קביעת מקדמי החיכוך של מדרכות קפואות תחת כמויות שונות של שלג
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.
Protocol
Representative Results
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 בה…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לתוכנית המחקר המדעית הממומנת על ידי מחלקת החינוך המחוזית של שאאנשי (תוכנית מס ’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 |
Referências
- Rajamani, R., Piyabongkarn, N., Lew, J., Yi, K., Phanomchoeng, G. Tire-road riction-coefficient estimation. IEEE Control Systems Magazine. 30 (4), 54-69 (2010).
- 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).
- Kuttesch, J. S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data. Virginia Tech. , (2004).
- Juga, I., Nurmi, P., Hippi, M. Statistical modelling of wintertime road surface friction. Meteorological Applications. 20 (3), 318-329 (2013).
- Zhang, Y. The optimum amount of road deicing salt in humid areas. Advances in Engineering Research. 153 (2017), 283-290 (2017).
- Haavasoja, T., Pilli-Sihvola, Y. Friction as a measure of slippery road surfaces. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2010).
- Norrman, J. Slipperiness on roads-an expert system classification. Meteorological Applications. 7 (1), 27-36 (2000).
- 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).
- 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).
- Waluś, K. J., Olszewski, Z. Analysis of tire-road contact under winter conditions. Proceedings of the World Congress on Engineering. WFEO and UNESCO. , (2011).
- 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).
- Hunter, J. E. Reconstructing collisions involving ice and slippery surfaces. SAE Transactions. 102, 1425-1436 (1993).
- Hayhoe, G., Shapley, C. Tire force generation on ice. Journal of Passenger Cars. 98 (6), 30-38 (1989).
- Peng, X., Xie, Y., Guo, K. A new method for determining tire traction on ice. SAE 2000 Automotive Dynamics & Stability Conference. , (2000).
- Klapproth, C., Kessel, T., Wiese, K., Wies, B. An advanced viscous model for rubber-ice-friction. Tribology International. 99, 169-181 (2016).
- Lahayne, O., et al. Rubber friction on ice: experiments and modeling. Tribology Letters. 62 (2), 17 (2016).
- Hippi, M., Juga, I., Nurmi, P. A statistical forecast model for road surface friction. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2010).
- Ivanović, V., et al. Experimental identification of dynamic tire friction potential on ice surfaces. Vehicle System Dynamics. 44 (1), 93-103 (2006).
- 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).
- 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).
- Norem, H. Selection of strategies for winter maintenance of roads based on climatic parameters. Journal of Cold Regions Engineering. 23 (4), 113-135 (2009).
- 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).
- Henry, J. J. Evaluation of pavement friction characteristics. Transportation Research Board. , (2000).
- ASTM International. ASTM E303-93. Standard Test Method for Measuring Surface Frictional Properties Using the British Pendulum Tester. ASTM International. , (2018).
- ASTM International. ASTM D6926-20. Standard Practice for Preparation of Asphalt Mixture Specimens Using Marshall Apparatus. ASTM International. , (2020).
- Oliver, J. W., Tredrea, P., Pratt, D. Seasonal variation of skid resistance in Australia. Special Report No 37. Australian Road Research Board. , (1988).
- Steven, B. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Temperature Corrections and Operator/Machine Variability. University of California Pavement Research Center Davis and Berkely. , (2009).
- Transport Research Laboratory. BS 7976-2:2002. Pendulum testers – Method of operation. Transport Research Laboratory. , (2002).
- Lu, Q. Friction testing of pavement preservation treatments: Literature review. UC Davis: University of California Pavement Research Center. , (2006).
- 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).
