MODUŁOWY ZESTAW APARATURY DO TESTOWANIA POJAZDÓW SPECJALNYCH Z URZĄDZENIAMI RATOWNICTWA WYSOKOŚCIOWEGO

Transkrypt

1 2/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu MODUŁOWY ZESTAW APARATURY DO TESTOWANIA POJAZDÓW SPECJALNYCH Z URZĄDZENIAMI RATOWNICTWA WYSOKOŚCIOWEGO Stanisław KOZIOŁ, Eugeniusz MATRAS, Andrzej ZBROWSKI Do prowadzenia akcji ratowniczych i gaśniczych w wysokich budynkach i innych obiektach o znacznej wysokości służby ratownicze są wyposażane w specjalne pojazdy z zainstalowanymi urządzeniami ratownictwa wysokościowego. Należą do nich przede wszystkim półautomatyczne i automatyczne drabiny oraz podnośniki pożarnicze. Pojazd taki składa się zazwyczaj z podwozia odpowiednio dobranego samochodu ciężarowego i zainstalowanych na nim układów mechanicznych i hydraulicznych ze sterowaniem elektronicznym tworzących urządzenie wysokościowe. Dzięki możliwości wielopoziomowego transportu ratowników wraz z odpowiednim sprzętem, możliwe jest prowadzenie akcji gaśniczych i ewakuacja osób poszkodowanych z wysokich obiektów. Na rysunku 1 przedstawiono zdjęcia przykładowych samochodów z drabiną automatyczną i podnośnikiem hydraulicznym. Rys. 1. Specjalne pojazdy z urządzeniami ratownictwa wysokościowego: a) drabina automatyczna Metz na podwoziu samochodu Mercedes, b) podnośnik hydrauliczny BUMAR na podwoziu samochodu VOLVO Ze względu na konieczność zapewnienia odpowiedniej efektywności działań i bezpieczeństwa ratowników, osób ratowanych i otoczenia, pojazdy z urządzeniami ratownictwa wysokościowego muszą spełniać określone wymagania. Należą do nich przede wszystkim: możliwość szybkiego dojazdu do miejsca zdarzenia z uwzględnieniem konieczności poruszania się po drogach publicznych, terenie nieutwardzonym i powierzchniach o znacznym nachyleniu, krótki czas przygotowania do działania i odpowiednia szybkość realizacji ruchów roboczych, odpowiednia sztywność i wytrzymałość konstrukcji na obciążenia osobami biorącymi udział w akcji i sprzętem, niezawodne działanie automatycznych systemów zabezpieczających i sterujących zapewniających stateczność pojazdów i urządzeń podczas działania, zdolność do nieprzerwanej pracy w określonym czasie w różnych warunkach klimatycznych. Spełnienie tych wymagań jest weryfikowane w trakcie standardowych badań drabin lub podnośników, których wyniki stanowią podstawę dopuszczenia tych urządzeń do stosowania w systemie bezpieczeństwa powszechnego. Pojazdy przystosowane do działań ratownictwa wysokościowego, ze względu na swą konstrukcję, charakteryzują się wysoko umieszczonym środkiem ciężkości, co stwarza zagrożenie utraty stateczności podczas jazdy na łukach drogi i po powierzchniach pochyłych [1, 2]. Powoduje to zmniejszenie prędkości, z jaką mogą się poruszać i zdolności pokonywania wzniesień. Dążenie do osiągania jak największych nośności, zasięgu w kierunku pionowym oraz wysięgów bocznych, przy jednoczesnym zapewnieniu możliwie dużej dynamiki ruchów roboczych, powoduje, że na pojazd podczas pracy działają bardzo duże momenty sił ciężkości i bezwładności zagrażające jego stateczności. W związku z tym, celem standardowych badań, którym podlegają, jest sprawdzenie, czy konstrukcja oraz zastosowane układy zabezpieczające i sterowania zapewniają wymagany stopień bezpieczeństwa. Badania przeprowadzane są zgodnie z normami: [5, 6, 7, 8]. Przewidują one przeprowadzenie ponad 40 różnych testów dotyczących rozwiązań technicznych, sposobu działania i parametrów mających wpływ na bezpieczeństwo. Testy obejmują między innymi następujące badania: wyznaczanie współrzędnych środka ciężkości i granicznego kąta przechyłu bocznego pojazdu oraz kąta przechyłu nadwozia w funkcji kąta przechyłu bocznego, badania stateczności podnośnika lub drabiny rozłożonych z zastosowaniem podpór bocznych i obciążonych w warunkach statycznych i dynamicznych (wykonywanie ruchów roboczych z maksymalnymi prędkościami) oraz skuteczności działania urządzeń monitorujących stateczność i parametry pracy, badanie wytrzymałości i sztywności drabin, podnośników, platform i koszy ratunkowych oraz uruchamiających je układów hydraulicznych przy różnych sposobach obciążenia i intensywności pracy, sprawdzenie możliwości bezpiecznego ustawienia 14

2 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2012 pojazdu z wykorzystaniem podpór na podłożach nierównych, pochyłych i o różnej nośności oraz skuteczności automatycznego poziomowania lub pionowania urządzeń wysokościowych, badanie poprawności działania awaryjnych układów sterowania wykorzystywanych w razie uszkodzenia sterowania zasadniczego. Wymienionym badaniom, których przykład ilustruje rys. 2, podlegają pojazdy i ratownicze urządzenia wysokościowe wprowadzane do wyposażenia jednostek Ochotniczej i Państwowej Straży Pożarnej. Niektóre z badań dotyczą nie tylko pojazdów ratownictwa wysokościowego, ale również samochodów gaśniczych, ratownictwa technicznego lub innych z wysoko umieszczonym środkiem ciężkości. Instytut Technologii Eksploatacji PIB w Radomiu wspólnie z Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej zrealizował projekt, którego celem było opracowanie zestawu aparatury do badania stateczności i bezpieczeństwa samochodów z urządzeniami ratownictwa wysokościowego [3, 4]. przyjęte procedury badawcze sprawiają, że podczas badań występują utrudnienia wymagające zastosowania szczególnych rozwiązań technicznych w zakresie konstrukcji poszczególnych modułów, łączności między nimi i sposobu sterowania pracą systemu pomiarowego polegające na tym, że: poszczególne moduły pomiarowe mogą znajdować się w odległościach kilkudziesięciu metrów od siebie i od stanowiska zarządzającego przebiegiem badań, odległości pomiędzy modułami są zmienne podczas badań, a niektóre pomiary muszą być wykonywane w ruchu (pracujący moduł przemieszcza się w przestrzeni wraz z elementem konstrukcji, np. koszem ratowniczym), rozmieszczenie i mocowanie modułów nie jest powtarzalne i zależy od konstrukcji i wymiarów badanego urządzenia oraz wymagań przeprowadzanego testu. Z tego względu większość modułów posiada własne zasilanie w postaci baterii lub akumulatorów oraz zdalne połączenie z modułem zarządzającym, zapewniające efektywną transmisję otrzymywanych wyników pomiarów. Rys. 2. Badanie stateczności drabiny obrotowej w warunkach dynamicznych z wykorzystaniem obciążenia zastępczego i czujników nacisków podpór na podłoże Konfiguracja systemu testowego System składa się z procedur testowania oraz urządzeń i modułów pomiarowych, które służą do ich realizacji. Struktura systemu, której główną część pomiarową przedstawiono na rys. 3, obejmuje rozproszone moduły wykonawcze, sterujące i pomiarowe przystosowane do prowadzenia badań indywidualnych i zespolonych. Zastosowane protokoły komunikacyjne, algorytmy sterowania i specjalistyczne środowisko informatyczne oraz radiowy system łączności pomiędzy poszczególnymi modułami dają możliwość konfigurowania elastycznego, modułowego systemu testowania ze swobodną aranżacją funkcjonalną i przestrzenną. Badania urządzeń ratownictwa wysokościowego zamontowanych na podwoziach samochodowych, realizowane z wykorzystaniem modułów pomiarowych i pomocniczych, wymagają rozmieszczenia aparatury w kilkunastu charakterystycznych punktach badanej konstrukcji. Ponadto charakter pracy urządzeń ratowniczych zmienne wymiary wynikające z ruchów roboczych oraz Rys. 3. Struktura modułowego systemu testowania stateczności i bezpieczeństwa pojazdów z wysoko położonym środkiem ciężkości i urządzeniami ratownictwa wysokościowego W skład systemu wchodzą następujące moduły pomiarowe i pomocnicze: cztery poziomnice elektroniczne do pomiarów kątów nachylenia ramy i nadwozia samochodu, przęsła lub szczebla drabiny, podłogi kosza, platformy samochodu czy terenu, na którym wykonywane jest badanie, kątomierz elektroniczny do pomiaru kąta obrotu wysięgnika, na którym jest zamontowana drabina lub podnośnik pożarniczy, wokół pionowej osi, cztery czujniki do pomiaru siły nacisku kół jezdnych samochodu lub stóp podpór na podłoże o zakresie pomiarowym do 100 kn każdy, 15

3 2/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu programowalny układ obciążający ostatni szczebel drabiny lub podłogę kosza siłą skierowaną pionowo w dół, czujnik temperatury oleju w zbiorniku układu hydraulicznego urządzenia wysokościowego, zestaw przyrządów pomiarowych do kontroli warunków atmosferycznych temperatury powietrza, wilgotności względnej i prędkości wiatru, układ sterowania przebiegiem badań, transmisji, akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych, moduły pomocnicze, takie jak dalmierze laserowe, wysokościomierz do pomiaru odległości koła samochodu od podłoża, obciążenie zastępcze symulujące obciążenie użytkowe podczas badań dynamicznych, podparcie wolnego końca drabiny. Niektóre z wymienionych przyrządów, a w szczególności poziomnice elektroniczne, kątomierz elektroniczny i programowalny układ obciążający stanowią autonomiczne mechatroniczne moduły o oryginalnych zasadach działania i rozwiązaniach technicznych. Poziomnica elektroniczna Opracowano uniwersalne rozwiązanie poziomnicy elektronicznej spełniające wymagania wszystkich pomiarów kątów realizowanych podczas badań. Pozwala na to duży zakres pomiarowy wynoszący 360º, dokładność pomiaru 0,1º, możliwość zerowania wskazania w dowolnym położeniu oraz identyfikacja zwrotu odchylania od położenia poziomego. Poszczególne zastosowania poziomnic jako czterech różnych modułów wymagają różnych sposobów mocowania do podlegającego pomiarom obiektu i wykorzystania radiowej łączności z układem sterowania i akwizycji wyników pomiarów. Poziomnice zostały zaprojektowane jako układ pomiarowy z własnym zasilaniem akumulatorowym ze wskaźnikiem naładowania i modułem radiowym do łączności z układem sterującym. Układ elektroniczny poziomnicy został umieszczony w hermetycznej obudowie z tworzywa, która nie tłumi propagacji fal radiowych. Obudowa jest częściowo chroniona osłoną z blachy stalowej, która jednocześnie pełni rolę uchwytu całego modułu dającego możliwość zastosowania różnych sposobów jego mocowania. Konstrukcję poziomnicy przedstawiono na rys. 4. W roli zespołu identyfikującego położenie kątowe zastosowano inklinometr kodowy MI600 firmy MEGATRON. Jego zasada działania polega na wykorzystaniu grawitacji do utrzymywania w najniższym możliwym położeniu odważnika umieszczonego na tarczy optoelektronicznego przetwornika kodowego ułożyskowanej z małym statycznym momentem tarcia i wewnętrznym tłumieniem magnetycznym. Inklinometr posiada następującą charakterystykę techniczną: rozdzielczość do 16 bitów (1/65536), kodowanie kod GRAY A, częstotliwość odświeżania 9 ms (12 bit), zakres pomiarowy 0 360º z dokładnością 0,1º, łącze szeregowe SEI (Serial Encoder Interface) + adapter RS262, programowalne położenie zerowe, zasilanie 5,5 V 15 V DC, pobór prądu 16 ma (600 µa sleep). Do łączności bezprzewodowej został wykorzystany moduł RF RC1180-RC232 firmy RADIOCRAFTS zamontowany na płytce drukowanej wyposażonej w gniazdo DB9 (RS232), złącze antenowe i gniazdo zasilające. Charakteryzuje się niewielkimi wymiarami i dobrze nadaje się do zabudowy w zwartym układzie pomiarowym. Kątomierz elektroniczny W pojazdach specjalnych z urządzeniami ratownictwa wysokościowego wysięgnik z drabiną jest zainstalowany na mechanizmie obrotowym usytuowanym na poziomej platformie konstrukcyjnej pokrytej blachą podestową (rys. 6). Mechanizm obrotowy o dużej nośności i sztywności jest związany z ramą pojazdu i zabudowany najczęściej w sposób uniemożliwiający lokalizację geometrycznej osi obrotu. Rys. 5. Schemat kątomierza do zdalnego pomiaru przemieszczeń kątowych: 1 wysięgnik z pionową osią obrotu, 2 platforma, 3 koło ogumione, 4 wahacz, 5 uchwyt z przyssawkami, 6 pionowa oś obrotu wahacza, 7 enkoder, 8 układ elektroniczny, 9 czujnik laserowy, 10 element referencyjny Rys. 4. Poziomnica elektroniczna: 1 układ poziomnicy w hermetycznej obudowie, 2 osłona modułu, 3 wskaźnik naładowania akumulatora, 4 gniazdo ładowania, 5 przycisk ZAŁ/WYŁ, 6 uchwyt Kątomierz zbudowano z wykorzystaniem czujnika obrotowo-impulsowego, a jego zasadę działania przedstawia schemat (rys. 5). Zespół podnoszący drabiny po- 16

4 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2012 żarniczej lub podnośnika obraca się względem poziomej platformy konstrukcyjnej pojazdu. Kątomierz jest zamocowany do wysięgnika za pomocą uchwytu z przyssawkami. Na pionowym sworzniu uchwytu zamocowany jest wahacz, w którego dolnym końcu ułożyskowane jest ogumione koło. Koło pod własnym ciężarem spoczywa na podeście i może swobodnie się toczyć po jego powierzchni podczas obrotu wysięgnika. Na osi koła zainstalowano enkoder obrotowy generujący impulsy elektryczne, których liczba jest proporcjonalna do drogi przebytej przez koło podczas toczenia. Koło wraz z wahaczem przyjmuje samoczynnie najdogodniejsze położenie podczas toczenia i w takim położeniu jest blokowane na pionowej osi obrotu. Czujnik laserowy wykrywający spoczywający na podeście element referencyjny służy do identyfikacji pełnego kąta obrotu podczas kalibracji przyrządu. Układ elektroniczny wyposażony w modem radiowy, z którym są połączone enkoder i czujnik laserowy, posiada zespół zasilania akumulatorowego oraz sterownik PLC zliczający impulsy z enkodera i identyfikujący stan czujnika laserowego. W układzie dokonywana jest kalibracja polegająca na wyznaczeniu liczby impulsów enkodera przypadającej na 1º obrotu oraz obliczanie kątowego położenia wysięgnika na podstawie liczby impulsów zliczonych podczas obrotu od zadanego położenia zerowego z rozróżnianiem kierunku obrotu. Na fotografii (rys. 6) przedstawiono kątomierz podczas badania drabiny MAGIRUS. Takie rozwiązanie pozwala na zamocowanie kątomierza na wysięgniku o dowolnej konstrukcji dzięki wielu stopniom swobody regulacji prętowego systemu uchwytów łączonych za pomocą zaciskowych łączników obrotowych. Rys. 6. Kątomierz elektroniczny zamocowany na wysięgniku drabiny MAGIRUS: 1 wysięgnik drabiny, 2 platforma, 3 koło ogumione, 4 enkoder, 5 czujnik laserowy, 6 uchwyt z przyssawkami, 7 układ elektroniczny Zasada działania kątomierza wzbudzała obawy o powtarzalność wyników pomiarów ze względu na przypadkowe, niepowtarzalne warunki współpracy toczącego się koła po nierównej powierzchni podestu. Wykonano badania takiego układu modelowego w warunkach laboratoryjnych i poligonowych z wykorzystaniem rzeczywistych obiektów testowych. Badania polegające na wielokrotnych pomiarach kąta pełnego w obu kierunkach toczenia koła wykazały błędy rzędu jednego impulsu na 7000 impulsów generowanych na pełny obrót. Po wyliczeniu daje to błąd poniżej 0,1º, co jest wynikiem bardzo zadowalającym w zestawieniu z 10-krotnie mniejszą dokładnością urządzeń pokładowych samochodów specjalnych. Programowalny układ obciążający Funkcją programowalnego układu obciążającego, który został wykonany w formie przejezdnej platformy, jest wywieranie obciążenia testowego drabin i podnośników pożarniczych, a w szczególności ich szczebli, koszy ratowniczych i innych elementów konstrukcyjnych siłą regulowaną w sposób ciągły w zakresie od 900 do N skierowaną pionowo w dół. Siła obciążająca, dzięki zastosowaniu sprzężenia zwrotnego w torze jej regulacji, zachowuje zadaną wartość w czasie badania niezależnie od podatności obciążanego elementu. Dzięki wyposażeniu we własny napęd jazdy z wykorzystaniem silnika spalinowego i mechanizmu skrętu, układ może się samoczynnie przemieszczać pomimo znacznego ciężaru, co pozwala ponadto na korygowanie jego położenia w celu zachowania pionowego kierunku działania siły i operowanie w warunkach poligonowych. Układ posiada własne źródła zasilania w energię elektryczną i mechaniczną oraz możliwość zdalnego zadawania wartości obciążenia z wykorzystaniem fal radiowych. Siła obciążająca jest przykładana do kosza ratowniczego lub drabiny znajdującej się na dowolnej wysokości za pośrednictwem liny, na której jest zawieszony wagowy czujnik siły mający możliwość przekazywania wyniku pomiaru drogą radiową. Siła jest wywierana przez wciągarkę linową z liną połączoną z czujnikiem siły złączem zabezpieczającym. Moment obrotowy wytwarzany przez silnik hydrauliczny wciągarki zależy od ciśnienia zasilającego go oleju hydraulicznego, dostarczanego pod wysokim ciśnieniem z pompy napędzanej silnikiem elektrycznym, regulowanego w układzie regulacji za pomocą napięciowego zaworu proporcjonalnego. Układ regulacji posiada łączność radiową z czujnikiem siły i zewnętrznym układem sterowania. Wartość wywieranego obciążenia jest zadawana przez układ zewnętrzny, a następnie osiągana przez odpowiednią regulację ciśnienia oleju z wykorzystaniem sprzężenia zwrotnego z torem pomiaru siły. Dwa koła jezdne platformy są napędzane przez silniki hydrauliczne, trzecie jest kołem skrętnym, a jego położenie kątowe jest regulowane przez siłownik hydrauliczny. Źródłem napędu jazdy i skrętu jest pompa hydrauliczna napędzana silnikiem spalinowym. Na zdjęciu rys. 7 przedstawiono układ obciążający podczas badania drabiny pożarniczej. 17

5 2/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Układ sterowania przebiegiem badań, transmisji, akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych Rys. 7. Układ obciążający podczas badania drabiny pożarniczej: 1 kosz ratowniczy drabiny, 2 układ obciążający, 3 czujnik siły Pracą wszystkich modułów mechatronicznych i elektronicznych systemu testowania steruje moduł zarządzający składający się z komputera PC z odpowiednim oprogramowaniem i bloku akwizycji danych pomiarowych (rys. 8). Rys. 8. Moduł zarządzający: 1 kaseta sterownika PLC, 2 komputer, 3 panele zasilające, 4 maszt z modemem radiowym i modułem pogodowym Komputer PC zarządzający przebiegiem wszystkich czynności i pomiarów realizowanych podczas badań, pracujący w środowisku Windows, zawiera oprogramowanie umożliwiające: wprowadzanie i archiwizację niezbędnych danych charakteryzujących badany obiekt, wybór i przeprowadzenie procedury badawczej, przetwarzanie danych pomiarowych w celu określenia wyników badania w postaci wymaganej przez daną procedurę, generowanie i archiwizację odpowiednich dokumentów końcowych. Blok akwizycji danych pomiarowych zawiera sterownik PLC, który zapewnia odczyt danych z modułów pomiarowych w cyklu wymaganym w danej procedurze i przekazanie ich do komputera PC. Jest on zbudowany z następujących modułów: sterownik PLC MicroSmart FC4A-D20RK1 wyposażony w dwa porty szeregowe RS232, moduł transmisji radiowej RC1189-RC232, blok zasilania sieciowego. Aby uniknąć błędów przetwarzania danych, przyjęto zasadę, że przekazywanie danych z układu pomiarowego do modułu transmisyjnego odbywa się za pośrednictwem transmisji szeregowej. Podsumowanie Pojazdy specjalne wyposażone w urządzenia techniczne ratownictwa wysokościowego ze względu na swoją konstrukcję i przeznaczenie muszą podlegać specjalistycznym badaniom mającym na celu weryfikację rozwiązań odpowiedzialnych za bezpieczeństwo ich użytkowania. Badania muszą dotyczyć bezpieczeństwa przemieszczania się tych pojazdów po drogach publicznych i w warunkach terenowych oraz wykorzystania zamontowanych na nich drabin i podnośników pożarniczych. Opisany zestaw modułowej aparatury do badania stateczności i bezpieczeństwa samochodów z urządzeniami ratownictwa wysokościowego pozwala na realizację standardowych badań pojazdów pożarniczych, drabin strażackich, podnośników, dźwigów oraz innych pojazdów specjalnych z wysoko umiejscowionym środkiem ciężkości. Jest on przeznaczony głównie do testowania pojazdów wykorzystywanych podczas akcji ratowniczo- -gaśniczych prowadzonych na wysokościach. Specjalne rozwiązania techniczne stosowane w tego rodzaju pojazdach, sposób ich użytkowania w warunkach działań ratowniczych i szczególne wymagania dotyczące bezpieczeństwa wymagają zastosowania podczas ich badania specjalistycznej aparatury kontrolno-pomiarowej wchodzącej w skład opracowanego systemu. Dzięki modułowej budowie przedstawionego systemu testowania, elastycznemu oprogramowaniu i wykorzystaniu łączności radiowej do transmisji danych pomiarowych, możliwa jest realizacja testów różnych pojazdów i urządzeń specjalnych, charakteryzujących się wysoko umiejscowionym środkiem ciężkości i działaniem wymagającym szczególnej uwagi z punktu widzenia zachowania stateczności. LITERATURA 1. Jerzy Wicher: Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego. WKiŁ, Warszawa Leon Prochowski, Andrzej Żuchowski: Pojazdy samochodowe. Samochody ciężarowe i autobusy. WKiŁ, Warszawa

6 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/ Kozioł S., Matras E., Zbrowski A., Samborski T.: Koncepcja zestawu aparatury do badania stateczności i bezpieczeństwa samochodów z urządzeniami ratownictwa wysokościowego. Logistyka nr 3/2011, s Zbrowski A., Kozioł S.: Badania prototypu systemu do kontroli bezpieczeństwa urządzeń ratownictwa wysokościowego. Problemy Eksploatacji nr 1/2012, s PN-ISO 10392:1997 Pojazdy drogowe dwuosiowe Określenie położenia środka masy. 6. PN-EN :2009 Samochody pożarnicze Część 2: Wymagania ogólne Bezpieczeństwo i parametry. 7. PN-EN A1:2010 Samochody pożarnicze specjalne Drabiny obrotowe z ruchami sekwencyjnymi Wymagania dotyczące bezpieczeństwa, cech użytkowych oraz metody badań. 8. PN-EN 1777:2010 Podnośniki hydrauliczne dla straży pożarnej Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i badania. Dr inż. Stanisław Kozioł, dr inż. Eugeniusz Matras i dr inż. Andrzej Zbrowski są pracownikami Instytutu Technologii Eksploatacji Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu. 19