JP2004117116A - 雪特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雪を圧縮させたときの圧縮力と体積変化とを計測し、雪の体積弾性特性を含む圧縮特性を高精度で測定しうる。
【解決手段】基台２に、サンプリングされた雪を収納しうる直筒状のサンプル容器６と、サンプル容器６の内腔と摺動しうるピストン７を荷重付加具１５で押し下げることにより雪を圧縮させる押し具８と、前記押し具８の押し下げの距離を測定する距離測定器１０とからなる雪の体積弾性特性測定手段３を設けた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雪を圧縮させたときの圧縮力と体積変化とを計測して雪の圧縮特性を測定しうる雪特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】
例えばスノータイヤ、スタッドレスタイヤなどの冬用タイヤの雪上走行性能は、雪質に依存してその性能が大きく影響される。従って、冬用タイヤの研究開発においてタイヤの雪上走行性能を正確に比較評価する場合、同じ雪質の基で測定されたテストデータ、即ち同コースで同時刻に測定されたテストデータしか互いに比較評価することができず、研究開発の著しい妨げとなっている。
【０００３】
そこで本発明者は、雪質を定量化して表示すべく研究を行った。その結果、
▲１▼　雪質、すなわち雪が有する特性のうち雪上走行性能への影響力が大きいものとして、圧縮特性および剪断特性があり、これらを定量化して表示すことにより、雪質を概ね掌握できること、
▲２▼　テストコースの場所、テストの日時や時間、及びテスト時の気象条件などのうちの何れか一つでも異なった条件下で測定したテストデータにおいても、前記雪の圧縮特性および剪断特性が略一致している場合には、互いのテストデータを比較評価しうること、などを究明し得た。
【０００４】
又このような雪の圧縮特性および剪断特性を定量化することにより、種々の雪質の基で測定されたテストデータを、該雪の圧縮特性及び／又は剪断特性によって補正することも可能となり、雪質が異なる条件下で測定したテストデータ間の比較評価の実現も期待できる。さらにこのような定量化は、タイヤの雪上走行性能をコンピュータシュミレーションする際の雪モデルのデータとして活用することも可能となる。
【０００５】
このうち、前記「圧縮特性」を説明すると、雪は弾塑性的な性質を有するため、例えば図５（Ａ）に示すように、雪に圧縮力を三軸方向から付加して圧縮させたときの体積変化と圧縮力との関係である圧縮特性は、図５（Ｂ）に模式的に示すようになる。すなわち、圧縮力Ｐの上昇に伴い、体積Ｖは非線形な曲線ｉに沿って減少して行くが、この圧縮過程で圧縮力を解除した際には、体積Ｖは、一定の弾性率（体積弾性率という）を有してある程度回復する。又回復状態から圧縮を再開した場合には、前記圧縮力を解除した位置ｊまで回復時の弾性変形直線ｋに沿って圧縮され、その後、前記曲線ｉに沿って塑性変形していく。このときの前記体積弾性率（弾性変形直線ｋの傾き）及び曲線ｉの形状が、雪質で相違し、主にタイヤの荷重反力、接地面形状などに大きく影響を与える。
【０００６】
なお建築分野では、土壌の圧縮破壊特性を測定する装置として、３軸圧縮試験装置が用いられている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
安川邦夫、今西清志、立石義孝著、「絵とき土質力学」オーム社、ｐ１２４−１２５
【０００８】
しかしこのものは、土壌を対象としたものであるため、装置構造が複雑かつ大型であり、屋外での測定を困難としている。なお雪の圧縮特性は、気象条件や地域によって大きく影響を受けるため、測定対象となる雪が存在している場所に測定装置を持ち込み、サンプリングした雪をその場所でサンプリングと同時に測定することが重要であるが、前記装置では大型であるためそれを困難とし、圧縮特性を正確に測定することができない。
【０００９】
又雪は、圧縮すると体積減少に伴い温度が上昇して融解（圧力融解）する傾向となるが、前記装置では構造が複雑であるため圧力融解を防止することが難しく、この点からも雪の圧縮特性の測定を正確に行うことはできない。
【００１０】
そこで本発明は、構造簡易かつコンパクトに形成しうるなど、測定場所への装置の携帯を便宜とし、サンプリングした雪をその場所でサンプリングと同時に測定しうるとともに、測定時の圧力融解による雪の変質を抑えることが可能となり、体積弾性特性を含む雪の圧縮特性を高精度で測定でき、雪質の定量化に大きく貢献しうる雪特性測定装置の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、雪を圧縮させたときの圧縮力と体積変化とを計測して雪の圧縮特性を測定する雪特性測定装置であって、
基台に、
サンプリングされた雪を収納しうる直筒状のサンプル容器と、
前記サンプル容器の内腔と摺動して、内腔内の雪の上面又は下面に当接するピストンを具え、かつ該ピストンを荷重付加具により押し下げる又は押し上げることにより該雪を圧縮させる押し具と、
前記ピストンの押し下げ又は押し上げの距離を測定する距離測定器とからなる雪の体積弾性特性測定手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
又請求項２の発明では、前記サンプル容器は、その少なくとも一部が外部に露出して前記基台に支持されることを特徴としている。
【００１３】
又請求項３の発明では、前記サンプル容器を冷却でき、前記サンプル容器内の雪が圧力融解するのを防止する冷却手段を具備したことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を、図示例とともに説明する。図１は本発明の雪特性測定装置を示す斜視図、図２はその正面図、図３はその側面図である。
【００１５】
図１〜３において、本実施形態の雪特性測定装置１は、基台２に、雪Ｗの体積弾性特性測定手段３を設けることにより構成され、これによって、雪の体積弾性特性を含む圧縮特性を高精度で測定する。
【００１６】
前記基台２は、例えば四隅に設ける脚部５によって高さ調整自在に水平支持される板状の基台部２Ａと、この基台部２Ａ上に立設される支柱部２Ｂとを具え、測定現場における屋外での装置の据え付けを可能としている。
【００１７】
又前記体積弾性特性測定手段３は、サンプリングされた雪Ｗを収納しうる直筒状のサンプル容器６と、前記サンプル容器６内の雪Ｗの上面に当接するピストン７を有しかつこのピストン７を押し下げることにより該雪Ｗを圧縮させる押し具８と、前記ピストン７の押し下げの距離を測定する距離測定器１０とから構成される。なお押し具８として、本例以外に、ピストン７を雪Ｗの下面に当接せしめ、このピストン７を押し上げることにより雪Ｗを圧縮させる如く構成させることもできる。
【００１８】
前記サンプル容器６は、サンプリングされた雪Ｗを収納する直円筒状の胴部６Ａと、その下端を閉じる着脱自在な底部６Ｂとからなり、この底部６Ｂには収納した雪Ｗからの水分を排出しうる小孔状或いは小溝状をなす排水手段（図示しない）を設けている。又前記胴部６Ａは、本例では、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネ−ト樹脂などの透明プラスチックで形成され、これにより内部の雪Ｗの圧縮状態を透視可能に形成している。
【００１９】
ここで、雪は圧縮すると体積減少に伴って温度上昇し圧力融解を起こすなど雪質を変化させる性質があり、従って、圧縮特性を正確に測定するためには、圧縮による温度上昇を抑えて圧力融解を防止することが重要である。そのためには、サンプル容器６を、その少なくとも一部を外部に露出させて前記基台２に支持せしめ、内部の雪Ｗをサンプル容器６とともに露出部分から自然冷却させる、及び／又はドライアイスなどを露出部分に付着させて強制冷却させることが好ましい。
【００２０】
このとき、冷却効果をより高めるためは、サンプル容器６の胴部６Ａを薄肉化して熱伝導を良くするとともに、露出部分を多く確保することが必要である。そこで本例では、一方では、前記透明プラスチックとして剛性の高いポリカーボネ−ト樹脂を用い、必要な耐圧強度を確保しつつ前記胴部６Ａを薄肉化している。又他方では、前記胴部６Ａの上端部側を支持手段１３を用いて支持し、これによって胴部６Ａの少なくとも下半分より広い領域を外部に露出させている。
【００２１】
又前記支持手段１３は、前記支柱部２Ｂに固定の第１の支持板片１３Ａと、その前面に蝶ネジ状の取付けネジ１４を介して着脱自在に取り付けられる第２の支持板片１３Ｂとから形成される。そして、前記胴部６Ａは、この支持板片１３Ａ、１３Ｂ間に形成される例えば断面菱形状の支持孔１３Ｈ内に狭持され、垂直にかつ着脱自在に支持される。
【００２２】
次に、前記押し具８は、サンプル容器６内の雪Ｗ上面に当接するピストン７と、該ピストン７に荷重を付加して押し下げることにより該雪Ｗを圧縮させる荷重付加具１５とを具えるとともに、この荷重付加具１５では、付加する荷重を掌握可能に構成している。
【００２３】
前記ピストン７は、前記サンプル容器６の内腔面と摺動しうるピストンヘッド７Ａ（図２、３に示す）と、このピストンヘッド７Ａよりも小径をなしかつ上方に向かって一体にのびる胴部７Ｂとを具え、この胴部７Ｂの上端に荷重付加具１５が同軸状に連結される。
【００２４】
ここで、前記ピストンヘッド７Ａでは、摺動の際の前記内腔面との摩擦熱の発生を抑え、摩擦熱による雪の融解を防止するために、例えばテフロン（デュポン社の商標）等の摩擦抵抗が低いポリフルオルエチレン樹脂を使用することが好まし。又このピストンヘッド７Ａでは、前記内腔面との間のクリアランスが小さいと、圧縮時或いはサンプル封入時、ピストンヘッド７Ａと内腔面との間に僅かに存在する水分が、測定時の環境温度によって凍結してしまい、ピストン７が摺動できない、或いは圧縮力が正確に雪に伝達されなくなるという問題が発生する。従って、前記クリアランスは、好ましくは０．０５〜１．０ｍｍ、さらには０．１〜０．５ｍｍに設定するのが好ましい。
【００２５】
又前記荷重付加具１５として、図１に示すように、本例では、ボールネジ機構を用いて形成した場合を例示する。この荷重付加具１５は、前記支柱部２Ｂに設けるガイド１７によって上下移動自在に案内される昇降台１８と、下端部が前記昇降台１８に枢着されかつ上端部に手操作用のハンドル１９Ａを形成した垂直なネジ軸１９と、前記支柱部２Ｂの上端部に取付板を介して固定されかつ前記ネジ軸１９と螺合するナット金具２０とを具える。なお本例では、前記昇降台１８と前記ピストン７の上端部とを継ぎ部材２１を介して連結した場合を例示しているが、継ぎ部材２１を介することなく直接連結しても良い。
【００２６】
このように、本例の荷重付加具１５では、前記ネジ軸１９がハンドル操作によって螺進することにより、自在な距離を昇降台１８とともに一体に下降でき、同軸状に連結されるピストン７を押し下げることにより、前記サンプル容器６内の雪Ｗを圧縮できる。このとき、ピストン７に付加する荷重である雪Ｗからの反力、即ち雪Ｗへの圧縮力は、本例では、前記ピストン７と継ぎ部材２１との間、或いは昇降台１８との間に介在させるロードセルなどのセンサによって測定できる。なおセンサとして、例えば圧電効果を利用した圧電式力センサ、磁気歪現象を利用した磁わい式力センサなど、種々のものを適宜採用することができる。
【００２７】
又前記荷重付加具１５としては、前記ボールネジ機構以外にも、例えば、予め質量を測定しておいた錘を用いることもできる。即ち、種々の質量の錘を複数準備し、前記昇降台１８上、或いは垂直に支持したピストン７上に直接錘を乗せることにより、ピストン７を押し下げて雪Ｗを圧縮させる。このとき、雪Ｗへの圧縮力は、前記ピストン７と錘との質量の和（昇降台１８等を有するときは昇降台１８等の質量も含める）で表すことができ、またこれらの各質量を予め計測しておくことで、前記圧縮力を掌握できる。かかる場合には、装置構造をさらに簡易化かつ小型化しうるため、携帯性を高める上でより好ましいものとなる。
【００２８】
又前記雪Ｗの圧縮による体積変化は、前記押し具８の押し下げの距離を測定する距離測定器１０により測定される。この距離測定器１０として、本例では、図１の如く、検出スケール１０Ａと、この検出スケール１０Ａに沿った移動距離を検出する検出ヘッド１０Ｂとからなる所謂リニアスケールを使用している。前記検出スケール１０Ａは、前記支柱部２Ｂに取付金具を介して垂直に取り付けられ、又前記検出ヘッド１０Ｂは、前記昇降台１８に一体移動可能に取り付けられる。なおリニアスケールとして光学式、電磁式の種々のものが適宜使用できる。
【００２９】
このように前記雪特性測定装置１は構成されるため、構造簡易かつコンパクトに形成しうるなど装置の携帯を便宜としている。従って、測定対象となる雪が存在している場所に装置を持ち込み、サンプリングした雪をその場所でかつサンプリングと同時に測定することが可能となる。
【００３０】
又サンプル容６器は、その少なくとも一部、本例では、胴部６Ａの下半分以上の広い領域を外部に露出させている。従って、屋外で測定する際、その広い露出部分を冷たい外気にさらすことができ、内部の雪を自然冷却しうるなど、圧力融解による雪の変質を抑え、前記測定現場への装置の持ち込みと相俟って、雪の圧縮特性を高精度で測定することが可能となる。
【００３１】
特に、前記圧力融解による雪の変質をより確実に抑制するため、サンプル容器６を強制冷却しうる冷却手段２３を具備させることが好ましい。この冷却手段２３は、本例では、ＬＰガスなどの液体ガスを収容した所謂冷却スプレー２３Ａであって、圧縮時、サンプル容器６の前記露出部分に噴射することにより強制冷却でき、内部の雪の圧力融解をより確実に抑制しうる。
【００３２】
次に、本実施形態の雪特性測定装置１を用いて、雪の圧縮特性を測定する場合を説明する。
【００３３】
測定対象となる雪が存在している場所（測定現場）に装置を持ち込んで設置する。又この測定現場で採取した雪のサンプルを、サンプル容器６内に収納するとともに、このサンプル容器６を装置１にセットする。しかる後、荷重付加具１５へのハンドル操作により、ピストン７が雪上面と当接する高さ位置等である基準位置までピストン７を下降させる。そして、
▲１▼　ピストン７を徐々に押し下げ、雪を圧縮していくときの、前記基準位置からの押し下げ距離と、圧縮力に相当するロードセルからの出力とを同時に測定する；
▲２▼　その後、ピストン７を徐々に押し上げ、圧縮力を徐々に解放したときの、前記基準位置からの押し下げ距離と、ロードセルからの出力とを同時に測定する；
▲３▼　前記▲１▼、▲２▼を順次繰り返しながら、雪を次第に圧縮していく。なおピストン７の押上げ／押下げ速度は、０．０１〜５ｍｍ／秒の範囲とするのが好ましい。
【００３４】
これにより、測定した押し下げ距離とロードセルからの出力とから、図４に例示するように、前記体積変化Ｖと圧縮力Ｐとの関係である圧縮特性がわかり、特に、曲線ｉから塑性変形の限界を、又直線ｋの傾きから体積弾性率を夫々得ることができる。
【００３５】
このとき、圧縮による雪の温度上昇を抑え、圧力融解等による雪質の変動を抑制するため、サンプル容器６の露出部分に冷却スプレ２３Ａを噴射して強制冷却を行う。これにより、体積弾性率を含む圧縮特性をより正確に測定することができる。
【００３６】
なお同図には、名寄テストにおいて採取した雪温−２℃における雪のサンプルの圧縮特性（測定温度−２℃）を示している。
【００３７】
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は叙上の如く構成しているため、装置を構造簡易かつコンパクトに形成しうるなど、測定場所への装置の携帯を便宜とし、サンプリングした雪をその場所でサンプリングと同時に測定しうるとともに、測定時の圧力融解による雪の変質を抑えることが可能となり、体積弾性特性を含む雪の圧縮特性を高精度で測定でき、雪質の定量化に大きく貢献しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の雪特性測定装置の一実施例を示す斜視図である。
【図２】その正面図である。
【図３】その側面図である。
【図４】本装置によって測定した体積変化と圧縮力との関係を示す線図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は雪特性のうちの圧縮特性を説明する線図である。
【符号の説明】
１　　　雪特性測定装置
２　　　基台
３　　　体積弾性特性測定手段
６　　　サンプル容器
７　　　ピストン
８　　　押し具
１０　　距離測定器
１５　　荷重付加具
２３　　冷却手段

Claims (3)

1. 雪を圧縮させたときの圧縮力と体積変化とを計測して雪の圧縮特性を測定する雪特性測定装置であって、
   基台に、
   サンプリングされた雪を収納しうる直筒状のサンプル容器と、
   前記サンプル容器の内腔と摺動して、内腔内の雪の上面又は下面に当接するピストンを具え、かつ該ピストンを荷重付加具により押し下げる又は押し上げることにより該雪を圧縮させる押し具と、
   前記ピストンの押し下げ又は押し上げの距離を測定する距離測定器とからなる雪の体積弾性特性測定手段を設けたことを特徴とする雪特性測定装置。
2. 前記サンプル容器は、その少なくとも一部が外部に露出して前記基台に支持されることを特徴とする請求項１記載の雪特性測定装置。
3. 前記サンプル容器を冷却でき、前記サンプル容器内の雪が圧力融解するのを防止する冷却手段を具備したことを特徴とする請求項１又は２記載の雪特性測定装置。

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