Spoľahlivosť ochranných konštrukcií obsluhy mobilných pracovných strojov

Požiadavky na ochranné konštrukcie

Požiadavky pre certifikáciu teraz stanovujú novelizované normy: ISO 3449 - Ochranná konštrukcia proti padajúcim objektom (FOPS) a ISO 3471 - Ochranná konštrukcia chrániaca pri prevrátení (ROPS). Splnenie jednoznačne definovaných požiadaviek je nutnosťou pre deklarovanie spoľahlivosti ochrannej konštrukcie obsluhy.

FOPS I. kategórie, guľa

FOPS II. kategórie, valec

Ochranné konštrukcie mobilných strojov na zemné práce majú zabezpečiť bezpečnosť obsluhy stroja pri práci aj vo veľmi ťažkých pracovných podmienkach. Priestor obsluhy limitujúci deformáciu konštrukcie pri prevrátení stroja alebo pri jeho zasiahnutí padajúcim bremenom musí byť bezpečný a podlieha hodnoteniu spoľahlivosti. Pre vyslovenie zhody s požiadavkami na ochrannú konštrukciu podľa príslušných noriem sa uskutočňujú laboratórne merania na reálnej konštrukcii. To je záverečná etapa jej vývoja. Požiadavky minimálnej odolnosti pri skúšobných testoch pre nakladače, ako príklad pre vybranú skupinu strojov, uvádza tabuľka.

Skúšanie spoľahlivosti ochrany

Pre skúšanie spoľahlivosti ochrany FOPS podľa I. kategórie sa používa guľový predmet z ocele, prípadne liatiny. Normalizovaný predmet pre skúšky pádom nesmie presahovať priemer 250 mm, hmotnosť 45 kg a pri aplikácii jeho pádu nesmie po skúške vykázať trvalé deformácie a vyvinie pri dopade energiu 1365 J. Pri skúškach podľa II. kategórie sa používa voliteľný predmet (guľovitý, alebo valcovitý) s max. priemerom 400 mm, ktorý je schopný vyvinúť pri dopade energiu 11 600 J. Jeho dopadová plocha musí byť kruhová s priemerom 200 mm, rovinná.

ROPS, bočné zaťaženie

ROPS, horné zaťaženie

ROPS, pozdľžne zaťaženie

Skúška ROPS simuluje prevrátenie stroja kvázistatickým zaťažením ochrannej konštrukcie v nasledujúcom poradí:

• bočné zaťaženie, pri ktorom sa vhornej časti ochrannej konštrukcie aplikuje horizontálne zaťaženie. Konštrukcia musí zachytiť požadovanú silu pri súčasnom dosiahnutí žiadanej akumulovanej energie ochrannou konštrukciou;
• zvislé zaťaženie, je to vertikálne zaťaženie vdanom mieste hornej časti ochrannej konštrukcie, ktoré musí pôsobiť vtej istej rovine ako bočné zaťaženie;
• pozdĺžne zaťaženie, je to horizontálne zaťaženie vpozdĺžnom smere vozidla, ktoré musí taktiež konštrukcia zachytiť.

Zaťaženia musia byť prenesené bez ohrozenia obsluhy, teda bez ohrozenia priestoru DLV (definovaný bezpečný priestor obsluhy).

Meranie

Rýchlosť deformácie musí byť taká, aby sa zaťažovanie mohlo považovať za statické, tj. rýchlosť deformovania v pôsobisku zaťaženia nie je väčšia ako 5 mm.s^-1. Metóda výpočtu konštrukciou pohltenej energie je daná integrovaním elementárnych pôsobiacich síl F_i a meranej dĺžky l_i posunutia bodu v mieste pôsobiska sily:

Požaduje sa, aby pri dosiahnutí určenej energie ochranná konštrukcia dosiahla aj určenú silu alebo silu väčšiu. Tu je dôležité pri navrhovaní konštrukcie si uvedomiť, že pre požiadavku dosiahnutia energie konštrukciou pohltenej je často pri skúške nutné podstatne zvýšiť zaťažovaciu silu, alebo pokračovať v dosiahnutom zaťažení s cieľom ďalšej deformácie v oblasti sklzu materiálu konštrukcie. Takýto stav nastal aj pri meraní konkrétnej ochrannej konštrukcie podľa uvedených grafov - sila zaťaženia a akumulovaná energia pri posunutí, deformácii. Pri dosiahnutí normou žiadanej bočnej zaťažovacej sily dosiahla konštrukcia len okolo 25% akumulovanej energie a po ďalšom zaťažovaní pre dosiahnutie požadovanej energie sa konštrukcia po značnom pretvorení v uzlových bodoch zlomila. Takýto výsledok obvykle vedie konštruktéra ku spevneniu slabých miest, ku robustnosti konštrukcie a v konečnom dôsledku ku veľmi tuhej konštrukcii. Ideálnym riešením je však taká tuhosť ochrannej konštrukcie, ktorá dosiahne požadované zaťaženie a akumulovanú energiu súčasne.

Sila zaťaženia a akumulovaná energia pri posunutí
(deformácii) meraného bodu konštrukcie

Sila zaťaženia a akumulovaná energia pri posunutí
(deformácii) meraného bodu konštrukcie

Diskusia

Filozófia predmetných skúšok daná príslušnými normami teda predpokladá nasledovný dej pri havárii stroja:

1. zasiahnutie, prípadne nezasiahnutie ochrannej konštrukcie obsluhy náhodilým padajúcim bremenom;
2. prevrátenie stroja v zložitom teréne na bočnú stranu;
3. následné prevrátenie stroja na strechu;
4. pôsobenie doprednej, resp. spätnej zotrvačnej sily od jazdnej rýchlosti stroja na hornú časť ochrannej konštrukcie obsluhy, pozdĺžna sila.

Táto postupnosť deja sa javí ako najviac pravdepodobná. Pri skúškach sa však stretávame aj so strojmi, kde je reálne prvotné prevrátenie stroja do zadu, prípadne do predu. V takom prípade je najväčšie ohrozenie obsluhy práve silami v pozdĺžnom smere, ktoré sa však uvažujú ako najmenej ohrozujúce chránený priestor obsluhy a pre pozdĺžne zaťaženie nie je stanovená ani požiadavka akumulovanej energie.

Príklad stroje s malým rázvorom

Druhým okruhom problematiky je nadmerne vysoká tuhosť ochrannej konštrukcie. Napríklad pri trojnásobne väčšej bočnej sile, ako je pre konštrukciu požadované, postačuje pre dosiahnutie konštrukciou akumulovanej energie úmerne menšia deformácia. To však má za následok podstatne väčšie spomalenie pri dopade ochrannej konštrukcie na terén, čo je pre obsluhu stroja nepriaznivé. Veľmi tuhá ochranná konštrukcia spôsobuje veľké nárazové spomalenie, čo je pri havárii nepriaznivé najmä pre obsluhu stroja.

Naším cieľom je rozvinúť diskusiu medzi skúšobňami, prevádzkovateľmi a aj výrobcami zemných strojov na tému dostatočnosti spoľahlivého hodnotenia bezpečnosti obsluhy zemných strojov z pohľadu možného prvotného prevrátenia stroja do zadu, prípadne do predu a z pohľadu nadmerne vysokej tuhosti ochrannej konštrukcie.

Ing. Ladislav Jurák, Ph.D.

Doc. Ing. Ľuboš Kučera, Ph.D.

katedra konštruovania a častí strojov

Strojnícka fakulta, ŽU Žilina

ŽU Žilina

http://fstroj.utc.sk/web/kkcs/

ladislav.jurak@fstroj.utc.sk