تحديد معاملات الاحتكاك للأرصفة الجليدية تحت كميات مختلفة من تساقط الثلوج
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.
Protocol
Representative Results
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 عين…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن ينوهوا ببرنامج البحث العلمي الممول من إدارة التعليم في مقاطعة شنشي (البرنامج رقم 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 |
References
- 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).
