Uszkodzenia opony ciężarowej (cz.2)
Propagacja uszkodzeń i sił
W części 1 artykułu został przedstawiony krótki przegląd zagadnień związanych z gwałtowną dekompresją opony, metodyką badań oraz charakterystyką uszkodzeń w skrócie. W przeglądzie wskazano, że obecnie nie ma opracowanych modeli gwałtownej dekompresji opony, a modele ograniczają się do spadku ciśnienia w oponie w zadanym czasie bez uwzględniania reakcji do otoczenia. Metodyka badań ukazuje zakres postępowania w rozpoznawaniu uszkodzeń dekompresyjnych i dla ułatwienia została podana w punktach. Uszkodzenia opony oparto na zdarzeniu rzeczywistym, które przeszło proces prawno-sądowy. Autorzy otrzymali zgodę organów procesowych na prezentację skróconej charakterystyki uszkodzeń w publikacjach.
Propagacja uszkodzeń
Skutkiem czynników zewnętrznych w miejscu dynamicznego uderzenia (uszkodzenie pierwotne) rozpoczął się proces separacji warstw kompozytu opony (Fot. 1- 4). Podczas toczenia opony następował wzrost temperatury poprzez jej uginanie, powietrze z rejonu separacji pod wpływem wzrostu temperatury zwiększało swoją objętość powiększając separację. Odseparowane warstwy tarły wzajemnie o siebie wygładzając powierzchnie kontaktu (Fot. 5-8). Eksploatacja opony z odseparowanymi warstwami doprowadziła do gwałtownej dekompresji i rozerwania struktury kompozytu opony (Fot. 9-10).
Fot. 1-2. Uszkodzenie pierwotne gumy bieżnika, widok od zewnątrz: powstało od dynamicznego uderzenia, najechania na przeszkodę lub inny niezidentyfikowany przedmiot. Pęknięcie / nacięcie struktury gumy bieżnika cechuje się nierównymi krawędziami. Głębokość uszkodzenia dochodzi do warstw opasania nie przebijając opony, skutkiem czego nie wystąpił spadek ciśnienia w oponie.
Fot. 3-4. Uszkodzenie pierwotne widok od strony wewnętrznej oraz ślady początku separacji.
Fot. 5-8. Ślady miejsc separacji wzdłuż obwodu opony rozpoczynające się od miejsca pęknięcia, rozerwania bieżnika, i są widoczne do miejsca rozerwania opony w czole podczas eksplozji dekompresyjnej.
Fot. 9. Widoczne końcówki rozerwanej pierwszej od wewnątrz warstwy opasania w czole opony w czasie eksplozyjnej dekompresji. Widać rozerwanie jednej warstwy opasania wzdłuż nitek osnowy oraz kapy butylowej. Bieżnik z dwiema warstwami opasania odwarstwiony.
Fot. 10. Rozerwanie dekompresyjne w czole opony.
Fot. 11-12. Widok przekroju rozwarstwienia bieżnika w początkowej fazie procesu separacji.
Całkowity zakres uszkodzeń przedniej lewej opony został spowodowany wystąpieniem uszkodzenia pierwotnego. Uszkodzenie pierwotne polegało na najechaniu opony na niezdefiniowaną przeszkodę na jezdni, która uszkodziła / nacięła wierzchnią warstwę gumy bieżnika w pierwszym rowku od zewnętrznej strony opony. O wystąpieniu procesu cięcia mogą świadczyć gładkie powierzchnie w obszarze pęknięcia. W wyniku uszkodzenia gumy bieżnika zaistniała możliwość przenikania do wnętrza opony drobnych ciał obcych, które mogły się przyczynić do zwiększenia intensywności procesu separacji. Uszkodzeniu uległa zewnętrzna warstwa gumy bieżnika dochodząc do warstwy opasania. Pęknięcie umiejscowione wewnątrz rowka było na tyle niewielkie, iż mogło być nie zauważone z zewnątrz, chociażby ze względu na losowe ustawienie koła podczas kontroli wzrokowej. Powstałe pęknięcie podczas eksploatacji opony powodowało separację gumy bieżnika od warstw opasania. O długim czasie tego procesu świadczą gładkie, jakby wyszlifowane powierzchnie. Powstanie wygładzonych powierzchni było możliwe na skutek tarcia o siebie odseparowanych elementów. Nie można zdefiniować czasu procesu rozwarstwiania bieżnika opony i warstw opasania. Separacja warstwy bieżnika i warstw opasania wystąpiła na długości obwodu około 1600 mm. Wystąpienie tak rozległej separacji prowadziło do powstawania dużych sił odśrodkowych wynikających z masy odseparowanego bieżnika z warstwami opasań i prędkości pojazdu. Tak osłabiona opona była bardzo podatna na inne rodzaje uszkodzeń. Zainicjowało to podczas procesu oderwania bieżnika rozerwanie wewnętrznej kapy, pęknięcie pomiędzy drutami osnowy i rozerwanie pierwszej warstwy opasania. To rozerwanie spowodowało gwałtowny wypływ powietrza do przestrzeni pod odseparowanym bieżnikiem, nagły - skokowy wzrost ciśnienia (sił) w obszarze odseparowanego / osłabionego bieżnika i jego oderwanie na barkach opony.
Wartości sił oddziałujących na bieżnik opony
Na oponę koła samochodu ciężarowego działały bardzo duże siły odśrodkowe, których wartości wyznaczono wykorzystując uproszczony model przedstawiony na Fot. 12.
Fot. 13. Wyznaczanie prędkości liniowych w poszczególnych punktach koła samochodu - poruszającego się z prędkością około 90 km/h dla różnych promieni wodzących (model uproszczony)
Obliczenie siły odśrodkowej działającej na oponę koła samochodu ciężarowego poruszającego się z prędkością około 90 km/h:
- prędkość liniowa v geometrycznego środka O koła samochodu jest równa prędkości ruchu pojazdu, wynoszącej około 90,0 km/h, przyjęto 25,0 m/s,
- prędkość kątowa koła samochodu jest określona ogólną zależnością,
gdzie: v - prędkość liniowa rozpatrywanego punktu koła samochodu [m/s],
r - promień wodzący; promień koła samochodu r = ok. 0,512 [m], prędkość liniowa vA [m/s] – punktu na obwodzie bieżnika opony,
- przyspieszenie dośrodkowe ad punktu A koła samochodu na powierzchni bieżnika opony,
- siła odśrodkowa Fod - działająca na odrywany fragment bieżnika opony (17 kN przy 7 kg),
gdzie: mfb = ok. 7 kg - masa fragmentu bieżnika w początkowej fazie rozrywania (oszacowano na podstawie pomiarów oddzielonych części bieżnika).
Z przeprowadzonej analizy dynamicznej wynika, że na oponę koła samochodu ciężarowego poruszającego się z prędkością około 90 km/h oddziałuje siła odśrodkowa o wartości Fod ≈ 17kN oraz przyspieszenie dośrodkowe o wartości ad ≈ 2438,5 m/s2. Siła odśrodkowa działając na częściowo odwarstwione elementy bieżnika z opasaniem wywołała naprężenia, które przekroczyły granicę wytrzymałości opony. Spowodowało to rozerwanie 1 warstwy opasania, a następnie oderwanie części bieżnika z odwarstwionymi opasaniami od osnowy. Odrywający się bieżnik z opasaniami spowodował rozdzielenie między splotami osnowy umożliwiając gwałtowny / eksplozyjny wypływ sprężonego powietrza.
Działanie siły odśrodkowej (ok. 17kN) spowodowało:
1. Odseparowanie części bieżnika z dwiema warstwami opasania,
2. Rozdzielenie gumy między splotami osnowy (wzdłuż nitek), co spowodowało gwałtowny wypływ powietrza,
3. Gwałtowny wypływ sprężonego powietrza z opony (ciśnienie ok. 0,9 MPa),
4. Rozerwanie dekompresyjne stalowych splotów opasań,
5. Dekompresyjny wypływ powodował dalsze uszkodzenia opony głównie w strefie jej boków miedzy splotami osnowy,
6. Gwałtowny wypływ powietrza generował siły powodujące działania wpływające na tor ruchu pojazdu.
W III Części artykułu: badania mechanoskopijne, analiza wyników i podsumowanie.
Autorzy: Konrad J. Waluś, Jerzy Warszczyński
Fot.: Autorzy
