Юрий Савельев - Инженерно-техническая экспертиза кузнечно-прессового оборудования

Для определения первоначально разрушившейся детали, последовательности повреждения других деталей и выявления причин разрушения важное значение имеет анализ обнаруженных изломов и повреждений. В связи с этим повреждения и дефекты деталей исследуемого механизма необходимо разделить на две группы. К первой группе относятся повреждения, возникшие при изготовлении или эксплуатации КПО до аварии: износ рабочих поверхностей, следы контактной коррозии, забоины и т. п. Изучение этих повреждений облегчит определение непосредственных причин поломок. Ко второй группе – повреждения, возникшие при разрушения деталей. Анализ повреждений этой группы позволит восстановить ход процесса разрушения.

Изучение строения излома позволяет определить вид разрушения, получить дополнительные данные об условиях нагружения, оценить концентраторы напряжений, снижающие сопротивление детали разрушению.

Для установления вида разрушения важно определить характер излома. Признаками усталостного излома являются характерные зоны, линии и ступеньки на поверхности излома, блеск и мелкозернистая структура этой поверхности, зигзагообразные трещины на участках разрушенной детали или аналогичных деталях механизма, а также определенный срок службы детали до разрушения (не менее десятков тысяч нагружений, а чаще – сотни тысяч и миллионы циклов).

Характер и величину нагрузок определяют по расположению поверхности излома относительно действующих сил и контура детали, расположению и количеству различных зон на поверхности излома и т. п. Например, при скручивании вала от действия однократной перегрузки большой величины или от крутильных колебаний большой амплитуды поверхность излома располагается под углом 90° к оси вала. При развитии усталостного разрушения от длительного действия циклических перегрузок небольшой величины поверхность излома направлена либо под углом 45° к оси вала, либо частично параллельно оси вала и частично под углом 45°. При наличии на поверхности вала источников концентрации напряжений, расположенных перпендикулярно оси (например шлицевых, шпоночных соединений, резьбы), трещина может развиваться также перпендикулярно поверхности вала даже при действии‚ незначительных перегрузок. При анализе изломов необходимо учитывать, что перегрузка, вызвавшая усталостное разрушение, тем выше, чем большую площадь усталостного излома занимает доломленная зона и чем ближе к центру она смещена; чем больше в изломе ступенек и рубцов; чем дальше они расположены друг от друга; чем меньше выражены притертость и блеск поверхности излома.

Концентраторы напряжений обнаруживаются обычно в очаге разрушения или в местах изменения направления развития трещины.

Фокус излома располагается в зоне концентраторов, связанных с резким изменением контура детали (например дно кольцевой выточки или резьбы вала, основание шлицев и зубьев шестерен и т.д.), с плохим качеством поверхности (следы грубой обработки, шлифовочные трещины и ожоги, забоины, коррозионные раковины и т.д.). Иногда повреждение развивается из начальных (зародышевых) дефектов материала: раковин, волосовин, флокенов, включений.

При оценке влияния концентратора напряжений на разрушение необходимо иметь в виду, что он является обычно фактором, способствующим разрушению, но не всегда единственным и главным. Сопоставляя случаи поломки аналогичных деталей, иногда можно выяснить степень влияния концентратора напряжений и других факторов на возникновение излома.

Установление причин разрушения деталей КПО

После того, как определен вид разрушения и выявлены характерные обстоятельства поломки, на основе обобщения всей собранной информации устанавливаются причины разрушений.

Разрушение деталей объясняется, с одной стороны, неполнотой и неточностью данных о нагрузках, с другой – отклонением фактической прочности деталей от расчетных значений под влиянием различных факторов, недостаточно учитываемых при проектировании. Причины снижения прочности могут быть связаны с конструкцией и расчетом, технологией изготовления, эксплуатацией и ремонтом как самих деталей, так и механизма пресса, в состав которого входят эти детали. Классификация причин по признаку этапов создания и эксплуатации КПО облегчает накопление и систематизацию данных о поломках, определяет направление работ по устранению дефектов и повышению надежности КПО. В конечном счете действие различных причин приводит к возникновению дополнительных усилий, концентраций напряжений, неблагоприятному распределению остаточных (внутренних) напряжений, снижению механических свойств материала и искажению геометрической формы детали, ослабляющим опасное сечение.

При отнесении причины разрушения к той или иной группе или подгруппе следует иметь в виду возможность совместного действия и взаимозависимость различных причин. Поэтому предлагаемая классификация является условной и в зависимости от конкретных обстоятельств может быть уточнена. Поскольку невозможно установить общие правила определения истинных причин аварий по предварительно собранным данным о разрушениях, ниже приводится ряд характерных примеров поломок деталей прессов и причин их возникновения.

1. Конструкционные причинысвязаны с недостатками конструкции КПО, отдельного механизма или детали, а также с неправильным выбором материала детали и способа ее упрочнения:

а) расположение геометрических концентраторов напряжений и ослабление сечения на наиболее нагруженных участках детали – поломки главного вала (шатунная шейка); разрушение тела маховика, установленного на главный вал (коленчатый или другой в зависимости от конструкции пресса) по шпоночному пазу;

б) неправильный выбор материала и способа упрочняющей термообработки, приводящий к несоответствию прочности или износостойкости детали условиям ее нагружения – поломки главных валов КПО, изготовленных из стали 40Х.

в) использование в проектировочных расчетах характеристик прочности материала деталей, полученных по результатам стандартных испытаний образцов, а не соответствующих характеристик реальных деталей, выявленных при натурных испытаниях.

2. Технологические причинысвязаны с несовершенством принятых технологических процессов и с недостатками изготовления и монтажа деталей и узлов:

а) дефекты материала, нерациональные схемы и режимы термообработки, ведущие к невыполнению заданных при проектировании технических условий и т.д.; поломки кронштейнов и корпусных деталей КПО из-за дефектов литья; поломки «по телу» крепежных соединений узлов прессов (муфта): шпильки, болты и т.д., не прошедших термообработки; поломки пружин из катанки, прутка в конструкциях муфт некоторых прессов из-за попадания на обработку деталей холодно- или горячедеформированным способом без предварительной и последующей термообработки;