KONCEPCJA SYMULOWANIA WYPADKÓW PODNOŚNIKOWYCH WÓZKÓW JEZDNIOWYCH SPOWODOWANYCH UTRATĄ STATECZNOŚCI Z WYKORZYSTANIEM METOD NUMERYCZNYCH

Transkrypt

1 Mgr inż. Marcin MILANOWICZ Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy ul. Czerniakowska 16, Warszawa KONCEPCJA SYMULOWANIA WYPADKÓW PODNOŚNIKOWYCH WÓZKÓW JEZDNIOWYCH SPOWODOWANYCH UTRATĄ STATECZNOŚCI Z WYKORZYSTANIEM METOD NUMERYCZNYCH Streszczenie: W artykule przedstawiono koncepcję badania wypadków podnośnikowych wózków jezdniowych z wykorzystaniem metod numerycznych. Do badań wykorzystane będą dwie metody: elementów skończonych (MES) i układów wieloczłonowych (MB). Badania skupiają się na wypadkach związanych z utratą stateczności prowadzącą do przewrócenia wózka wraz z operatorem. Dzięki symulacji numerycznej możliwe jest zbadanie wielu konfiguracji wypadków, oszacowanie urazów, jakich doznałby operator, gdyby wypadek wydarzył się w rzeczywistości oraz przetestowanie i dobór zabezpieczeń wózków jezdniowych chroniących przed skutkami przewrócenia wózka. Wstępne wyniki symulacji opisano w artykule. THE CONCEPT OF FORKLIFT ACCIDENT SIMULATION, CAUSED BY LOSS OF STABILITY, WITH THE USE OF NUMERICAL METHODS Abstract: The paper presents concept of forklift accident simulation with the use of numerical methods. Finite element method and multibody systems will be used in the research. The study focuses on the accidents occurred subsequent to the forklift tipping over sideways. With the numerical simulation it is possible to investigate multiple configurations of accidents, injuries evaluation, testing and selection of forklift restraint systems. Preliminary simulation results describe in the article. Słowa kluczowe: podnośnikowe wózki jezdniowe, metody numeryczne, symulacja numeryczna, metoda elementów skończonych, metoda układów wieloczłonowych Keywords: forklifts, numerical methods, numerical simulation, finite element, multibody systems 1. WPROWADZENIE W Polsce zarejestrowanych jest blisko podnośnikowych wózków jezdniowych. Według danych statystycznych Państwowej Inspekcji Pracy, co roku dochodzi średnio do 90 wypadków z ich udziałem. W wyniku tych wypadków poszkodowanych zostaje blisko 100 osób, z czego ok ponosi śmierć. Głównymi przyczynami są błędy człowieka (54%) oraz niewłaściwa organizacja pracy (40%) [1]. Najniebezpieczniejsze wypadki z udziałem wózków jezdniowych spowodowane są utratą stateczności skutkującą 423

2 przewróceniem się wózka wraz z operatorem. Tego typu wypadki stanowią blisko 45% wypadków ciężkich i śmiertelnych z udziałem wózków jezdniowych, przy czym 60% tych wypadków kończy się śmiercią operatora 1. Podobnie sytuacja przedstawia się w innych krajach europejskich. Dla przykładu według danych Instytutu INRS (Institut National de Recherche et de Securite) z Francji, rokrocznie 63% śmiertelnych wypadków z udziałem wózków jezdniowych spowodowanych jest ich przewróceniem wraz operatorem, przy czym w większości przypadków operatorzy nie mieli zapiętych pasów bezpieczeństwa [2]. W Polsce każdy wózek jezdniowy musi być wyposażony w zabezpieczenia ograniczające ryzyko związane z jego przewróceniem. Zabezpieczenia te mogą być stosowane wymiennie i są to: kabina dla operatora lub konstrukcja zapobiegająca wywróceniu się albo konstrukcja zapewniająca dostateczną wolną przestrzeń między podłożem i określonymi częściami wózka jezdniowego dla przewożonych pracowników, na wypadek wywrócenia się bądź konstrukcja zabezpieczająca pracownika znajdującego się na miejscu kierowcy, aby nie został przygnieciony przez części wywracającego się wózka [3]. Jak wynika ze statystyk, mimo obowiązkowych zabezpieczeń, problem ciężkich i śmiertelnych wypadków nadal jest duży. Aby ograniczyć skutki tych wypadków, należy zidentyfikować parametry, przy jakich do nich dochodzi (np. prędkość wózka, kąt skręcenia kierownicy itp.) w zależności od typu wózka, kąta nachylania powierzchni, po której się porusza itp., a następnie zbadać dla tych parametrów, na ile skuteczne są obecnie stosowane zabezpieczenia. Tego typu prace prowadzone są na świecie np. przez Instytut INRS. W tym celu naukowcy z INRS opracowali stanowisko badawcze składające się z kabiny wózka poruszającej się po torach tworzących zakręt. W kabinie umieszczany jest manekin Hybrid III, następnie kabina rozpędzana jest do prędkości powodującej przewrócenie kabiny na łuku. W ten sposób testowane są dostępne na rynku zabezpieczenia (np. pasy bezpieczeństwa) [2, 4]. Zastosowanie manekina Hybrid III pozwala także na oszacowanie urazów, jakich doznałby operator, gdyby symulowany wypadek wydarzył się naprawdę. Manekin Hybrid III jest powszechnie wykorzystywany do oceny samochodowych systemów bezpieczeństwa w testach zderzeniowych. Jego masa i wymiary odpowiadają 50-centylowemu mężczyźnie populacji amerykańskiej. Do głównych zalet manekina zaliczyć można wierne odwzorowanie kinematyki człowieka oraz możliwość rejestracji bardzo wielu wielkości fizycznych w poszczególnych częściach ciała [5]. Dzięki znajomości tych wielkości możliwe jest szacowanie urazów, jakich doznałby człowiek poddany takim samym obciążeniom, jak manekin. Opracowane przez zespół naukowców z INRS stanowisko badawcze służy także do prac nad nowymi systemami zabezpieczającymi operatora np. poduszki powietrzne w formie kurtyn bocznych [6]. W CIOP-PIB powstała koncepcja prowadzenia podobnych badań, z tą różnicą że badania prowadzone będą z wykorzystaniem metod numerycznych. Badania tego typu od kilku lat są już powszechne w przemyśle samochodowym. Niemal każdy koncern samochodowy bada swoje nowe konstrukcje poprzez prowadzenie wirtualnych testów zderzeniowych. Do tego celu wykorzystywane są specjalistyczne programy komputerowe. Do najbardziej zaawansowanych zaliczyć można Madymo [7], LSDyna [8] oraz Abaqus [9]. W przypadku prowadzenia tego typu badań niezbędne jest zastosowanie modelu człowieka, który umożliwi przeprowadzenie jak najbardziej wiarygodnej symulacji rzeczywistego zdarzenia. W związku z tym, wyżej wymienione programy zawierają biblioteki z zaawansowanymi numerycznymi modelami ciał człowieka oraz manekinów (m.in. wspomnianego Hybrid III). Modele te z dużą dokładnością odwzorowują zachowanie człowieka, a także umożliwiają dokonanie oceny urazów, jakich doznałby człowiek poddany działaniu danej siły zewnętrznej. Zaletą wykorzystania metod numerycznych jest możliwość przetestowania bardzo wielu różnych 1 Opracowanie własne autora na podstawie danych o wypadkach udostępnionych dzięki życzliwości Państwowej Inspekcji Pracy. 424

3 systemów zabezpieczających operatora, możliwość symulowania różnych konfiguracji wypadków na różnych modelach wózków. Ponadto możliwe jest oszacowanie urazów, jakich doznałby operator w rzeczywistym wypadku. Wszystko to pozwala na dobór optymalnych systemów zabezpieczających, a ponadto znajomość przebiegu tego typu wypadków i ich skutków może być wykorzystana do szkolenia operatorów z dziedziny bezpieczeństwa użytkowania podnośnikowych wózków jezdniowych. 2. METODYKA Do symulacji wypadku skutkującego przewróceniem wózka jezdniowego wykorzystywane będzie wspomniane wyżej oprogramowanie Madymo. Wykorzystując to oprogramowanie, można modelować kinematykę i dynamikę modelu wózka oraz człowieka z wykorzystaniem dwóch metod numerycznych: metody układów wieloczłonowych (MB) oraz metody elementów skończonych (MES). Metoda MB służy do symulacji dynamiki pojedynczego ciała bądź układu ciał, natomiast metoda MES do symulacji dynamiki struktur odkształcalnych. Model opracowany z wykorzystaniem metody MB składa się z ciał (członów) połączonych ze sobą za pomocą połączeń kinematycznych, tworząc tzw. łańcuch kinematyczny. Symulowanie rzeczywistych warunków możliwe jest dzięki zadawaniu ciałom sił, kontaktów i innych parametrów np. współczynnika tarcia lub tłumienia. Wykorzystując tę metodę, uzyskać można wyniki w postaci przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia ciał oraz sił i momentów sił generowanych przez te ciała. Model opracowany z wykorzystaniem metody MES jest odkształcalny, przy czym deformacja modelu zależy od jego własności materiałowych. Symulacja ruchu jest możliwa poprzez zadawanie warunków początkowych w postaci np. prędkości początkowej, pola przyspieszenia lub siły początkowej. Zaletą oprogramowania Madymo jest możliwość tworzenia modelu zawierającego zarówno obiekty opracowane z wykorzystaniem metody MB, jak i MES w jednym pliku [10] Model symulacyjny Do przeprowadzenia badań z wykorzystaniem wspomnianych wyżej metod niezbędne jest opracowanie modelu symulacyjnego. Składa się on z modeli: wózka jezdniowego, podłoża i człowieka. Opracowanie tego modelu podzielić można na następujące etapy: opracowanie modelu podnośnikowego wózka jezdniowego, uwzględniając jego własności fizyczne (masa, wymiary, położenie środka ciężkości, momenty bezwładności, sztywność konstrukcji); opracowanie modelu podłoża; opracowanie modelu zabezpieczeń, np. pasów bezpieczeństwa; umieszczenie w kabinie wózka modelu człowieka; zadanie interakcji pomiędzy kontaktującymi się modelami (uwzględnienie sztywności konstrukcji wózka, podłoża oraz człowieka, zadanie współczynników tarcia itp.); zadanie warunków początkowych symulacji numerycznej Model człowieka Program Madymo zawiera bogatą bibliotekę numerycznych modeli ciała człowieka. Do badań wstępnie planowane jest wykorzystanie zmodyfikowanego w CIOP-PIB modelu pieszego. Komputerowy model pieszego opracowany jest z wykorzystaniem metody układów wieloczłonowych i dostępny jest w 5 wersjach: dziecka 3- i 6-letniego, 5-centylowej kobiety, 50- i 95-centylowego mężczyzny. Model ten można dodatkowo skalować z uwzględnieniem masy i wysokości ciała człowieka. Każdy człon modelu ma wymiary, masę, momenty 425

4 bezwładności oraz środek ciężkości zgodne z danymi antropometrycznymi dotyczącymi 50-centylowego mężczyzny. Pozostałe wersje powstały poprzez skalowanie podstawowego modelu. Sztywności poszczególnych połączeń symulujących stawy człowieka określono w oparciu o wyniki testów eksperymentalnych przeprowadzonych zarówno na ludziach, jak i na zwłokach [11]. Jak wyżej wspomniano, podstawowy model pieszego został zmodyfikowany na potrzeby rekonstrukcji wypadków przy pracy. Model wyposażono w nowe modele kończyn górnych umożliwiające symulację ich złamań [12], a także w model przemysłowego hełmu ochronnego [13] Ocena urazów Numeryczne modele ciała człowieka opracowywane są najczęściej na podstawie rzeczywistych manekinów używanych w testach zderzeniowych. Manekiny te muszą być na tyle wytrzymałe, aby nie ulegały uszkodzeniu w wyniku testu zderzeniowego, a ponadto muszą umożliwiać ocenę urazów, jakich doznałby człowiek, gdyby był poddany takim samym obciążeniom. Wyposażone są one zatem w czujniki umożliwiające rejestrację różnych wielkości fizycznych, np. prędkości, przyśpieszenia, siły oraz momenty siły poszczególnych części ciała. Numeryczne modele człowieka również wyposażone są w wirtualne czujniki. Rozmieszczone są one w każdym członie ważnym z punktu widzenia biomechaniki. Pomiar tych wielkości jest niezbędny zarówno do wyznaczenia trajektorii poruszającego się ciała, jego prędkości, jak i do oszacowania urazów. Do oceny urazów wykorzystuje się kryteria odporności biomechanicznej, które pozwalają na powiązanie zarejestrowanych wielkości fizycznych z prawdopodobieństwem wystąpienia urazów części ciała poddanej takim samym obciążeniom. Kryteria opracowano na podstawie danych biomechanicznych dotyczących odporności udarowych oraz wytrzymałości na nagłe zmiany przyspieszenia [14]. Do oceny urazów stosuje się bezpośrednio albo zmierzone wielkości fizyczne, porównując je z wartościami granicznymi, albo wskaźniki, które obliczane są na podstawie zmierzonych wielkości. Dla przykładu w przypadku głowy najczęściej stosowany jest wskaźnik HIC (Head Injury Criterion), który uwzględnia zarówno przyspieszenie środka ciężkości głowy, jak i czas trwania tego przyspieszenia [10]. 3. WSTĘPNE SYMULACJE W celu wstępnego sprawdzenia metodyki przeprowadzono symulacje z wykorzystaniem modelu podnośnikowego wózka jezdniowego. Model opracowano na podstawie danych technicznych rzeczywistego wózka marki Komatsu z wykorzystaniem metody MB (rys. 1). Model ten wykorzystywany był do rekonstrukcji rzeczywistego wypadku, w którym operator zginął przygnieciony przez ramę [15]. Rys. 1. Model podnośnikowego wózka jezdniowego wraz z modelem operatora 426

5 Model wózka składa się z członów połączonych ze sobą. Korpus wózka wraz z ramą stanowią jeden człon o masie 3370 kg. Koła stanowią odrębne człony połączone z korpusem za pomocą połączeń kinematycznych. Tylne koła wózka są skrętne, przy czym kąt skrętu koła zewnętrznego wynosi 34, natomiast wewnętrznego 47,8, w ten sposób uzyskano promień skrętu wózka wynoszący zgodnie z dokumentacją wózka 2,19 m. Kontakt pomiędzy wózkiem a podłożem zdefiniowany jest oddzielnie dla kół i dla korpusu. Pasy bezpieczeństwa wykonane są za pomocą cięgien, którym zadano charakterystykę sztywności rzeczywistych pasów bezpieczeństwa stosowanych w samochodach. Charakterystykę sztywności pasów zaimportowano z biblioteki programu Madymo. W modelu zastosowano pas biodrowy, gdyż taki rodzaj pasów montowany jest w nowych konstrukcjach wózków. Wózki starsze często nie są wyposażone w pasy bezpieczeństwa. Wózkowi zadano stałą prędkość wynoszącą 23 km/h, jest to prędkość bliska maksymalnej prędkości tego wózka. Ponadto koła wózka skręcają w czasie trwania symulacji, powodując gwałtowną zmianę toru jazdy i utratę przyczepności wózka. Model człowieka umiejscowiony jest na siedzeniu operatora. Wstępne symulacje przeprowadzono w trzech konfiguracjach: operator wózka nie ma zapiętych pasów bezpieczeństwa; operator wózka ma zapięty pas biodrowy; operator wózka ma zapięty pas biodrowy oraz założony przemysłowy hełm ochronny. Wstępne symulacje miały na celu porównanie skutków wypadku dla tych trzech wariantów. Wyniki symulacji zestawiono w tabelach 1-3. Tabela 1. Zestawienie wyników symulacji (operator wózka nie ma zapiętych pasów bezpieczeństwa) Wskaźnik Wartość Limit Opis Głowa HIC 15 ms > 1800 Wysokie prawdopodobieństwo śmiertelnych urazów głowy [16] Szyja w płaszczyźnie strzałkowej Fx [N] Wysokie prawdopodobieństwo > 3300 poważnego złamania kręgosłupa w płaszczyźnie czołowej 7377 z przemieszczeniem [17] Fy [N] Siła wzdłużna Fz [N] 4407 Tabela 2. Zestawienie wyników symulacji (operator wózka ma zapięty pas biodrowy) Wskaźnik Wartość Limit Opis Głowa HIC 15 ms 1747, Wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia ciężkich urazów głowy [16] Szyja w płaszczyźnie 1417 strzałkowej Fx [N] w płaszczyźnie czołowej 1514,1 427 Wysokie prawdopodobieństwo lekkich urazów więzadeł lub mięśni [17]

6 XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji Fy [N] Siła wzdłużna Fz [N] Moment zginający Mx [Nm] udo, kończyna lewa w płaszczyźnie czołowej Fy [N] podudzie, kończyna lewa 1049,8 514, , Rozciąganie szyi, brak urazów [17] Kończyny dolne Prawdopodobieństwo złamania kości > 430 udowej [14] Prawdopodobieństwo złamania kości > goleniowej [14] Tabela 3. Zestawienie wyników symulacji (operator wózka ma m zapięty pas biodrowy oraz założony przemysłowy hełm ochronny) HIC 15 ms Wskaźnikk w płaszczyźnie strzałkowej Fx [N] w płaszczyźnie czołowej Fy [N] Siła wzdłużna Fz [N] Moment zginający Mx [Nm] udo, kończyna lewa w płaszczyźnie czołowej Fy [N] podudzie, kończyna lewa Wartość 106,89 389,53 359, , Ściskanie szyi, brak urazów [ 17] Kończyny dolne Prawdopodobieństwo złamania kości 517,62 > 430 udowej [14] 5073,1 Limit Głowa 500 Szyja 1100 > Opis Brak B urazóww głowy [16] Brak urazów [17] Prawdopodobieństwo złamania kości goleniowej [14] Rys. 2. Widok z góry przewróconego modelu wózka i operatora (wynik symulacji): A operator bez zapiętych pasów, B operator z zapiętym pasem biodrowym, C operator z zapiętym pasem oraz założonymm hełmem ochronnym 428

7 Jak wskazują wyniki symulacji, w przypadku gdy operator nie ma zapiętych pasów bezpieczeństwa, siła odśrodkowa wyrzuca człowieka na zewnątrz wózka, powodując w konsekwencji jego przygniecenie ramą do podłoża (rys. 2A). Jest to najczęstszy przebieg rzeczywistych wypadków z udziałem wózków jezdniowych. Wartości obliczonych wskaźników dla głowy i szyi wskazują na wysokie prawdopodobieństwo śmierci operatora (tabela 1). W przypadku kiedy operator ma zapięty pas biodrowy, zminimalizowane jest ryzyko przygniecenia przez ramę wózka głowy i tułowia. Przy tej konfiguracji operator ma znacznie większe szanse przeżycia, jednak jeśli uderzy głową o podłoże, nadal występuje prawdopodobieństwo wystąpienia ciężkich, a nawet śmiertelnych urazów. Ponadto występuje prawdopodobieństwo przygniecenia nogi operatora, tak jak miało to miejsce w symulacji (rys. 2B). Przygniecenie w tym przypadku skutkuje prawdopodobieństwem złamania kości udowej i goleniowej. W trzecim przypadku dodatkowo zabezpieczono głowę operatora przemysłowym hełmem ochronnym. W tym przypadku prawdopodobieństwo przeżycia jest największe. W tej symulacji udało się uniknąć urazów głowy i szyi. Natomiast podobnie jak w przypadku poprzednim, występuje prawdopodobieństwo przygniecenia nogi operatora przez wózek (rys. 2C). 4. PODSUMOWANIE Zaprezentowana metodyka umożliwia przetestowanie bardzo wielu scenariuszy zdarzeń wypadkowych i różnych rodzajów zabezpieczeń. Przeprowadzenie podobnych badań z udziałem operatora i rzeczywistego wózka byłobynie możliwe przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo operatora. Wykorzystanie do tego celu stanowiska badawczego i manekina np. Hybrid III wymaga zbudowania całego laboratorium, co generuje wysoki koszt, a jednocześnie nie daje możliwości przetestowania tak wielu scenariuszy jak w przypadku symulacji numerycznej. Wyniki wstępnych symulacji pokazują, jak bardzo na bezpieczeństwo operatora wpływa stosowanie zabezpieczeń, w które wyposażony jest wózek oraz środków ochrony indywidualnej. Wyniku, w którym stosowanie zabezpieczeń zwiększa bezpieczeństwo operatora, można się było spodziewać, ale trudne do przewidzenia są inne aspekty, np. fakt przygniecenia nogi pracownika czy urazy, które mogą potencjalnie spowodować śmierć, mimo zastosowania pasów bezpieczeństwa. Metodyka ta może być zatem przydatna do określania optymalnych zabezpieczeń dla konkretnych wózków. Analizy tego typu mogą być wykorzystywane również do projektowania nowych rozwiązań. Dodatkowo wyniki symulacji mogą posłużyć jako materiał szkoleniowy dla operatorów, pracodawców oraz służb BHP. Wadą prowadzenia badań z wykorzystaniem symulacji numerycznej jest mniejsza dokładność wyników niż w przypadku rzeczywistych eksperymentów oraz możliwość popełnienia błędów na etapie opracowywania modeli. O ile to możliwe, przy opracowywaniu modeli warto wykonywać testy materiałowe lub korzystać z wyników takich badań w celu zwiększenia dokładności modeli. *** Publikacja opracowana na podstawie wyników III etapu programu wieloletniego Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy, finansowanego w latach w zakresie zadań służb państwowych przez Ministerstwo Pracy i Polityki Społecznej. Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy. 429

8 LITERATURA [1] Rada Ochrony Pracy. Dostęp na dzień pod adresem: [2] INRS. Dostęp na dzień pod adresem: /$FILE/visu.html [3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy w zakresie użytkowania maszyn przez pracowników podczas pracy (Dz.U. nr 191, poz. 1596, 22). [4] Lemerle P., Höppner O., Rebelle J.: Dynamic stability of forklift trucks in cornering situations: parametrical analysis using a driving simulator, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, Volume 49, Issue 10, 2011, pp [5] Hybrid III. Dostęp na dzień pod adresem: [6] Rebelle J.: Design of an airbag system to prevent the ejection of forklift truck drivers in case of tip-over, Proceedings, IRCOBI Conference 2012, Dublin, pp [7] TASS International. Dostęp na dzień pod adresem: [8] Livermore Software Technology Corp. Dostęp na dzień pod adresem: [9] 3DS Abaqus. Dostęp na dzień pod adresem: [10] TASS International: MADYMO Theory Manual Release 7.5. TASS, Rijswijk, The Netherlands 2013 [11] TASS International: MADYMO Human Models Manual Release 7.5. TASS, Rijswijk, The Netherlands 2013 [12] Milanowicz M.: Numeryczny model kończyny górnej człowieka z możliwością symulowania złamań dla potrzeb rekonstrukcji i zapobiegania wypadkom przy pracy, Mechanik, nr 7/2012, s [13] Milanowicz M.: Opracowanie numerycznego modelu przemysłowego hełmu ochronnego na potrzeby rekonstrukcji i zapobiegania wypadkom przy pracy, Mechanik, nr 7/2012, s [14] Nałęcz M., Będziński R., Kędzior K., Kiwerski J., Morecki A., Skalski K., Wall A., Wit A.: Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna Tom 5. Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, Exit, 2000, s [15] Milanowicz M., Budziszewski P.: Numerical Reconstruction of the Real-Life Fatal Accident at Work: A Case Study, V.G. Duffy (Ed.): DHM/HCII 2013, Part II, LNCS 8026, 2013, pp [16] Occupant Protection & Egress in Rail Systems. Proposed HIC tolerance levels correlated to skull fracture (Table 15). Dostęp na dzień pod adresem: [17] Occupant Protection & Egress in Rail Systems. Neck injury criteria tolerance levels (Table 22). Dostęp na dzień pod adresem: 430