Возможности криминалистической экспертизы металлов, сплавов и изделий из них при исследовании разрушенных деталей и механизмов промышленного оборудования

Классификация причин по признаку этапов создания и эксплуатации оборудования и (или) технологической оснастки облегчает накопление и систематизацию данных о поломках, определяет направление работ по устранению дефектов и повышению надежности КПО (металлообрабатывающего оборудования).

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 (станков) и причин их возникновения.

1. Конструкционные причины связаны с недостатками конструкции КПО (металлообрабатывающего оборудования), 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 причины связаны 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 (металлообрабатывающего оборудования) 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 (станков) из-за попадания на обработку деталей холодно- или горячедеформированным способом без предварительной и последующей термообработки;

б) погрешности механической обработки (искажение геометрической формы деталей, следы грубой механической обработки) – поломки валов отдельных экземпляров прессов из-за недопустимого биения, искажения формы вала, подрезания галтельных переходов, рисок, шлифовальных трещин и ожогов;

в) дефекты монтажа (перекосы, неправильная посадка, неправильная фиксация и регулировка деталей и узлов, повреждения поверхности деталей и т.д.) – поломки подшипников прессов (станков) различных моделей из-за перекосов валов и колец подшипников.

3. Эксплуатационные причины включают нарушения правил эксплуатации КПО (металлообрабатывающего оборудования), работающего в условиях, соответствующих его назначению, и случаи эксплуатации КПО (станков и технологических металлообрабатывающих комплексов) в условиях, не соответствующих его назначению:

а) неправильная наладка – поломки и повреждения из-за перегрузки главных валов (усилие, несоответствующее номинальному или при установке несоответствующего штампа, который должен устанавливаться на более мощном прессе);

б) использование пресса (станка) при постоянном тяжелом режиме работы – поломки деталей механизма главного привода, «посадки» пресса.

В качестве примеров повреждений, возникающих в результате одновременного действия нескольких причин, можно привести поломки зубчатых соединений, связанных как с дефектами термообработки зубчатого венца (технологическая причина), так и действием значительных динамических перегрузок (конструкционная причина).

Анализ эксплуатационных разрушений металлических деталей КПО (металлообрабатывающего оборудования) возможен после проведения предварительно подготовленных мероприятий по изъятию разрушенных деталей разобранного узла, элемента гидравлической или пневматической схемы и фрактографического исследования, предложенного авторами Гордеевой Т. А., Жегиной И. П. [12].

Категоричными в данном случае являются требования к качеству и достаточной для достоверности (воспроизводимости другими исследователями) полноте объема диагностических мероприятий по установлению причины поломки или аварии.

По данным Кальнера В. Д. и др. [28] при применении методов неразрушающего контроля при арбитражном и экспертном анализе видов дефектов стальных деталей, разрушенных в процессе эксплуатации следует руководствоваться следующими рекомендациями:

трещины (усталостные и др.):

открытые с поверхности – магнитный (желательно люминисцентный); токовихревой; ультразвуковой; капиллярный; рентгеновский;

внутренние – токовихревой; ультразвуковой; рентгеновский; точечные коррозионные или эрозионные поражения;

фреттинг-коррозия – магнитный (только люминисцентный);ультразвуковой; капиллярный; рентгеновский;

механические повреждения поверхности – ультразвуковой; визуально-оптический;

растрескивание и межкристаллитная коррозия – токовихревой; ультразвуковой; капиллярный; рентгеновский;

флокены в изломе – магнитный; токовихревой; ультразвуковой.

Согласно данным Шестопаловой Л. П., Лихачевой Т. Е. [69] для исследования изломов применяют как традиционные методы макро- и микроанализа, так и методы физического металловедения с использованием сложнейшего электронно-вакуумного оборудования. Значительное развитие получили методы количественного автоматического исследования изломов с использованием компьютеров.

Эти исследования позволяют дать сравнительную оценку характера разрушения и вида излома, выяснить причины и природу отклонения вида излома от оптимального, определить способы предупреждения этих отклонений.

Известны следующие методы изучения поверхностей разрушения и зон материала, непосредственно примыкающих к излому:

1) макро- и микроскопическая фрактография – изучение поверхности разрушения невооруженным глазом или с применением увеличения до 20—60 раз, а также изучение поверхности излома с применением оптического микроскопа при увеличении от 100 до 1500 раз и электронного микроскопа при увеличении от 20 до 2000 раз и более;

2) непосредственное измерение и фотометрирование геометрии поверхности разрушения, т.е. измерение шероховатости и ориентации элементарных участков на поверхности изломов;

3) измерение твердости, определение химического состава металла и распределения химических элементов с помощью рентгеноспектрального микроанализа;

4) электрохимические, рентгенографические, электроиндукционные, магнитные, микромеханические и другие методы для локального исследования фазового состава, искажений кристаллической решетки, механических и физических свойств материала;

5) анализ микроструктуры с целью определения соответствия материала разрушенной детали заданным требованиям, определения глубины обезуглероженного слоя.

Примерный перечень последовательности действий при проведении фрактографического исследования

1. Составление схемы разрушения, выявление первичного разрушения; определение на детали места расположения излома, в частности, не совпадает ли место разрушения с зоной действия наибольших напряжений, имеются ли в детали конструктивные концентраторы напряжений, как взаимно расположены концентраторы и место излома, а также очаг излома.