Materiały informacyjne dla producentów sprzętu chroniącego przed upadkiem z wysokości. Przybliżona metoda oceny zachowania wybranych podzespołów łącząco-amortyzujących podczas powstrzymywania spadania z wysokości

dr inż. Krzysztof Baszczyński

Uwaga !
Przedstawione materiały informacyjne są przeznaczone dla konstruktorów sprzętu chroniącego przed upadkiem z wysokości posiadających odpowiednią wiedzę z dziedziny mechaniki i włókiennictwa oraz potrafiących posługiwać się oprogramowaniem matematycznym takim jak np. Mathcad, Origin, Excel.

Materiały włókiennicze w indywidualnym sprzęcie chroniącym przed upadkiem z wysokości

Liny włókiennicze o różnej konstrukcji np. skręcane, plecione, rdzeniowe oraz włókiennicze taśmy tkane należą do podstawowych surowców stosowanych
w indywidualnym sprzęcie chroniącym przed upadkiem z wysokości. Podstawowymi włóknami chemicznymi stosowanymi do ich produkcji są włókna poliamidowe, poliestrowe lub poliaramidowe. Wymienione materiały włókiennicze znajdują zastosowanie do produkcji takich składników sprzętu chroniącego przed upadkiem z wysokości jak:

W wymienionym sprzęcie w zależności od jego rodzaju i konstrukcji są stosowane odcinki lin i taśm włókienniczych o długości od kilku do kilkudziesięciu metrów. Właściwości mechaniczne tych materiałów włókienniczych, a głównie ich charakterystyki siła obciążająca - wydłużenie, wpływają w istotny sposób na proces powstrzymywania spadania z wysokości przez sprzęt ochronny.

Proces powstrzymywania spadania z wysokości przez podzespoły łącząco-amortyzujące

Proces powstrzymywania spadania z wysokości obciążnika symulującego człowieka przez podzespół łącząc-amortyzujący można przedstawić w uproszczony sposób tak jak zrobiono to na rys. 1. Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi powstrzymywanie spadania są: droga powstrzymywania spadania odpowiadająca wydłużeniu podzespołu łącząco-amortyzującego oraz maksymalna wartość siły powstrzymującej spadanie.
Pierwsza faza tego procesu to swobodne spadanie obciążnika na drodze h.  Faza ta kończy się wykasowaniem luzu podzespołu łącząco-amortyzującego i minimalnym jego napięciem. W drugiej fazie następuje powstrzymywanie spadania obciążnika, co jest związane z wydłużeniem o ΔH podzespołu łącząco-amortyzującego. W tej fazie energia spadającego obciążnika jest zamieniana na pracę odkształcenia podzespołu. Zjawiska przemiany energii w tym układzie opisują poniższe zależności:

(1)

gdzie:
E - zmiana energii potencjalnej spadającego obciążnika,
h - droga swobodnego spadania obciążnika,
m - masa obciążnika,
g - przyspieszenie ziemskie,
ΔH - droga powstrzymywania spadania obciążnika.

(2)

gdzie:
W - praca na odkształcenie podzespołu łącząco-amortyzującego o ΔH

(3)

gdzie:
F(S) - charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie podzespołu łącząco-amortyzującego.
L0 - długość nie obciążonego podzespołu łącząco-amortyzującego,
LREF - długość nie obciążonego podzespołu łącząco-amortyzującego poddanego badaniu charakterystyki F(S),
b0 , b1 - współczynniki funkcji potęgowej opisującej charakterystykę F(S),
S - wydłużenie podzespołu łącząco-amortyzującego,
F  - siła rozciągająca.

Biorąc pod uwagę bilans energii obciążnika i pracy wykonanej przy rozciąganiu  podzespołu łącząco-amortyzującego można sformułować równanie:

(4)

Po rozwiązaniu całki równanie przyjmuje postać.

(5)

Rys. 1. Proces powstrzymywania spadania obciążnika przez podzespół łącząco-amortyzujący. Oznaczenia: h - droga swobodnego spadania obciążnika, ΔH - droga powstrzymywania spadania obciążnika, Hm - całkowita droga spadania Przykładowy przebieg powstrzymywania spadania obciążnika o masie m = 100 kg przez odcinek poliamidowej taśmy tkanej o szerokości 45 mm i długości 2m przedstawiono na rys. 2. Droga swobodnego spadania obciążnika wynosiła h = 0,9 m.

Rys. 2. Przebiegi czasowe ΔS(t) oraz F(t)uzyskane podczas powstrzymywania spadania obciążnika przez odcinek poliamidowej taśmy tkanej o szerokości 45 mm i długości 2m

Procedura przybliżonej oceny zachowania wybranych podzespołów łącząco-amortyzujących podczas powstrzymywania spadania z wysokości

Procedura przybliżonej oceny zachowania podzespołu łącząco-amortyzującego podczas powstrzymywania spadania powinna obejmować następujące kroki.

Hm = h + ΔH

W efekcie realizacji takiej procedury uzyskuje się najważniejsze parametry charakteryzujące proces powstrzymywania spadania, to znaczy: maksymalną wartość siły Fm powstrzymującej spadanie oraz wartości wydłużenia maksymalnego ΔH.
Należy pamiętać, że jednym z najważniejszych czynników decydujących o dokładności przedstawionej metody obliczeniowej jest prawidłowe wyznaczenie charakterystyki siła obciążająca - wydłużenie F(S), a następnie jej aproksymacja w celu ustalenia parametrów b0, b1. Charakterystyki takie mogą być określane jedynie w laboratoriach posiadających sprzęt do pomiaru siły obciążającej oraz wydłużenia (np. dynamiczny ekstensometr laserowy, szybką kamerę cyfrową) podczas powstrzymywania przez niego spadania sztywnego obciążnika. Bardzo istotne jest, aby pamiętać, że w przypadku materiałów włókienniczych takich jak liny i taśmy tkane kształt ich charakterystyk F(S) w istotny sposób zależy od prędkości obciążania. Zjawisko to prezentują wykresy na rys. 3 ÷ 14. Wykresy te mogą również służyć w przybliżony sposób do oceny charakterystyk F(S) wybranych lin i taśm włókienniczych. Dane liczbowe dotyczące tych charakterystyk są dostępne w Zakładzie Ochron Osobistych CIOP-PIB.

Przykładowe charakterystyki siła obciążająca - wydłużenie typowych materiałów włókienniczych stosowanych w podzespołach łącząco-amortyzujących sprzętu chroniącego przed upadkiem z wysokości

Wykresy na rys. 3 ÷ 14 przedstawiają charakterystyki F(S) pomierzone w warunkach:

• obciążania ze stałą prędkością równą: 10; 100 i 1000 mm/min oraz
• zmienną podczas obciążania dynamicznego za pomocą spadającego sztywnego obciążnika o masie m = 100kg.

Rys. 3. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej taśmy włókienniczej tkanej o szerokości 45mm.

Rys. 4. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej taśmy włókienniczej tkanej o szerokości 25mm.

Rys. 5. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej taśmy włókienniczej tkanej o szerokości 20mm.

Rys. 6. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie Nomexowo - kewlarowej taśmy włókienniczej tkanej o szerokości  45mm.

Rys. 7. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej liny włókienniczej,
3 - żyłowej, skręcanej, o średnicy 12 mm.

Rys. 8. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej liny włókienniczej,
3 - żyłowej, skręcanej, o średnicy 16 mm.

Rys. 9. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliestrowej liny włókienniczej,
3 - żyłowej, skręcanej, o średnicy 12 mm.

Rys. 10. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliestrowej liny włókienniczej,
3 - żyłowej, skręcanej, o średnicy 14 mm.

Rys. 11. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej liny włókienniczej, plecionej, o średnicy 16 mm.

Rys. 12. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie alpinistycznej liny włókienniczej poliamidowej, połówkowej, o średnicy 10 mm.

Rys. 13. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie poliamidowej liny włókienniczej, rdzeniowej, o średnicy 12 mm.

Rys. 14. Charakterystyka siła obciążająca - wydłużenie liny rdzeniowej z włókien aramidowych , o średnicy 12 mm.