39

1. ЦЕЛИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРИЧИН ОТКАЗОВ

Причина отказа — это явление, процессы, события и состояния, обус­ловившие возникновение отказа объекта. Исследование причин отказа не­возможно без привлечения физической теории надежности и ряда инженерных дисциплин. К явлениям, вызывающим отказы из­делий машиностроения, могут быть отнесены: пластическая деформация, радиационное облучение, разупрочнение поверхностей и т.п. Отдельные явления приводят к появлению процессов и событий, вызывающих отка­зы. К процессам могут быть отнесены: изнашивание, рост трещин, корро­зия, старение материалов и т.п. Событиями, приводящими к отказам, мо­гут являться: появление перегрузок, изменения напряжения в сети, попа­дание абразива в масло, схватывание сопрягаемых поверхностей, наруше­ние установленных режимов и правил эксплуатации и прочее.

Состояниями изделий, являющимися причиной отказов, могут быть: отсутствие защиты от попадания пыли и влаги, наличие остаточных напря­жений или концентраторов напряжений, макро- и микротрещины, дефекты сборки, наличие рисок и т.п.

При установлении причин отказа необходимо устанавливать явления, процессы, события и состояния, приводящие к их появлению, а также воз­можное сочетание этих факторов. В зависимости от причин отказов, послед­ние могут быть классифицированы как конструкционные, производствен­ные и эксплуатационные.

К конструкционным относятся отказы, возникающие в результате не­совершенства или нарушения установленных правил и (или) норм конст­руирования объекта (незащищенность узлов трения, наличие концентра­торов напряжений, ошибки в учете распределения напряжений, неправиль­ный выбор материалов и смазок и т.п.).

К производственным относятся отказы, возникшие в результате не­совершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ре­монта объекта, выполнявшегося на ремонтном предприятии. К наиболее ти­пичным дефектам технологии следует отнести:

дефекты из-за неправильного состава материала (включения, охрупчивающие примеси и т. д.);

дефекты при плавке и изготовлении заготовок (пористость, усадочные раковины, неметаллические включения, расслоения);

ошибки при механической обработке (ожоги, задиры, заусенцы, трещи­ны, прорезы, избыточная локальная пластическая деформация);

дефекты сварки (трещины, остаточные напряжения, углубления, недос­таточная глубина шва, термическое повреждение отдельных участков основ­ного материала и т. д.);

дефекты термообработки (перегрев, закалочные трещины, обезуглеро­живание, избыточные остаточные аустениты и др.);

дефекты при обработке поверхностей (химическая диффузия, водородное охрупчивание, снижение механических свойств материала и др.);

дефекты сборки (повреждения поверхностей, задиры, внесение абра­зива, несоответствие размеров деталей и др.).

К эксплуатационным относятся отказы, возникшие в результате нару­шения установленных правил и (или) условий эксплуатации объекта (неп­равильное техническое обслуживание, низкое качество запасных частей, появление перегрузок, использование не по назначению и т. д.).

На основе физической теории надежности создаются методы расчета надежности деталей машин, методы ускоренных испытаний, устанавливают­ся режимы упрочнения поверхностей деталей машин. Интеграция теории надежности с вышеназванными физико-техническими дисциплинами при­вела к появлению таких направлений в теории надежности, как прочност­ная надежность, трибологическая, коррозионная надежность.

Рис.1 Классификация внешних воздействующих факторов

В этих направ­лениях решаются задачи расчета, испытаний и обеспечения надежности на основе методов теории прочности, трибологии и коррозии металлов, а так­же в условиях воздействия на изделия соответственно механических нагру­зок, агрессивных сред, трения и изнашивания, радиации. При исследовании причин отказов в первую очередь должен быть прове­ден анализ режимов и условии эксплуатации и действующих нагрузок. На­грузки, воздействующие на технические устройства, могут быть подразде­лены на две группы:

1) нагрузки, обусловленные внешними воздействующими факторами (ВВФ);

2) нагрузки, обусловленные функционированием самого изделия.

Классификация внешних воздействующих факторов показана на рис. 1. К нагрузкам, вызванным функционированием изделия, относят­ся нагрузки, обусловленные нагревом отдельных элементов или части их поверхности, деформациями, неравномерностью износа и другими факто­рами.

Для деталей машин наиболее типичны механические и тепловые наг­рузки, для элементов электроприборов — электрические и тепловые. Укрупненно виды нагрузок подразделяют на механические, электрические, акустические, тепловые, гидравлические (пневматические), радиационные, электромагнитные, магнитные, биологические, климатические и химичес­кие. Детали и узлы машин и приборов одновременно подвергаются влия­нию, как правило, нескольких видов нагрузок. Действие различных видов нагрузок взаимозависимо. Так, электрические нагрузки деталей электро­приборов, как правило, являются следствием появления тепловых нагру­зок. В свою очередь, сравнительно большая тепловая инерция материалов элементов механических систем приводит к неравномерному распределе­нию температуры по отдельным участкам деталей, что является причиной неравномерной деформации и, как следствие этого, появления механичес­ких нагрузок. Процесс действия нагрузок на детали машин является основной причи­ной их отказов, поэтому анализ причин отказов невозможен без учета вида воздействующих нагрузок, длительности воздействия и закономерностей изменения нагрузок во времени. Если на изделие действует одна или несколько нагрузок, то говорят, что оно нагружено, т. е. функционирует под нагружением. Таким образом, нагружение — это процесс воздействия нагрузок на изделие. В результате действия нагружения детали и узлы находятся в состоянии нагруженности.

Нагруженность деталей и узлов — состояние деталей и узлов, обуслов­ленное внешними воздействиями и условиями функционирования. Из оп­ределения следует, что нагруженность деталей и узлов может быть обус­ловлена как внешними, так и внутренними нагрузками, которые зависят от особенностей конструкции и условий функционирования изделия.

Анализ причин отказов проводится с целью обоснованной разработки мероприятия по их предотвращению как в серийно изготавливаемых изде­лиях, так и во вновь разрабатываемых видах техники с конструктивно-тех­нологическим подобием. Результаты анализа причин отказов могут использоваться для:

установления или уточнения критериев отказов;

определения и учета влияния на надежность отдельных особенностей и (или) факторов конструкции, технологии изготовления, режимов и усло­вий эксплуатации, внешних воздействующих факторов, различного вида ремонтов;

оценки эффективности мероприятий по обеспечению надежности;

выбора или уточнения системы контроля качества изготовления или диагностирования технического состояния изделий;

определения или уточнения периодичностей технического обслужи­вания и ремонта и объемов видов работ при этих операциях.

При проведении работ по установлению причин отказов нередко проис­ходит смешение таких понятий, как факт отказа, внешнее проявление, вид, техническая сущность отказа и причина отказа. По этой причине нередко вместо причин отказа указывается только его внешнее проявление или вид. В РД 50-514—84 ,.Надежность в технике. Порядок проведения анализа причин отказов изделий" рекомендуется следующий порядок установления причин отказов: установление факта отказа, внешних проявлений отказа, вида отказа, технической сущности отказа и причин отказа. Факт отказа определяют на основании критериев отказа, установлен­ных в нормативно-технической документации. Внешнее проявление отказа устанавливают органолептическими методами без использования диагности­ческих средств. К ним относятся, например, шум в коробке передач трак­тора, течь масла, запах горелого при работе электродвигателя или появле­ние дыма, нарушение четкости изображения у телевизора, и т. п. Вид отказа устанавливают после проведения диагностических процедур. К видам отка­зов относятся, например: износ зубьев шестерен, разрушение подшипника, ослабление пружины фиксатора, деформация вала, кавитация трубопровода и т. п. Техническая сущность характеризует физико-технические факторы, приводящие к данному виду отказа. Например, технической сущностью та­кого вида отказа, как предельный износ зубьев шестерен, является перекос шестерен, отсутствие приработки, попадание постороннего предмета в за­цеплении и др.; для предельного износа шлицевых соединений — масляное голодание, непараллельность осей шлицевых валов, несоосность посадочных мест подшипников шлицевого соединения. Причина отказа — это явления, процессы, события и состояния, обуславливающие возникновение отказа объекта. Например, причиной отказа масляного голодания шлицевого сое­динения могут являться: нарушение порядка затяжки болтов крепления крышек и корпусов коробки передач, срез резьбы болта крепления кры­шек или корпусов при ремонте, нарушение технологии изготовления прок­ладки, низкое качество резины, сальника, нарушение правил заправки маслом и др.

Наглядной формой анализа причин отказов является схема причинно-следственных связей (схема Исикавы). В этой схеме конечный результат (показатель надежности, внешнее проявление отказа, критерий отказа) изображается центральной стрелкой. Явления (факторы, принципы), влия­ющие на результат, изображают стрелками, направленными к центральной линии (рис. 2). Для составления такой схемы могут использовать мне­ния экспертов. В фирме „Клейтон Девандре Хойллинг" (США) разрабо­тан и эффективно используется т.н. «метод анализа характера потенциальных дефектов и причин, их вызывающих» (Potential failure mode and effects analysis — F. M. E. A.). Этот метод предназначен для разработчиков и из­готовителей и направлен на обеспечение гарантии того, что основное изде­лие по надежности удовлетворяет требованиям заказчика. Сущность его сводится к тому, что еще на начальных стадиях создания техники (хотя и субъективно) проводится анализ и количественно определяются все по­тенциально возможные причины и последствия отказов. Система предпо­лагает, что анализу по F.M. Е. А. будут подвергнуты все детали, которые могут отказать в процессе эксплуатации. Анализ по F. М.Е. А. проводится на основе формы, приведенной в табл. 1. При заполнении формы проек­тировщики используют результаты проведенных ими расчетов, испытаний опытных образцов, а также предыдущий опыт по изделиям-аналогам. Ин­женер заполняет форму на основе своего опыта, знания особен­ностей используемого оборудования.

Таблица 1

Форма записей результатов исследования по методу F.M.E.A.

Наименование или номер элемента изде­лия	Назначение элемента	Потенциаль­ный вид от­каза	Последст­вия отказа	Причина отказа	Существую­щие средства контроля
1	2	3	4	5	6

Продолжениетабл. 1

Номер частости отказа	3начимость отказа	Степень обнару­живаемости дефекта	Число приори­тета риска	Рекомендуе­мые действия
7	S	9	10	11

В форме записей результатов исследования по методу F. М. Е. А. (см. табл. 1) заносятся следующие данные:

колонка 1 - наименование элемента (детали, узла) или его номер;

2 — функция элемента (указывается целевое назначение (функция) эле­мента, если элемент выполняет несколько функций, то указываются все функции, невыполнение которых связано с отказом изделия);

3 - потен­циальный вид отказа (перечисляются возможные (потенциальные) виды отказов по каждой функции; в качестве исходной информации для уста­новления потенциальных видов отказов могут использоваться данные об изделиях-аналогах, результаты испытаний, контроля качества, знание физических процессов разрушения; вид отказа указывается в техничес­ких терминах (износ, усталость, хрупкое разрушение и т. п.));

4 — пос­ледствия отказов (допускается, что имеет место определенный вид отка­за, указанный в колонке 3; записываются те последствия, которые вы­зовет данный вид отказа при его проявлении у заказчика (потребителя), если этот вид отказа приведет к несоблюдению нормативных требований по надежности, то этот факт также должен быть указан);

5 - причина от­каза (перечисляются все причины, приводящие к каждому виду отказов, которыми могут быть ошибки расчета, отклонения при изготовлении, сборки, некачественный материал и т.п.);

6 - существующие средства контроля (перечисляются средства контроля, которые предназначены для предотв­ращения возникновения отказа или причины отказа и которые предусмот­рены технической документацией; если требуются другие средства конт­роля, то они указываются в колонке 11);

7 - классификация частости отказов (указывается классификационный номер частоты отказа опреде­ленного вида в соответствии с табл. 2, частота отказов характеризуется цифрой от 1 до 10; при выборе классификационного номера следует учиты­вать вероятность того, что потенциальные причины отказа будут иметь мес­то, но они не будут обнаружены существующей системой контроля);

8 — значимость отказа (проставляется значимость отказа с точки зрения заказ­чика (потребителя), выбираемой в соответствии с табл. 3 и характеризует­ся одной из цифр от 1 до 10; эта оценка не связана с потенциальными при­чинами отказов);

9 — степень обнаруживаемости дефекта (цифрами от 1 до 10 характеризуется вероятность обнаружения при контроле причины отка­за или отказа определенного вида; оценка обнаруживаемости дефекта про­водится в предположении, что причина отказа имеет место (табл. 4));

10 — число приоритета риска. Это число представляет собой произведение цифр, указанных в колонках 7, 8, 9 и должно вычисляться для всех причин отка­зов. Оно используется для установления приоритетности в устранении при­чин отказов и при проведении управляющих воздействий. Специальное вни­мание следует уделять причинам отказов с числом риска 125 и более, а также отказам, значимость отказов которых оценена баллами 9 и 10;

11 — рекомендуемые действия, где дается краткое описание рекомендуемых кор­ректирующих воздействий, предусматривающих как изменение конструкции детали или узла, изменение технологического процесса, так и совершенствование процесса контроля качества.

Рис.2 Схема «рыбий скелет» (диаграмма Исикавы)

Таблица 2

Классификация частости отказов

Классификацион­ный номер	Критерий	Вероятность отказа
1	Практически недостоверное событие: отказа в течение времени t ожидать не следует	0 … 0,000001
2	Низкая вероятность отказа: возможность появления отказа ассоциируется только с точностью реализованных методов расчета	0,00001 … 0,0001
3	Умеренная вероятность отказа: возможность появления отказа ассоциируется только с методами расчета	0,0001 … 0,001
4	Практически отказы можно ожидать	0,001 … 0,005
5	Высокая вероятность отказа: возможность появления отказа ассоциируется с методами расчета аналогов и отказами при предыдущих наблюдениях	0,005 … 0,01
6	Высокая вероятность отказа: известно, что будет иметь место большое число отказов	0,1 … 0,5 и более

Таблица 3

Значимость отказа

Классификационный номер (значение показателя)	Критерий значимости
1	Отказ не приводит к заметным последствиям; заказ­чик (потребитель), вероятно, не обнаружит и не заметит такой отказ
2	Последствия отказа незначительны; у заказчика (потре­бителя) он может вызывать только неудовольствие
3	Отказ приводит к неудобству использования изделия, вы­зывает у заказчика (потребителя) раздражение, он замечает снижение эксплуатационных характеристик изделия
4	Высокая степень недовольства заказчика (потребителя), изделие не работает или непригодно к использованию из-за отказа. Отказ не связан с безопасностью человека
5	Отказ связан с угрозой опасности человеку или окружаю­щей среде

Таблица 4

Классификация степени обнаружения дефекта

Оценка (значение показателя)	Критерий	Вероятность необнаружения дефек­та и его наличия в изделии, постав­ленного потреби­телю
1	Практически малая вероятность того, что дефект не будет выявлен при контроле, сборке или испытаниях	0 … 0,01
2	Небольшая вероятность того, что дефект не будет выявлен, а дефектное изделие поставлено потребителю	0,01 … 0,15
3	Умеренная вероятность того, что дефектное изделие дойдет до потребителя	0,16 … 0,55
4	Высокая вероятность того, что дефектное изделие достигнет потребителя	0,56 … 0,75
5	Очень высокая вероятность того, что дефект­ное изделие достигнет потребителя	0,76 … 1,00

Фирма „Клейман", начиная с 1984 г., использует метод F. М. Е. А. при изготовлении тормозных устройств и убедилась в его эффективности. Оче­видно, что метод применим и к другим видам машиностроительной продук­ции, в том числе и к конечной продукции, состоящей из большого числа составных частей.

2. Физико-химические процессы разрушения материалов

2.1. Молекулярно-кинетические процессы в материалах

Физико-химические процессы, приводящие к отказам, могут быть классифициро­ваны на группы в зависимости от вида материала, места протекания процес­са, вида энергии, определяющего характер процесса, вида эксплуатационно­го воздействия характера (внутреннего механизма) процесса.

Материалы большинства изделий технических объектов представляют собой кристаллические твердые тела. По виду связи между атомами (или ионами) и соответствующей кристаллической структуры различают три основных класса твердых кристаллических тел: металлы, ионные крис­таллы (большинство диэлектриков), ковалентные кристаллы (полупро­водники). Кроме твердых тел, в технике широко используются органи­ческие и неорганические полимеры, разделяющиеся на группы:

аморфные, в веществе которых полимерные цепи ориентированы друг относи­тельно друга случайным образом;

кристаллические, которые состоят из кристаллитов, т. е. участков с упорядоченным расположением цепей макромолекул;

эластомеры, занимающие промежуточное положение между аморфны­ми и кристаллическими полимерами (под действием механического напря­жения и удлинении материала цепи в аморфных областях выпрямляются и располагаются почти параллельно, создавая кристаллическое состояние, при снятии напряжения — восстанавливается практически аморфная струк­тура) .

Во всех используемых в промышленности деталях из кристаллических твердых материалов имеются элементарные дефекты кристаллической структуры, которые при определенных условиях эксплуатации могут явиться причиной отказов. Образование дефектов и их перемещение в твер­дом теле под воздействием тепла и различных внешних факторов может привести к деформации элементов и их разрушению. Дефекты приводят также и к изменению электрофизических свойств материалов.

Наиболее типичными являются следующие виды дефектов: точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы и др.); одномерные (линейные) дефекты (дислокации); двумерные поверхностные дефекты (границы зе­рен и двойников, дефекты упаковки и др.); трехмерные (объемные) де­фекты (пустоты, включения и др.).

К точечным дефектам относятся: вакансии — узлы кристаллической решетки, в которых отсутствует атом или ион (незаполненные места в решетке); спаренные вакансии (две или более соединенные одиночные ва­кансии); межузельные атомы основного материала и посторонние атомы, образующие растворы замещения или внедрения.

Для изделий машиностроения наиболее распространенным типом точеч­ного дефекта являются вакансии, которые оказывают решающее влияние на процессы ползучести, обезуглероживания, графитизации и других про­цессов, связанных с переносом атомов в материалах. Обычно различают два вида механизма возникновения вакансии:

механизм Шоттки — выход атома на внешнюю поверхность или поверх­ность пор в кристалле;

механизм Френкеля — образование внутри решетки „своего" межузельного атома и, следовательно, пары „вакансия - межузельный атом".

Дислокациями называют одномерные (линейные) дефекты и искаже­ния структуры кристаллической решетки.

Основной количественной характеристикой дислокаций является век­тор Бюргерса, описывающий величину и направление взаимного смещения областей кристалла. Вектор Бюргерса определяют путем сравнения контура вокруг дислокации с соответствующим контуром в совершенной, идеаль­ной части решетки. Дислокации образуют в кристаллах замкнутые петли, изолированные скопления вокруг частиц включений и частиц выделений. Дислокация не может оборваться внутри кристалла; обрывы могут быть только на другой дислокации, на поверхности кристалла, на границе зерен или другом дефекте. Обычно различают два предельных вида дислокаций: краевые и винто­вые, хотя в реальных условиях присутствуют оба вида. В случае краевой дислокации искажение кристаллической структуры вызвано тем, что в час­ти объема кристалла расположена лишняя атомная плоскость. В этом слу­чае под дислокацией понимается линия искажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости; вектор Бюргерса перпендикулярен дис­локационной линии. В случае винтовой дислокации искажение структуры обусловлено смещением атомов с тех мест, которые они занимают в идеаль­ной кристаллической решетке. В результате происходит скручивание или сдвиг решетки, а линия искажения является винтовой. Вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен дислокационной линии.

Срыв и перемещение дислокаций происходит при пластической дефор­мации под действием внешних сил и термической активации. Обычно раз­личают два типа движения дислокаций: движение в плоскости скольжения и движение, при котором дислока­ция выходит из плоскости скольжения (переползание). Скольжение крае­вой дислокации происходит в плоскости, в которой лежит линия (ось) дис­локации и вектор Бюргерса. Плоскостью скольжения винтовой дислокации может являться любая плоскость, проходящая через линию дислокации. Пересечение дислокаций приводит к образованию закрепленных дислока­ций, вектора Бюргерса которых не находятся в плоскости скольжения; на дислокациях образуются ступеньки, т. е. переходы краевой дислокации с одной плоскости скольжения на другую, расположенную выше на одно межатомное расстояние. Упрочнение металла методами пластической деформации связано с образованием препятствий для дальнейшего движения дислокаций при их пересечении. Теория дислокации позволяет качественно описать и объяснить процес­сы деформации, разрушения и упрочнения твердых тел. Расчеты же надежности на основе дислокационной теории пока еще сложны и, в большинстве случаев не доведены до инженерных методов.

Под диффузией понимается процесс необратимого переноса атомов ве­щества в объеме твердых тел и на их поверхности. С процессом диффу­зии связаны структурные изменения в материалах, процессы ухудшения их физических и механических свойств. Диффузия в значительной степени определяет кинетику физико-химических процессов, обуславливающих возникновение отказов: разрушения материалов, ползучести, старения, коррозии и пр. Обычно различают объемную, поверхностную и граничную (по грани­цам зерен) диффузии. Объемная диффузия в твердых телах обусловлена перескоками атомов из одного положения в другое, относительно свобод­ное. Для такого перехода необходимо определенное количество энергии, которое может быть получено за счет нагрева материала, приводящего к тепловым колебаниям атомов. Поверхностная диффузия связана с переносом вещества на поверх­ность детали из внешней среды или с поверхности детали во внешнюю среду. К этому же типу относится диффузия на поверхность материала из его объема или же в глубь материала с поверхности (сорбционные про­цессы).

Сорбционные процессы включают процессы адсорбции и абсорбции. Процесс адсорбции связан с явлением поверхностного поглощения вещест­ва, а процесс абсорбции — с явлением объемного поглощения. Адсорбция газов или жидкостей из внешней среды приводит к ухудшению диэлект­рических свойств изоляционных материалов, понижается прочность метал­лов и другие свойства. В ряде случаев, особенно в металлах, может иметь место внутренняя адсорбция, при которой примеси, растворенные в твер­дом теле, адсорбируются на внутренних поверхностях, чаще всего - на гра­ницах зерен или дефектах структуры. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. При этом про­цессе происходит отделение от поверхности молекул ранее поглощенного ею вещества.

При анализе причин отказов важно различать физическую и химичес­кую адсорбции. При физической адсорбции частицы адсорбируемого ве­щества сохраняют свои свойства; при химической — адсорбирующее веще­ство вступает в химическую реакцию с адсорбируемым, образуя новое вещество — адсорбат.

Сорбционные процессы могут ускорять процессы износа, коррозии и других видов разрушений, снижая ресурс элементов изделий.