Bezpieczeństwo użytkowników wojskowych pojadów mechanicznych w zdarzeniach drogowych

Transkrypt

1 BORKOWSKI Wacław 1 HRYCIÓW Zdzisław 2 RYBAK Piotr 3 WYSOCKI Józef 4 PAPLIŃSKI Krzysztof 5 Bezpieczeństwo użytkowników wojskowych pojadów mechanicznych w zdarzeniach drogowych WSTĘP W Instytucie Pojazdów Mechanicznych i Transportu Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej pracuje zespół, który od wielu lat zajmuje się problemem szeroko rozumianej dynamiki pojazdów mechanicznych zarówno w zakresie badań eksperymentalnych jak i modelowych. Jednym z obszarów zainteresowania zespołu są prace naukowe obejmujące zapewnienie bezpieczeństwa biernego środków transportowych [1, 2, 7, 8]. Wśród wielu zagadnień związanych z szeroko rozumianym bezpieczeństwem, istnieje grupa zagadnień związanych z wykorzystaniem pojazdów mechanicznych do transportu żołnierzy lub innych wozów bojowych (kołowy transporter opancerzony, czołg) do zadań specjalnych, w ramach których może wystąpić również celowo wywołane zderzenie pojazdu z przeszkodą drogową [10]. Przykładem mogą być różnego rodzaju taranowanie infrastruktury budowlanej (bramy, barykady, mury, obiekty ruchome itp.) lub udrażnianie ulic, wąskich przejść, na których pozostawiono urządzenia lub niesprawne pojazdy tarasujące przejazd kolumn pojazdów itp. W odniesieniu do realizowanych zadań, kierowcy pojazdów niejednokrotnie muszą podejmować decyzje, które w normalnych warunkach są niedopuszczalne. Zadania te, ze względu na swój charakter nie podlegają uregulowaniom normatywnym, ale dotyczą bezpieczeństwa załogi wozu bojowego. Niezbędne są w tych przypadkach podstawowe wiadomości związane z parametrami ruchu pojazdu: prędkość, masa, przebiegi czasowe przyspieszeń oraz ich wartości maksymalnych oddziaływujących na załogę i konstrukcję pojazdu [11]. W Wojsku Polskim najczęściej do transportu żołnierzy wykorzystywane są pojazdy średniej ładowności wysokiej mobilności jak np. STAR 266 czy Iveco Eurocargo. Ponad 60% pojazdów wykorzystywanych do transportu drogowego żołnierzy ma za sobą ponad 20 lat służby, a podczas ich projektowania niewielką uwagę poświęcano warunkom i systemom bezpieczeństwa. W związku z tym wyposażenie tych pojazdów w bierne i aktywne system bezpieczeństwa jest znikome. Pomimo braku systemów bezpieczeństwa dla żołnierzy znajdujących się w skrzyni ładunkowej pojazd ten nadal jest i będzie jeszcze przez wiele lat wykorzystywany. W pracy podjęto próbę oszacowania wpływu rozmieszczenia żołnierzy na skrzyni ładunkowej samochodu ciężarowego na poziom ich bezpieczeństwa w czasie zderzenia z małymi prędkościami. 1. ZAKRES BADAŃ NUMERYCZNYCH Przewóz osób na skrzyni ładunkowej samochodu ciężarowego jest nietypowy i spotykany w zasadzie wyłącznie w przewozach wojskowych. Ponieważ nie ma specjalnych unormowań i wskaźników służących do oceny bezpieczeństwa przewożonych w ten sposób osób, dlatego w pracy przyjęto zespół wskaźników i parametrów stosowanych w badaniach samochodów osobowych 1 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Warszawa 49 2 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Warszawa 49 3 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Warszawa 49 4 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Warszawa 49 5 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Warszawa

2 z użyciem manekinów badawczych. Podstawowym celem badań numerycznych było określenie poziomu obciążeń dynamicznych działających na przewożonych na skrzyni ładunkowej pojazdu żołnierzy w wyniku zderzenia czołowego z przeszkodą przy prędkości początkowej 20 km/h. W takiej sytuacji opóźnienia skrzyni ładunkowej osiągają wartość około 20 g, a czas ich trwania wynosi około 100 ms. Do badań przyjęto trzy warianty rozmieszczenia manekinów względem nadwozia pojazdu: ławki rozmieszczone poprzecznie do kierunku jazdy, a manekiny obrócone tyłem do kierunku jazdy, ławki umieszczone na środku skrzyni ładunkowej wzdłuż kierunku jazdy, manekiny umieszczone bokiem, ławki umieszczone wzdłuż burt pojazdu, a manekiny umieszczone bokiem. We wszystkich wariantach obserwowano przemieszczenia manekinów, obliczono wartości przyspieszeń i sił w poszczególnych elementach manekinów, a także obliczano wskaźniki i parametry oceny. 2. WSKAŹNIKI OCENY BEZPIECZEŃSTWA ŻOŁNIERZY W celu określenia jednoznacznych kryteriów oceny wyników symulacji, oprócz wyznaczania przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń, stosowano poniżej zdefiniowane wskaźniki i parametry oceny. Wskaźnik HIC (Head Injury Criterion) określany jest jako maksymalna wartość całki w przedziale t1 do t2 z całego czasu trwania próby [4] (1) gdzie: - wynikowe opóźnienie środka masy głowy wyrażone w jednostkach przyspieszenia ziemskiego g (1 g = 9,81 m/s2); (t2 t1) przedział czasu, najczęściej stosowany 36 ms, dla których obliczony wskaźnik HIC osiąga wartość maksymalną podczas trwania próby. Wartości wskaźnika HIC36 powinny osiągać wartość mniejszą od 1000 (odpowiednio 1350 dla HIC15). Wartości powyżej tej wartości oznaczają poważne zagrożenie życia dla osób znajdujących się w badanym pojeździe, w tym wystąpienie ponad 20% prawdopodobieństwa uszkodzenia głowy [4]. Maksymalna wartość wynikowego przyspieszenia środka masy głowy. Jego wartość nie powinna przekroczyć 80 g w czasie dłuższym niż 3 ms, większe wartości stanowią niebezpieczeństwo dla zdrowia i życia człowieka [4]. Maksymalne wartości sił rozciągających i zginających kark. Wartości dopuszczalne siły (ścinających i rozciągających), które ciało człowieka może znieść nie odnosząc urazu związane są z czasem ekspozycji - podobnie jak wartości przyspieszeń. Szczegóły wg EURO NCAP zawarto w [4]. Momenty zginające kark. Wyznacza się je podobnie jak siły, a dopuszczalne wartości dla poszczególnych stanów obrażeń (od ich braku - mniej niż 42 Nm do śmiertelnych - powyżej 57 Nm) przedstawione w [4]. 3. MODEL SYMULACYJNY Badania symulacyjne przeprowadzono wykorzystując model skrzyni ładunkowej samochodu ciężarowo-terenowego STAR 266 wyposażonej w miejsca (ławki) do przewozu żołnierzy [3]. 122

3 Fot. 1. Wzdłużne środkowe ustawienie ławek na skrzyni ładunkowej pojazdu STAR 266. Źródło: [3] W celu oceny narażenia żołnierzy na obciążenia dynamiczne działające w trakcie zderzenia pojazdu z przeszkodą, konieczne było jego uzupełnienie o modele manekinów badawczych HYBRYD III. Do badań przyjęto 50 percentylowy model mężczyzny w pozycji siedzącej, stanowiący dobre odwzorowanie średniej w populacji mężczyzn. Zastosowany model został opracowany i zweryfikowany przez Livermore Software Technology Corporation [10]. Obliczenia zrealizowano w systemie LS - DYNA [6, 9]. Analogicznie do manekinów badawczych zastosowany model wyposażony jest w akcelerometry umożliwiające określenie przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń części ciała ważnych z punktu widzenia zagrożenia dla życia ludzkiego, w tym między innymi: głowy, karku i klatki piersiowej. Tego typu modele manekinów, pomimo głównego zastosowania w testach zderzeniowych samochodów, są również z powodzeniem stosowane m.in. w badaniach skuteczności urządzeń ochrony żołnierzy przed działaniem środków rażenia przeciwnika oraz badań obciążeń dynamicznych działających na członków załóg wozów bojowych [3, 7]. W trakcie przewozu na skrzyni ładunkowej samochodu żołnierze aktualnie nie stosują pasów bezpieczeństwa. Dlatego też w trakcie działania przyspieszeń, będących np. wynikiem hamowania lub zderzenia z innymi pojazdami lub obiektami, mogą wystąpić ich duże niekontrolowane przemieszczenia i w efekcie zderzenia ze sztywnymi elementami nadwozia pojazdu (np. ławki i burty) lub elementami indywidualnego wyposażenia. Na rysunku 1 przedstawiono umiejscowienie manekinów na skrzyni ładunkowej pojazdu. a) b) Rys. 1. Rozmieszczenie manekinów na skrzyni ładunkowej: a) równolegle do osi wzdłużnej pojazdu, b) poprzecznie do osi wzdłużnej pojazdu (źródło własne). 123

4 4. WYNIKI BADAŃ NUMERYCZNYCH PODCZAS ZDERZENIA Z PRZESZKODĄ Do badań symulacyjnych przyjęto dwa warianty. Pierwszy, w którym manekiny badawcze w liczbie trzech rozmieszczono na ławce równolegle do osi wzdłużnej pojazdu (rysunek 1a) oraz drugi, w którym sześć manekinów rozmieszczono na ławkach ustawionych poprzecznie do wzdłużnej osi pojazdu (rysunek 1b). Manekiny ponumerowano w kolejności ich rozmieszczenia względem przodu pojazdu (od lewej strony). Na rysunku 2 przedstawiono fazy ruchu manekinów przedstawionych na rysunku 1b, w różnych czasach zderzenia. W trakcie zderzenia następuje dynamiczne odchylenie manekinów do tyłu i uderzenie tułowia w kolana poprzedników. Powoduje to gwałtowne wyhamowania tułowia skutkujące mocnym odchyleniem głowy do tyłu. Następuje ponadto zderzenie głów manekinów w pierwszym i drugim rzędzie. t = 0 ms t = 200 ms t = 400 ms t = 600 ms t = 800 ms t = 1000 ms Rys. 2. Fazy ruchu manekinów umieszczonych na ławkach ustawionych poprzecznie do osi wzdłużnej pojazdu (źródło własne). Na rysunku 3 przedstawiono wyniki symulacji otrzymane dla wariantu umieszczenia manekinów zgodnie z rysunkiem 1a. W tym przypadku następuje gwałtowne dosunięcie manekinów do przodu, a następnie ich odbicie do tyłu. Widoczny jest również zdecydowanie większy ruch kończyn zauważalne jest wyrzucenie nóg do przodu co powoduje częściowe zsunięcie z ławki. 124

5 t = 0ms t = 200ms t = 400ms t = 600ms t = 800ms t = 1000ms Rys. 3. Fazy ruchu manekinów umieszczonych na ławkach wzdłuż osi wzdłużnej pojazdu (źródło własne). Poniżej zestawiono istotne i rozpatrywane z punktu widzenia bezpieczeństwa ludzi, wskaźniki stanowiące miarę zagrożenia osób znajdujących się na skrzyni transportowej pojazdu. Na rysunku 4 zestawiono maksymalne wartości przyspieszeń środka masy głowy dla analizowanych przypadków badań. Podczas zderzeń z przeszkodą maksymalne wartości odnotowano dla manekinów znajdujących się na pierwszej ławce. Jest to spowodowane przesunięciem ciał manekinów w kierunku przedniej ściany i gwałtownym uderzeniem o opończę. Znaczące wartości zanotowano również dla poprzecznego ustawienia ławek. 125

6 Rys. 4. Maksymalne przyspieszenia środka masy głowy (źródło własne). Skutkiem tego są również dużo większe wartości wskaźnika HIC (rysunek 5). Dla manekina 1 w pierwszy wariancie osiągnął on wartość 380. Oznacza to dla żołnierzy znajdujących się w tym miejscu coraz poważniejsze zagrożenia zdrowia. Rys. 5. Rozkład wskaźnika HIC dla różnych kombinacji rozmieszczenia manekinów (źródło własne). Na rysunku 6 zestawiono maksymalne wartości sił rozciągających kark. I dla tego wskaźnika obserwuje się największe zagrożenie dla przypadku poprzecznego umieszczenia ławek. Pomimo krótkiego czasu trwania, chwilowe wartości sił są bliskie wartości granicznej 3,3 kn. Najmniej niebezpieczny, z punktu widzenia sił działających na kark, okazał się wariant umieszczenia manekinów wzdłuż burty. 126

7 Rys. 6. Rozkład maksymalnych wartości siły rozciągającej kark dla różnych kombinacji rozmieszczenia manekinów (źródło własne). Powyższe znajduje również potwierdzenie w odniesieniu do momentów zginających kark. Dla poprzecznego ustawienia ławek wartość momentu dla wszystkich manekinów przekroczyła dopuszczalną wartość 57 Nm. W trakcie wyhamowywania sylwetek manekinów nastąpiło mocne odchylenie głów do tyłu (widoczne to jest również na rysunku 7). Rys. 7. Rozkład maksymalnych wartości momentu zginającego kark dla różnych kombinacji rozmieszczenia manekinów (źródło własne). WNIOSKI Analizując otrzymane wyniki badań numerycznych, można stwierdzić, że zagrożenie dla żołnierzy przewożonych na skrzyni ładunkowej związane jest z ich umiejscowieniem, ale jest również zależne od poziomu działającego wymuszenia. Podczas działania opóźnień charakteryzujących się większą intensywnością, będących np. skutkiem zderzenia pojazdu z przeszkodą, żołnierze zajmujący pierwsze miejsce za kabiną poddani są działaniu największych obciążeń. Jest to szczególnie widoczne dla poprzecznego ustawienia ławek. W tym przypadku wartość wskaźnika HIC dla pierwszego manekina jest około 2,5 razy większa niż dla manekina w drugim rzędzie. Dla pozostałych wskaźników różnice nie są już takie duże, ale nadal istotne (najmniejsze dla sił rozciągających kark większe o około 30% dla manekina pierwszego). Porównując rozpatrywane sposoby ustawienia ławek można stwierdzić, że bezpieczniejsze jest ich umieszczenie przy burtach pojazdu. Dla symulowanego zderzenia, praktycznie wszystkie wskaźniki przyjęły mniejsze wartości dla takiego właśnie wariantu rozmieszczenia. Największe zagrożenie związane jest z przewożeniem osób na ławkach umieszczonych prostopadle do kierunku jazdy (jest 127

8 ono jednak najczęściej wykorzystywane ze względu na największą liczbę możliwą do przewiezienia osób). Brak punktów oparcia w czasie zdarzeń powoduje powstawanie dużych niekontrolowanych przemieszczeń, a to w końcowym efekcie powoduje uderzanie w ciało innego żołnierza lub w twarde elementy wyposażenia wewnętrznego. Efektem jest prawdopodobieństwo powstania poważnych obrażeń. Streszczenie W pracy przedstawiono wybrane zagadnienia związane bezpieczeństwem użytkowania wojskowych pojazdów mechanicznych. Opisano podstawowe sposoby transportu żołnierzy na samochodach ciężarowych oraz najważniejsze czynniki wpływające na ich bezpieczeństwo. Przeanalizowany został wpływ umieszczenia żołnierzy na samochodzie ciężarowym na poziom ich bezpieczeństwa. Obliczenia zrealizowano dla małej prędkości zderzenia. A safety of users of military vehicles during traffic incydent Abstract The paper presents selected issues related to safety of use of military vehicles. Basic methods of soldiers transportation on military trucks was described as well as the most important factors affecting their safety. An impact of soldiers location on a truck on the level of their security was analysed. Calculations were carried out for low speed collision. BIBLIOGRAFIA 1. Borkowski W., Hryciów Z., Rybak P., Wysocki J., Numerical simulation of the standard TB11 and TB32 tests for a concrete safety rarrier, Journal of Kones, Vol. 17, No 4, Borkowski W., Hryciów Z., Rybak P., Wysocki J., The researches of effectiveness of road restraint systems, Safety and Reliability Systems, Journal of KONBiN, No. 1, (13), Czuba K., Analiza stanu bezpieczeństwa osób w środkach transportowych Sił Zbrojnych Rzeczypospolitej Polskiej. Praca magisterska w WAT, kierownik pracy Hryciów Z. Niepublikowana, Warszawa, European New Car Assessment Programme (Euro NCAP). Assessment protocol adult occupant protection. Version 5.2, June Guha, S., Bhalsod, D., Krebs, J., LSTC Hybrid III Dummies. Positioning & Post-Processing. Dummy Version: LSTC.H _v1.0, Livemore Software Technology Corporation Michigan Hallquist J. O.: LS-DYNA. Keyword User s Manual, V971 R4 Beta, LSTC Co., CA, USA, Hryciów Z., The assessment of the influence of selected passive safety systems on the level of dynamic loads of soldiers during collision. Journal of KONES, Vol. 20, no Hryciów Z., Borkowski W., Wysocki J., Rybak P., Wisniewski A., Badania eksperymentalne bezpieczeństwa załogi transportera opancerzonego podczas zderzenia z przeszkodą. Archiwum Motoryzacji, vol. 61, no. 3, Warszawa LS-DYNA Keyword User s Manual. Version 971, Livemore Software Technology Corporation, Livermore, Orłowski L., Pędzisz M., Rzymkowski C., Wyniki wstępnych badań eksperymentalnych oraz komputerowej symulacji zagrożenia osób w trakcie uderzenia w przeszkodę wojskowego samochodu terenowego, Journal of Kones, Vol. 14, No. 3, Wicher J., Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego, WKiŁ, Warszawa,