और सहप्ले13 ने टायर और बर्फ के बीच इंटरफ़ेस पर गीले घर्षण गर्मी विनिमय की अवधारणा का सुझाव दिया, जबकि पेंग एट अल .14 ने उपरोक्त अवधारणा के आधार पर घर्षण की भविष्यवाणी करने के लिए एक उन्नत डेटा मॉडल का प्रस्ताव दिया। इसके अलावा, क्लैप्रोथ ने चिकनी बर्फ15 पर खुरदरे रबर के घर्षण का वर्णन करने के लिए एक अभिनव गणितीय मॉडल प्रस्तुत किया। हालांकि, उपरोक्त मॉडलों को महत्वपूर्ण त्रुटियां दिखाई गई हैं, मुख्य रूप से बर्फ16 पर टायर के घर्षण गुणों को सटीक और कुशलता से चिह्नित करने में उनकी अक्षमता के कारण।

सैद्धांतिक मॉडल की त्रुटियों को कम करने के लिए, बड़ी मात्रा में प्रयोगात्मक डेटा की आवश्यकता होती है। फिनिश मौसम विज्ञान एजेंसी ने बर्फीले फुटपाथ घर्षण की भविष्यवाणी करने के लिए एक घर्षण मॉडल विकसित किया, और उस मॉडल का सूत्र मुख्य रूप से सड़क मौसम स्टेशनों से प्राप्त आंकड़ों और सांख्यिकीय विश्लेषणके माध्यम से आधारित था। इसके अलावा, इवानोविच एट अल ने बर्फ पर टायर की घर्षण विशेषताओं का विश्लेषण करके प्रयोगात्मक डेटा की एक महत्वपूर्ण मात्रा एकत्र की और प्रतिगमन विश्लेषण18 द्वारा बर्फ के घर्षण गुणांक की गणना की। गाओ एट अल ने बर्फ19 पर घर्षण गुणांक के लिए सूत्र प्राप्त करने के लिए लेवेनबर्ग-मार्क्वार्ड (एलएम) अनुकूलन एल्गोरिथ्म को तंत्रिका नेटवर्क के साथ जोड़कर टायर-रबर-बर्फ कर्षण का एक नया पूर्वानुमान मॉडल भी प्रस्तावित किया। उपरोक्त सभी मॉडलों को या तो मान्य किया गया है या व्यवहार में लागू किया गया है और इस प्रकार, व्यवहार्य माना जाता है।

सैद्धांतिक तरीकों के अलावा, बर्फीले और जमे हुए क्षेत्रों में फुटपाथ के घर्षण गुणांक को मापने के लिए कई व्यावहारिक तरीके विकसित किए गए हैं। मौसम की विशिष्टताओं के कारण, स्वीडन, नॉर्वे और फिनलैंड जैसे नॉर्डिक देशों में इन विधियों का व्यापक रूप से उपयोग किया गयाहै। स्वीडन में, घर्षण मापने के उपकरणों के निम्नलिखित तीन मुख्य प्रकारों का उपयोग किया जाता है: बीवी 11, एसएफटी और बीवी 14। बीवी 14, विशेष रूप से शीतकालीन रखरखाव आकलन के लिए विकसित एक दोहरे घर्षण परीक्षक, सीधे मापने वाले वाहन से जुड़ा हुआ है और दोनों पहिया पथों पर सूखे घर्षण को एक साथमापता है। फिनलैंड में, घर्षण मापने वाले वाहन (टीआईई 475) का उपयोग शीतकालीन सड़क रखरखाव आकलन के लिए किया जाता है, जबकि नॉर्वे में, रोअर घर्षण मापने वाला उपकरण (पानी के बिना) आमतौर पर उपयोग किया जाने वाला उपकरण2 का एक टुकड़ा है। स्वीडन, नॉर्वे और फिनलैंड में किए गए अधिकांश शीतकालीन घर्षण माप एबीएस के साथ साधारण यात्री कारों और ब्रेकिंग2,20 के तहत मंदी को मापने वाले उपकरणों का उपयोग करके किए गए हैं। इस विधि का लाभ यह है कि यह सरल और अपेक्षाकृत सस्ती है, और मुख्य नुकसान यह है कि विधि की सटीकता बहुत कम है।

ऊपर वर्णित अध्ययन बर्फ पर घर्षण गुणांक की भविष्यवाणी और पता लगाने के तरीके प्रदान करते हैं। हालांकि, सड़क डिजाइनरों का मार्गदर्शन करने के लिए एक समान विधि और एक विशिष्ट मूल्य अभी भी प्रदान नहीं किया गया है। इसके अलावा, सर्दियों की सड़कों के लिए, टायर और बर्फ के बीच घर्षण गुणांक विभिन्न बर्फ मोटाई के संबंध में भिन्न हो सकता है, और विभिन्न निपटान उपायों कोभी लागू किया जाना चाहिए। इसलिए, इस पेपर का उद्देश्य बर्फबारी की विभिन्न मात्रा के तहत बर्फीली सड़कों के घर्षण गुणांक को निर्धारित करना है।

अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, ब्रिटिश पोर्टेबल परीक्षक (बीपीटी) और स्वीडिश रोड एंड ट्रांसपोर्ट रिसर्च इंस्टीट्यूट पोर्टेबल घर्षण परीक्षक (वीटीआई पीएफटी) वर्तमान में घर्षण गुणांक22,23 को मापने के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले उपकरण हैं। पीएफटी वीटीआई द्वारा विकसित एक पोर्टेबल घर्षण परीक्षक है, और यह ऑपरेटर को एक सीधी स्थिति में माप लेने और कंप्यूटर22 पर डेटा को सहेजने की अनुमति देता है। पीएफटी अधिकांश कंटूर्ड रोड मार्किंग को माप सकता है, लेकिन वर्तमान में उपलब्ध उपकरणों की संख्या अभी भीबहुत कम है। बीपीटी एक पेंडुलम घर्षण गुणांक परीक्षक है जिसे ब्रिटिश रोड रिसर्च लेबोरेटरी (आरआरएल, अब टीआरएल) द्वारा विकसित किया गया था। उपकरण एक गतिशील पेंडुलम प्रभाव-प्रकार परीक्षक है जिसका उपयोग उन मामलों में ऊर्जा हानि को मापने के लिए किया जाता है जब एक रबर स्लाइडर किनारे को परीक्षण सतह पर चालित किया जाता है। परिणामों को ब्रिटिश पेंडुलम नंबर (बीपीएन) के रूप में रिपोर्ट किया जाता है ताकि इस बात पर जोर दिया जा सके कि वे इस परीक्षक के लिए विशिष्ट हैं और सीधे अन्य उपकरणों24 के बराबर नहीं हैं। उपकरण को प्रयोगात्मक फुटपाथ क्षेत्र23 में घर्षण गुणांक के निर्धारण के लिए उपयोगी दिखाया गया है। यह प्रयोग घर्षण गुणांक के निर्धारण के लिए बीपीटी का उपयोग करता है।

वर्तमान अध्ययन में घर के अंदर विभिन्न बर्फबारी की मात्रा के अनुरूप बर्फीले फुटपाथों के घर्षण गुणांक को मापने के लिए प्रयोगात्मक प्रक्रिया का वर्णन किया गया है। प्रयोगों में ध्यान देने योग्य समस्याओं, जैसे प्रयोगात्मक अंशांकन, प्रयोगात्मक कार्यान्वयन और डेटा विश्लेषण के तरीकों को विस्तार से समझाया गया है। वर्तमान प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं को निम्नलिखित पांच चरणों द्वारा संक्षेपित किया जा सकता है: 1) उपकरण की तैयारी, 2) बर्फबारी की गणना और विश्लेषण, 3) उपकरण अंशांकन, 4) घर्षण गुणांक निर्धारण, और 5) डेटा विश्लेषण।

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Protocol

1. उपकरण की तैयारी

  1. BPT
    1. सुनिश्चित करें कि बीपीटी (चित्रा 1) अपने सेवा जीवन के भीतर है और सतह साफ और क्षतिग्रस्त नहीं है।
      नोट: बीपीटी के घटक आधार, समतल सर्पिल, समतल बुलबुला, पॉइंटर, पेंडुलम, उठाने वाले सर्पिल, फास्टिंग सर्पिल, हैंडल और डायल हैं।
  2. डामर स्लैब
    1. सुनिश्चित करें कि प्रयोग के लिए उपयोग किए जाने वाले डामर मिश्रण नमूना आकार 30 सेमी x 30 सेमी x 5 सेमी है।
  3. फ्रीजिंग उपकरण
    1. सुनिश्चित करें कि उपयोग किए गए फ्रीजिंग उपकरण स्वतंत्र रूप से -20 डिग्री सेल्सियस और 0 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान को नियंत्रित कर सकते हैं।
  4. प्रयोग में उपयोग किए जाने वाले अन्य उपकरण तैयार करें: एक ट्राइपॉड, एक मापने वाला सिलेंडर, एक रबर शीट, एक फुटपाथ थर्मामीटर, एक स्लाइडिंग लंबाई शासक, और एक ब्रश।
    नोट: प्रयोग में उपयोग की जाने वाली रबर शीट का आकार 6.35 मिमी x 25.4 मिमी x 76.2 मिमी था, और इसे तालिका 124 में दी गई गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए।
    1. सुनिश्चित करें कि रबर शीट में निम्नलिखित दोषों में से कोई भी दोष नहीं है: 1) तेल के दाग; 2) चौड़ाई 3.2 मिमी से अधिक होती है; या 3) लंबाई 1.6 मिमी से अधिक पहनते हैं।
    2. एक नई रबर शीट का उपयोग करने से पहले, सुनिश्चित करें कि रबर शीट को आधिकारिक परीक्षण के लिए उपयोग करने से पहले सूखी सतह पर बीपीटी का उपयोग करके 10 बार मापा जाता है।

2. बर्फबारी की गणना और विश्लेषण

नोट: तालिका 2 बर्फबारी वर्ग वर्गीकरण प्रदान करती है। चरम मामलों को ध्यान में रखते हुए, उपकरण को अध्ययन करने के लिए 24 घंटे बर्फबारी की आवश्यकता होती है।

  1. प्रयोग की आसानी सुनिश्चित करने के लिए, बर्फबारी के प्रत्येक स्तर के लिए ऊपरी सीमा का उपयोग करके संबंधित गणना और विश्लेषण करें।
    नोट: बर्फबारी की गहराई के विभिन्न स्तर और गणना के बाद नमूनों के संबंधित पानी की मात्रा तालिका 3 में प्रदान की गई है। प्रयोग में असाधारण बर्फीले तूफानों के प्रभाव पर विचार नहीं किया गया था, और बहुत हल्की बर्फ से लेकर बड़े बर्फ़ीले तूफ़ानों की श्रेणियों को 1 से 6 तक क्रमांकित किया गया था।

3. उपकरण अंशांकन

  1. समतलीकरण और शून्य समायोजन
    1. बीपीटी को एक उपयुक्त स्थिति में रखें।
      नोट: एक उपयुक्त स्थिति का मतलब है कि जमीन सपाट है और गड्ढों से मुक्त है।
    2. बीपीटी के आधार पर लेवलिंग सर्पिल को घुमाएं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि लेवलिंग बुलबुला मध्य स्थिति में रहता है।
    3. फास्टिंग सर्पिल को ढीला करें, पेंडुलम को उठाने और स्वतंत्र रूप से स्विंग करने के लिए उठाने वाले सर्पिल को घुमाएं, और फिर फास्टिंग सर्पिल को कस दें।
    4. पेंडुलम की मेज के दाहिने कैंटिलीवर पर पेंडुलम बांह रखें, बांह को क्षैतिज स्थिति में रखें, जबकि पॉइंटर को बांह के साथ दाईं ओर घुमाएं।
    5. पेंडुलम आर्म को स्वतंत्र रूप से स्विंग करने के लिए रिलीज बटन दबाएं। जब पेंडुलम उच्चतम बिंदु तक पहुंचने के लिए सबसे निचले बिंदु को पार करता है, तो इसे हाथ से पकड़ें।
      नोट: यदि यह सटीक है, तो पॉइंटर को इस समय शून्य इंगित करना चाहिए।
    6. यदि सूचक शून्य बिंदु नहीं दिखाता है, तो शून्य नट को ढीला या कसें, और चरण 3.1.4 और चरण 3.1.5 को तब तक दोहराएं जब तक कि पॉइंटर शून्य बिंदु को इंगित न करे।
  2. स्लाइडिंग लंबाई का अंशांकन
    1. फास्टिंग सर्पिल को ढीला करते हुए सीधे पेंडुलम के नीचे डामर स्लैब रखें ताकि रबर शीट का सबसे निचला किनारा डामर स्लैब की सतह को छू सके।
    2. स्लाइडिंग लंबाई शासक तैयार करें, और इसे रबर शीट के करीब लाएं।
    3. ले जाने वाले हैंडल को उठाएं ताकि स्लाइडिंग लंबाई वाले शासक के बाएं पैमाने का निशान रबर शीट के सबसे निचले किनारे के साथ फ्लश हो।
    4. ले जाने वाले हैंडल को उठाएं, और पेंडुलम को दाईं ओर ले जाएं ताकि रबर शीट का सबसे निचला किनारा डामर स्लैब की सतह को छू सके।
    5. देखें कि स्लाइडिंग लंबाई शासक रबर शीट के किनारे से समतल है या नहीं। यदि ऐसा है, तो स्लाइडिंग लंबाई 126 मिमी की आवश्यकता को पूरा करती है। अन्यथा, निम्न कार्रवाई जारी रखें।
    6. पेंडुलम की ऊंचाई को समायोजित करने के लिए उठाने वाले सर्पिल को चालू करें, और स्लाइडिंग लंबाई को समायोजित करने के लिए चरण 3.2.3-3.2.5 दोहराएं ताकि यह आवश्यकताओं को पूरा करे।
    7. जब फाइन-ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है, तो आधार पर लेवलिंग सर्पिल को मोड़ें।
      नोट: समायोजन के दौरान लेवलिंग बुलबुले को केंद्र में रहने की आवश्यकता है।

4. घर्षण गुणांक निर्धारण

  1. सात डामर स्लैब टुकड़ों का चयन करें, उन्हें ब्रश से साफ करें, और उन्हें कमरे के तापमान पर स्वाभाविक रूप से सुखाएं।
  2. डामर स्लैब को 1-7 के क्रम में संख्या दें।
  3. डामर स्लैब को मोल्डों में रखें, और साथ ही उन्हें पानी की परत के साथ ठंडा और फ्रीज करें।
    नोट: इस प्रयोग में, सात नमूनों को 24 घंटे के लिए -10 डिग्री सेल्सियस के नियंत्रित तापमान पर फ्रीजर में रखा गया था। संबंधित पानी की मात्रा के साथ विभिन्न नमूने चित्रा 2 में दिखाए गए हैं।
    1. नमूना 1: बहुत हल्की बर्फ का अनुकरण करने के लिए, डामर के नमूने पर 9 सेमी3 पानी डालें। डामर स्लैब सतह शून्य को पानी से भरें, और उठाए गए हिस्से को समतल करें। बर्फ की परत से नमूना सतह डामर कणों को पूरी तरह से कवर करने की उम्मीद नहीं है। इसलिए, कुछ कणों को उजागर किया जाएगा, और इस घटना को पैची बर्फ के रूप में जाना जाता है।
    2. नमूना 2: हल्की बर्फ का अनुकरण करने के लिए, मापने वाले सिलेंडर का उपयोग करके डामर के नमूने पर 216 सेमी3 पानी डालें। अपेक्षित आइसिंग मोटाई 2.17 मिमी है। इस मामले में, पानी की परत पूरी तरह से नमूने की सतह को कवर करती है। आइसिंग के बाद इसे पूरी तरह से फ्रीज कर देना चाहिए।
    3. नमूना 3: मध्यम बर्फ का अनुकरण करने के लिए, मापने वाले सिलेंडर का उपयोग करके डामर के नमूने पर 441 सेमी3 पानी डालें। अपेक्षित बर्फ की मोटाई 5.4 मिमी है।
    4. नमूना 4: भारी बर्फ का अनुकरण करने के लिए, मापने वाले सिलेंडर का उपयोग करके डामर के नमूने पर 891 सेमी3 पानी डालें। अपेक्षित बर्फ की मोटाई 11 मिमी है।
    5. नमूना 5: एक बर्फ़ीला तूफ़ान अनुकरण करने के लिए, मापने वाले सिलेंडर का उपयोग करके डामर के नमूने पर 1,791 सेमी3 पानी डालें। अपेक्षित बर्फ की मोटाई 22.1 मिमी है।
    6. नमूना 6: एक बड़े बर्फ़ीले तूफ़ान का अनुकरण करने के लिए, मापने वाले सिलेंडर का उपयोग करके डामर के नमूने पर 2,691 सेमी3 पानी डालें। अपेक्षित बर्फ की मोटाई 33.2 मिमी है।
    7. नमूना 7: तुलना के लिए सूखे जमे हुए नमूने के रूप में पानी जोड़े बिना ठंडा करने के लिए सीधे फ्रीजर में रखें।
  4. फ्रीजिंग के बाद, फ्रीजर से नमूने हटा दें; बदले में, सांचे को हटा दें, और उन्हें बीपीटी केंद्रों पर रखें, जिन्हें पहले समतल और शून्य किया गया था।
  5. नमूने की सतह के तापमान को मापने और इसे रिकॉर्ड करने के लिए फुटपाथ थर्मामीटर का उपयोग करें।
  6. 126 मिमी की स्लाइडिंग दूरी सुनिश्चित करने के लिए स्लाइडिंग लंबाई अंशांकन करें।
  7. पेंडुलम आर्म रिलीज स्विच दबाएं। जब पेंडुलम हाथ सबसे निचले बिंदु को पार करता है और उच्चतम बिंदु पर झूलता है, तो इसे हाथ से पकड़ें, और परिणाम पढ़ें और रिकॉर्ड करें।
  8. पेंडुलम आर्म और पॉइंटर दोनों को क्रमशः शून्य और क्षैतिज स्थितियों में पुनर्स्थापित करें।
    नोट: स्लाइडिंग लंबाई को हर बार एक नए नमूने का परीक्षण करने पर पुन: कैलिब्रेट किया जाना चाहिए।
  9. चरणों को कुल 10 बार दोहराएं, और अनुक्रम में सात नमूने मापें।
    नोट: प्रत्येक नमूने में 10 माप रीडआउट होते हैं, और न्यूनतम और अधिकतम दोनों मूल्य अंतर 3 से कम होना चाहिए।

5. डेटा विश्लेषण

  1. एक तालिका में चित्रा 3 में डेटा रिकॉर्ड करें, और अंतिम परिणाम प्राप्त करने के लिए माप परिणामों का औसत निकालें (तालिका 4)।
  2. पेंडुलम मानों के लिए तापमान सुधार
    1. तापमान-क्षतिपूर्ति बीपीएन मान प्राप्त करने के लिए निम्नलिखित समीकरण में तापमान मान माप इनपुट करें:
      Equation 1
      नोट: मूल समीकरण में उपयोग की जाने वाली तापमान इकाई केल्विन है, जबकि प्रयोगात्मक तापमान सभी सेंटीग्रेड में हैं, इसलिए तापमान रूपांतरण किया जाना है। दो तापमान इकाइयों को निम्नानुसार परिवर्तित किया जाता है:
      T (K) = 273.15 + T (oC)
    2. अंतिम तापमान-क्षतिपूर्ति बीपीएन मान प्राप्त करने के लिए तालिका 4 में औसत बीपीएन मान से क्षतिपूर्ति बीपीएन मान घटाएं।
    3. अधिक सहज ज्ञान युक्त परिणामों के लिए बार ग्राफ के रूप में तालिका 4 में अंतिम बीपीएन मानों को प्लॉट करें (चित्रा 4)।

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Representative Results

तालिका 4 में नमूना 7 शुष्क नमूना नियंत्रण समूह है, जबकि शेष नमूने 1-6 बहुत हल्की बर्फ से लेकर एक बड़े बर्फ़ीले तूफ़ान तक बर्फ की मोटाई के अनुरूप हैं।

नमूना 7 और अन्य छह समूहों की तुलना करते समय, फुटपाथ के घर्षण गुणांक को काफी कम करने के लिए बर्फ का गठन देखा गया था। इसके अलावा, बर्फ की मोटाई बढ़ने के साथ फुटपाथ घर्षण गुणांक कम हो गया, और बर्फ की मोटाई 5 मिमी पर स्थिर हो गई, जो मध्यम बर्फ से मेल खाती है। अंतिम बर्फ घर्षण गुणांक सूखे और गीले नमूनों के सतह घर्षण गुणांक का लगभग 25% था।

नमूना 1 के आधार पर, बहुत हल्की बर्फबारी को सड़क घर्षण गुणांक पर एक मजबूत प्रभाव डालने के लिए नोट किया गया था। इसके अलावा, यहां तक कि एक बहुत पतली बर्फ की परत के साथ, ट्रेस बर्फबारी के कारण सड़क की सतह की आइसिंग ने अभी भी नियंत्रण नमूने 7 की तुलना में सड़क घर्षण गुणांक को लगभग 50% तक कम कर दिया है। नमूना 4, नमूना 5 और नमूना 6 के लिए, अंतिम औसत बीपीएन मान समान थे। यह इंगित करता है कि बर्फ की परत का सड़क घर्षण गुणांक स्थिर हो जाता है और मोटी बर्फ की परत का माप आवश्यक नहीं है।

नमूना 2, नमूना 3 और नमूना 4 के संबंध में, सतह घर्षण गुणांक धीरे-धीरे कम हो गया था। उपरोक्त नमूने क्रमशः 2 मिमी, 5 मिमी और 11 मिमी की बर्फ की मोटाई के अनुरूप हैं। सिद्धांत रूप में, इन नमूनों का घर्षण गुणांक सुसंगत होना चाहिए, जबकि घर्षण गुणांक का वास्तविक माप 2 मिमी बर्फ परत के लिए अधिक था। विश्लेषण इसके दो कारणों का सुझाव देता है। सबसे पहले, 2 मिमी की बर्फ की मोटाई पर, बर्फ की परत में नमूना सतह कणों के माइक्रोस्ट्रक्चर का एक निश्चित प्रभाव पड़ता है। यहां तक कि अगर नमूने की बर्फ की सतह को क्षैतिज रूप से रखा जाता है, तो प्राकृतिक आइसिंग के साथ, यह सूक्ष्म स्तर पर चिकनी नहीं होती है। दूसरा, पेंडुलम बांह प्रयोग के दौरान बर्फ से संपर्क करती है। बर्फ के पतले होने और उस पर लगाए गए दबाव के कारण पेंडुलम बांह के घर्षण से बर्फ संकुचित और विकृत हो जाती है। रबर ब्लॉक घर्षण प्रक्रिया परीक्षण टुकड़े की सतह के कणों को लहरदार बनाती है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक घर्षण गुणांक होता है।

जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, बर्फ घर्षण गुणांक तेजी से कम हो गया क्योंकि बर्फ की परत की बर्फबारी और मोटाई दोनों में वृद्धि हुई। इसके अलावा, यह स्थिर होने की प्रवृत्ति थी जब मध्यम बर्फ के अनुरूप बर्फ की मोटाई तक पहुंच गई थी। नमूना 1 आइसिंग के बाद फुटपाथ की सतह पर बहुत हल्की बर्फ का प्रतिनिधित्व करता है; इसके परिणामस्वरूप फुटपाथ घर्षण गुणांक में कमी आई, और सूखे नमूने की तुलना में इसका बीपीएन मूल्य लगभग 43% कम हो गया। नमूना 2, नमूना 3, और नमूना 4 क्रमशः हल्के, मध्यम और भारी बर्फ के अनुरूप हैं, और आइसिंग के बाद तीन नमूनों की बर्फ की परत मोटाई अलग-अलग थी। उनमें से, मध्यम बर्फ का बीपीएन मूल्य हल्की बर्फ का केवल आधा था क्योंकि छोटी बर्फ के अनुरूप बर्फ की परत की मोटाई केवल 2 मिमी थी। इसलिए, नमूना सतह का माइक्रोस्ट्रक्चर अभी भी घर्षण गुणांक मूल्य को प्रभावित करता है। जब बर्फ की परत मध्यम और भारी बर्फ की मोटाई तक पहुंच गई, तो नमूने के माइक्रोस्ट्रक्चर ने घर्षण गुणांक को प्रभावित नहीं किया। दो बीपीएन के बीच मामूली अंतर विभिन्न बर्फ मोटाई पर रबर शीट के अलग-अलग एक्सट्रूज़न के कारण होता है, जिससे बर्फ विरूपण होता है। भारी बर्फ, बर्फ़ीला तूफ़ान और बड़े बर्फ़ीले तूफ़ान के नमूनों के BPN समान थे, जिसका अर्थ है कि जब बर्फ की मोटाई 11 मिमी तक पहुंच गई, तो रबर शीट ने बर्फ की परत को कॉम्पैक्ट करके विकृत नहीं किया, और BPN और घर्षण गुणांक मान अपरिवर्तित रहे।

तापमान पर्यावरणीय तापमान (°C)
0 10 20 30 40
लचीलापन 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
कठोरता 55 ± 5

तालिका 1: रबर शीट के लिए तकनीकी सूचकांक आवश्यकताएं। यह विशेष रूप से प्राकृतिक रबर को संदर्भित करता है।

स्तर 12 घंटे बर्फबारी 24 घंटे बर्फबारी
बहुत हल्की बर्फ < 0.1 < 0.1
छोटी बर्फ 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
मध्यम बर्फ 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
भारी बर्फ 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
बर्फ़ानी तूफ़ान 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
बड़ा बर्फ़ीला तूफ़ान 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
असाधारण बर्फीला तूफान ≥15.0 ≥30.0

तालिका 2: बर्फबारी स्तर वर्गीकरण। तालिका में डेटा की इकाई मिलीमीटर (मिमी) है।

स्तर 24 घंटे बर्फबारी (मिमी) बर्फबारी की गहराई (मिमी) नमूने पर पानी की मात्रा के अनुरूप (सेमी3) नमूने पर बर्फ की मोटाई के अनुरूप (मिमी)
बहुत हल्की बर्फ < 0.1 < 0.8 < 9 0.1
छोटी बर्फ 2.4 19.2 216 2.6
मध्यम बर्फ 4.9 39.2 441 5.4
भारी बर्फ 9.9 79.2 891 10.9
Bilzzard 19.9 159.2 1791 21.9
बड़ा बिल्ज़ार्ड 29.9 239.2 2691 32.9
असाधारण बर्फीला तूफान ≥30.0 ≥240 ≥2700 33

तालिका 3: नमूने पर पानी की मात्रा के अनुरूप विभिन्न बर्फबारी के स्तर। पानी और बर्फ का घनत्व क्रमशः 1g/cm3 और 0.92g/cm3 है।

नमूना संख्या पेंडुलम मान तापमान: -1 डिग्री सेल्सियस औसत मान मनोदशा-
सही पेंडुलम मूल्य
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

तालिका 4: बर्फ से ढके डामर नमूनों के घर्षण गुणांक के परिणाम।

Figure 1
चित्र 1: प्रयोग में प्रयुक्त BPT. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: संबंधित जल आयतन के साथ विभिन्न नमूने. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: प्रायोगिक रिकॉर्डिंग परिणाम (BPN). कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: विभिन्न बर्फबारी स्तरों के तहत फुटपाथ बर्फ के घर्षण गुणांक। कृपया इस आंकड़े के बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

वर्तमान पेपर बीपीटी का उपयोग करके बर्फीले फुटपाथ के घर्षण गुणांक का परीक्षण करने की प्रक्रिया की जांच करता है। कई बिंदुओं का व्यापक विश्लेषण करने की आवश्यकता है और यहां विस्तार से चर्चा की गई है। सबसे पहले, डामर मिश्रण के नमूने तैयार करने के संदर्भ में, नमूने तैयार करने के लिए सड़क पेट्रोलियम डामर का उपयोग करने का प्रयास करना चाहिए, लेकिन यह एक आवश्यकता नहीं है। डामर मिश्रण के नमूनों की तैयारी एएसटीएम (डी 6926-20) प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल के अनुसार सख्ती से की जानी चाहिए, क्योंकि यह अंतिम परिणामों की सटीकता को प्रभावित करताहै। यदि अंतिम नमूने का घर्षण गुणांक खराब मिश्रण ग्रेडिंग के परिणामस्वरूप बहुत बड़ा या बहुत छोटा है, तो नमूने को फिर से तैयार किया जाना चाहिए और एक बार फिर से परीक्षण किया जाना चाहिए। तैयार डामर स्लैब को आवश्यकताओं के अनुसार बनाए रखा जाना चाहिए।

एक और महत्वपूर्ण कदम बर्फबारी की गणना है। बर्फ संचय वर्षा का एक परिणाम है। पीपुल्स रिपब्लिक ऑफ चाइना के मौसम विज्ञान ब्यूरो द्वारा किए गए शोध के अनुसार, बर्फबारी को निम्नलिखित विधि से मापा जा सकता है: एक मानक कंटेनर का उपयोग बर्फ को पिघलाने के लिए किया जाता है, जिसे 12 घंटे या 24 घंटे में पानी में एकत्र किया जाता है, और मापने वाले कप के साथ प्राप्त मूल्य को मिलीमीटर (मिमी) में मापा जाता है, जिसमें 1 मिमी बर्फबारी लगभग 8 मिमी26 की बर्फ की गहराई का प्रतिनिधित्व करती है . प्रयोगात्मक प्रीफैब्रिकेटेड डामर मिश्रण का नमूना आकार 30 सेमी x 30 सेमी x 5 सेमी है, और डामर स्लैब पर 1 मिमी वर्षा में 30 सेमी x 30 x सेमी 0.1 सेमी = 90 सेमी3 का पानी का आयतन है। इस गणना विधि के अनुसार, आवश्यक पानी की मात्रा 1.1 मिमी की बर्फ की परत मोटाई के साथ संबंधित नमूने से प्राप्त की जा सकती है।

इसके अलावा, ठंड के तापमान और समय का निर्धारण भी महत्वपूर्ण है। प्रयोग में, तापमान सीमा -5 डिग्री सेल्सियस से -10 डिग्री सेल्सियस पर सेट की जाती है। सभी नमूने कम से कम 24 घंटे के लिए जमे हुए होने चाहिए। प्रयोग से पहले नमूनों को फ्रीज करके समय प्राप्त किया जा सकता है। विशेष रूप से, विभिन्न ठंड प्रभावों के साथ विभिन्न उपकरणों द्वारा प्राप्त समय अलग-अलग हो सकता है।

इसके बाद, रबर शीट की स्लाइडिंग लंबाई को कैलिब्रेट करते समय, रबर शीट का सबसे निचला किनारा डामर स्लैब की सतह को छूना चाहिए। इसे स्विंगिंग आर्म की जड़ता के साथ आगे नहीं खिसकना चाहिए, क्योंकि इससे स्लाइडिंग की लंबाई 126 मिमी की आवश्यकता से भिन्न होगी।

अंत में, एक तापमान सुधार विधि का उपयोग किया जाना चाहिए। पिछले अध्ययनों ने संकेत दिया है कि बीपीएन तापमान और रबर शीट सामग्री27 दोनों से संबंधित हैं। एएसटीएम (ई 303-93) विनिर्देश के लिए तापमान के प्रति कम संवेदनशीलता के साथ सिंथेटिक रबर के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि24,28 में कोई तापमान रूपांतरण शामिल नहीं है। हालांकि, अधिकांश वर्तमान प्रयोग प्राकृतिक रबर के लिए घर्षण गुणांक के इनडोर निर्धारण के लिए बीपीटी का उपयोग करते हैं। विभिन्न तापमानों पर इन प्रयोगों से प्राप्त बीपीएन को मानक तापमान29 पर मूल्यों में परिवर्तित किया जाना चाहिए। कई अध्ययनों ने बीपीएन तापमान रूपांतरण30 के लिए तरीकों की एक सरणी प्रदान की है। वर्तमान पेपर बाज़लामिट एट अल की विधि को नियोजित करता है, क्योंकि उन्होंने किसी भी तापमान पर बीपीएन को मानक तापमान31 पर मूल्यों में बदलने के लिए सूत्र प्रदान किए हैं।

इस पद्धति के भविष्य के इंजीनियरिंग अनुप्रयोग मुख्य रूप से सड़क डिजाइन और शीतकालीन सड़क रखरखाव से संबंधित हैं। सबसे पहले, बर्फीले और जमे हुए क्षेत्रों में सड़कों को डिजाइन करते समय, डिजाइनरों को स्थानीय बर्फबारी के स्तर को समझना चाहिए, सड़क संचालन के दौरान संभावित बर्फ की मोटाई पर विचार करना चाहिए, और सड़क डिजाइन के लिए सबसे अनुकूल घर्षण गुणांक का उपयोग करना चाहिए। विभिन्न बर्फ मोटाई के अनुरूप घर्षण गुणांक क्रॉस-ढलान मूल्यों के साथ-साथ सड़क डिजाइन में सुपरलेवेशन मूल्यों को प्रभावित कर सकते हैं, जो बदले में, सड़क के गोलाकार वक्र की त्रिज्या को प्रभावित कर सकते हैं। दूसरा, हमारे प्रयोग सर्दियों में फुटपाथ रखरखाव की दक्षता में सुधार करने में सहायता कर सकते हैं, क्योंकि विभिन्न आइसिंग मोटाई पर फुटपाथ के उचित घर्षण गुणांक सुनिश्चित करने के लिए समाधान आगे विकसित किए जा सकते हैं। पेपर के परिणामों के अनुसार, सड़क की सतह पर बर्फ की मोटाई 5 मिमी से अधिक होने के बाद वाहन ड्राइविंग पर प्रभाव समान रहता है। यह काम सर्दियों में सड़क प्रबंधन के लिए एक संदर्भ प्रदान करता है, यह सुझाव देते हुए कि बर्फ की मोटाई 5 मिमी तक पहुंचने से पहले कुछ उपायों को लागू किया जाना चाहिए। इसके अलावा, वर्तमान अध्ययन से पता चलता है कि हल्की बर्फ की ट्रेस मात्रा के साथ भी सड़क सुरक्षा पर नकारात्मक प्रभाव महत्वपूर्ण हो सकता है, क्योंकि ऐसी बर्फ जमने की अधिक संभावना है और बहुत कम अवधि में सड़क घर्षण गुणांक में महत्वपूर्ण कमी का कारण बनती है।

इसके अलावा, पेपर में प्रस्तुत विधि की कुछ सीमाएं भी हैं। प्रयोगात्मक परिणामों को सत्यापित करने के लिए अनुवर्ती प्रयोगों को वास्तविक सड़क डेटा के साथ जोड़ा जाना चाहिए। इसके अलावा, मध्यम बर्फ की सीमा को सटीक मूल्य निर्धारित करने के लिए और विभाजित किया जाना चाहिए जब घर्षण गुणांक अब बर्फ की मोटाई पर निर्भर नहीं करता है। प्रोटोकॉल की सीमाएं मुख्य रूप से नमूनों पर समान बर्फ की सतहों को प्राप्त करने में असमर्थता से संबंधित हैं, जो कुछ मामलों में, बड़ी प्रयोगात्मक त्रुटियों की ओर जाता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखक शांक्सी प्रांतीय शिक्षा विभाग (कार्यक्रम संख्या 21जेके0908) द्वारा वित्त पोषित वैज्ञानिक अनुसंधान कार्यक्रम को स्वीकार करना चाहते हैं।

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

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References

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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).

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