Uszkodzenia opony ciężarowej (cz.3)
Badania mechanoskopijne i analiza wyników
W części pierwszej artykułu został przedstawiony krótki przegląd zagadnień związanych z gwałtowną dekompresją opony, metodyka badań oraz charakterystyka 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 prawnosądowy. Autorzy otrzymali zgodę organów procesowych na prezentację skróconej charakterystyki uszkodzeń w publikacjach.
W części drugiej artykułu przedstawiono propagacje powstawania uszkodzeń badanej opony samochodu ciężarowego od wystąpienia uszkodzenia pierwotnego, poprzez rozwój uszkodzeń struktury wewnętrznej warstw kompozytu opony, do uszkodzeń powstałych w wyniku gwałtownej dekompresji. Wykazano również wpływ prędkości pojazdu na wartości sił oddziałujących na odseparowany fragment bieżnika opony.
Analiza mechanoskopijna uszkodzeń opony
Cel badań mechanoskopijnych
Stwierdzone w czasie oględzin uszkodzenia opony zostały poddane analizie. Uszkodzenia, bieżnika w postaci otarć, zarysowań, powierzchniowych ubytków powstały podczas wypadku. Natomiast rozdzielenie osnowy, stalowych opasań i bieżnika poddano szczegółowym badaniom. W wyniku tych oględzin wybrano fragmenty (stalowe sploty) opasania rozerwanego w czasie eksplozji dekompresyjnej do badań mechanoskopijnych.
Badania mechanoskopijne przeprowadzono w celu:
- ustalenia zakresu uszkodzeń charakteryzujących się rozdzieleniami występującymi pomiędzy elementami nośnymi opony i powstałymi w czasie eksplozji dekompresyjnej opony,
- wykonania przy użyciu specjalistycznej aparatury optycznej obserwacji krawędzi rozdzieleń, celem rozpoznania charakterystycznych cech uszkodzeń powstałych mechanicznie oraz z powodu rozerwania dekompresyjnego,
- analizy śladów, porównania cech charakterystycznych uszkodzonych krawędzi,
- przypisania geometrycznego miejsc uszkodzeń mechanicznych oraz uszkodzeń powstałych w wyniku eksplozji dekompresyjnej.
Dla jednoznacznego ustalenia charakteru rozerwania (odseparowanych względem siebie) stalowych opasań w czole opony, które w konsekwencji były przyczyną eksplozji dekompresyjnej, wykonano badania przełomów wyselekcjonowanych drutów za pomocą mikroskopu Bresser Biolux ICD Bino 20x 40x 80x oraz Kamery - okularu PC do mikroskopu CMOS 2 MP z możliwością archiwizacji zdjęć.
Próbki badawcze
Do badań mechanoskopijnych wyselekcjonowano próbki oznaczone literami „A”, „B”, „C” i „D”. Z wybranych próbek wyselekcjonowano stalowe druty opasania opony i poddano je badaniom za pomocą mikroskopu. Wybrane miejsca pobrania próbek przedstawiono na fotografiach 1, 2 i 3.
Fot. 1 Miejsca pobrania próbki „A” oraz próbki „B”
Miejsca pobrania próbek wybrano tak, aby próbka „A” oraz próbka „B” pochodziły z miejsc mogących mieć bezpośredni kontakt z przeszkodami na jezdni. Próbka „A” to wyseparowane druty osnowy bez fragmentów gumy, które podczas procesu rozwarstwiania oddzieliły się od gumy. Po rozerwaniu bieżnika mogły mieć kontakt z podłożem. Próbka „B” pochodzi z fragmentu oderwanego od karkasu paska opasania i podobnie jak próbka „A”, po rozerwaniu bieżnika mogła mieć kontakt z podłożem. W przypadku próbki „C” oraz „D” istnieje prawdopodobieństwo ograniczonego kontaktu z podłożem. Próbki te pozwoliły na ocenę charakterystycznych cech przełomów drutów opasania związanych z gwałtowną dekompresją opony.
Wyniki i analiza badań metalograficznych
Analizę przełomów drutów przedstawiono na fotografiach 4 do 7. Na zdjęciach na powierzchni drutów widoczne są zanieczyszczenia gumą, nierówności oraz obszary produktów korozji. Procesy utleniania powstały już po zdarzeniu. Drutów nie czyszczono mechanicznie.
Fot. 4 Próbka „A”
Dla próbki „A” zaobserwowano zarówno mechaniczne uszkodzenie drutów, jak i pękanie występujące wraz z procesem rozciągania, o czym świadczą wewnętrzne zagłębienia w czole drutu (Fot. 4). Pojawił się ślad działania twardego przedmiotu na powierzchni drutu, które wystąpiło po gwałtownej dekompresji opony. Przełomy drutów mają charakter kruchy, ale spotyka się nieliczne z odkształceniami plastycznymi. Uszkodzenia drutów charakteryzują się występowaniem zarówno powierzchni ścinanych, jak i rozerwanych dekompresyjnie. Powierzchnie ścinane są asymetrycznie.
Fot. 5 Próbka „B”
W przypadku próbki „B” druty opasania zakończone są „na płasko”, co świadczy o wystąpieniu procesu ścinającego końcówki drutów (Fot. 5). Proces taki mógł zaistnieć przy bezpośrednim kontakcie oderwanego fragmentu opasania z nawierzchnią jezdni. W tej próbce nie spotyka się drutów z odkształceniami plastycznymi.
Fot. 6 Próbka „C”
Fot. 7 Próbka „D”
Druty próbek „C” oraz „D” uległy zerwaniu w wyniku pojawienia się siły wywołującej naprężenie przekraczające wytrzymałość materiału. Charakter przełomów drutów z próbki „C” (fot. 6) oraz „D” (fot. 7) jest identyczny. W miejscu zerwania materiału pojawiło się przewężenie materiału. Jest to szyjka, która tworzy się bezpośrednio przed zerwaniem podczas rozciągania materiału, co świadczy o odkształceniu plastycznym. Identyczna szyjka powstaje podczas typowej próby statycznego rozciągania prowadzonej w celu określenia właściwości wytrzymałościowych materiału. Szyjka i przełom są położone symetrycznie względem osi drutu. Świadczy to o działaniu siły zrywającej wzdłuż osi drutu.
Analiza wyników
Na wielkość uszkodzeń struktury wewnętrznej opony i ich propagację miały wpływ zjawiska fizyczne występujące podczas toczenia się koła po nawierzchni drogi, drgania układu oraz występowanie fali stojącej. W przypadku ruchu samochodu ze stałą prędkością powstaje fala stojąca, co zazwyczaj ma miejsce na drogach szybkiego ruchu i autostradach. Niejednorodność rozkładu masy, kształtu i sztywności opony oraz powstawanie fali stojącej intensywnie oddziałuje na koło, zwiększając jego obciążenie i generowanie ciepła, co sprzyja procesowi separacji warstw opasania. Wymienione czynniki przyspieszają proces nagrzewania się i rozwarstwiania opony, szczególnie w przypadku opony uszkodzonej (uszkodzenie pierwotne), co nie musi być widoczne na zewnątrz opony.
Uszkodzenie pierwotne spowodowało uszkodzenie warstw opony bez wystąpienia całkowitego przebicia. Nie spowodowało ono utraty ciśnienia. W prezentowanym przykładzie proces destrukcji opony następował przez dłuższy czas, o czym świadczą wygładzone powierzchnie pomiędzy warstwami kompozytu. Duża ilość przejechanych kilometrów i prędkość jazdy powodowały, że proces destrukcji po wystąpieniu uszkodzenia pierwotnego stale się pogłębiał na skutek wzrostu temperatury między warstwami opony.
Na podstawie przeprowadzonych oględzin, pomiarów i badań można stwierdzić, że bezpośrednią przyczyną procesu propagacji uszkadzania opony były zależne względem siebie czynniki:
- uszkodzenie gumy bieżnika powstałe od dynamicznego uderzenia o przeszkodę lub inny niezidentyfikowany przedmiot (uszkodzenie pierwotne),
- wystąpienie separacji warstw opasania,
- narastanie separacji warstw opasania wzdłuż obwodu opony,
- rozerwanie opony w czole w czasie eksplozji dekompresyjnej,
- rozerwanie dekompresyjne wzdłuż nitek osnowy oraz uszkodzenie kapy butylowej.
Podsumowanie
Rozwój uszkodzeń opony zależny jest w głównej mierze od następujących czynników:
- prędkości pojazdu,
- obciążenia opony,
- temperatury pracy.
Opona ulegnie szybszemu procesowi degradacji między warstwami kompozytu przy większych prędkościach. Ze względu na zwiększoną częstotliwość ugięć opony, przy większych prędkościach będzie następowało zmniejszenie sztywności promieniowej opony (propagacja uszkodzeń), wzrost temperatury oraz przyspieszenie procesu separacji między warstwami. Przy mniejszych prędkościach separacja warstw będzie następowała wolniej.
Uszkodzenie pierwotne, separacja między warstwami kompozytu opony, wzrost amplitudy ugięcia oraz temperatury pracy są czynnikami bezpośrednio wpływającymi na prędkość i zakres rozwoju propagacji uszkodzeń. Wymienione rodzaje uszkodzeń zawsze powodują utratę sztywności opony, która może spowodować utratę stateczności kierunkowej samochodu ciężarowego. Na podstawie cech geometrycznych uszkodzeń struktury materiału, identyfikacji miejsca rozerwania można ocenić czy zaistniałe uszkodzenie opony jest wynikiem procesu dekompresyjnego, czy też nastąpiła inna, nienormatywna utrata powietrza w oponie podczas jazdy, procesu hamowania lub w wyniku zdarzenia drogowego.
Uszkodzenie pierwotne, pęknięcie gumy bieżnika i separacja/odwarstwienie warstw opasania i osnowy wywołały podczas eksploatacji proces destrukcji opony. Podczas toczenia opony następował wzrost temperatury wywołany histerezą (uginaniem), co powodowało przemieszczanie się powietrza z rejonu separacji. W tym procesie wzrost temperatury powoduje lokalne osłabienie elementów połączeń nośnych opony (osnowy i opasania z bieżnikiem), powodując dalsze separacje. Dodatkowo podczas ruchu pojazdu siła odśrodkowa przy osłabionym połączeniu między warstwami osnowy i opasania spowodowała gwałtowne oderwanie bieżnika z opasaniem, co skutkowało eksplozją dekompresyjną opony. Niesymetryczne rozerwanie czoła i boków opony powodowało odchylenie kierunku strugi powietrza wypływającego z opony w czasie eksplozji dekompresyjnej. Powstała wypadkowa siła boczna zepchnęła pojazd na barierki energochłonne oddzielające jezdnie. Siła pionowa wypływającej strugi powietrza mogła powodować dociskanie opony do nawierzchni, przyspieszając zmniejszanie promienia tocznego, co w konsekwencji doprowadziło do zderzenia drogowego.
W przypadku wystąpienia uszkodzenia pierwotnego, które nie powoduje przebicia opony i utraty ciśnienia, opona zachowuje swoją spójność, a powstałe uszkodzenie inicjuje separacje warstw kompozytu wewnątrz struktury opony. Nie wpływa to istotnie na wzrost poziomu drgań koła pojazdu. Kierowca, ze względu na brak oznak uszkodzenia opony przy oględzinach podczas postoju pojazdu oraz istotnie ograniczony zakres odczuć podczas jazdy, może nie zauważyć zmian, które mogą doprowadzić do gwałtownej dekompresji opony. Charakter rozwoju uszkodzenia opony jest rozciągnięty w czasie, co utrudnia ocenę tych zmian podczas ruchu pojazdu.
Gwałtowna dekompresja opony jest procesem bardzo niebezpiecznym i uniemożliwiającym wykonanie reakcji kierowcy. Dlatego też istotne jest wprowadzanie systemów nadzorujących utratę ciśnienia w oponach wspomagających kierującego. Celowe byłoby opracowanie rozwiązań technicznych umożliwiających bezinwazyjne rozpoznanie rozwarstwień opony, co przyczyniłoby się do zapobiegania wystąpienia gwałtownej dekompresji.
O autorach
Jerzy Warszczyński - emerytowany inżynier, pracownik OBR Stomil w Poznaniu. Biegły sądowy w zakresie badania ogumienia i techniki samochodowej.
Konrad J. Waluś - dr inż. Wydział Inżynierii Mechanicznej, Instytut Konstrukcji Maszyn, Politechnika Poznańska. Biegły sądowy w zakresie badania ogumienia i techniki samochodowej.
