Jan Unarski 1 Jakub Zębala 2 WYBRANE NIEBEZPIECZEŃSTWA ZWIĄZANE Z PRZEWOZEM ŁADUNKÓW W POJAZDACH CIĘŻAROWYCH I CYSTERNACH Przewóz ładunków w pojazdach ciężarowych i cysternach, który po terenie Polski realizowany jest na wielką skalę, powoduje zwiększenie ryzyka zdarzeń drogowych, w szczególności tych, które mogą powodować powstanie wypadków lub zdarzeń drogowych o bardzo poważnych skutkach. Wiąże się to z kilkoma faktami występującymi w kraju szczególnie w dużym nasileniu. Do nich należy zaliczyć: realizowanie większości przewozów towarowych poprzez transport drogowy, nierozwinięta sieć dróg dwujezdniowych, przewóz ładunków w ruchu tranzytowym poprzez duże miasta, niski stan techniczny dróg (koleiny), niedostateczne zrozumienie ryzyka przewozów przez kierowców (prędkość) dalekie od doskonałości standardy ładowania i mocowania ładunków. Ryzyko poważnych skutków zdarzenia rośnie w przypadku przewozu ładunków niebezpiecznych. Dlatego też czujemy się w obowiązku opisać w kilku słowach nieznane szerzej aspekty podwyższonego ryzyka przewozu towarów w samochodach ciężarowych i cysternach. Pierwszym z tych problemów jest uzmysłowienie sobie konieczności zapewnienia stabilności ładunku na powierzchni podłogi skrzyni ładunkowej, tak aby nie uległ on przesunięciu w czasie żadnego z manewrów wykonywanych na drodze. Powoduje to konieczność sprostaniu maksymalnie silnemu hamowaniu na suchej jezdni, a więc opóźnieniu hamowania na poziomie 8 m/s 2. Konieczne jest również zapewnienie stabilności w czasie zmian kierunków jazdy takich jak gwałtowna zmiana pasa ruchu (omijanie), dla którego przyjmuje się maksymalne przyspieszenie boczne na poziomie 5 m/s 2, oraz gwałtowne ruszanie z przyspieszeniem na pierwszym lub drugim biegu do wartości 5 m/s 2. Parametry te są standardowe dla odporności ładunków we wszystkich krajach UE (rys.1). 1 Jan Unarski, Instytut Ekspertyz Sądowych w Krakowie 2 Jakub Zębala, Instytut Ekspertyz Sądowych w Krakowie
Rys.1. Niezbędne graniczne parametry odporności mocowania ładunków. Skuteczne zabezpieczenie ładunku musi sprostać nie tylko warunkowi hamowania, ale też jazdy po łuku, na którym ładunek może się przesuwać poziomo po skrzyni i napierać na boczne burty lub spaść ze skrzyni albo przymocowany do pojazdu może chcieć doprowadzić do przewrócenia pojazdu. Wyliczanie granicznych warunków prędkości jazdy po łuku z warunku odporności na wpadnięcie w poślizg (spadnięcie ładunku) lub wywrócenie się pojazdu, opiera się zwykle o rozważania teoretyczne dla warunków statycznych pojazdu, gdyż wtedy stosunkowo prosto można prowadzić te wyliczenia. Ale wyliczenia te nie uwzględniają faktycznych warunków ruchu, w których pojazdy mające skrzynie ładunkowe zawieszone sprężyście ulegają działaniu tych sił obniżających w rzeczywistości odporność pojazdu na bezpieczne wykonywanie manewrów. Uzewnętrznia się to szczególnie w czasie wykonywania połączonych manewrów takich jak usiłowanie ominięcia jakiejś przeszkody wraz z powrotem na pierwotny pas ruchu lub hamowanie połączone ze skręcaniem. Dlatego też zwykle podawane są warunki graniczne przyspieszeń bocznych, jakie może pojazd z ładunkiem bezpiecznie realizować w ruchu uwzględniając warunek niedopuszczenia do przewrócenia się pojazdu (rys.2). Rys.2. Graniczne warunki przyspieszenia bocznego powodującego przewrócenie.
Dla warunków dynamicznych obliczenia takie są znacznie trudniejsze, a tym bardziej skomplikowane, jeśli chcemy uwzględnić na przykład przemieszczenie się ładunku ku bokowi skrzyni ładunkowej ciągnika siodłowego z naczepą. W takich przypadkach korzysta się z komputerowych programów symulacyjnych, które realizują obliczenia ruchu pojazdu w złożonych warunkach i po skomplikowanym torze (ryc.3). Rys.3. Symulacja przewrócenia naczepy przez przesuwający się ładunek na łuku drogi. Szacunkowe obliczenia wskazują, że graniczna prędkość na łuku drogi dla pojazdu realizującego dynamiczny przejazd po łuku sięga ok. 80-85% wartości prędkości obliczanej dla warunków statycznych i dotyczy to sytuacji bez przesunięcia ładunku. Pochylanie się pojazdu wraz z ładunkiem na łuku drogi powoduje również niekorzystny dla stabilności ładunku rozkład sił, w którym nowa składowa ciężaru prostopadła do podłogi skrzyni obniża się zgodnie z wzorem F T =G cosα powodując obniżenie tarcia ładunku o podłogę, a w tym samym czasie druga składowa F P =G sinα wzmacnia działanie siły odśrodkowej na łuku. Szczególnie ta druga siła ma istotniejsze znaczenie, co wynika z wartości funkcji kąta (rys.4), i zwiększa skłonność pojazdu do przewrócenia się. Przy dynamicznej zmianie pasa ruchu obserwuje się pochylanie samochodu nawet do wartości α=10 0. Dlatego mimo stosowania czterech podstawowych i skutecznych form zabezpieczania ładunku przed przemieszczeniem się, a to: kotwiczenia ładunku do podłogi lub nadwozia specjalnymi zamkami lub pasami, zwiększania tarcia poprzez dociskanie ładunku do podłogi lub podkładanie mat przeciwślizgowych,
blokowania swobody przemieszczania przez podkładanie belek, klocków, klinów bądź mocowanie przez rozparcie, zabezpieczania materiałów przez tworzenie większych pakunków, niebezpieczeństwo niekorzystnego zbiegu okoliczności i doprowadzenie do przewrócenia się pojazdu jest całkowicie realne. Rys.4. Zmiany sił działających na ładunek na łuku drogi. Najnowsze badania nad zachowaniem się pojazdów i ładunków w czasie ruchu przyniosły inne niekorzystne rezultaty. Chodzi w tym przypadku o zachowanie się pojazdu w czasie przejeżdżania przez nierówności jezdni i poprzeczne garby, a naszym krajowym przypadku o przekraczanie kolein, co ma zwyczajowo miejsce przy zmianie położenia samochodu w poprzek jezdni (omijanie, wyprzedzania). Jak się okazuje, ładunek poddawany jest w takim przypadku pionowym wstrząsom, co prawda krótkotrwałym (50 ms), ale o wartościach przyspieszenia sięgających 0,2 przyspieszenia ziemskiego (0,2 g). Oscylacje te wykonywane w pionie powodują, że ładunek ten jest raz dociskany do powierzchni podłogi,
i w tym przypadku nie ma to większego znaczenia, ale przy przeciwnym zwrocie przyspieszenia ładunek jest odciążany, a więc wywiera na podłogę mniejszy nacisk. Mniejszy nacisk powoduje zmniejszenie się siły tarcia na styku ładunku z podłogą. Dla przykładu można wskazać, że przy zastosowaniu maty o współczynniku tarcia µ=0,6, siła tarcia utrzymująca ładunek równa jest właśnie 0,6 G. Ale przy oscylacji pionowej na poziomie ± 0,2 G, siła tarcia wynosi odpowiednio: 0,8 G lub 0,4 G. W tym drugim przypadku, chwilowo ładunek nie jest już odporny na wymagane 0,5 G w kierunku poprzecznym, co może zapoczątkować ruch ładunku w kierunku burty bocznej skrzyni ładunkowej. Dlatego też, energiczne zmiany pasa ruchu na jezdni z koleinami są szczególnie niebezpieczne dla ładunków i stateczności pojazdów w ogóle. Przypuszcza się, ze znaczna cześć utraty stateczności ruchu pojazdów na drogach może mieć właśnie związek z tym zjawiskiem. W tej sytuacji, ładunki na pojazdach powinny być absolutnie kotwione do naczepy np: za pomocą pasów, gdyż oczekiwanie, że tarcie między ładunkiem a podłogą będzie wystarczające, może okazać się złudne. Pamiętać zatem należy, o maksymalnym obniżaniu położenia środka ciężkości ładunku, który zawsze powinien być poniżej połowy jego wysokości i o nie umieszczaniu płynów w zbiornikach kontenerowych w górnej połowie wysokości ładowania, gdyż one w szczególny sposób niekorzystnie wpływają na stateczność pojazdu (rys.5).
Rys.5. Poprawne rozmieszczenie ładunków na skrzyni. Dla łatwiejszego zrozumienia, jak blisko granicy niestabilności możemy znaleźć się w przypadku beztroskiego ładowania i mocowania ładunków warto spojrzeć na tablicę na rys.6. na której umieszczono współczynniki tarcia najbardziej powszechnych par materiałów spotykanych na skrzyniach ładunkowych pojazdów ciężarowych. Rys.6. Wartości współczynników tarcia najpopularniejszych połączeń ładunek-skrzynia. Warto w tym miejscu również wspomnieć o nie często przypominanej regule wskazującej, że bezpieczeństwo wielu manewrów samochodu ciężarowego zależy od
odpowiedniego nacisku przednich kół samochodu na jezdnię. Jest on niezbędny zarówno dla procesu hamowania jak i skręcania. Nacisk ten generuje niezbędną siłę tarcia dla tych manewrów i dlatego przyjmuje się, że nacisk na przednią oś samochodów nie może być niższy niż 20% ciężaru całkowitego dla samochodów ciężarowych i 25% ciężaru całkowitego w przypadku autobusów. Podobne reguły dotyczą równomierności rozmieszczenia ładunku po obu stronach osi podłużnej pojazdu. W tym przypadku nierównomierność obciążenia pomiędzy lewą a prawą stroną pojazdu nie może być większa niż 15%, a dla traktorów i maszyn budowlanych do 20% przy ograniczeniu prędkości do 20 km/h. Te poruszone problemy nabierają szczególnego znaczenia w przypadku rozważania stateczności cystern. Ładunek w tych pojazdach, z uwagi na swój charakter jest ruchomy i jego ruchomość zwiększa się wraz z obniżaniem się gęstości ładunku. Zwykle cysterny służą do przewozu dwóch rodzajów skupienia ładunków: płynów oraz materiałów sypkich. Te pierwsze jednak mają zdecydowanie większą skłonność zmiany swojej pozycji. Rozważmy zatem w kolejności niebezpieczne manewry. Do pierwszego z nich należy gwałtowne hamowanie. Hamowanie to powoduje przesuwanie się ładunku (płynu) w kierunku przodu pojazdu. Niebezpieczeństwo tego zjawiska jest mniejsze, gdy w cysternie jest dużo płynu, gdyż co prawda masa jego jest duża, ale możliwość przemieszczania mała. Również niebezpieczeństwo jest umiarkowane, gdy płynu jest mało, bo może co prawda przemieszczać się znacznie, ale z kolei jego masa nie jest duża. Najtrudniejsza sytuacja powstaje w chwili, gdy objętość płynu stanowi około połowy zbiornika. Hamowanie powoduje przemieszczenie się płynu do przodu i do góry po przedniej ściance, a przy intensywnym hamowaniu może dosięgnąć sufitu zbiornika (rys.7). Rys.7. Przemieszczanie się płynu przy hamowaniu cysterny. Takie przemieszczanie się płynu powoduje zarówno napieranie na przednie ściany poszczególnych komór, jak i odpowiednie odciążanie tylnych części zbiorników. Rezultatem
tych zmiennych sił jest wydłużenie drogi hamowania takiego samochodu, jak i odczuwalne nawet po zatrzymaniu pojazdu zmienne siły hamowania (szarpanie). Na rys. 8 przedstawiono wykres wykorzystania współczynnika hamowania dla poszczególnych osi cysterny, obrazujący jego silną zmienność w czasie. Rys.8. Zmiany wskaźnika wykorzystania przyczepności k p dla kół poszczególnych osi podczas manewru hamowania. Podobne problemy powstają przy ruchu cysterny po łuku drogi, w którym to przypadku dochodzi do poprzecznego przemieszczania się ładunku w kierunku zewnętrznej ściany zbiornika. Przechylenie się pojazdu i działanie siły odśrodkowej kumulują się usiłując zepchnąć pojazd z dotychczasowego toru ruchu i jednocześnie doprowadzić do odrywania się wewnętrznych kół pojazdu i jego przewrócenia (rys.9). Aby temu zapobiec konstruuje się specjalne cysterny o obniżonym środku ciężkości, mniej podatne na takie zjawiska. Cysterna o podobnie bezpieczniejszej konstrukcji TOPAS (lub podobny model Deischel) widoczna jest na rys.9.
Rys.9. Unoszenie się wewnętrznych kół pojazdu przy ostrym skręcie cysterny w lewo. Oczywiście również i w tym przypadku i z tych samych powodów, co przy hamowaniu najbardziej niebezpieczna jest sytuacja, gdy w zbiorniku znajduje się 40-50% objętości płynu. W celu opisania niebezpieczeństwa tego zjawiska można obejrzeć wykres na rys.10. Na wykresie przedstawiono możliwe graniczne przyspieszenie poprzeczne w funkcji stopnia napełnienia zbiornika. Wykres ten wskazuje na blisko dwukrotne obniżenie zdolności pojazdu do pokonywania łuków i zakrętów w przypadku zapełnienia płynem do połowy objętości, w stosunku do pustej cysterny. Jednocześnie można zauważyć, że zbiornik o przekroju prostokątnym jest bardziej niebezpieczny niż zbiornik o przekroju owalnym. Rys.10. Graniczne przyspieszenie poprzeczne w funkcji stopnia napełnienia zbiornika. W ostatnim czasie prowadzono ciekawe badania porównawcze zachowania się cystern na drodze w czasie których poddawano je manewrom jazdy po okręgu przy zwiększającej się prędkości pojazdu aż do odrywania się wewnętrznych kół pojazdu. Przy tym w zasadzie stabilnym przejeździe osiągnięto możliwość jazdy po łuku z maksymalnym przyspieszeniem bocznym wynoszącym 0,58 g. Ta sama cysterna zapełniona w 50% płynem przy wykonywaniu gwałtownych manewrów skrętu wykazywała drastyczne obniżenie wartości granicznego przyspieszenia bocznego do poziomu 0,21 g (rys.11).
Rys.11. Oderwanie się wewnętrznych kół cysterny na łuku drogi. Przebadano w ruchu wiele cystern, starając się ustalić ich graniczny kąt przechyłu, przy którym zaczyna się przewracanie pojazdu, oraz badając maksymalne przyspieszenie boczne na łuku, a wyniki zebrano w poniższej tabeli. Pojazd Maksymalne Graniczny kąt Ciężar przyspieszenie przechyłu całkowity poprzeczne Wszystkie cysterny 19,1 0-28,5 0 13-28 t 0,35-0,54 g Ciągnik + naczepa cysterna z obniżonym środkiem ciężkości 24,2 0-25,5 0 24-27 t 0,45-0,48 g Ciągnik + naczepa cysterna z tradycyjnym prostokątnym 23,3 0-23,6 0 27 t 0,42-0,43 g zbiornikiem Ciągnik + naczepa cysterna z cylindrycznym zbiornikiem 19,1 0-24,2 0 20-28 t 0,34-0,44 g Cysterna solo 21,0 0 13 t 0,38 g Cysterna Deischel 28,5 0 14 t 0,53 g Przedstawione w artykule zagadnienia związane z przewozem materiałów w samochodach ciężarowych i cysternach nie wyczerpują całości tematu, ponieważ zagadnienia te są złożone i wymagają specjalistycznej wiedzy z różnych dziedzin nauki. Autorzy artykuły mają jednak nadzieje, że przedstawiony w sposób skrótowy problem mocowania towarów w samochodach ciężarowych oraz problem przewozu materiałów płynnych i sypkich zostanie wykorzystany w praktyce zawodowej stosownych służb technicznych.
Literatura 1. Kofalvi G., Reconstruction of Accidents Involving Commercial Vehicles of Rollover, XIII Annual Conference of the European Association for Accident Research and Analysis, Budapest 2004. 2. Praca zbiorowa, Wypadki drogowe, Vademecum biegłego sądowego, wyd. IES Kraków 2006. 3. Lampen A., Ladungssicherung, Verlag Günter Hendrisch GmbH&Co. KG, 2002. 4. Buchcar R., Minimalizacja ryzyka w nowoczesnych formach szkolenia, VI Konferencja Naukowo-Techniczna p.t. Problemy bezpieczeństwa w pojazdach samochodowych, Kielce, 12-13 lutego 2008 r., str. 31-54. 5. Wach W., PC Crash program do symulacji wypadków drogowych Poradnik użytkownika, wyd. IES, Kraków 2001. 6. Kosacki T., Zastosowanie metod numerycznych do analizy ruchu samochodu-cysterny z częściowo wypełnionymi zbiornikami, VIII Konferencja pt. Problemy rekonstrukcji wypadków drogowych, Zbiór referatów, wyd. IES, Kraków, 18-19 października 2002, str. 157-167.