Лекция 4. Законы распределения отказов изделий АТ

С. 42-44.

Лекция 2. Классификация дефектов и отказов

Вопрос 1. Классификация дефектов.

Виды и классификация дефектов машин и их частей определяются избранными классификационными принципами.

При выборе методов и средств контроля с учетом особенностей продукции, ее назначения, условий использования и т. п. дефекты подразделяют на явные, скрытые, значительные и малозначительные.

Явным считается дефект, для выявления которого в норматив­ной документации предусмотрены соответствующие правила, мето­ды и средства контроля. Скрытым считается дефект, для выявления которого в нормативной документации не предусмотрены правила, методы и средства контроля. Критический дефект исключает возможность использования продукции по назначению. Значительный дефект существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим. Малозначительный дефект не оказывает существенного влияния на использование продукции по назначению и на ее долговечность.

Дефект и брак делят на исправимый и неисправимый.

В теории неразрушающего контроля используются физические принципы классификации дефектов твердого тела: по величине; в зависимости от расположения, природы и происхождения; в зави­симости от ориентировки относительно главных действующих на­пряжений.

1. По величине дефекты твердого тела подразделяются на следующие группы:

а) дефекты атомного строения. Это так называемые дислокации, т. е. особые зоны искажений атомной решетки, содержащиеся в реальных кристаллах в огромных количествах (до ).

б) нарушение сплошности материалов субмикро- и микроскопи­ческого порядка. К этой группе дефектов твердого тела относят субмикроскопические трещины, по размерам не превышающие предела разрешения оптического микроскопа ( 0,2 мкм). Они мо­гут образовываться по границам блоков кристалла в процессе его роста, а также в результате приложения напряжений.

Субмикротрещины в том или ином количестве всегда имеются в реальном металле и являются концентраторами напряжений. Электрические и магнитные характеристики металлов существенно изменяются при появлении субмикроскопических трещин.

Из субмикроскопических трещин развиваются микроскопичес­кие (размером >0,2 мкм) — наиболее широкий класс дефектов, встречающихся в технических металлах. Такие трещины образу­ются на поверхности и в глубине деталей, как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации под действием внешнего нагружения. Даже при незначительной глубине (несколько микромет­ров) эти трещины резко снижают прочностные характеристики де­талей;

в) макроскопические дефекты. Это различного рода нарушения сплошности или однородности металла, часто видимые даже нево­оруженным глазом. Эти дефекты особенно резко снижают проч­ность деталей и, как правило, приводят к их разрушению при экс­плуатации.

Не следует, однако, считать, что относительно большие разме­ры макроскопических дефектов позволяют их легко обнаружить. Многие методы неразрушающего контроля, обладая большим раз­решением, часто оказываются неэффективными для обнаружения скрытых макроскопических дефектов.

Бездефектных деталей не существует. Любая деталь, изготовленная самым тщательным образом, «заряжена» дефектами атом­ного и субмикроскопического порядка, которые под действием внешнего нагружения могут развиваться в микро- и макроскопические. Поэтому улучшение эксплуатационных характеристик материалов и изготовленных из них деталей — это, прежде всего полное исключение наиболее опасных дефектов и сведение до некоторого разумного минимума содержания дефектов, менее опасных в кон­кретных условиях работы детали, агрегата и системы в целом. Естественно, что этот «безопасный» минимум, определяющий каче­ство детали, зависит от условий внешнего нагружения и возрастает с увеличением энергонапряженности. В связи с этим контроль ка­чества ответственных конструкций, выполненных с минимальным запасом прочности и подвергающихся в работе значительным нагрузкам, — одна из основных задач в процессе ремонта авиацион­ной техники.

2. В зависимости от расположения и природы происхождения
дефекты твердого тела подразделяют на следующие группы:

а) местные (различные нарушения сплошности — поры, ракови­ны, трещины, расслоения, флокены и т. д.). Эти дефекты, локали­зованные в ограниченных объемах, могут быть точечными, линей­ными, плоскостными и объемными. По расположению они разделя­ются на наружные (поверхностные и подповерхностные) и внут­ренние (глубинные);

б) распределенные в ограниченных зонах (ликвационные зоны, зоны неполной закалки, коррозионные повреждения и т. д.);

в) распределенные по всему объему детали или по ее поверхно­сти (несоответствие химического состава, повреждения в резуль­тате процессов трения, смазки и износа и т. д.).

3. В зависимости от ориентировки относительно главных действующих напряжений дефекты твердого тела могут быть резкими и нерезкими концентраторами напряжений. Поэтому в нормативно-технической документации оговаривается не только размер дефек­та, но и его месторасположение и ориентировка.

Вопрос 2. Классификация отказов.

Статистические данные об отказах необходимо правильно классифицировать. Классификацию можно провести по различным признакам.

Похарактеру измененияпараметров изделия отказы подразделяются на внезапные и постепенные.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких заданных параметров изделия. Он может быть вызван резким изменением внешних воздействующих факторов - проколом автомобильной шины, попаданием посторонних предметов (камней, льда, птиц) во входной канал газотурбинного двигателя и др. Такой отказ может также произойти и за счет постепенного накопления повреждений, которые нельзя заранее обнаружить имеющимися в эксплуатации техническими средствами: например, постепенный рост трещины приводит к внезапному разрушению лонжерона, смазочное голодание — к внезапному разрушению сепаратора подшипника.

К внезапным отказам относятся также отказы, вызванные неправильными действиями операторов или обслуживающего технического персонала. Например, внезапный отказ может быть вызван быстрым переводом непрогретого газотурбинного двигателя с режима малого газа на максимальный. При этом в результате резкого увеличения подачи топлива, температура диска, вала турбины и внутреннего кольца подшипника быстро возрастает. Внутреннее кольцо расширяется, а так как корпус двигателя, в который впрессовано внешнее кольцо, еще холодный, то зазор в роликах уменьшается, что и приводит часто к надирам или внезапному полному разрушению заднего подшипника или ротора двигателя.

Иногда внезапный отказ может самоустраняться (например, временное засорение трубопровода). При многократном возникновении внезапный отказ называется перемежающимся (характеризуется сбоями в работе цифровых устройств).

Постепенный отказ характеризуется постепенным (медленным) изменением значений одного или нескольких параметров изделия. В основном эти изменения происходят в результате процессов старения материалов, изнашивания поверхностей сопряженных деталей, усталости материала, постепенного расходования резерва.

К категории постепенных относятся отказы, возникающие в элементах изделия в результате термической и механической усталости материала, а также в результате его коррозии и старения.

Если у изделия несколько основных функций, то используются понятия полного отказа (потеря всех функций) и частичного, когда какие-то функции еще могут выполняться. При частичном отказе изделие может функционировать, но с пониженной эффективностью.

Отказ на четырехмоторном самолете одного из двигателей по отношению к самолету будет повреждением, которое можно назвать частичным отказом, так как самолет с пониженной скоростью и на меньшей высоте может продолжить свой полет до ближайшего аэродрома.

По взаимосвязи отказы делятся на зависимые и независимые.

Зависимым называется отказ, обусловленный отказом другого изделия или элемента. Например, частые отказы подшипников двигателей и кинематических пар редукторов, вызванные отказами системы смазывания.

Независимый отказ не обусловлен отказом другого изделия или элемента.

По характеру изменения возможности выполнения изделием рабочих функций отказы подразделяются на отказы функционирования и параметрические.

После возникновения отказов функционирования изделие не может дальше выполнять своих рабочих функций. Большинство рассмотренных выше примеров относились к отказам функционирования, которые могли быть внезапными и постепенными, но приводили к тому, что дальнейшая эксплуатация изделия без ремонта становилась невозможной: заклинивал механизм, пробивал конденсатор, перетирался трос лебедки и т.п.

Однако для современных сложных и достаточно надежных изделий и технических систем все более характерными становятся отказы параметрические, при которых параметры изделия выходят за установленные в технической документации пределы, но само изделие в состоянии еще выполнять возложенные на него функции. При этом не обязательно немедленное прекращение эксплуатации изделия, хотя для нормальной работы требуется его отремонтировать или заменить.

Примером параметрического отказа является постепенное увеличение часового и километрового расходов топлива на самолетах и как следствие уменьшение дальности и продолжительности полета. Это явление вызвано в основном двумя причинами. По мере увеличения наработки и срока службы самолета ухудшается его аэродинамическое качество за счет роста коэффициента лобового сопротивления (увеличивается шероховатость поверхности, разрушаются уплотнения и др.). Кроме того, увеличивается удельный расход топлива двигателя в результате ухудшения газодинамических характеристик, вызванного эрозией и износовыми явлениями в проточной части ГТД.

По степени влияния на безопасность полета выделяют четыре вида отказов, приводящих к особым ситуациям в полете: катастрофической, аварийной, сложной или к усложнению условий полета.

Катастрофическая ситуация связана с потерей самолета или человеческими жертвами.

Аварийная ситуация в полете требует осуществления вынуж­денной посадки, при этом от экипажа требуется высокое профессио­нальное мастерство для предотвращения перехода аварийной ситуа­ции в катастрофическую.

При сложной ситуации требуются активные высококвалифицированные действия экипажа для предотвращения перехода ее в аварийную или даже в катастрофическую ситуацию, иногда экипаж вынужден изменить режим (скорость, высоту) или даже траекторию полета, полетное задание может быть не выполнено, но вынужденной посадки не требуется. Например, такая ситуация может возникнуть при отказе одного или двух двигателей в полете.

Усложнение условий полета требует от экипажа повышенного внимания, при этом увеличивается нагрузка на экипаж, но изменения режима полета не требуется (например, при отказе одного канала системы генерирования электроэнергии).

Особые ситуации в полете возникают, как правило, в результате нескольких отказов агрегатов или систем самолета, нарушающих их нормальное функционирование.

Однако наряду с высоким уровнем защищенности по отказам функционирования, к особым ситуациям на самолете могут приводить так называемые опасные отказы изделий, прямо влияющие на безопасность полета. Опасными называются отказы, которые приводят к пожару, выделению токсических газов, самопроизвольному (неуправляемому) движению механических устройств. Так, разрушение подшипника генератора не приводит к нарушению функционирования системы генерирования, но может вызвать пожар вследствие резкого повышения температуры; самопроизвольное открывание створок люка может привести к катастрофе.

По причинам возникновения отказы делятся на конструкционные, производственные, эксплуатационные и отказы покупных комплектующих изделий.

Конструкционные отказы возникают в результате несовершенства методов конструирования, ошибок, допущенных при проектировании изделия, неточного учета фактических условий работы изделия в эксплуатации, несоблюдения государственных и отраслевых стандартов при проектировании, в частности, по унификации, взаимозаменяемости, а также вследствие неправильного выбора материала и технологии его упрочнения, низкого качества нормативно-технической документации.

Производственные отказы возникают вследствие несовершенства технологического процесса изготовления изделия и его нарушений, отсталой технологии изготовления деталей изделия, использования устаревшего станочного оборудования, низкой степени автоматизации технологического процесса, запущенного метрологического обеспечения процесса изготовления деталей. К этой же группе относятся отказы, связанные с несовершенством средств и методов технологического контроля, умышленной и неумышленной небрежностью его проведения.

Большой процент производственных отказов вызывается нарушением принятой технологии изготовления деталей изделия. Отклонение от установленного режима резания металла приводит к пластической деформации поверхностного слоя, образованию наклепа, перегреву и, следовательно, изменению структуры материала. Аналогичные необратимые процессы возникают при нарушении технологии отливки деталей, их термической обработки, шлифования и др.

Большая доля производственных отказов связана с низким качеством сборки отдельных узлов и изделия в целом. Несоблюдение установленных зазоров в сочленениях, невыдерживание соосности валов, параллельности рабочих и базовых поверхностей, неправильная затяжка и контровка резьбовых соединений часто бывают причинами производственных отказов.

Особую роль в проблеме снижения уровня производственных отказов играет человеческий фактор, т.е. качество труда.

Эксплуатационные отказы чаще всего возникают из-за нарушения установленных режимов работы изделия, несоблюдения инструкций по эксплуатации, небрежного хранения и др. Очень часто серьезные эксплуатационные отказы возникают вследствие несвоевременности и низкого технического уровня проведения профилактических и регламентных работ. Следует иметь в виду, что часто в эксплуатации отказы вызваны несовершенством эксплуатационной документации, превышением эргономических возможностей эксплуатирующего и обслуживающего персонала. В этом случае отказы правильнее относить к конструкционным. Например, неоднозначное толкование действий летчика в экстремальных условиях, превышение требований эргономики по объему воспринимаемой информации в единицу времени, требование больших физических усилий при монтаже оборудования и др.

Отказы покупных комплектующих изделий, в первую очередь электрорадиоизделий, выделяются в отдельную группу при условии их правильного применения согласно техническим условиям. В этом случае завод-поставщик должен анализировать возникающие в экс­плуатации отказы и разрабатывать мероприятия по повышению на­дежности своей продукции.

Литература: [4], с.12-14.

[6], с.72-74.

[9], с. 50-57.

Дата добавления: 2014-12-16