В.В.Хильчевский
А.Е.Ситников
В. А. Анан ьевски й
НАДЕЖНОСТЬ
трубопроводной
пневмо-
гидроарматуры
« МАШИНОСТРОЕНИЕ »
В.В.Хильчевский
А.Е.Ситников
В.А.Ананьевский
НАДЕЖНОСТЬ
трубопроводной
пневмо-
гидроарматуры
Москва
« Машиностроение »
1989
ББК 34.447
Х45
УДК 621.646.4
Рецензент: д-р техн, наук проф. В. Н. Лозовский
Хильчевский В. В. и др.
Х45 Надежность трубопроводной пневмогидроарматуры/
В. В. Хильчевский, А. Е. Ситников, В. А. Ананьевский.— М.:
Машиностроение, 1989. — 208 с.: ил.
ISBN 5-217-00647-1
Изложены вопросы обеспечения надежности пневмогидроарматуры
на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации. Рассмотрен
механизм формирования отказов с учетом физико-химических процессов,
происходящих в изделиях под действием эксплуатационных нагрузок.
Предложен метод прогнозирования надежности с использованием дан-
ных о закономерностях изменения коэффициентов вариации выходных
параметров. Рассмотрены технологические факторы обеспечения надеж-
ности и ремонта пневмогидроарматуры.
Для инженерно-технических работников, занимающихся конструи-
рованием, изготовлением и эксплуатацией трубопроводной арматуры
пневмо- и гидросистем различного назначения.
X
2702000000—
038(01)—89
^>01
—88
ББК 34.447
ISBN 5-217-00647-1	© Издательство «Машиностроение:», 1989
ВВЕДЕНИЕ
Пневмо- и гидросистемы различного назначения широко при-
меняют в современной технике. Управление потоками жидких и
газообразных сред в этих системах осуществляется с помощью
регулирующих, предохранительных, запорных и других уст-
ройств, называемых пневмогидроарматурой (ПГА). Эффектив-
ное и безаварийное функционирование пневмогидросистем за-
висит от уровня надежности комплектующей их ПГА.
Отказы ПГА вызываются различными факторами и, как пра-
вило, являются результатом развития сложных физико-химиче-
ских процессов, протекающих в конструкции ПГА при ее экс-
плуатации. Без понимания механизма этих процессов невозможна
разработка эффективных, научно обоснованных методов обеспе-
чения и повышения надежности ПГА.
Основными причинами невысокого уровня надежности ПГА
являются: недостаточный учет реальных условий эксплуатации,
недостатки в методологическом подходе к решению проблемы
обеспечения надежности и скрытые технологические дефекты.
Недостаточный учет реальных условий эксплуатации. Имеется
минимум три этапа, а точнее стыки этих этапов, когда объектив-
но или субъективно «теряются» (не учитываются) факторы, яв-
ляющиеся потенциальными причинами будущих отказов: опре-
деление заказчиком исходных требований к ПГА; разработ-
ка и испытания опытных образцов ПГА; монтаж и эксплуа-
тация.
Как показал анализ отказов ПГА, всегда имеется ряд внеш-
них и внутренних факторов, учесть которые при определении ис-
ходных данных для проектирования весьма трудно или невоз-
можно. Приведем некоторые из них.
1.	Реальные режимы нагружения на элементы ПГА, завися-
щие от: постоянных, аварийных и незапланированных пульсаций
Давления в процессе технологических циклов системы; монтаж-
ных перекосов и вибрации трубопроводов; усилий, возникающих
ПРИ функционировании ПГА; внутренних концентраторов и дру-
гих источников напряжений; технологического термоциклирова-
ния в системе и др.
2.	Специфичность совместного действия химических факторов
и механических напряжений.
з
3.	Возможность появления критических режимов процессов
протекания рабочих сред вследствие изменения технологических
режимов системы, приводящих к повышенной турбулизации, ка-
витации или эрозии в местных гидравлических сопротивлениях
проточной части ПГА.
4.	Трудноучитываемый комплекс внешних воздействий, вызы-
вающих старение уплотнительных (неметаллических) материа-
лов и др.
Основной причиной выхода из строя ПГА в химической про-
мышленности является неправильное ее применение, неучет осо-
бенностей эксплуатации и параметров трубопроводных систем
[102]. При анализе причин выхода из строя ПГА зафиксировано
большое количество отказов, возникающих вследствие исполь-
зования ПГА в условиях, не предусмотренных технической доку-
ментацией [59].
Американская фирма «Дюпон» разработала программу ра-
бот по повышению качества и надежности арматуры. В этой про-
грамме выделены следующие основные проблемы: создание с
помощью ЭВМ баз данных по истории эксплуатации (обслужи-
вание, аварии, ремонт каждой единицы оборудования; ликвида-
ции закупки арматуры без надлежащего анализа пригодности ее
для конкретных условий эксплуатации [102].
Неучет комплекса внешних воздействий находит отражение в
техническом задании, что объективно не позволяет разработчику
воплотить их в соответствующие конструктивные решения даже
при условии, что не было допущено грубых ошибок при проекти-
ровании. Сложившаяся практика доводки ПГА, в свою очередь,
усугубляет это положение. Программа испытаний (доводочных
или приемочных) по существу представляет собой методику мо-
дельных испытаний по отношению к реальным условиям эксплуа-
тации, так как ПГА подвергается экспериментальной проверке
только по основным параметрам (давлению, температуре, гид-
равлическим характеристикам, ресурсу и др.). Такое сочетание
параметров в процессе испытаний в силу объективных и субъек-
тивных причин может не соответствовать эксплуатационным. По-
этому испытанные и рекомендованные в серию изделия (ПГА)
являются лишь моделью по отношению к некоторому «теоретиче-
скому» изделию, удовлетворяющему всем условиям и режимам
эксплуатации. Чем ближе модель к «теоретической», тем выше
должна быть надежность. Расширение программы испытаний во
многих случаях является нецелесообразным, во-первых, вследст-
вие отсутствия сведений о реальных условиях эксплуатации, во-
вторых, ввиду необоснованного удлинения сроков отработки и
соответствующего повышения стоимости изделия.
К факторам, нарушающим требования документации при мон-
таже и эксплуатации, можно отнести следующие: перед установ-
кой ПГА в систему не проводятся приемочные испытания, регла-
4
ментируемые технической документацией; не контролируется га-
рантийный срок службы, что приводит к эксплуатации неконди-
ционной арматуры; нарушается регламент освидетельствования
и ремонта ПГА; применяются рычаги-удлинители при закрыва-
нии ПГА; при эксплуатации экстремальные условия возникают
при незапланированных остановках и пусках технологических ли-
ний; запорная ПГА часто используется для дросселирования, что
приводит к резкому повышению ее изнашивания.
Недостатки в методологическом подходе к оценке надежности
ПГА. Применение статических моделей, использующих информа-
цию типа «успех — отказ», неизбежно приводит к пассивной и
малоэффективной стратегии при решении проблемы обеспечения
надежности. Действительно, первые сведения о надежности из-
делия разработчик может получить только после того, как его
проектные решения материализованы в металле и изделия про-
шли испытания. Возможности существенного изменения конст-
рукции для повышения ее надежности ограничены, так как свя-
заны со сверхплановыми материальными затратами и потерями
времени на доработки. Применение для расчета надежности ПГА
на этапе проектирования модели экспоненциального закона рас-
пределения наработки часто приводит к тому, что указанный
расчет выполняется вне всякой связи с остальными проектными
расчетами и решениями, т. е. носит чисто формальный ха-
рактер.
Методы количественного анализа надежности, регламентируе-
мые до недавнего времени в арматуростроении, характеризовали
только количественную сторону проявления отказов. При этом
отказы рассматриваются как однородные события независимо от
конкретных причин их возникновения. Так как в основе отказов
лежат объективные физические и (или) химические процессы,
возможности рассматриваемых методов для выявления на ран-
них этапах разработки конкретных научно-технических задач по
обеспечению надежности остаются весьма ограниченными.
Современные тенденции теории надежности механических
систем предполагают в качестве основных научных методов ре-
шения задач надежности использовать наряду с традиционными
методы многих смежных технических дисциплин и их приложе-
ний. Например, задачи обеспечения надежности ПГА и ее прог-
нозирования невозможно решать без использования методов гид-
равлики и газодинамики, металловедения, теории прочности и др.
За последние 10—15 лет появился ряд фундаментальных ис-
следований, посвященных надежности механических систем [8,
18, 19, 5з, 80]. Основные теоретические положения в этих рабо-
тах могут быть при определенных допущениях использованы для
решения задач обеспечения надежности ПГА, однако реально
это происходит довольно медленно. Отчасти это объясняется тем,
Что сложность математического аппарата создает определенный
5
барьер у специалистов-практиков, участвующих в создании но-
вого изделия.
Внедрение методов непревышения «нагрузка — прочность» и
«параметр — поле допуска» в практику обеспечения надежности
механических систем сдерживается еще тем, что они пока не по-
лучили достаточного освещения в системе государственной стан-
дартизации.
Влияние скрытых технологических дефектов. К этим техно-
логическим дефектам можно отнести следующие: несоответствие
механических свойств и химического состава материалов деталей
ПГА требованиям технической документации; несоответствие ка-
чества поверхности требованиям технической документации; об-
разование технологических концентраторов (подрезов в местах
перехода поверхностей, острых кромок, зон растягивающих на-
пряжений при механической обработке и др.).
Авторы попытались по-новому подойти к некоторым аспек-
там обеспечения надежности ПГА. Цель книги — помочь спе-
циалистам, занятым разработкой, изготовлением и эксплуата-
цией ПГА, комплексно подойти к вопросам обеспечения надеж-
ности.
Введение, гл. 4 и 5 написаны В. В. Хильчевским и В. А. Анань-
евским; гл. 2 — А. Е. Ситниковым и В. А. Ананьевским; гл. 1 и
3 — В. А. Ананьевским; гл. 6 и 7 —А. Е. Ситниковым.
Глава 1. Пневмогидроарматура как объект
исследования надежности
Пневмогидроарматуру (ПГА) классифицируют по функцио-
нальному назначению, диаметру условного прохода, условным
давлениям, температурному режиму, агрегатному состоянию ра-
бочей среды и др. [7, 27—30, 33, 36, 42, 45].
По функциональному назначению ПГА разделяют на: запор-
ную— предназначенную для периодического или разового пере-
крытия потока среды; регулирующую — применяемую для регу-
лирования рабочих параметров потока среды (расхода, давле-
ния, температуры и т. д.); предохранительную—предназначен-
ную для ограничения рабочих параметров и предотвращения об-
ратного потока среды; комбинированную (блочную)—содержа-
щую несколько единиц арматуры одинакового или различного
функционального назначения; контрольную, фазоразделительную
и др.
Если рассматривать ПГА как объект исследования надежно-
сти, то ее можно классифицировать на:
восстанавливаемую и невосстанавливаемую в зависимости от
возможности и целесообразности восстановления в течение пе-
риода эксплуатации;
эксплуатируемую до предельного состояния и эксплуатируе-
мую до окончания выполнения требуемых функций в зависимо-
сти от продолжительности эксплуатации;
эксплуатируемую в режимах: непрерывном, циклически регу-
лярном и циклически нерегулярном в зависимости от временного
режима использования;
многократного действия и одноразового срабатывания в за-
висимости от кратности действия.
1.1. Устройство и функционирование ПГА
Особенностью изделий, объединяемых термином «трубопро-
водная арматура», является многообразие конструкций, разли-
чающихся между собой функциональными, структурными, схем-
ными признаками. Каждый из названных классов делится на
подклассы (типы, виды). Например, к запорной ПГА относятся
клапаны, задвижки, краны, дисковые затворы. К регулирую-
щей— клапаны, дисковые затворы, краны, регуляторы. Предо-
7
хранительная арматура в основном представляет собой клапан-
ные устройства прямого и непрямого действия и т. д.
В свою очередь, подклассы ПГА разделяют на множество ти-
поразмеров, отличающихся друг от друга не только диаметром
условного прохода (Dy) или основными рабочими параметрами
(ру или рр, Т° С), но и видом привода (ручной, гидравлический,
пневматический, электрический), типом корпуса (угловой, про-
ходной, полнопроточный), видом соединения с трубопроводом
(разъемным — фланцевым, муфтовым или неразъемным — пая-
ным, сварным), материальным исполнением основных деталей
и другими признаками. Большое разнообразие конструктивных
решений ПГА и ее составных частей наблюдается и «внутри» от-
дельных типоразмеров, например, по типу корпусных деталей,
подвижных и неподвижных уплотнений и т. д. [27—30].
Пневмогидроарматура, являясь исполнительным органом
(элементом) сложных трубопроводных пневмогидросистем, яв-
ляется не менее сложной механической системой. Несмотря на
относительно несложную кинематику, все типоразмеры ПГА, их
детали, элементы (уплотнительные, трущиеся, несущие) испы-
тывают разносторонние и многочисленные виды внешних воздей-
ствий: силовые (механические, гидромеханические), химические
(механохимические), термические, радиационные и т. п. Эти воз-
действия приводят к возникновению и развитию в поверхностных
и объемных зонах деталей сложных необратимых деградацион-
ных процессов, приводящих к отказам.
Силовые воздействия, формирующие поля напряжений, на-
пример в корпусных деталях ПГА, вызываются, как правило,
следующими факторами: гидростатическим давлением рабочей
среды; усилием уплотнения в затворе (от привода): изгибаю-
щим моментом в местах присоединения трубопроводов (монтаж-
ные погрешности, деформации трубопроводов в режиме эксплуа-
тации).
Возможные последствия силовых воздействий — недопусти-
мые деформации и разрушение деталей ПГА, разгерметизация
в затворе и относительно окружающей среды. Несмотря на ог-
ромную потенциальную опасность разрушения корпусных дета-
лей, доля таких разрушений относительно невелика и составляет
3—5% всех видов отказов.
Наибольшее число отказов ПГА вызвано поверхностными фи-
зико-химическими процессами—изнашиванием, коррозией, эро-
зией, кавитацией, а также их совместным действием. Например,
анализ отказов различных видов арматуры (более 150 тыс. слу-
чаев) показал, что их основной причиной явились различные ви-
ды изнашивания — 65%, коррозии — 25%, эрозии и кавитации —
более 5% [59]. Примерно аналогичная тенденция проявления
отказов характерна и для ПГА, предназначенной для комплек-
тования различных химических и других производств [46]. Сле-
8
Рис. 1.1. Запорная ПГА:
а — угловой клапан высокого давления; б — электромагнитный клапан
дует подчеркнуть особую потенциальную опасность влияния кор-
розионно-активных сред. Кроме коррозионного поражения, эти
среды в условиях действия полей напряжения приводят к уси-
лению механохимических реакций — резкому возрастанию ско-
рости растворения деформированных участков поверхности, кор-
розионному растрескиванию, значительной интенсификации из-
нашивания, эрозии и кавитации (в проточной зоне).
Термическое воздействие среды может приводить в основном
к следующим явлениям: заклиниванию деталей в сопряжениях
вследствие различного коэффициента термического расширения,
возрастанию коррозионной активности рабочей среды, возник-
новению в деталях дополнительных полей термонапряжений, из-
менению механических свойств материалов, в первую очередь,
полимерных и т. д.
На рис. 1.1, 1.2, 1.3 в качестве примера приведены наиболее
распространенные типы конструкций ПГА, их основных узлов и
Деталей, а также основные виды внешних воздействий.
9
Рис. 1.2. Самодействующая ПГА:
а — предохранительный клапан; б •— редуктор давления
Рассматривая отказ как событие, необходимо учитывать, что
он всегда является одним из звеньев так называемой причинно-
следственной цепочки событий (см. гл. 2). Анализируя причинно-
следственную цепочку, начиная с исходных предпосылок и за-
канчивая отказом, можно выявить механизм его формирования,
а следовательно, и методы его устранения. Однако успех будет
зависеть от глубины (или уровня) изучения тех физических или
физико-химических явлений (элементарных событий причинно-
следственной цепочки), которые сопровождают формирование
отказов.
Первый уровень — чисто внешнее проявление. Например, по-
теря герметичности в затворе (отказ) может сопровождаться
появлением на уплотнительных поверхностях рисок, каверн, пит-
тингов, вмятин, трещин и других искажений поверхностного мик-
рорельефа. Эти дефекты являются первой причиной появления
протечки. Процессами, вызвавшими образование этих дефектов,
могут быть: изнашивание, коррозия, эрозия, кавитация, дефор-
мационные процессы и др. в зависимости от характера внешних
10
Рис. 1.3. Эпюры нормальных напряжений в корпусе запорного клапана (рР=
= 40 МПа):
а—-при действии гидростатического давления рабочей среды; б — при совместном дей-
ствии сил герметизации и гидростатического давления рабочей среды
воздействий. Например, появление рисок на уплотнительных по-
верхностях может быть вызвано процессами эрозии, гидроабра-
зивного и (или) механического изнашивания, питтингов — про-
цессами коррозии или изнашивания. Однако каждый из назван-
ных процессов имеет различные проявления, механизмы которых
отличаются друг от друга и зависят от внешних факторов, мате-
риального и конструктивного исполнения деталей ПГА. Напри-
мер, одно и то же защитное покрытие в различных средах имеет
различную коррозионную стойкость, а стойкие к общей коррозии
материалы оказываются нестойкими при локальных ее видах
(щелевой, питтинговой, контактной). Механизмы изнашивания
одних и тех же материалов в вакууме, на воздухе и в коррози-
онно-активных средах могут значительно отличаться. Действие
статических и циклических нагрузок также различается меха-
низмом проявления, что необходимо учитывать при расчете уров-
ня допустимых напряжений.
Поэтому необходимо исследовать второй, более глубокий, уро-
вень изучения физических или физико-химических явлений, со-
провождающий отказы и включающий: химическую гетероген-
ность поверхностей, скорость разрушения и восстановления за-
щитных пленок, адгезионное взаимодействие, схватывание,
механохимические реакции, сколы и сдвиги и т. д.
11
При необходимости можно исследовать и третий уровень, ка-
сающийся изменений структурного состояния материалов: фазо-
вого состава, плотности дисклокаций и линий (плоскостей) сколь-
жения, возникновения и распространения трещин, влия-
ния межзеренных границ, процессов оклюзии и диффузии
и т. д.
На первом уровне познания «физики отказов» можно лишь
определить возможный процесс, ответственный за внешнее про-
явление отказа (сверхнормативная протечка). На этом уровне
еще трудно, хотя и не безнадежно, оптимизировать мероприятия
по устранению отказов.
На втором уровне может быть определен доминирующий фи-
зический или физико-химический процесс разрушения, ответст-
венный за образование поверхностных дефектов. Однако в этом
случае не всегда можно определить методы защиты, исключаю-
щие появление вышеописанных дефектов. Поэтому часто важен
третий уровень, помогающий раскрыть реальный физический
(химический) механизм разрушения поверхности, что позволяет
оптимизировать требования к уплотнительным поверхностям и
избежать отказа.
Приведенный пример, а именно описание одной из подсистем
ПГА — затвора, свидетельствует о необходимости привлечения к
решению задач обеспечения надежности смежных научно-техни-
ческих дисциплин и их приложений для создания действительно
надежных и экономичных изделий. Изучение физических (физи-
ко-химических) закономерностей, лежащих в основе причинно-
следственной цепочки событий, приводящих к отказам, дает воз-
можность использовать эту информацию как эффективный инст-
румент в работах по обеспечению надежности. При этом необхо-
дима такая методология изучения физики отказов, которая бы
помогла: построить целостную картину исследуемых объектов,
конструктивных исполнений и эксплуатационных условий; учи-
тывать зависимость состояния объекта (ПГА) от состояния его
частей и наоборот; учитывать связь исследуемого объекта (ПГА)
с внешней средой [наряду с системным понятием «внешняя сре-
да» далее будут применены термины «рабочая и окружающая
среда»; рабочая среда (поток материалов) является «внешней
средой» по отношению к ПГА как системе, управляющей средой;
окружающая среда — это также внешняя среда, соприкасающая-
ся с ПГА с наружной стороны], подразумевая под этим термином
комплекс внешних воздействий, включая полезную функцию, вы-
полняемую ПГА.
Такой методологией является системный анализ, а точнее
системный подход. Одно из его преимуществ заключается в том,
что органической частью системного исследования является ло-
гико-методический анализ, так как для решения сложных задач
важна прежде всего правильная их постановка. При этом в пер-
12
вую очередь предполагается использовать системное мышление,
а не формальный системный анализ [108, 109].
С точки зрения теории надежности, системой называют такое
техническое устройство, надежность которого определяется в за-
висимости от его структуры и надежности составляющих частей.
Болыпнство типов ПГА (за исключением блочной) относят к про-
стым системам, т. е. таким, элементы которых составляют функ-
ционально единую последовательную цепь, а отказ любого из эле-
ментов вызывает отказ системы.
С учетом основ теории надежности несколько расширим по-
нятия системы, ее функции и структуры, имея в виду прежде
всего физические (механические) системы, представителем ко-
торых является ПГА. При этой функциональное описание между
входами и выходами не будем ограничивать только «черным
ящиком», а дополним это описание изучением структуры систе-
мы, ее элементов, а также изменениями, происходящими в струк-
туре под действием внешних условий («внешней среды»), кото-
рые приводят к ее деградации и отказам.
Для углубленного анализа процессов, приводящих к этим
изменениям, будет применен метод сечения системы более высо-
кого ранга на системы низшего ранга. В этом случае отдельные
элементы первой системы будут представлены автономными сис-
темами, что позволит дифференцировать и углубленно изучать
происходящие процессы деградации структуры.
1.2. Функция и структура ПГА
Общие сведения [54, 108, 109, 118, 119]
Системой будем называть ряд элементов, взаимосвязанных
структурно и функционально.
Структура системы. Под структурой понимают совокупность
функциональных составляющих и их отношений, необходимых
Для достижения системой заданных целей. Структура — это спо-
соб организации целого и составных частей. Структура опреде-
ляется: 1) рядом ее элементов (А); 2) соответствующими свой-
ствами элементов (Р); 3) связями элементов, определяемыми
как соотношение между элементами (Р).
Таким образом, структура системы представляет собой мно-
жество S={A; Р; R}.
Граница системы. Система называется разомкнутой, если
имеет место взаимный обмен массой и энергией с «внешней сре-
дой». В замкнутой системе такой обмен считается пренебрежи-
мо малым. Каждая система может быть отделена от ее ок-
ружения границей — гипотетической оболочкой. Границы систе-
мы определяют объект исследования. Однако ни одна система не
13
может быть абсолютно замкнутой. Взаимодействие системы со
средой представляется внешними связями, пересекающими обо-
лочку: на входе (X) система получает воздействие от внеш-
ней среды», а выход (У) системы воздействует на эту
среду.
Функция системы. Функция системы состоит в преобразова-
нии входов (X) и выходов (У). Эти преобразования можно опи-
сать математическими уравнениями, физическим аналогом, сим-
волами, словесно и т. д.
Следует иметь в виду, что описание поведения системы при
помощи понятий «структуры» и «функции» содержит фундамен-
тальные различия: структурное описание системы является «внут-
ренним», характеризующим поведение системы через ее элементы
(части) и их взаимозависимости; функциональное описание сис-
темы является «внешним», определяющим ее взаимодействие с
окружающей средой через соотношения между входами и выхо-
дами.
Наиболее часто систему представляют в виде «черного ящи-
ка» без указания ее внутренней структуры. Используя при этом
общую классификацию входов и выходов системы, можно фор-
мально описать с функциональной точки зрения множество тех-
нических систем. Однако в механических системах структура,
как правило, может необратимо изменяться, деградировать со
временем под действием различных физических, химических, био-
логических и других процессов. Следовательно, описание меха-
нических систем при помощи простых соотношений между входа-
ми и выходами недостаточно: функциональное описание системы
должно быть дополнено подробным изучением структуры систе-
мы и влияния ее изменений под действием указанных процессов
на функциональное поведение системы.
Для изучения сложных нелинейных систем следует ввести
дополнительные условия (требования), предполагающие деление
системы на части, используя: иерархию порядка системы и ме-
тоды «сечения (отрыва) черного ящика».
Принцип иерархичности порядка системы заключается в раз-
делении сложной системы на подсистемы и элементы различных
уровней сложности. Чем выше уровень, тем больше неизвестных
элементов и неоткрытых закономерностей определяют работу
конкретной системы. От положения оболочки (границы) систе-
мы, гипотетически разделяющей рассматриваемые объекты, и их
окружения («внешней среды») зависят различные уровни слож-
ности или различные «ранги» изучаемой системы. С другой сто-
роны, метод «сечения черного ящика» или «отрыва» означает
рассечение механической функциональной модели на меньшие
«ящики» до тех пор, пока применимы основополагающие прин-
ципы. Этот процесс осуществляется с помощью соответствующе-
го размещения «оболочки» системы. С точки зрения функциони-
14
рования, их располагают как можно ближе к главным деталям
механической системы.
Несмотря на то, что принципиально достигается одна и та же
цель, иерархичность порядка системы скорее всего предполагает
ранжирование структуры системы, в то время как метод «отры-
ва» подсказывает, как необходимо распределить оболочки сис-
темы с точки зрения ее функционирования. С учетом этих огра-
ничений подробное описание системы должно включать следую-
щие этапы.
1.	Функция системы.
1.1.	Отделение системы от ее окружения путем выбора обо-
лочки.
1.2.	Перечисление всех входов и выходов.
1.3.	Описание функциональных соотношений между входами
и выходами.
2.	Структура системы.
2.1.	Идентификация элементов системы и определение иерар-
хического порядка.
2.2.	Определение соответствующих свойств элементов.
2.3.	Определение взаимосвязей между элементами.
Функции ПГА
Проблема отделения ПГА как системы от ее окружения, т. е.
выбор границ или оболочки, не представляет особых трудностей.
Понятие трубопроводной арматуры и различных ее классов и
типов, присоединительные размеры к трубопроводам, тип при-
вода и многие другие характеристики оговорены стандартами,
отраслевой документацией и техническими условиями на изде-
лия.
На основании этих сведений легко можно определить оболоч-
ку системы: со стороны входа границей системы являются при-
соединительные элементы приводов; со стороны выхода гранич-
ными элементами являются любые присоединительные детали,
с помощью которых ПГА подсоединяется к трубопроводам,
а также детали, соприкасающиеся со средой. Для ПГА со встро-
енными приводами, например для некоторых типов электромаг-
нитной пневмо- и гидроприводной арматуры, границами являют-
ся также электрические контакты или элементы присоединения
Для подачи управляющих или рабочих сред.
В упрощенном описании функция большинства типов ПГА со-
стоит в преобразовании входов-параметров работы (движения)
в используемые для реализации технологических процессов вы-
ходы-параметры потоков материалов (рабочих сред). Параметры
Работы обычно выражаются через переменные величины: силу
Или момент, необходимые для приведения рабочего органа (за-
твора) в заданное положение. Для некоторых типов ПГА, тре-
15
бующих быстродействия в качестве рабочего переменного пара-
метра необходимо использовать скорость или частоту срабаты-
вания. Переменные параметры потоков: расход, давление, темпе-
ратура и другие регулируемые параметры рабочих сред.
Обозначение входов и выходов ПГА следующее (см. рис. 1.4—
1.7): Fy(My)—внешняя управлющая сила (момент)—главный
вход запорной и регулирующей ПГА; Рр— рабочее гидростатиче-
ское давление — главный вход (Р'р) для некоторых типов регу-
ляторов и предохранительной ПГА; один из главных выходов
(Р"р) регулирующей ПГА; v9—скорость срабатывания ПГА —
дополнительный вход для некоторых типов запорной арматуры,
в частности отсечной; AQ — утечка в затворе (в закрытом со-
стоянии)^— главный выход запорной ПГА, дополнительный вы-
ход предохранительной ПГА; £ — гидравлическое сопротивление
проточной части ПГА (при открытом состоянии затвора) —до-
полнительный выход запорной ПГА; Q — объемный расход сре-
ды регулирующего или предохранительного клапана (вместо Q
может применяться G — массовый расход среды)—один из
главных выходов регулирующей ПГА; Т — абсолютная темпе-
ратура среды после объекта регулирования; один из главных
выходов регулирующей ПГА.
Работа, совершаемая исполнительным органом ПГА от любо-
го источника энергии (привода), относится к полезным входам,
так как она преобразуется структурой системы в полезные вы-
ходы— осуществляется перекрытие потоков или регулирование
их основных параметров. Однако не все входы и выходы явля-
ются полезными. Имеется часть входов, работа которых приводит
к деградации структуры. Поэтому эти входы необходимо рас-
сматривать как возмущения. Также можно сказать о нежела-
тельных выходах-потерях.
В широком смысле потери можно характеризовать как изме-
нение первоначального состояния структуры системы. Потери
могут быть вызваны различными процессами преобразования
массы и массопереноса: ионизацией (коррозия), фрагментарным
отделением (все виды изнашивания, эрозия, кавитация), а также
необратимым изменением структурной целостности материалов:
пластической деформацией поверхностного микрорельефа, про-
цессами образования и распространения трещин (разрушение).
Картина была бы неполной, если бы причинами возмущений
считать только внешние по отношению к системе факторы: гид-
ромеханические, физико-химические, термические воздействия
потока рабочих сред или динамических нагрузок (вибрацион-
ных, ударных), распространяющихся по трубопроводам. Ряд
возмущений может инициироваться структурой ПГА. Например,
неучет частоты собственных колебаний элементов и подсистем
ПГА может привести к резонансным явлениям; большие ско-
рости соударения деталей затвора (без демпфирования) и боль-
16
шие зазоры в кинематических звеньях, передающих работу от
привода к затвору, — к возникновению значительных динамиче-
ских нагрузок.
Наиболее характерные виды возмущений и вызванных ими
потерь, встречающиеся при эксплуатации ПГА, приведены в
табл. 1.1.
1.1. Основные виды возмущений и их последствия
Вид и параметр возмущения	Источник или причина возмущения	Реакция элементов ПГА	Домини- рующий процесс разрушения	Вид потерь и условное обозначение
Гидромеханиче- ское воздейст- вие потока ра- бочих сред Qi	Высокие пара- метры потока (давление, рас- ход) ; дроссели- рование потока	Автоколебание подвижных де- талей; измене- ние состояния рабочих поверх- ностей деталей	Кавитация; эрозия; из- нашивание	Продукты из- наши вания (Ат); разру- шение поверх- ностного мик- рорельефа (Ki)
Низкочастотные и высокочастот- ные колебания (пульсации) давления рабо- чих сред Qf	Компрессоры и насосы; регла- ментные и вне- плановые оста- новки техноло- гических про- цессов	Автоколебания подвижных де- талей; разгер- метизация уп- лотнений; гене- рация цикличе- ских полей на- пряжений в де- талях	Изнашива- ние; уста- лостные раз- рушения	Продукты из- наши вания (Ат); пласти- ческая дефор- мация контак- тирующих по- верхностей (S); разру ш е н и е (возникновение и распростране- ние трещин) (Кт)
Физико-хими- ческое воздей- ствие рабочих сред С	Коррозионная активность ра- бочих сред	Разгерметиза- ция; заклини- вание подвиж- ных элементов	Различные виды корро- зионных про- цессов	Продукты кор- розии и корро- зионно-механи- ческого изна- шивания (Кт)
Термическое воздействие Т	Термодинамиче- ские параметры среды; нару- шение техноло- гических про- цессов в трубо- проводной сис- теме; дроссе- лирование	Заклинивание подвижных де- талей; генера- ция полей тер- монапряжений; изменение ме- ханич е с к и х свойств мате- риалов	Термоуста- лость; плас- тическая де- формация; процессы из- нашивания и разрушения	Продукты из- наши вания (Ат); разру- шение (Ki)
*					
17
Продолжение табл, t.l
Вид и параметр возмущения	Источник или причина возмущения	Реакция элементов ПГА	Домини- рующий процесс разрушения	Вид потерь и условное обозначение
Динамические нагрузки в ки- нематических цепях ПГА Р/	Вибрации тру- бопроводной системы в це- лом; зазоры в сочленениях; большие ско- рости срабаты- вания	Ударные на- грузки в кине- матических це- пях; резонанс- ные явления; повышенные си- лы трения	Изнашива- ние; кон- тактные, ус- талостные разрушения	Продукты ИЗ- нашив а н и я (Ат); разру- шение (Kt)
Эксплуатацион- ные возмуще- ния (неправиль- ная эксплуата- ция) АЭ	Сверхнорматив- аое увеличение параметров эк- сплуатации; на- рушение техно- погических про- цессов; монтаж- ные перекосы	Ударные явле- ния в кинемати- ческих цепях; разгерметиза- ция	Пластиче- ская дефор- мация; уста- лостные раз- рушения; из- нашивание	Продукты из- нашив а и и я (Ат); разру- шение (Ki); де- формация от пе- рекосов б'
Потери, являясь в основном следствием возмущений, иска-
жают функциональное преобразование входов в выходы. Если
эти преобразования нарушаются настолько, что выходные пара-
метры системы (ПГА) превышают допустимые пределы, то мож-
но говорить об отказах. Например, интенсификация гидромеха-
нического воздействия потока рабочей среды (Q,) может вызвать
эрозию уплотнительной поверхности седла, что, в свою очередь,
может привести к сверхнормативной протечке, т. е. нарушению
функционального преобразования Fy—>-AQ (для запорной ПГА).
Поскольку в любой системе входы преобразуются в выходы
структурой системы, как правило, эти отказы связаны с замет-
ными изменениями структуры — свойств и взаимосвязей ее эле-
ментов, другими словами, надежность системы зависит от струк-
турных изменений во времени.
Каковы же причины этих изменений? Какие процессы ответ-
ственны за изменение свойств элементов или их взаимосвязей?
На эти вопросы можно получить ответы только после тщатель-
ного структурного анализа. Однако в этой связи не следует за-
бывать о специфическом свойстве данного класса механических
систем — очень большом количестве (десятки тысяч) типоразме-
ров ПГА, что естественно затрудняет проведение этого анализа.
Множество типоразмеров достаточно оценить только с точки
зрения функции системы. В этом случае число систем, а следо-
вательно, и рассматриваемых структур может быть сведено к
единицам.
Проследим это на примере трех основных классов ПГА: за-
порной, регулирующей и предохранительной.
18
Рис. 1.4. Схемы запорной
ПГА:
а — запорный клапан; б — за-
движка; в —шаровой кран; г —
электромагнитный клапан; д —
дисковый затвор
Рис. 1.5. Функциональное
описание запорной ПГА
В03МуЩ°НиЯ
Потери
Согласно определению ГОСТ 24856—81 и СТ 1572—79 за-
порная арматура предназначена для перекрытия потока рабо-
чей среды.
На рис. 1.4 приведены схемы некоторых из основных типов
запорной ПГА, а их функциональное описание на рис. 1.5.
На схеме показаны полезные входы и выходы в закрытом (AQ)
и открытом (£) положении, а также нежелательные входы (ин-
дексом 1 обозначены параметры рабочей среды, индексом 2 —
параметры окружающей среды) и выходы: возмущения и по-
тери. Пунктирной линией обозначено влияние потерь на функ-
циональное преобразование входов в выходы.
На рис. 1.6—1.9 представлены схемы и функциональное опи-
сание регулирующей и предохранительной арматуры. Напомним
определения, регламентируемые вышеуказанными стандартами:
регулирующая арматура предназначена для регулирования па-
раметров рабочей среды посредством изменения расхода; предо-
хранительная— для автоматической защиты оборудования от
аварийных изменений параметров. Следует заметить, что предо-
хранительные, а также перепускные клапаны, хотя и представ-
ляют свой большой подкласс ПГА, могут быть отнесены к регу-
ляторам давлений «до себя» [47], так как функция последних
заключается в поддержании давления в объекте регулирования
пУтем сброса части рабочей среды, поэтому на рис. 1.8 приведена
схема упоминаемого регулятора.
19
Рис. 1.6. Схема регулирую-
щей ПГА:
а — односедельный клапан; б —
двухседельный клапан; в — кле-
точный клапан; г — регулятор
давления
Рис. 1.7. Функциональное
описание регулирующей
ПГА
20
Структура ПГА
Структура любой системы характеризуется рядом своих под-
систем и элементов, их идентификацией, взаимосвязью между
элементами (подсистемами) и их свойствами.
На рис. 1.Ю приведена обобщенная структура ПГА. Являясь
элементом системы более высокого ранга (п—1), ПГА, в свою
очередь, включает ряд подсистем (n+1-й ранг), а также эле-
ментов высшего (n+2-й ранг) и низшего (n+3-й ранг) по-
рядка.
В зависимости от класса типоразмера или конструктивного
исполнения ПГА некоторые из подсистем или элементов могут
отсутствовать.
Подсистемы условно можно разделить на две группы. Первая
из них объединяет три подсистемы, реализующие функцию ПГА:
первая — затвор 1, вторая — передаточная кинематическая цепь
2, третья — привод 3. Вторая группа образует несущую оболочку
и обеспечивает ряд вспомогательных функций данной системы
(перемещение рабочих сред, их герметизацию относительно ок-
ружающей среды, механическое крепление к трубопроводам, ре-
гулирование и направление подвижных элементов и т. д.); чет-
вертая— корпусные детали 4, пятая — узлы уплотнения относи-
тельно окружающей среды 5, шестая — узлы крепления, регу-
лировки 6.
Седьмая подсистема — упругие и чувствительные элементы 7,
в зависимости от класса или назначения ПГА может быть отне-
сена к обеим группам. Например, сильфоны и мембраны могут
выполнять функцию уплотнения (герметизация по штоку) и в то
же время могут применяться в качестве привода (мембранный
исполнительный механизм, регулятор давления). Пружина мо-
жет служить элементом привода (в регуляторах, предохрани-
тельных клапанах и т. д.) и компенсирующим или предохрани-
тельным элементом.
Взаимодействие большинства подсистем между собой и с
«внешней средой», рабочей и (или) окружающей осуществляется
в основном элементами системы низшего ранга — рабочими по-
верхностями уплотнений, пар трения, резьбовыми и другими со-
единениями. Однако эти взаимодействующие элементы, в свою
очередь, можно представить, используя методы деления системы,
в качестве самостоятельных систем. Элементы этих новых систем
совместно с «внешней средой» образуют так называемые трибо-
механические системы (сокращенно трибосистемы). Под трибо-
механическими системами необходимо понимать системы, струк-
тура которых, применительно к ПГА, состоит из двух твердых
тел или твердого тела и жидкости (газа), обменивающихся ме-
ханическими входами и выходами через поверхность раздела в
области их контакта.
21
КЗ
го
п-1-й ранг	Г Трубопроводная пневмо-или гидросистема
п-й-ранг				1 1 || LJ							Г L	1 	1	г—	П 1					
								т											
п+1-йранг подсисте- мы ПГА	1 I Затвор КУ	| Передача. Точная кинемати ческая цепь				и Привод			п~ Корпусные конструкции			5 1 Уплотне- ния относи- тельно внеш- ней среды	Узлы крепления и регулирования			^-1 Упругие и чувствительные элементы	
																	
n+2-й ранг, элементы высшего ранга n+3-й ранг элементы низшего ранга j 1 1 lL 1	| Седло		Подшипник сколыкения							Корпус		Подвижные уплотнения '	Г 1 1 1 1	Резьбовые соединения			Силыроны |-
																	
	Клапан (золотник, диск, шар и т.д.)									Крышка 							Мембраны -
			Упорный под- шипник (пя- та-подшипник											Байонетное соединение			
										Штуцер 		Неподвижные уплотнения _					
																	Пружины р
																	
														Фланцы			
										фильтры 							
																	
																	
													1 J				
			Винтовая пара											Клиновые соединения			
																	
																	
		 ► ►	ZjU Пята			1-7 \ — Внутрен- няя винто- * бая три во- поверхность Наруж- Г ная винто- вая трибо- поверхность											
	,Л/| Уплотни- тельная поверхность									^Поверх- ность кон- такта с ра- бочей средой Толсто- стенная оболочка		5-11 \ Уплотни- » тельная поверхность 5-12\ „ — Уплотни- » тельная поверхность		5-&I Уплотни- тельная поверхность 5-1У\ — Уплотни- тельная поверхность			Тонко- стенная обо- лочка или пластина 7-16\ Поверх- ность контак- та с рабо- чей средой
			Ы\Трибоповерх- ность подпятника														
	1~Л Уплотни- тельная поверхность		2$) Внутренняя ц илиндрическая трибопооерхность «														
1																	
1			££1 наружная цилиндрическая трибоповерхность.														
																		1
Рис. 1.10. Обобщенная структура ПГА
В качестве основных функциональных входов трибосистем
(рабочих переменных) будут выступать параметры, которые для
всех типов ПГА классифицировались как возмущения. Это глав-
ное, так как функциональное преобразование в трибосистемах,
осуществляемое элементами структуры (рабочими поверхностя-
ми), приводит к изменению последних: изменению их свойств
(топографии, поверхностных механических свойств), разрушению
и другим потерям. Следовательно, следствием функционирования
трибосистем является деградация их структуры, приводящая к
отказам подсистем и ПГА в целом.
Трибосистемы, структурные изменения которых связаны с по-
верхностными процессами, составляют подавляющее число эле-
ментов ПГА, однако ПГА содержит ряд элементов, структура
которых изменяется под воздействием объемных деформацион-
ных процессов. Это толстостенные 4—10 и тонкостенные оболоч-
ки и пластины 7—15, принадлежащие соответственно подсисте-
мам корпусных конструкций 4 и упругих и чувствительных эле-
ментов 7, также могут рассматриваться как самостоятельные
системы. Описание этих систем и трибосистем приведено в гл. 3.
1.3. Принципы управления уровнем надежности ПГА
Под уровнем надежности обычно понимают сочетание значе-
ний нормируемых показателей надежности изделия, характери-
зующее его на определенном этапе жизненного цикла. Для вы-
соконадежной ПГА такое сочетание может составлять комплекс
следующих показателей: вероятность безотказной работы, на-
значенный ресурс, средний ресурс до списания, наработка на от-
каз и др.
Управление уровнем надежности ПГА предполагает, во-пер-
вых, обоснованный расчет или выбор уровня надежности, про-
диктованный условиями функционирования ПГА в системе более
высокого ранга, во-вторых, разработку методов обеспечения и
поддержания этого уровня на всех этапах жизненного цикла из-
делия.
Первая задача — выбор уровня надежности — может быть
подчинена одной из следующих стратегий: обеспечение заданно-
го (требуемого), как правило, очень высокого уровня надежно-
сти; обеспечение экономически обоснованного оптимального
Уровня надежности.
Наличие двух стратегий вызвано особенностью данного клас-
са изделий — ПГА не применяется автономно, а всегда является
элементом более сложных и дорогостоящих систем. Эффективное
и безаварийное функционирование этих систем и объектов зави-
сит от уровня надежности, комплектующих и ПГА. Уровень на-
дежности ПГА определяется степенью сложности и (или) потен-
циальной опасности системы. Отказы ПГА могут приводить к
23
нарушению работоспособности этих систем, а также объектов
более высокого ранга, но последствия таких нарушений могут
значительно отличаться: в одних случаях отказы ПГА приводят
к возникновению катастрофической ситуации (утечка токсичных
сред, взрывов, выход из строя дорогостоящего объекта и др.), в
других случаях — к ограниченному экономическому ущербу (на-
рушение технологического процесса, потеря качества продукта
или выходных параметров объекта).
Если последствием отказа является катастрофическая ситуа-
ция, то уровень надежности должен задаваться достаточно высо-
ким. Экономические вопросы в этом случае не являются перво-
степенными.
Если последствия отказа ПГА ограничены только умеренны-
ми экономическими затратами, то определяющим в выборе уров-
ня надежности принимается некоторый оптимальный уровень,
соответствующий минимуму суммарных затрат в сферах произ-
водства и эксплуатации. В этом случае целевой функцией, выра-
жающей зависимость критерия оптимальности от оптимизирую-
щих параметров, должна быть функция стоимостная. Это обще-
принятая точка зрения, так как именно стоимостные категории
наилучшим образом соответствуют общему критерию эффектив-
ности новой техники в народном хозяйстве — росту производи-
тельности общественного труда [52].
Уровень надежности ПГА, комплектующей автономные, не-
восстанавливаемые высоконадежные системы и объекты, а также
ряд энергетических и химических производств высокой потенци-
альной опасности (например, контуры АЭС, производство поли-
этилена высокого давления и др.), в основном, подчиняется
первой стратегии. Не исключается возможность применения и
второй стратегии для высоконадежной ПГА, комплектующей
ответственные пневмогидросистемы с высоким уровнем резер-
вирования и активной диагностикой технического состояния всех
входящих в них подсистем и элементов, как правило, доступных
при эксплуатации. В этом случае при достаточном обменном
фонде ПГА возможно снижение уровня надежности до оптималь-
ного благодаря, например, показателю долговечности.
Если управление уровнем надежности ПГА подчинено первой
стратегии, то оно включает, в частности, следующие мероприя-
тия: выбор и нормирование показателей надежности; разработку
и реализацию программы обеспечения надежности (ПОН) на
каждой стадии разработки, производства и эксплуатации; конт-
роль и анализ достигнутого уровня надежности и при необходи-
мости реализацию соответствующих управляющих воздействий
на всех стадиях жизненного цикла ПГА; оценку эффективности
реализованных управляющих воздействий.
На рис. 1.11 приведена структурная схема одного из вариан-
тов управления уровнем надежности ПГА, подчиненной первой
24
Рис. 1-11. Структурная схема управления уровнем
надежности ПГА:
.__выбор и нормирование (ВН) требуемых показателей
надежности (У/Л); 2 — стадия проектирования (СВ) —
исходный уровень надежности (УНг); 3 — контроль и ана-
лиз соответствия УНу и УН3; 4 — мероприятия по повыше-
нию надежности (МПН) на стадии проектирования; 5 —
экспериментальная отработка (30) ПГА — достигнутый
уровень надежности (УН3); 6 — контроль и анализ соот-
ветствия УНг и УН3; 7 — согласование изменений требуе-
мого уровня надежности (СИ); в —доработка ПГА и про-
верка эффективности доработки (Д и /73); 9 — разработка
организационно-технических мероприятий по подготовке
серийного производства (ОТМ ПП) с заданным уровнем
надежности (УНу—УН3); /О —сфера производства (СП);
11— контроль уровня надежности в сфере производства
(КУН3СП); /2—сфера эксплуатации (СЭ); /3 —контроль
уровня надежности в сфере эксплуатации (КУН3СЭ); 14—
диагностика и обнаружение неисправности (ДОН); оста-
новка системы, устранение неисправностей без демонтажа
ПГА; 15 — демонтаж и замена ПГА, освидетельствование,
аемонт (ДОР), испытание ПГА
стратегии. Блоки 1—12
восстанавливаемой
ПГА, блоки 1—15 — к
мой.
Установлено, что стабильный отла-
женный цикл создания ПГА (в сфере
проектирования) может обеспечить без
дополнительных управляющих воздейст-
вий определенный уровень надежности.
Назовем его исходным. Если исходный,
уровень может оказаться ниже требуе-'
мого, то возникает необходимость в до-1
полнительных работах по повышению!
уровня надежности изделия (блоки 4, Тх^'дон
8 на рис. 1.11). Затраты на эти работы ,
могут быть достаточно большими и будут
относятся к не-
высоконадежной
восстанавливае-
'-^ВН-УН,
±>СП*УНг
нет
мпн
УНу-УН]
да
^эо*ун.
да
нет
^отм /wk-ip-U и ПЭ 1—1
УН,=УН
10
СП
нет
п
СП
да
КУН]
СЭ
нет
нет гул-*—
I >jpl дор


оправданными только в том случае, если они окупятся достиг-
нутым положительным эффектом. Подобная ситуация характе-
ризуется термином «цена надежности» Сн— переменная состав-
ляющей затрат, обусловленной требованиями надежности [44].
Эти затраты, учитываемые в цене на ПГА, относятся к сфере
создания ПГА, а достигнутый положительный эффект — к сфере
эксплуатации. В этом смысле могут «обостряться», часто не
обоснованно, отношения между изготовителем и потребителем:
изделие может быть нерентабельным для изготовителя вследст-
вие большого значения Сн или экономически невыгодным для
потребителя. Поэтому необходимо исходить из фундаментально-
Го положения о том, что любой товар обладает диалектическим
единством двух его сторон — потребительской стоимости и стои-
°сти. Под потребительской стоимостью понимают полезность
продукции. В рассматриваемом аспекте — это ПГА с заданным
Уровнем надежности. Потребительская стоимость непосредствен-
25
но определяется затратами в сфере эксплуатации. Эти затраты
в числе прочих значительно зависят от показателей надежности.
Потребительская стоимость влияет на стоимость товара
таким образом, что она определяет границы производственных
затрат в пределах требований потребителя к качеству товара.
В свою очередь стоимость также влияет на потребительскую
стоимость, так как имеет место распределение общественного
труда с учетом потребностей в отдельных видах продукции [52].
Поэтому, определяя высокий уровень надежности, заказчик воз-
действует на затраты в сферах проектирования и производства
(увеличение «цены надежности»). Увеличение стоимости ПГА за
счет повышения уровня надежности может привести к экономии
затрат в сфере эксплуатации. При оптимальном увеличении этих
затрат в п раз убытки могут сократиться в 2и раз [17].
Поэтому задача оптимального управления уровнем надеж-
ности ПГА, являясь частной задачей оптимизации функции на-
дежности механической системы, эквивалентна минимизации
суммарных народнохозяйственных затрат на проектирование,
изготовление и эксплуатацию на весь срок ее существования.
Описание целевого функционала стоимости механической систе-
мы и постановка соответствующих задач оптимизации механи-
ческих систем по критерию надежности приведены в работе [99].
Для ПГА эти вопросы не получили должного развития —
практически отсутствуют работы по оптимизации уровня надеж-
ности и соответствующие нормативные документы. Такое поло-
жение негативно отражается на взаимодействии изготовителя
и потребителя, рентабельности производства, а также на ценах,
так как не учитывается в полном объеме «цена надежности».
Например, при установлении цены на новые или модернизируе-
мые изделия ПГА не предусматривается увеличение таких важ-
нейших показателей надежности, как вероятность безотказной
работы, ресурс, наработка на отказ и др. Все это не создает
материальных стимулов у разработчика и изготовителя к соз-
данию более надежных изделий, что, в свою очередь, ведет к
снижению одного из главных составляющих потребительской
стоимости ПГА — ее качества.
Глава 2. Отказы ПГА
2.1.	Виды технического состояния ПГА
Понятие «повреждение» и «отказ» неразрывно связаны с
видами технического состояния ПГА: исправным, неисправным,
работоспособным и неработоспособным состояниями.
Исправное состояние — это такое состояние изделия, при ко-
тором оно соответствует всем требованиям нормативно-техниче-
ской и конструкторской документации.
Неисправное состояние (неисправность) — это состояние из-
делия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из
упомянутых требований.
Работоспособное состояние — это состояние изделия, при ко-
тором значения всех параметров, характеризующих его способ-
ность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям
нормативно-технической и конструкторской документации.
Таким образом, техническое состояние изделия ПГА в каж-
дый момент времени может быть охарактеризовано двумя приз-
наками: соответствием требованиям нормативно-технической и
конструкторской документаций; соответствием той части требо-
ваний, которые характеризуют способность изделия выполнять
заданные функции.
Руководствуясь этими признаками, можно выделить три ос-
новные реально существующие формы технического состояния
ПГА: 1) исправное состояние, которое всегда является работо-
способным; 2) неисправное, но работоспособное состояние; 3) не-
исправное и неработоспособное состояние.
Таким образом, переход изделия из исправного состояния в
неисправное может происходить с сохранением работоспособно-
го состояния (такое событие называется повреждением) либо с
нарушением работоспособного состояния (такое событие назы-
вается отказом).
Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работо-
способного состояния объекта. Понятие «отказ» иногда ошибоч-
но отождествляют с понятиями «неисправность», «повреждение»,
«Дефект». Неисправность является таким техническим состоя-
нием изделия, при котором его работоспособность может быть
сохранена либо нарушена. Повреждение всегда является собы-
тием, не связанным с нарушением работоспособного состояния.
Дефект — это термин, применяемый при контроле качества
продукции в процессе ее изготовления, ремонта или дефектации.
27
В соответствии с ГОСТ 15467—79 под дефектом понимается
любое несоответствие предъявляемой продукций требованиям
технической документации. Находясь в неисправном состоянии,
изделие может иметь один или несколько дефектов, однако это
не означает, что произошло нарушение работоспособного сос-
тояния.
На первоначальном этапе отказ воспринимался как неизбеж-
ное событие. Главным в информации об отказе был факт отка-
за. Случаи нарушения работоспособности рассматривались как
однородные события независимо от их проявлений, причин и по-
следствий. С развитием теории надежности углублялось и поня-
тие об отказе. Современная теория надежности рассматривает
отказ как емкое, многогранное событие, характеризуемое целым
рядом признаков.
Каждый отказ ПГА является также и сложным событием.
Понятие «отказ» обычно ограничивают моментом времени, в те-
чение которого он проявляется. Однако этому моменту в боль-
шинстве случаев предшествует определенный период, в течение
которого на основе различных изменений в материалах, деталях,
узлах происходит формирование отказа. Поэтому в более широ-
ком смысле понятие «отказ» можно рассматривать как единую
причинно-следственную цепочку событий, процессов и явлений.
Начальным звеном этой цепочки является исходная причина от-
каза, конечным — его внешнее проявление и последствия. По
мере накопления экспериментального материала о механизме
формирования отказов становилось все более очевидным, что в
основе большинства из них лежат закономерные явления и про-
цессы. И хотя в них по-прежнему присутствует элемент случай-
ности, он уже не рассматривается как доминирующий. Вывод о
закономерности изменений, приводящих к отказу, неизбежно
влечет за собой вывод об их познаваемости и возможности прог-
нозирования. Такой подход дает возможность использовать ин-
формацию об отказах ПГА как эффективный инструмент в рабо-
тах по обеспечению надежности.
2.2.	Критерии отказов ПГА
Установленный факт отказа ПГА на любом этапе жизненного
цикла изделия влечет за собой необходимость определенных опе-
ративных действий: изменения порядка работ, организационно-
технических мероприятий, административных мер, экономиче-
ских санкций и т. д. Позиции разработчика, изготовителя и за-
казчика по отношению к отказу ПГА могут не совпадать. Для
достоверного определения каждой из сторон факта перехода
изделия в неработоспособное состояние в нормативно-техниче-
ских документах устанавливают конкретные для каждого изде-
лия отличительные признаки этого состояния. Согласно ГОСТ
28
27.002—83 термин «критерий отказа» — это признак или сово-
купность признаков неработоспособного состояния объекта, уста-
новленные в нормативно-технической и конструкторской доку-
ментации. Эти признаки могут быть заданы в количественной
и качественной формах. Порядок регламентирования критериев
отказов определяет ГОСТ 27.103—83. Выбранные критерии отка-
за должны обеспечивать простоту обнаружения отказа, а также
достоверность и однозначность установления факта отказа, ис-
ключающие возможность принятия ложного решения.
Критерии отказов ПГА устанавливают, как правило, по сле-
дующей совокупности признаков неработоспособного состояния:
прекращения выполнения изделием заданных функций; отклоне-
ния значений выходных параметров за допустимые пределы, ука-
занные в нормативно-технической документации. Например, кри-
териями отказов, общими для всех видов ПГА, обычно являются:
разрушение элементов конструкции, негерметичность в затворе
и негерметичность относительно внешней среды, превышающие
допустимые пределы. В дополнение к ним могут устанавливать-
ся критерии отказа, характерные для каждого вида ПГА. Напри-
мер, для клапанов с электромагнитным приводом такими крите-
риями могут быть несрабатывание клапана по управляющему
сигналу, самопроизвольное срабатывание, отклонение за допус-
тимые нормы значений времени срабатывания, напряжения элек-
трического управляющего сигнала и др. Критерии отказов регу-
ляторов давления могут быть заданы дополнительно в виде
совокупности следующих признаков: отсутствие эффекта регу-
лирования (давление на выходе регулятора давления равно
давлению на входе или нулю), выход значений давления на
выходе регулятора давления за двустороннее поле допусков,
заданное в нормативно-технической документации.
Критерии отказов ПГА устанавливают, как правило, в тех-
ническом задании на разработку, программах испытаний, тех-
нических условиях, инструкциях по эксплуатации и ремонту.
2.3.	Классификация отказов ПГА
Классификация отказов представляет собой один из основных
элементов в системе обработки информации об отказах. Коли-
чественный анализ такой информации дает возможность выяв-
лять закономерности формирования отказов и на этой основе
Разрабатывать меры по устранению их причин. Однако инфор-
мация об отказах, получаемая непосредственно в результате
испытаний или эксплуатации ПГА, как правило, разнородна и в
таком виде непригодна для анализа. Поэтому ее предварительно
Срабатывают, подвергая каждый отказ классификации. Как
известно, отказ может быть описан рядом признаков, которые в
Дальнейшем будем называть классификационными. Каждый
29
признак реализуется в конкретном отказе в виде того или иного
значения. Процедура классификации отказа состоит в том, что-
бы по каждому классификационному признаку выявить то его
значение, которое соответствует рассматриваемому отказу.
Далее отказы группируют по принципу совпадения значений
признаков классификации. Термин «классификация отказов»
применяется также для обозначения совокупности классифика-
ционных признаков и их значений.
Рассмотрим основные признаки классификации и их значе-
ния, применяемые для отказов ПГА.
По степени нарушения работоспособности отказы ПГА могут
быть разделены на полные и частичные.
Полным называется отказ, после возникновения которого
использование изделия по назначению становится невозможным
вследствие утраты возложенных на него функций. Примерами
полных отказов ПГА могут быть разрушение основных элемен-
тов конструкции (корпуса, штока, пружины, затвора и др.), за-
клинивания подвижных систем в направляющих и опорах кор-
пуса, разгерметизация сильфонных сборок чувствительных эле-
ментов, разрыв электрической цепи управления приводом и т. д.
Частичным называется отказ, при котором изделие утрачива-
ет только часть возложенных на него функций и оно может быть
использовано по назначению, но с меньшей эффективностью.
Большинство отказов ПГА, связанных с превышением значе-
ний выходных параметров допустимых норм, могут быть отне-
сены к частичным отказам.
В зависимости от вида ПГА, к которому может быть отнесе-
но отказавшее изделие, различают отказы регуляторов
давления, предохранительных клапанов, кла-
панов с электромагнитным приводом, обратных
клапанов и др.
По типу отказавшего функционального элемента различают
отказы затворов, корпусных деталей, узлов на-
стройки, упругих и чувствительных элементов,
фильтров и др.
По характеру нарушения требований к функционированию
отказы ПГА могут быть условно разделены на функцио-
нальные и параметрические.
К функциональным отказам обычно относят нару-
шения качественных требований к фунционированию. Например,
самопроизвольное срабатывание под действием внешних меха-
нических нагрузок, разрушение корпуса и т. д. Функциональные
отказы ПГА в основном представляют собой случаи полной
утраты работоспособности, т. е. являются полными отказами.
К параметрическим отказам относят нарушения
количественных требований к функционированию, например рас-
ход через клапан меньше заданного в техническом задании, пре-
30
вышение негерметичности в затворе допустимой нормы и т. д.
Параметрические отказы ПГА могут быть дополнительно разде-
лены по типу выходного параметра, значения которого вышли
за допустимую норму. Подавляющая часть параметрических
отказов представляет собой частичные отказы.
По этапу жизненного Цикла ПГА, в течение которого про-
явился отказ, различают отказы, выявленные при экс-
периментальной отработке, серийном произ-
водстве и эксплуатации.
Отказы при экспериментальной отработке ПГА в зависимо-
сти от ее этапа могут быть разделены на отказы макетных
образцов и отказы опытных образцов.
При серийном производстве в зависимости от вида испытаний
различают отказы при приемо-сдаточных испытаниях, типовых
испытаниях, периодических испытаниях.
При эксплуатации различают отказы ПГА, выявленные в пе-
риод приработки, после приработки до истечения нормирован-
ного ресурса и после истечения нормированного ресурса.
В зависимости от возможности их выявления в результате
приемо-сдаточных испытаний отказы ПГА могут быть разделе-
ны на две группы: отказы, выявленные при приемо-
сдаточных испытаниях; отказы, не выявленные
при приемо-сдаточных испытаниях, но проявив-
шиеся затем в результате действия комплекса эксплуатацион-
ных нагрузок.
Большая часть отказов, выявленных при приемо-сдаточных
испытаниях, является следствием явных производственных де-
фектов либо грубых ошибок проектирования. Вторая группа
отказов, как правило, представляет собой следствие различных
изменений, развившихся из скрытых дефектов.
По типу внешнего воздействия, сопутствующего отказу ПГА,
различают отказы, проявившиеся в результате
действия внешних механических нагрузок, теп-
ловых нагрузок, факторов, связанных с цикли-
ческим срабатыванием ПГА, длительным хра-
нением, длительным контактом с рабочими сре-
дами и др.
По степени идентификации причины отказа различают отка-
зы с установленной причиной и отказы с не-
идентифицированной причиной (последние могут
составлять 2—5% при опытной отработке ПГА).
Отказы с установленной причиной в зависимости от произ-
водственной сферы ее происхождения делят на конструкцион-
НЫе« производственные, эксплуатационные и ремонтные.
Конструкционным называют отказ, возникший в результате
есовершенства или нарушения установленных правил и норм
конструирования.
31
Производственным называют отказ, возникший в результате
несовершенства или нарушения установленного процесса изго-
товления.
Эксплуатационным называют отказ, возникший в результате
нарушения, правил или условий эксплуатации. Отказы, проявив-
шиеся при испытаниях ПГА, в результате нарушения правил или
условий эксплуатации также относят к категории эксплуатаци-
онных.
Ремонтным называют отказ, возникший в результате наруше-
ния установленных правил ремонта.
Причину отказа, указывающую на сферу происхождения от-
каза, часто называют организационной.
В практике опытной отработки и эксплуатации ПГА нередки
случаи, когда отказ имеет более одной огранизационной при-
чины.
Например, усталостное разрушение корпусных деталей ПГА
часто происходит у основания присоединительных патрубков в
тех случаях, когда эффект конструктивного концентратора нап-
ряжений усиливается концентраторами технологического проис-
хождения: подрезами у основания патрубка, влиянием сварки
и др.
Отказы каждой из упомянутых групп могут быть подразделе-
ны в зависимости от частных причин или характера нарушений
и несовершенств.
В зависимости от особенностей деградационных процессов,
развитие которых привело к отказу, отказы ПГА могут быть
классифицированы следующим образом.
1.	По числу деградационных процессов, влия-
ющих на формирование отказа, различают: отказы, явившиеся
следствием влияния комплекса процессов, из которых трудно
выделить доминирующий; отказы вследствие преобладающего
влияния одного процесса.
Значительная часть отказов ПГА формируется под одновре-
менным воздействием комплекса деградационных процессов,
например большинство параметрических отказов. От 5 до 14%
всех отказов ПГА формируется под доминирующим влиянием
какого-либо одного процесса. К этой группе относятся, в основ-
ном, различные функциональные отказы.
2.	По типу деградационного процесса можно
выделить группы отказов, произошедших вследствие механиче-
ского или гидромеханического изнашивания, усталостных (объ-
емных) процессов, коррозионных процессов, процессов старений
неметаллических материалов и т. д.
3.	По характеру течения деградационного
процесса различают отказы вследствие процессов с нормаль
ным и патологическим течением. Нормальное течение процес-
са вызывает, как правило, постепенное изменение исходного
32
состояния деталей и узлов. Патологические формы течения про-
цесса часто вызывают скоротечные и резкие изменения.
По количественному проявлению отказы ПГА могут быть
условно разделены на одиночные, групповые и массовые.
Одиночным называют отказ, проявившийся в течение
рассматриваемого периода только в одном экземпляре из группы
аналогичных изделий, подвергаемых одинаковым воздейст-
виям.
Групповым называют отказ, проявившийся в течение
того же периода в двух или нескольких (но не составляющих
большинства группы) экземплярах из группы аналогичных изде-
лий, подвергаемых одинаковым воздействиям.
Массовым называют отказ, проявившийся в тех же
условиях в большинстве экземпляров группы либо в других
группах изделий, имеющих аналогичные конструкционные или
технологические решения.
Количественный анализ отказов ПГА по рассматриваемому
признаку часто указывает на характер закономерностей, обус-
ловливающих причину отказа. В основе массовых отказов пре-
обладают, как правило, детерминирование закономерности,
явные просчеты, заложенные в конструкторскую или технологи-
ческую документацию. Поэтому массовые отказы легче подда-
ются анализу при определении их причин. В основе одиночных
отказов чаще всего преобладают стохастические закономерно-
сти. Групповой отказ занимает промежуточное положение меж-
ду одиночным и массовым.
По степени устойчивости неработоспособного состояния отка-
зы ПГА делят на устойчивые и самоустраняющиеся.
Устойчивым называют отказ, который не исчезает
самопроизвольно при одних и тех же условиях. По времени
существования устойчивые отказы могут быть временными или
постоянными.
Временный отказ сохраняется только в течение времени дей-
ствия вызвавшего его фактора. Временный отказ формируется,
как правило, на основе обратимых изменений. Например, отказ,
проявившийся как сверхнормативная протечка среды через за-
крытый затвор клапана, может быть обусловлен уменьшением
эластичности резины под действием отрицательных температур.
п°сле устранения этого фактора работоспособное
затвора восстанавливается.
Постоянным называют отказ, который сохраняется
^а его устранения путем ремонта или доработок,
постоянных устойчивых отказов являются различные
мЫе изменения.
Самоустраняющимся называют отказ, ---------------,—..
°Жет возникать и самопроизвольно устраняться при одних и
ех Же условиях. Многократно возникающий и самоустраняю-
2~~376	33
состояние
до момен-
Причиной
необрати-
который
щийся отказ одного и того же характера называют перемежа-
ющимся.
Для ПГА наиболее характерны устойчивые отказы; само-
устраняющиеся отказы проявляются крайне редко.
По возможности обнаружения через изменения выходных
параметров отказы ПГА делят на выявляемые через изменения
выходных параметров и невыявляемые через изменения выход-
ных параметров. Большинство отказов ПГА относится к первой
группе. Отказы, связанные с накоплением повреждений в кон-
струкционных материалах, как правило, не могут быть обнару-
жены через изменения выходных параметров.
По отношению к оцениваемым показателям надежности отка-
зы могут быть .учитываемыми и неучитываемыми.
К неучитываемым отказам ПГА обычно относят отказы,
вызванные нарушением установленных правил и условий эксплу-
атации; отказы опытных образцов, причины которых устранены
принятыми мерами и эффективность этих мер подтверждена экс-
периментально; отказы, не влияющие на оцениваемый пока-
затель.
По возможности прогнозирования отказы ПГА могут быть
прогнозируемыми и непрогнозируемыми. К прогнозируемым
относятся большинство отказов ПГА.
По наличию связи с другими отказами изделия различают
отказы, имеющие такую связь и не имеющие ее.
По последствиям отказы ПГА разделяют на отказы: созда-
ющие угрозу безопасности обслуживающего персонала; не соз-
дающие ее; приводящие к экономическим потерям; приводящие
к экологическим потерям.
В зависимости от скорости изменения контролируемого пара-
метра во времени отказы ПГА могут быть условно разделены
на постепенные и внезапные.
2.4.	Распределение отказов ПГА по основным
классификационным признакам
Распределение отказов по видам ПГА
Абсолютное число отказов ПГА каждого вида за опреде-
ленный период времени не может объективно характеризовать
их распределение, так как оно связано с абсолютным числом
испытанных или подконтрольных изделий каждого вида. Поэто-
му целесообразно ввести понятие удельного числа отказов
n=d!N,
где d — абсолютное число отказов ПГА данного вида за период времени
t; N — число образцов ПГА данного вида, прошедших испытания или находя-
щихся в подконтрольной эксплуатации за период времени t.
34
Анализ информации об отказах ПГА при опытной отработке
показывает, что количественному распределению отказов свой-
ственны определенные закономерности. Здесь и далее анализ
распределения отказов приведен для невосстанавливаемой ПГА.
Каждый вид ПГА характеризуется устойчивым диапазоном
изменения значений удельного числа отказов п. Виды ПГА в
зависимости от порядка убывания значений п можно располо-
жить в следующей последовательности:
Регуляторы давления.........................................0,35—0,60
Клапаны:
предохранительные..........................................0,30—0,50
с электромагнитным приводом...............................0,20—0,30
обратные и разъема........................................0,14—0,22
запорные с ручным приводом................................0,12—0,20
Изменение удельного количества отказов п в среднем по
ПГА, для конструкторско-технологического цикла отработки с
функционирующей системой обеспечения надежности обычно
характеризуется общей тенденцией к понижению.
На рис. 2.1 показано изменение п во времени t для опытной
отработки ПГА. Пунктирной линией показана общая тенденция
изменения п. Участок 2—3 соответствует периоду отработки ПГА
Для одного и того же комплекса условий эксплуатации. Участ-
ии 1—2 и 3—4 соответствуют переходу к разработке ПГА для
комплекса условий эксплуатации, существенно отличающегося
от предыдущего.
Распределение отказов по функциональным элементам
Количественный анализ отказов по этому признаку дает воз-
можность выделить типы функциональных элементов, являю-
щиеся наиболее слабым звеном конструкции или требующие
Наибольшего внимания при проектировании и отработке.
Распределение отказов функциональных элементов каждого
вида ПГА имеет свои особенности, обусловленные их назначе-
2*
35
нием, условиями функционирования и конструкцией. Введем по-
нятие удельного числа отказов функциональных элементов:
ЯФЭ= ^Ф-Э—100%,
^вид
где йфэ—абсолютное число отказов рассматриваемого функционального эле-
мента за период времени /; с?еид — абсолютное число отказов ПГА данного
вида, к которому относится рассматриваемый функциональный элемент за
тот же период времени t.
В табл. 2.1 приведены значения пФЭ , определенные по дан-
ным опытной отработки высоконадежной ПГА.
2.1.	Распределение отказов по типам функциональных элементов ПГА
Тип функционального элемента	прэ> %			
	Вид ПГА			
	Регуля- торы давления	Предо- хранитель- ные клапаны	Клапаны с электро- магнитным приводом	Обратные клапаны и клапаны разъема
Затворы, другие узлы подвижных уплотнений	28	44	28	55
Корпусные элементы	10	13	14	15
Пары трения	16	10	10	14
Чувствительные элементы	24	10	—	—
Узлы контрения неподвижных резь- бовых соединений, в том числе узлы настройки	9	9	7	10
Узлы неподвижных уплотнений	3	1	2	2
Стержневые элементы (штоки, тол- катели)	4	2	6	—
Пружины	6	9	2	3
Элементы электромагнитного привода	—	—	25	—
Прочие ФЭ	3	1	4	1
36
Из функциональных элементов, общих для всех видов ПГА,
наибольшее число отказов может быть отнесено к группе эле-
ментов, основной функциональной задачей которых является
обеспечение герметичности; это затворы, корпусные элементы и
узлы неподвижных уплотнений. Суммарное значение ггФЭ по
группе этих элементов находится в диапазоне от 41 до 72%.
Значительная часть отказов может быть отнесена к парам тре-
ния Пфэ =(104-14)%. Из функциональных элементов, харак-
терных только для определенного вида ПГА, следует отметить
чувствительные элементы в регуляторах давления пФЭ =24% и
элементы электромагнитного привода иФЭ =25%.
Соотношение функциональных и параметрических отказов
Для ПГА понятие «функциональный отказ» за редким исклю-
чением совпадает с понятием «полный отказ», а параметриче-
ский отказ, как правило, является частичным отказом.
Анализ результатов опытной отработки ПГА указывает на
то, что каждый вид ПГА характеризуется сохранением сравни-
тельно устойчивого соотношения функциональных и параметри-
ческих отказов.
По данным опытной отработки высоконадежной ПГА доля
(%) функциональных отказов в процентах от общего числа от-
казов следующая:
Для регуляторов давления...................................... 4—6
Для клапанов:
предохранительных............................................. 6—8
обратных и разъема..........................................10—13
с электромагнитным приводом.................................15—24
Большинство отказов ПГА (76—96%) представляют собой
параметрические отказы.
Сравнение доли функциональных отказов по каждому виду
ПГА за определенный период с ранее достигнутым значением
может быть использовано для оценки совершенства процессов
проектирования и изготовления ПГА. Увеличение доли полных
отказов при прочих равных условиях следует рассматривать как
негативную тенденцию в развитии этих процессов.
Распределение отказов по типам внешних воздействий
Количественный анализ отказов ПГА по рассматриваемому
признаку дает возможность сравнивать результаты действия раз-
личных эксплуатационных нагрузок и выделять те из них, кото-
рое обладают наибольшим эффектом действия. Анализ целесо-
образно проводить отдельно по каждому виду ПГА. В качестве
Количественной меры распределения отказов можно использо-
37
вать удельное число отказов по типу воздействия:
п»=-г~ 100%,.
Я вид
где — число отказов, выявленных при или после действия рассматривае-
мого типа воздействия; с!вял — число отказов ПГА данного вида.
В табл. 2.2 представлены значения пи, определенные по ре-
зультатам опытной отработки высоконадежной ПГА. Анализ
данных табл. 2.2 дает основание для следующих выводов.
2.2. Распределение отказов ПГА по видам сопутствующих нагрузок
Действующие факторы	п„. %			
	Регуля- торы давления	Вид ПГА		
		Пре дох wu нительные клапаны	Клапаны с электро- магнитным приводом	Клапаны обратные и разъема
Внешние механические:	47,25	46,4	32,24	50
вибрационные	32,4	30,0	22,32	33,32
ударные	19,5	12,0	8,7	15,47
линейные и др.	1,35	4,4	1,24	1,19
Связанные с циклическим срабатыва- нием (ресурсные испытания) при тем-	44,85	44,0	44.64	40,0
пературе:	20,25	15,6	17,36	15,0
повышенной				
пониженной	13,5	16,0	13,12	13,1
нормальной	10,2	12,0	11,6	11,9
Климатические (температура и влаж- ность окружающей среды)	5,6	3,6	18,12	6,0
Факторы длительного контакта с ра- бочей средой и длительного хранения	2,8	6,0	5,В	4,0
1.	Большинство отказов по каждому виду ПГА (80—90%)
проявляется в результате доминирования двух типов воздейст-
вий — внешних механических нагрузок и нагрузок, связанных с
циклическим срабатыванием ПГА.
2.	Среди внешних механических нагрузок наиболее мощным
эффектом действия на конструкцию всех видов ПГА обладают
вибронагрузки.
3.	Во время ресурсных испытаний наибольшее число отказов
проявляется на режимах, соответствующих границам темпера-
турного диапазона.
Распределение отказов ПГА по производственным причинам
При общей тенденции к сокращению абсолютного числа от-
казов ПГА, выявленных при опытной отработке, их количест-
венному соотношению по рассматриваемому признаку свойст-
38
венна определенная устойчивость. Например, конструкционные
отказы составляют в среднем 53% всех отказов ПГА, производ-
ственные— 36%, эксплуатационные—11%. Ежегодные колеба-
ния доли отказов по каждому значению признака от данных
предыдущего года составляют, как правило, 2—6%. Резкое уве-
личение доли отказов одной из групп по сравнению с установив-
шимися ранее стабильными значениями и может указывать на
появление негативных тенденций в организации соответствую-
щей производственной сферы.
Анализ соотношения отказов ПГА по рассматриваемому приз-
наку дает также возможность судить об эффективности управ-
ляющих воздействий на ту производственную сферу, в которой
выявлены конкретные негативные тенденции. В каждой из рас-
смотренных групп отказов они могут быть дополнительно клас-
сифицированы в зависимости от частных причин.
Конструкционные отказы. Если отказы этой группы принять
за 100%, то их распределение (%) в зависимости от различных
причин будет следующим:
Причина:
несовершенство расчетов..........................................40
несовершенство требований конструкторских документов.............24
несовершенство конструкции деталей и узлов ......................22
ошибки в выборе материала........................................ 8
прочие нарушения................................................. 6
Несовершенство расчетов обычно состоит в чрезмерном упро-
щении схемы приложения и характера действия нагрузок, при-
менении неадекватных моделей, неточности исходной справочной
информации, выборе недостаточных запасов при расчетах испол-
нительных усилий и функциональных параметров, ошибках при
проведении расчетов и т. д.
Несовершенство требований конструкторских документов
включает недостаточные требования к шероховатости и твердо-
сти контактирующих поверхностей, несовершенство требований
к настройке, просчеты в программах и методиках испытаний.
Несовершенство конструкции деталей и узлов заключается
в основном в просчетах при формировании геометрии деталей
и обеспечении направления перемещения подвижных систем, в
применении несовершенных методов контрения неподвижных
резьбовых соединений и др.
Производственные отказы. По характеру нарушения норм
Изготовления отказы могут быть условно разделены на две груп-
пы: отказы вследствие несовершенства технологической доку-
ментации и отказы вследствие нарушений требований технологи-
ческой и конструкторской документации. Каждая из этих групп
составляет около 50% всех производственных отказов ПГА.
Производственные отказы могут быть классифицированы также
по типу технологического процесса, при котором допущены на-
39
рушения регламентаций. Результаты исследования предприя-
тий— изготовителей ПГА выявили следующее распределение
производственных отказов. Если долю отказов каждой группы
выразить в процентах от общего числа производственных отка-
зов, то их можно распределить следующим образом.
Причина:
ошибки при сборке............................................... 37
ошибки при механической обработке (2/3 отказов вследствие наруше-
ния требований чертежа)........................................ 30
нарушения технологии нанесения защитных покрытий............... 9
входного контроля материалов и комплектующих................... 6
нарушения или несовершенства технологии сварки................. 3
нарушения технологии термообработки............................ 3
прочих нарушений............................................... 2
Эксплуатационные отказы. Эти отказы, проявившиеся при
опытной отработке ПГА, в зависимости от частных причин могут
быть разделены на следующие группы: отказы вследствие оши-
бок в технологии испытаний — 40%; отказы вследствие неисправ-
ности испытательного оборудования — 30%; отказы вследствие
ошибки операторов — 22%; отказы вследствие других причин —
8%.
2.5. Формирование отказов ПГА
Механизм формирования отказов
Необходимость рассмотрения того, как происходит формиро-
вание отказов, возникает в связи с анализом его причин. Не час-
то причина отказа очевидна. Значительная часть отказов ПГА
требует для выявления причин дополнительных исследований.
В последнем случае возникает необходимость в выявлении по-
следовательности и взаимосвязи процессов и событий, которые
привели к отказу.
Комплекс таких процессов и событий, объединенных причин-
но-следственными связями, условно назовем механизмом форми-
рования отказов. Эффективные пути предотвращения отказов
ПГА могут быть разработаны только на основании исследова-
ния механизмов их формирования. Каждый отказ ПГА имеет
свои особенности и конкретный механизм формирования. Не
вдаваясь в частности, можно выделить в последовательности и
взаимосвязях процессов общие закономерности, условно пока-
занные на рис. 2.2.
Комплекс эксплуатационных факторов, действуя на элемен-
ты ПГА (конструкционные материалы, детали, узлы), порождает
в них необратимые физико-химические процессы, называемые
деградационными. Развитие деградационных процессов приво-
дит к изменениям исходного состояния элементов ПГА. Иногда
упомянутые изменения происходят без предшествующих им
40
Рис. 2.2. Схема формирования отказов ПГА
деградационных процессов, например обратимые изменения,
обусловленные действием температурных полей: изменение элек-
трического сопротивления обмотки цепей управления и сигнали-
зации в электромагнитных приводах, температурные деформации
деталей и др.
Изменения исходного состояния элементов являются основой,
на которой формируются изменения функциональных параме-
тров. Под функциональными параметрами будем понимать каж-
дый отдельный признак, характеризующий нормальное функцио-
нирование ПГА. К функциональным параметрам могут быть
отнесены выходные параметры и параметры, характеризующие
прочность и несущую способность элементов конструкции. Изме-
нение функциональных параметров не вызывает нарушения
работоспособного состояния до тех пор, пока эти изменения не
достигнут предельно допустимого уровня. Момент превышения
этого уровня соответствует моменту появления отказа по рас-
сматриваемому функциональному признаку. Таким образом,
механизм формирования отказов может быть представлен в ви-
де причинно-следственной цепочки, основными звеньями которой
являются развитие деградационных процессов, изменение исход-
ного состояния элементов и функциональных параметров. В свою
очередь, каждое из этих звеньев может быть рассмотрено как
многостадийный процесс, т. е. также может быть представлено
в виде причинно-следственной цепочки более элементарных со-
бытий.
Изменение исходного состояния элементов
Построение адекватной модели механизма формирования
отказов было бы невозможным без анализа изменения исход-
ного состояния элементов, лежащих в основе формирования
Функциональных параметров.
41
Изменения исходного состояния элементов представляют со-
бой результат взаимодействия элемента ПГА с фактором или
группой факторов из комплекса эксплуатационных нагрузок. Эти
изменения могут быть либо прямым следствием действия фак-
тора, либо формироваться в результате развития соответствую-
щих деградационных процессов (см. рис. 2.2). Анализ отказов
при опытной отработке ПГА указывает на то, что изменения
исходного состояния элементов, вызванные развитием деграда-
ционных процессов, составляют 70—80%• Проявление и харак-
тер изменений исходного состояния элементов достаточно раз-
нообразны, поэтому целесообразно привести их краткую класси-
фикацию. Различают первичные и вторичные изменения
исходного состояния элементов.
Если изменения исходного состояния элементов не являются
следствием других предшествующих ему изменений, то его на-
зывают первичным. Изменения, не удовлетворяющие этому тре-
бованию, относятся к вторичным. Таким образом, первичные
изменения исходного состояния элементов могут либо непосред-
ственно участвовать в формировании функциональных парамет-
ров, либо осуществлять это косвенно через вторичные измене-
ния. В последнем случае звено механизма формирования отка-
зов — «изменение исходного состояния элементов» представляет
собой причинно-следственную цепочку событий.
По типу распределения в элементе изменения исходного со-
стояния элементов могут быть объемными или поверхностными,
локальными или распределенными. Например, изменения исход-
ного состояния элементов в результате явлений схватывания,
некоторых типов усталостных и коррозионных процессов могут
быть отнесены к локальным. Изменения исходного состояния
элементов вследствие процессов старения, влияния электромаг-
нитных полей, радиации и др. относятся к распределенным.
По месту проявления изменения исходного состояния элемен-
тов могут быть отнесены к материалу отдельной детали, группе
контактирующих деталей (пары трения, элементы затвора, резь-
бовые соединения и т. д.), взаимодействующим узлам (сборкам
деталей).
По характеру или природе изменения последние могут рас-
пространяться на следующие категории: свойства элемента, со-
стояние элемента, взаимное положение элементов, размерные
цепи и баланс сил.
По степени обратимости изменения исходного состояния эле-
ментов могут быть обратимыми или необратимыми (последние
встречаются в механизме формирования отказов ПГА значи-
тельно чаще первых). Примерами обратимых изменений могут
быть изменения свойств электрических систем под действием
температурных полей, изменение свойств магнитных систем,
упругие деформации конструкционных элементов и т. д. Изме-
42
нения, являющиеся следствием развития деградационных про-
цессов, как правило, относятся к необратимым.
Рассматривая изменения исходного сотояния элементов как
событие, следует отметить, что необходимым условием его совер-
шения всегда является наличие соответствующих исходной
предпосылки и инициирующего воздействия. Как правило, ис-
ходными предпосылками изменений являются слабейшие звенья
элементов. Понятие «слабейшее звено» имеет смысл только по
отношению к конкретному виду нагрузки. Под слабейшим зве-
. ном будем понимать часть элемента, его свойства или парамет-
ры, которые характеризуются наименьшей устойчивостью к дей-
ствию нагрузки рассматриваемого вида. Обычно слабейшее
звено элементов является следствием исходных дефектов, допу-
щенных при проектировании или изготовлении ПГА и не выяв-
ленных установленными методами и средствами контроля.
Характерные конструкционные дефекты: некорректный учет
влияния эксплуатационных факторов; формирование геометрии
деталей таким образом, что совпадают по месту различные кон-
центраторы напряжения; ошибки в расчетах размерных цепей;
несовершенство методов контрения узлов, испытывающих дейст-
вие динамических нагрузок; несовершенство требований к шеро-
ховатости и отклонениям от параллельности уплотнительных
поверхностей; необеспечение надежного направления подвиж-
ных систем, исключающего их перекосы в направляющих; ошиб-
ки в выбора материалов, при назначении требуемой твердости
контактирующих поверхностей, при расчетах частот собственных
колебаний и т. д.
Типичные производственно-технологические дефекты: метал-
лургические дефекты конструкционных материалов (неметалли-
ческие включения, поры, раковины, волосовины и др.); несовер-
шенство или нарушение технологии сварки (остаточные напря-
жения, непровары, пережоги); дефекты механической обработки
Деталей (подрезы, задиры, заусеницы и др.); ошибки при сборке
(повреждение уплотнительных поверхностей, внесение посторон-
них частиц во внутренние полости, перекосы подвижных систем).
Большинство производственно-технологических дефектов порож-
дает различные локальные изменения исходного состояния эле-
ментов, преобладающие в механизмах формирования функцио-
нальных отказов.
Наряду с исходными дефектами предпосылками изменений
Исходного состояния элементов могут быть предшествующие им
изменения этого состояния. Следует отметить, что развитие из-
менений исходного состояния элементов может иметь место и
тогда, когда отсутствуют явные обстоятельства, позволяющие
выделить слабейшее звено элемента. Это в значительной мере
Характерно для распределенных изменений исходного состояния
Элементов. Такие изменения, как правило, являются неизбеж-
43
ным следствием развития естественных деградационных процес-
сов, например процессов старения неметаллических материалов.
Факторами, инициирующими развитие изменений исходного
состояния элементов, прямо или косвенно служат различные
эксплуатационные воздействия. К воздействиям, вызывающим
большинство изменений исходного состояния элементов ПГА,
могут быть отнесены: внешние механические нагрузки; нагрузки,
связанные с совершением рабочего цикла срабатывания; факто-
ры воздействия рабочей и окружающей сред; факторы, связан-
ные с процессами длительного хранения или их имитацией.
Рассмотрим основные из этих воздействий и связанные с ни-
ми характерные изменения исходного состояния элементов ПГА.
Внешние механические нагрузки. Наибольшее изменение ис-
ходного состояния элементов вызывают вибрационные и ударные
нагрузки. Причинами их возникновения могут быть вибрация
оборудования и подсоединенных трубопроводов, пульсации рабо-
чей среды, условия транспортирования и др. Передача этих
нагрузок элементам ПГА может осуществляться через присоеди-
нительные патрубки, места крепления корпусных деталей и рабо-
чую среду. В элементах конструкции ПГА действие вибрацион-
ных нагрузок вызывает колебания упругих элементов корпуса и
подвижных систем. В наибольшей мере действию указанных
нагрузок подвержены следующие узлы и элементы ПГА: кон-
сольные элементы корпусов — места крепления, входные и вы-
ходные патрубки; подвижные системы в целом и их элементы;
неподвижные резьбовые соединения (в том числе узлы настрой-
ки) и узлы их контрения; узлы сварных соединений.
В корпусных элементах, узлах сварных соединений, элемен-
тах подвижных систем вибрационные нагрузки вызывают высо-
кочастотные знакопеременные напряжения, которые, локали-
зуясь в местах микродефектов материала, конструкционных и
технологических концентраторов, вызывают усталостные процес-
сы. Например, одним из типичных следствий действия вибраци-
онных нагрузок на корпусные элементы ПГА является усталост-
ное разрушение патрубков в месте их соединения с цилиндриче-
ской обечайкой корпуса (позиция I на рис. 2.3). Максимальное
значение изгибающего момента от знакопеременных нагрузок,
приложенных перпендикулярно оси патрубка, часто геометриче-
ски совпадает с положением сварного соединения. Последнее
может содержать невыявленные дефекты и технологические кон-
центраторы напряжений. Кроме того, место перехода цилиндри-
ческой обечайки в патрубок всегда является конструкционным
концентратором напряжений.
Если усталостные трещины ранее имелись в материале дета-
ли, то вибрационные и ударные нагрузки стимулируют их даль-
нейшее развитие.
Вибрационные и ударные нагрузки вызывают колебания под-
44
Рис. 2.3. Подсоединительные патрубки корпусных деталей
вижных систем ПГА в опорах и направляющих корпуса, коле-
бания упругих элементов этих систем относительно их мест
крепления. Вследствие колебаний подвижных систем может
изменяться их исходное положение относительно корпуса, а так-
же могут изменяться параметры размерной цепи; колебания
упругих элементов вызывают циклические знакопеременные де-
формации в материале и соответствующие изменения исходного
состояния элементов вследствие развития усталостных процессов.
Действие вибрационных нагрузок на неподвижные резьбовые
соединения может вызвать самоотвинчивание соединений. Такие
изменения обычно приводят к полному прекращению функциони-
рования.
Нагрузки, связанные с совершением рабочего цикла срабаты-
вания ПГА. Назначение изделий ПГА состоит в осуществлении
управляющего воздействия на рабочую среду. Основным функ-
циональным элементом, реализующим это воздействие, является
затвор, состоящий из золотника и седла.
Допуская некоторые упрощения, рабочий цикл срабатывания
Для большинства изделий ПГА можно представить состоящим
из двух компонент: перемещения подвижной системы в нап-
равляющих корпуса и скачкообразного изменения давления ра-
бочей среды (скачкообразное изменение давления рабочей среды
свойственно большинству видов ПГА, исключение составляют
Регуляторы давления) во внутренних полостях корпуса в связи
с открытием или закрытием затвора.
Рассмотрим изменения исходного состояния элементов, вызы-
ваемые каждой из этих компонент.
Циклическое перемещение подвижной системы в направляю-
щих связано с изменением состояния поверхностей трения и
45
образованием продуктов износа. При определенных условиях это
приводит к заеданию или заклиниванию пар трения.
Цикл срабатывания ПГА, как правило, сопровождается изме-
нением давления рабочей среды во внутренних полостях корпус-
ных деталей. Внутреннее давление рабочей среды вызывает в
элементах корпусных деталей поля напряжений. При многократ-
ном срабатывании (открытии и закрытии затвора) эти поля из-
меняются по пульсирующему циклу. При наличии конструкцион-
ных и технологических концентраторов в определенных объемах
материала могут локализоваться напряжения, вызывающие за-
рождение и распространение усталостных трещин.
Внешние механические нагрузки и нагрузки, связанные с
циклическим срабатыванием, помимо непосредственного воздей-
ствия на элементы ПГА могут оказывать и косвенное влияние,
вызывая соответствующие изменения исходного состояния эле-
ментов. При работе изделия ПГА в его внутренних полостях
всегда присутствует определенное количество мелких механиче-
ских частиц. Часть из них вносится при сборке, другая часть
образуется при функционировании изделия — это продукты изна-
шивания, обломавшиеся заусеницы и т. д. Под действием внеш-
них механических нагрузок и потока рабочей среды упомянутые
частицы, перемещаясь внутри корпусных деталей, могут сосре-
дотачиваться у затворов, в зазорах пар трения, у выходных
фильтров. При попадании этих частиц на площадки контакта
золотника и седла они исключают возможность герметичного
перекрытия щели затвора и при попадании в зазоры пар трения
они могут вызвать заклинивание последних. Сосредоточение
частиц на выходных фильтрах увеличивает их гидравлическое
сопротивление.
Факторы воздействия рабочей среды
Изменения исходного состояния элементов вызываются сле-
дующими факторами: давлением, температурой, газо- и гидро-
динамическими эффектами при истечении рабочей среды через
щели затворов, химической активностью среды. Влияние внут-
реннего давления было рассмотрено ранее. Воздействие темпе-
ратурных полей может вызывать обратимые и необратимые из-
менения исходного состояния элементов. Действие пониженных
температур и кратковременное действие повышенных темпера-
тур до определенного уровня, как правило, вызывают обрати-
мые изменения исходного состояния элементов, если на дейст-
вие этого фактора не накладывается действие других, например
механических нагрузок. Необратимые изменения исходного со-
стояния элементов вызывают в основном длительное воздейст-
вие повышенных температур. Наиболее существенные изменения
могут происходить в химическом составе, структуре, механиче-
ских свойствах неметаллических материалов уплотнений. Те же
46
\ изменения исходного состояния элементов происходят под дей-
'.ствием факторов длительного хранения.
\ Следствием химической активности рабочей среды являются
Изменения исходного состояния элементов в виде коррозионных
поражений конструкционных материалов деталей и узлов.
формирование изменений функциональных параметров
Изменения функциональных параметров непосредственно
предшествуют отказу. В основе формирования изменений функ-
циональных параметров лежат обусловленные конструкцией из-
делия связи между параметрами, характеризующими состояние
элементов ПГА, и признаками его работоспособности.
Формирование изменений функциональных параметров рас-
смотрим на примере однопозиционного электромагнитного кла-
пана с резинометаллическим уплотнением в затворе и входным
фильтром (рис. 2.4).
Принцип работы клапана состоит в следующем. В исходном
положении якорь 2 занимает крайнее нижнее положение. Золот-
ник 6 прижат к седлу 9 установочным усилием пружины 3, в ре-
зультате чего входная магистраль А герметично разобщена с
внутренней полостью клапана и выходной магистралью Б. Дав-
ление в полости клапана рП равно давлению рабочей среды рР,
давление в выходной магистрали рВых<Рр-
Для открытия клапана на обмотку привода 5 подается управ-
ляющий электрический сигнал постоянного тока. В зазоре Л
между стопом 1 и якорем 2 создается магнитный поток, возни-
кающая при этом магнитная сила протягивает якорь к стопу,
сжимая пружину 3. Золотник 6 поднимается над седлом 9 на
высоту хода h. Давление во внутренней полости клапана сни-
жается до минимального pn=Pmin. Усилие магнитного удержа-
ния якоря у стопа должно быть достаточно большим, чтобы
исключить самопроизвольное срабатывание клапана под дейст-
вием внешних динамических нагрузок. Для закрытия клапана
обмотку 5 обесточивают и под действием усилия пружины 3
якорь возвращается в исходное положение. Золотник 6 перекры-
вает седло 9, давление в полости клапана поднимается до
Рп=рр. Для исключения попадания в выходную магистраль ме-
ханических частиц, выносимых из полости клапана, на выходном
патрубке установлен фильтр 8.
В соответствии с техническим заданием работоспособное
состояние клапана характеризуют следующие функциональные
параметры (ФП): ФП1—протечки через закрытый затвор (не-
герметичность в затворе); ФП2 — минимальное напряжение элек-
трического сигнала, необходимого для открытия клапана (порог
срабатывания); ФПЗ — усилие удержания якоря у стопа (в по-
ложении «открыто»); ФП4 — гидравлическое сопротивление кла-
пана; ФП5 — целостность корпуса привода (деталь 4).
47
Рис. 2.4. Клапан с однопозиционным
нейтральным электромагнитным при-
водом
Рис. 2.5. Схема формирования изменений ИСЭ в клапане с однопозиционным
электромагнитным приводом
Рассмотрим, как происходит формирование изменений ука-
занных функциональных параметров вследствие изменений ис-
ходного состояния элементов клапана. Для простоты изложения
действие эксплуатационных нагрузок ограничим рассмотрением
нагрузок, действующих на элементы при многократном соверше-
нии рабочего цикла открыто—закрыто.
Циклическое срабатывание клапана сопровождается воз-
вратно-поступательным перемещением якоря 2 в полости кор-
пуса привода 4 от одного крайнего положения к другому и
пульсацией давления от рр до рт\п рабочей среды в полости кла-
пана. При этом имеют место следующие взаимодействия элемен-
тов: I) ударное циклическое контактирование торцовой поверх-
ности якоря 2 и стопа 1; II) контактирование золотника 6 и сед-
ла 9; при этом материал контактирующих поверхностей этих
деталей может испытывать действие сжимающих напряжений
статического и ударно-циклического характера; III) циклическое
возвратно-поступательное перемещение участков контакта ци-
линдрических поверхностей якоря 2 и корпуса привода 4;
IV) взаимодействие тонкостенной цилиндрической оболочки кор-
48
пуса привода 4 с рабочей средой в полости клапана, давление
которой изменяется по пульсирующему циклу.
Рассмотрим основные результаты каждого из этих взаимодей-
ствий: возникающие деградационные процессы и порожденные
ими изменения исходного состояния элементов. Основная часть
этих изменений с некоторыми упрощениями представлена на
рис. 2.5.
В результате взаимодействия 1 развивается процесс усталост-
ного выкрашивания поверхностного слоя деталей 1 и 2 (см.
рис. 2.4) на участках их фактического контакта (процесс А).
Происходят следующие изменения исходного состояния элемен-
тов: А1 — изменение состояния материала на поверхностях кон-
такта деталей 1 и 2, рельефа, механических свойств и т. д.;
А2 — изменение состава рабочей среды в полости клапана
вследствие попадания в нее механических частиц с повышен-
ной твердостью — продуктов взаимодействия 1.
Изменение А1 практически не участвует в дальнейшем фор-
мировании изменений функциональных параметров.
Изменение А2 вызывает следующие вторичные изменения
исходного состояния элементов А21 — изменение состояния вы-
ходного фильтра 8 (см. рис. 2.4). Попадание продуктов взаимо-
действия на поверхность фильтрующего элемента уменьшает
суммарную площадь его проточной части, гидросопротивление
фильтра увеличивается, увеличивается и значение ФП5 — гидро-
сопротивление клапана.
А22 — изменение состояния затвора клапана. Попадание про-
дуктов взаимодействия на площадки контакта золотника 6 с сед-
лом 9 (см. рис. 2.4) увеличивает суммарную площадь сечений
Щелей между этими поверхностями. Кроме того, продукты взаи-
модействия, как правило, представляют собой твердые частицы
с острыми краями, которые повреждают поверхность материала
золотника. Указанные изменения вызывают изменение ФП1: уве-
личивается протечка рабочей среды через закрытый затвор.
А23— изменение состояния пары трения якорь—корпус при-
вода. Попадание продуктов взаимодействия в зазор между по-
верхностями трения ведет к увеличению трения при взаимном
перемещении деталей; для обеспечения необходимого исполни-
тельного усилия привода требуется подвод дополнительной энер-
гии к обмотке, изменяется ФП2; увеличивается значение мини-
мального напряжения срабатывания, необходимого для откры-
тия клапана. Попадание в зазор достаточно больших частиц
продуктов взаимодействия может привести к перекашиванию яко-
ря в полости привода. Возникающие в результате этого отклоне-
ния от параллельности контактирующих поверхностей золотни-
ка 6 и седла 9 (см. рис. 2.4) приводят к увеличению площади
Щелей между этими поверхностями, изменению состояния затво-
ра А231 и соответственно к изменению ФП1 — увеличению про-
49
течки среды через закрытый затвор. Цепочка этих изменений
исходного состояния элементов показана в нижней части рис. 2.5.
А24 — изменение взаимного положения стопа 1 и якоря 2
(см. рис. 2.4), когда последний находится в крайнем верхнем
положении. Попадание частиц продуктов взаимодействия между
стопом и якорем исключает плотное прилегание контактирую-
щих поверхностей этих деталей, между ними остается зазор,
равный вертикальному размеру частицы продуктов взаимодей-
ствия. Поскольку усилие магнитного удержания якоря у стопа
обратно пропорционально значению зазора, оно уменьшается, в
результате изменяется ФПЗ.
В результате взаимодействия II развивается одновременно
два деградационных процесса: накопление остаточных дефор-
маций в материале золотника (резине) по площадке его контак-
та с седлом (процесс В) и усталостное разрушение материала
золотника по той же площадке (процесс С).
Следствием развития процесса В являются следующие изме-
нения исходного состояния элементов.
В1 — изменение состояния затвора: взаимного положения
золотника 6 и седла 9 (см. рис. 2.4). Накопление остаточных
деформаций в материале золотника вызывает увеличение заглуб-
ления в него кромок седла б (см. рис. 2.4). Так как золотник 6
жестко соединен с якорем 2, изменение В1 сопровождается уве-
личением рабочего зазора Д между стопом 1 и якорем 2 при
крайнем нижнем положении якоря — изменение В11. Увеличе-
ние Л вызывает необходимость подвода к обмотке дополнитель-
ной энергии для создания магнитной силы, необходимой для пе-
ремещения якоря 2 из крайнего нижнего положения; возрастает
минимальное напряжение срабатывания — изменяется ФП2.
Кроме того, одновременно с увеличением рабочего зазора Д уве-
личивается установочный ход и уменьшается установочное уси-
лие пружины 3 — изменение Bill, в затворе это изменение реа-
лизуется в виде уменьшения удельного усилия уплотнения —
изменение ВИН, следствием последнего является увеличение
протечки через закрытый затвор — изменяется ФП1. Цепочка
этих изменений показана на рис. 2.5.
В результате развития процесса С происходят следующие
изменения исходного состояния элементов.
С1 — негативное изменение рельефа поверхности золотника
по площадке его контакта с седлом, следствием этого является
увеличение протечки среды через закрытый затвор — изменяется
ФП1.
С2 — изменение состава рабочей среды в полости клапана, в
результате попадания в нее частиц резины, отделяющихся от
поверхности золотника вследствие его усталостного разрушения.
Последствия этого изменения: С21 — изменение состояния вы-
ходного фильтра (аналогично изменению А21) и С22 — измене-
50
ние взаимного положения якоря 2 и стопа 1 (см. рис. 2.4) при
открытом затворе (аналогично изменению А24). С21 вызывает
изменение ФП4, а С22 — изменение ФПЗ.
В результате взаимодействия III развивается процесс изна-
шивания материала деталей 2 и 4 (см. рис. 2.4) на участках кон-
такта при трении скольжения. Следствием развития процесса D
являются два первичных изменения исходного состояния эле-
ментов.
D1 — изменение рельефа поверхностей трения и увеличение
силы трения.
D2 — изменение состава рабочей среды в полости клапана
вследствие попадания в нее продуктов износа. Результатом изме-
нения D2 являются вторичные изменения исходного состояния
элементов D21 — изменение состояния выходного фильтра 8 и
соответственно изменение ФП4; D22 — изменение состояния
затвора и изменение ФП1\ D23 — изменение взаимного положе-
ния якоря 2 и стопа 1, аналогичное изменениям А24 и С22, что
вызывает изменение ФПЗ.
В результате взаимодействия IV развивается процесс накоп-
ления усталостных повреждений в микро- и макрообъемах мате-
риала детали 4 (процесс Е). Следствием этого процесса являет-
ся изменение состояния детали 4 (корпус привода) (см. рис. 2.4),
появление и рост микротрещин в материале тонкостенной цилин-
дрической оболочки. С увеличением числа циклов изменения
давления в полости клапана одна из микротрещин может реали-
зоваться в сквозную магистральную трещину, т. е. произойдет
недопустимое изменение ФП5: нарушение целостности детали 4.
Если проанализировать связи первичных изменений исходно-
го состояния элементов с изменениями ФП, показанные на схе-
ме рис. 2.5, то можно выделить два характерных типа таких
связей (рис. 2.6).
1. Связь изменений исходного состояния элементов А2; В1;
Cl; С2; D1 и D2 с изменениями ФП1—ФП4. В формировании
изменений ФП участвуют несколько изменений исходного состо-
яния элементов, большинство изменений исходного состояния
элементов участвует одновременно в формировании изменений
нескольких функциональных параметров. Такой тип связи изме-
нений исходного состояния элементов и функциональных пара-
метров наиболее часто встречается в механизмах формирования
параметрических отказов.
2. Связь изменения исходного состояния элементов Е1 и
ФП5. Изменение функциональных параметров формируется на
основе доминирующего изменения исходного состояния элемен-
тов. Такой тип связи в большей мере характерен механизму фор-
мирования функциональных отказов.
Анализ формирования изменений функциональных парамет-
ров дает основание сделать еще один вывод. Каждое из первич-
51
Рис. 2.6. Связь первичных изменений ИСЭ с изменениями ФП
ных изменений исходного состояния элементов, участвующее в
формировании изменения того или иного функционального пара-
метра, попав на «вход» определенного функционального эле-
мента, качественно трансформируется в нем, образуя вторичное
изменение исходного состояния элементов. Например, линейные
изменения, попав на «вход» элемента «пружина», преобразуют-
ся на «выходе» в изменение усилия; изменение усилия, попав на
вход элемента «затвор», трансформируется на выходе в значение
протечки среды и т. д.
2.6. Особенности проявления отказов ПГА
Получаемая экспериментальным путем информация об осо-
бенностях проявления отказов определенных групп ПГА пред-
ставляет интерес при разработке новых изделий аналогичного
типа. Часто эти отличительные закономерности в проявлении от-
казов обусловлены условиями применения, спецификой назна-
чения, проектными решениями и др. Анализ такой априорной
информации дает возможность планировать на ранних этапах
ОКР конкретные меры по предотвращению значительной части
отказов. Разработка проектно-технологических решений с уче-
том результатов такого анализа представляет собой один из
эффективных путей сокращения сроков новых разработок.
При анализе особенностей проявления отказов различных
групп ПГА большое значение имеет тип доминирующего дегра-
дационного процесса и скорость его развития. Последние при
прочих равных условиях существенно зависят от условий приме-
52
нения, режима работы, состава и уровня эксплуатационных на-
грузок. Например, как показали наблюдения, изменение состоя-
ния уплотнительных поверхностей затворов «металл по металлу»
при перепадах давления рабочей среды на затворе до 40 МПа
происходит под влиянием процесса усталостного изнашивания
уплотнительных поверхностей и зависит от условий контакта и
числа циклов контактирования. Существенного влияния эрози-
онных процессов на состояние уплотнительных поверхностей за-
мечено не было. Применение затвора аналогичной конструкции
при перепаде давления свыше 200 МПа показало, что определя-
ющая роль в разрушении уплотнительных поверхностей принад-
лежит эрозионным процессам.
Характерные закономерности проявления отказов ПГА в зна-
чительной мере определяются особенностями конструкции и спе-
цификой функционального назначения. В качестве иллюстрации
отмеченного ранее рассмотрим характерные тенденции в форми-
ровании и проявлении отказов некоторых видов ПГА: клапанов
электромагнитных, клапанов предохранительных и регуляторов
давления.
Отказы электромагнитных, клапанов
Рассмотрим два основных типа электромагнитных клапанов
(ЭМК): с нейтральным электромагнитом (см. рис. 2.4) и с поля-
ризованным электромагнитом (рис. 2.7).
Отметим некоторые особенности ЭМК.
Характерный режим работы — циклический. Частота сраба-
тываний может достигать 10 Гц, заданная безотказная наработ-
ка — до миллиона циклов.
Характерным для конструкции ЭМК является следующее.
Положение затвора, как правило, не зависит от давления
рабочей среды, а определяется исполнительным усилием или
положением привода.
Количество пар трения и упругих элементов — минимальное
по сравнению с предохранительными клапанами и регулятора-
ми давления. Условия работы пар трения, в том числе зазоры,
обеспечивают нормальное трение в течение длительного периода
эксплуатации. Рассматриваемые типы электромагнитных приво-
дов конструктивно отличает следующее:
наличие детали «корпус привода» (см. рис. 2.4, деталь 4) с
тонкостенной цилиндрической оболочкой 3, испытывающей пуль-
сирующее воздействие внутреннего давления рабочей среды;
наличие штока (в конструкции привода, показанной на
рис. 2.7, деталь 2) с узлом 1 настройки хода золотника, которые
испытывают при работе ЭМК циклические осевые нагрузки;
ЭМК как вид ПГА отличает большая доля функциональных
отказов, по данным опытной отработки они составляют около
53
i г
Рис. 2.7. Клапан с двухпозиционным поляризованным электромагнитным при-
водом
Рис. 2.8. Разрушение деталей ПГА в зонах концентрации напряжений
22% отказов ЭМК и количественно распределяются следующим
образом (% общего числа отказов ЭМК): усталостное разруше-
ние штоков —7; усталостное разрушение тонкостенных оболо-
чек детали «корпус привода» — 5; усталостное разрушение эле-
ментов корпуса клапана (в том числе патрубков) —4; заклини-
вание якоря в корпусе привода — 2; самоотвинчивание узлов
настройки хода золотника — 2; нарушение электрических цепей
управления и сигнализации — 2.
Из приведенных данных следует, что доминирующими дегра-
дационными процессами, вызывающими подавляющую часть
полных функциональных отказов ЭМК, являются усталостные
процессы. Значительно реже функциональные отказы ЭМК обус-
ловлены процессами трения. Усталостные разрушения штоков
происходили под действием знакопеременных осевых усилий, как
правило, в местах перехода от одного диаметра к другому. Раз-
рушения корпусных деталей имели место в местах изменения
формы: перехода обечаек во фланцы или боковые патрубки.
Основные воздействия, инициирующие эти процессы, — вибраци-
онные и ударные нагрузки, а также нагрузки, связанные с цик-
лическим срабатыванием ЭМК. Характерные случаи разрушения
деталей ЭМК, имевшие место при опытной отработке этих изде-
лий, показаны на рис. 2.8, места концентраций напряжений обоз-
начены 1, сечения плоскостей разрушения 2.
Заклинивание пары трения якорь—корпус привода редко
являлось следствием трения, явлений схватывания и т. д. Чаще
всего это происходило после длительного пребывания якоря в
полости, заполненной химически активной рабочей средой. При
54
наличии повреждений защитного покрытия на контактирующих
поверхностях якоря и корпуса привода образуются продукты
коррозии, которые жестко соединяют эти детали. Еще одна при-
чина неподвижности якоря может заключаться в кристаллизации
твердой фазы из состава рабочей среды в зазоре между поверх-
ностями трения. Как правило, это происходит в тех случаях, ког-
да процесс кристаллизации происходит при длительном непод-
вижном нахождении якоря в одном из крайних положений.
В.числе причин, вызывающих потерю подвижности якоря, может
быть сосредоточение в зазоре пары трения большого количества
продуктов износа.
Параметрические отказы составляют 78% отказов ЭМК и
распределяются между выходными параметрами (% общего чис-
ла отказов ЭМК) следующим образом: негерметичность в затво-
ре — 36; параметры срабатывания электромагнитного приво-
да — 20; сопротивление электрической изоляции токонесущих
цепей относительно корпуса — 9; негерметичность внутренних
полостей клапана относительно внешней среды — 7; гидравли-
ческое сопротивление — 6.
В основе отказов по негерметичности в затворе лежат следу-
ющие изменения и события: попадание механических частиц —
продуктов износа, продуктов коррозии, заусениц и др. между
контактирующими поверхностями седла и золотника; уменьше-
ние усилия уплотнения вследствие заедания пары трения
якорь—корпус привода; неуправляемые перемещения якоря с
золотником вследствие резонанса под действием вибрационных
нагрузок; разрушение поверхности уплотнителя по площади его
контакта с седлом.
Обычно «негерметичность в затворе» характеризуется боль-
шой дискретностью реализации, так как причиной изменения
параметра часто являются такие случайные явления, как пере-
мещение у седла механических частиц и продуктов износа, ради-
альные перемещения центра золотника относительно центра сед-
ла и др.
Изменения параметров срабатывания электромагнитного при-
вода и гидросопротивления клапана с увеличением наработки
происходят под воздействием процессов трения. Механизм фор-
мирования параметрических отказов клапана с однопозиционным
нейтральным электромагнитным приводом показан на рис. 2.5.
Параметр «сопротивление электрической изоляции токонесу-
щих цепей относительно корпуса» подобно параметру «негерме-
тичность в затворе» изменяется дискретно. Отказу, как правило,
не предшествуют какие-либо заметные отклонения параметра.
Основное инициирующее воздействие — влажность окружающей
среды.
Типичной для ЭМК причиной отказов по параметру «негер-
метичность относительно внешней среды» являются микротре-
55
щины и сквозные поры в тонких стенках детали корпус привода.
Указанные изменения развиваются из исходных микродефектов
под воздействием внешних динамических нагрузок и пульсаций
давления рабочей среды.
Отметим элементы, лимитирующие надежность ЭМК, кото-
рые требуют наиболее тщательного расчета и анализа при про-
ектировании. Все они относятся к электромагнитному приводу.
1.	Корпус привода с тонкостенной оболочкой (см. рис. 2.4,
деталь 4). Одним из основных требований при проектировании
этой детали является обеспечение наиболее благоприятных усло-
вий функционирования магнитной системы. Поэтому для сниже-
ния потерь магнитного потока стенки выполняют достаточно тон-
кими (0,5—0,8 мм). Материал детали — магнитные сплавы типа
Х16. Они имеют после термообработки для обеспечения магнит-
ных свойств крупнозернистую структуру и невысокие механиче-
ские свойства. Все эти факторы неблагоприятно сказываются на
способности детали противостоять действию циклических нагру-
зок от внутреннего давления. Под действием указанных нагру-
зок из исходных дефектов материала развиваются усталостные
микротрещины, в результате которых нарушается герметичность
стенки. Эти изменения на начальном этапе развития реализуют-
ся в виде параметрического отказа по выходному параметру
«герметичность относительно внешней среды». Дальнейшее раз-
витие трещин может привести к образованию в стенке магист-
ральной трещины, т. е. к полному функциональному отказу ЭМК.
Поэтому при проектировании детали важным является количе-
ственный анализ вероятности отказа вследствие усталостного
разрушения при заданной наработке и амплитуде нагрузки.
2.	Шток якоря. При работе ЭМК шток испытывает цикличе-
ское воздействие осевых нагрузок, которые обычно имеют удар-
ный характер. Разрушения этих деталей обычно происходят в
верхней части у места крепления элементов, с помощью которых
перемещение якоря передается штоку (рис. 2.9). Выполнение на
штоке посадочных мест для установки шайб (рис. 2.9, а); наре-
зание резьбы (рис. 2.9, б) или кернение (рис. 2.9, в) неизбежно
приводят к созданию концентраторов напряжений. Последнее
под действием циклических нагрузок вызывает развитие уста-
лостных трещин и разрушение штока, что представляет собой
полный функциональный отказ ЭМК.
3.	Элементы магнитной системы. Собранные электромагнит-
ные приводы поляризованного типа обретают возможность функ-
ционирования только после их намагничивания во внешнем до-
статочно мощном электромагнитном поле. Работоспособность
привода сохраняется до тех пор, пока сохраняется эффект намаг-
ничивания. Последний может существенно снизиться или исчез-
нуть при нарушениях схемы и последовательности подачи управ-
ляющих электрических импульсов или существенных изменениях
56
О)
s)
Рис. 2.9. Варианты крепления штока в двухпозиционном электромагнитном
приводе
их значений. Эти изменения в магнитной системе часто приводят
к полному отказу электромагнитного клапана. Как правило, при-
чинами таких отказов является эксплуатация.
Отказы предохранительных клапанов
Рассмотрим характерные отказы предохранительных клапа-
нов прямого действия (рис. 2.10, а).
Отметим некоторые особенности конструкции и условий экс-
плуатации предохранительных клапанов, влияющие на меха-
низм формирования отказов.
Основную часть времени эксплуатации золотник 2 находит-
ся в таком положении, когда он прижат к седлу 1 установоч-
ным усилием пружины 3. Подъем золотника над седлом проис-
ходит только в случаях аварийного повышения давления в си-
стеме.
Положение затвора определяется давлением рабочей среды.
В узком диапазоне давлений рабочей среды от номинального
Рном до максимально допустимого pmaX положение затвора
должно обеспечивать решение двух различных функциональных
задач: при р^Ртах— сообщать входную и выходную линии,
б)
а)
Рис. 2.10. Предохранительный клапан
57
обеспечивая максимальный расход рабочей среды через кла-
пан; при уменьшении давления ниже номинального р<рНом—
герметично разобщать линии.
Указанное обстоятельство накладывает жесткие ограниче-
ния на допустимые изменения сил, входящих в уравнение рав-
новесия запорного органа. Это же обстоятельство объясняет
причину того, что в основном отказы предохранительных кла-
панов связаны с различными нарушениями баланса сил, управ-
ляющих положением затвора.
Подвижные системы предохранительного клапана структур-
но сложнее, чем электромагнитного клапана, так как содержат
больше упругих элементов и пар трения. В их состав часто вхо-
дят упругие элементы с малой жесткостью (мембраны, сильфо-
ны).
Связь элементов подвижной системы между собой такова,
что часть из них имеет возможность поворачивать свою продоль-
ную ось на малый угол относительно опор.
Отмеченные особенности подвижных систем предохранитель-
ного клапана делают их менее устойчивыми, чем системы элек-
тромагнитного клапана к действию внешних механических на-
грузок. Последние могут вызвать перекосы подвижных систем
предохранительного клапана в опорах, приводить к изменениям
параметров размерной цепи. Данные опытной отработки предо-
хранительного клапана подтверждают, что значительная часть
отказов (более 38%) проявляется как результат действия внеш-
них механических нагрузок (те же данные для электромагнитно-
го клапана составляют 24%).
В процессе ресурсных испытаний проявляется не менее 37%
отказов.
Соотношение параметрических и полных отказов предохрани-
тельного клапана зависит при прочих равных условиях от задан-
ной безотказной наработки, частоты срабатываний и рабочего
давления.
По результатам опытной отработки высоконадежных предо-
хранительных клапанов, полные функциональные отказы со-
ставляют 6%, параметрические 94%.
Полные функциональные отказы характерны в основном та-
ким предохранительным клапанам, условия эксплуатации кото-
рых предусматривают большие значения наработки в циклах (от
десятков тысяч до сотен тысяч). В числе причин полных функ-
циональных отказов предохранительных клапанов преобладают
два типа изменений исходного состояния элементов: усталостное
разрушение деталей и заклинивание пар трения.
Большинство полных функциональных отказов предохрани-
тельных клапанов связаны с процессами усталости и износа.
Распределение полных отказов предохранительных клапанов по
происхождению между этими процессами приблизительно рав-
58
номерное, количественно каждая группа составляет около 3%
всех отказов предохранительных клапанов.
Если все случаи усталостного разрушения предохранительно-
го клапана принять за 100%, то их распределение по функцио-
нальным элементам будет выглядеть следующим образом: кор-
пусные, детали— 46%; чувствительные элементы (сильфоны и
мембраны)—30%; пружины—15%; прочие элементы — 9%.
Исходными предпосылками этих отказов являются конструк-
ционные, производственные и металлургические дефекты, созда-
ющие зоны с локальной концентрацией напряжений. Иници-
ирующие воздействия — циклические нагрузки, возникающие
при срабатывании предохранительного клапана или вследствие
внешней вибрации.
Разрушения корпусов предохранительного клапана подобны
аналогичным разрушениям электромагнитного клапана. Харак-
терные области разрушений: места перехода цилиндрических
стенок во фланец, основания патрубков в местах их соединения
с цилиндрической стенкой.
Усталостные трещины в сильфонах располагаются обычно
вдоль линии наибольшей окружности наружного гофра, как пра-
вило, находящегося в зоне термического влияния рядом распо-
ложенного сварного шва. Особенностью этих отказов является
то, что они проявляются не только после большой наработки, но
и в начальный период ресурсных испытаний, когда наработка
исчисляется десятками или сотнями циклов.
Исходными предпосылками этих изменений, как правило, яв-
ляются скрытые дефекты материала сильфонов, развитие кото-
рых в трещины инициирует действие знакопеременных цикличе-
ских нагрузок.
Разрушения пружин предохранительного клапана (рис.
2.10, а, деталь 3) встречаются сравнительно редко, главным об-
разом у изделий с большими значениями заданной наработки.
По данным ресурсных испытаний разрушения витых пружин из
проволоки 0Х18Н10Т происходили в диапазоне наработок
(7,5—13,5) 104 циклов.
Около 3% отказов предохранительных клапанов проявля-
ются как полные отказы вследствие заклинивания пар трения.
Наиболее часто это проявляется в прецизионных парах трения
типа золотник — седло (рис. 2.10, б, детали 5, б).
Параметрические отказы предохранительного клапана име-
ют следующее распределение по выходным параметрам (про-
цент общего числа отказов): давление срабатывания — 42%;
негерметичность в затворе — 34%; негерметичность относитель-
но внешней среды—12%; расходные параметры — 4%.
Среди параметрических отказов основную группу составля-
ют отказы по двум выходным параметрам: давлению открытия
Роткр и давлению обратной посадки ро.п.
59
На примере предохранительного клапана (см. рис. 2.10, а)
рассмотрим механизм формирования изменений, приводящих к
отказам по этим выходным параметрам.
Управление равновесия золотника в момент его отрыва от
седла имеет вид
Qcp Qr.p QtP Сзал Щ — 0,	(2.1)
где Qcp — усилие от давления рабочей среды; Qnp — усилие пружины; QTp —
сопротивление в парах трения подвижной системы; Q3an — усилие, которым
золотник удерживается у седла, вследствие явления адгезионного залипания;
т — масса подвижной системы.
Усилие от давления рабочей среды
Сср=^ЭфРР.	(2-2)
где Fa<b — эффективная площадь чувствительного элемента; рР — давление ра-
бочей среды.
Приняв, ЧТО В момент открытия затвора рр — Рртах = Роткр, из
выражений (2.1) и (2.2) получим
Роткр—-^--(Qnp4'QTp + Q3aa + zn)-	(2-3)
Г эф
Рассмотрим возможные неблагоприятные тенденции в изме-
нениях величин Qnp, Qtp и (2зал под действием эксплуатацион-
ных нагрузок.
Усилие пружины. Под действием циклических нагрузок в
узлах предохранительного клапана могут происходить следую-
щие изменения: нарушение контрения и самоотвинчивание регу-
лировочного винта 4 в узле настройки; заглубление кромок сед-
ла в материал уплотнителя вследствие остаточной деформации
или местного износа последнего.
Каждое из этих изменений приводит к увеличению установоч-
ного хода пружины на величину Д/i, следовательно, к уменьше-
нию ее установочного усилия QyCT на величину Д/ic (здесь с —
жесткость пружины).
Как следует из выражения (2.3), уменьшение усилия пружи-
ны приводит к уменьшению значений давления открытия. На оп-
ределенном этапе уровень этих изменений входных параметров
может достичь значений, соответствующих отказу.
На рис. 2.11, построенном по данным опытной отработки пре-
дохранительного клапана, показано характерное изменение
«давления открытия», вызванное процессом самоотвинчивания
регулировочного винта в узле настройки (кривая 2).
Усилие трения. Изменение усилия QTp оказывает существен-
ное влияние на формирование изменений рассматриваемых ВП.
Будем рассматривать негативную тенденцию, т. е. ту фазу про-
цесса износа, которая сопровождается увеличением значений
60
р,мПа
Рис. 2.11. Изменение выходных параметров предохранительного клапана под
действием эксплуатационных нагрузок
QTp. Как следует из выражения (2.3), это вызывает при прочих
равных условиях увеличение значений роткр.
На рис. 2.11, построенном по данным ресурсных испытаний
предохранительного клапана, показано изменение значений
Роткр под доминирующим воздействием процесса изнашивания в
паре трения «седло—золотник» (кривая /).
Дальнейшее увеличение значения QTp приводит к параметри-
ческому отказу: выходу за верхнюю допустимую границу значе-
ний Роткр.
Усилие залипания уплотнителя у седла Q3a.n. Это усилие дей-
ствует только при первом срабатывании после длительного кон-
такта уплотнителя с седлом (после хранения, перерывов в рабо-
те и др.). Как следует из выражения (2.3), усилие залипания
увеличивает значение р0Ткр- По данным опытной отработки пре-
дохранительного клапана, приращение ДрОткр вследствие эффек-
та залипания может достигать 15%.
В основе отказов по другим выходным параметрам предохра-
нительного клапана (негерметичность в затворе, негерметичность
относительно внешней среды и расходу) лежат изменения, общие
для каждого вида ПГА.
Отказы регуляторов давления
Рассмотрим отказы регуляторов давления (РД) на примере
газового регулятора прямого действия (рис. 2.12, а).
Отметим некоторые особенности этого вида ПГА. Основной
режим работы-—непрерывный. Действие внутреннего давления
рабочей среды на корпусные элементы РД в отличие от электро-
магнитного и предохранительного клапанов не носит явно выра-
женного циклического характера. Пульсации давления рабочей
среды во внутренних полостях РД имеют место, но амплитуды
этих колебаний, как правило, столь незначительны, что не ска-
61
Рис. 2.12. Газовый регулятор давления
зываются на работоспособности корпусных элементов. Подвиж-
ные системы РД имеют сравнительно сложную структуру и, как
правило, содержат больше пар трения и упругих элементов ма-
лой жесткости, чем подвижные системы электромагнитного и
предохранительного клапанов. Последнее обусловливает повы-
шенную чувствительность подвижных систем РД к действию
внешних механических нагрузок и пульсациям давления рабочей
среды. Последние сравнительно легко возбуждают колебания
подвижных систем РД. Поэтому фактическое число циклов воз-
вратно-поступательных перемещений подвижных систем может
многократно (иногда на порядок и более) превосходить штатное
число циклов изменения давления среды на входе в РД, задан-
ное в техническом задании. С действием упомянутых нагрузок
связано до 92% всех отказов РД.
По сравнению с другими видами ПГА у газовых регуляторов
давления полные функциональные отказы составляют наимень-
шую долю — около 5%. Полные отказы РД имеют два характер-
ных проявления: РД не регулирует давление среды, при этом за-
твор открыт, т. е. рВх=Рвых; РД не регулирует давление среды,
при этом затвор закрыт, т. е. рВх5^0, а рВых=0.
Наиболее часто причиной таких проявлений является закли-
нивание пар трения РД. Характерные пары трения РД показаны
на рис. 2.12, б. К ним относятся толкатель 2— втулка направля-
ющая 1 и золотник 5 — седло 4. Как было сказано ранее, число
взаимных перемещений упомянутых деталей может многократно
превосходить заданное в техническом задании число циклов из-
менения давления среды. Скорости взаимного перемещения де-
талей в ряде случаев могут быть достаточно велики, например
62
при колебаниях подвижных систем, возбуждаемых вибронагруз-
ками. Передача осевых усилий элементам пар трения, как пра-
вило, происходит с некоторым эксцентриситетом (детали 2 и 3
на рис. 2.12, б), что вызывает их перекосы в зазорах. Последнее
ведет к увеличению давления в зонах фактического контакта.
Работа пар трения часто происходит без смазки в безкислород-
ных газовых средах. Это создает благоприятные условия для
возникновения явлений локального схватывания.
По данным опытной отработки РД, заклинивание указанных
пар трения происходило в широком диапазоне наработки — от
нескольких сотен до сотен тысяч циклов изменения давления
на входе РД.
Среди причин второго проявления полных отказов РД часто
встречается выход из строя чувствительных элементов, пружин
и толкателей. Эти элементы могут испытывать действие цикличе-
ских знакопеременных нагрузок при функционировании РД или
вследствие вибрации. При неблагоприятных условиях следствием
действия этих нагрузок могут быть усталостные разрушения де-
талей. Чаще это происходит с сильфонами чувствительных эле-
ментов; случаи разрушения сильфонов имели место под действи-
ем динамических нагрузок и при наработке ресурса. Значитель-
но реже, чем сильфоны, разрушаются пружины и толкатели.
Известные случаи усталостного разрушения основных пружин
РД соответствовали наработке 105 и более циклов изменения
давления на входе в РД.
Отказы РД в основном проявляются как параметрические
(95%). Они распределены между выходными параметрами (про-
цент общего числа отказов РД) следующим образом: стабиль-
ность давления на выходе РД — 56; давление натекания в ем-
кость при отсутствии расхода рабочей среды — 25; негерметич-
ность относительно внешней среды—10; расходные парамет-
ры — 9.
В основном параметрические отказы РД относятся к ста-
бильности давления на выходе. Изменения значений этого
выходного параметра, как правило, являются следствием изме-
нения исходного состояния пар трения, чувствительных элемен-
тов и узлов настройки. Причины увеличения трения в преци-
зионных парах гидроагрегатов достаточно подробно освещены
в работах [67, 68]. К наиболее характерным изменениям ис-
ходного состояния чувствительного элемента относятся: изме-
нение положения сильфонных сборок в корпусе РД вследствие
их перекосов или самоотвинчивания; разгерметизация сильфо-
нов; заедание поверхностей трения сильфонных сборок в мес-
тах их контакта с пружинами или направляющими корпуса;
изменение жесткости упругих элементов в экстремальных тем-
пературных условиях или вследствие остаточной пластической
деформации.
63
Наиболее характерный вид изменения исходного состояния
узлов настройки — нарушение контрения и последующее само-
отвинчивание регулировочных винтов и втулок. Как правило,
это приводит к уменьшению установочного усилия основной
пружины, что при прочих равных условиях вызывает увеличе-
ние степени дросселирования газа через затвор и соответствен-
но уменьшение значения давления на выходе РД. Основным
воздействием, инициирующим эти изменения, обычно являются
внешние механические нагрузки.
Давление натекания в емкость при отсутствии расхода. От-
казы по этому выходному параметру, как правило, являются
следствием следующих изменений исходного состояния затвора
РД: разрушения материала уплотнителя по месту его контакта
с седлом; попадания между уплотнителем и седлом посторонних
частиц и продуктов износа; отслоения материала уплотнителя в
местах его заделки в золотнике.
Отказ по рассматриваемому выходному параметру может
проявляться также вследствие изменения исходного состояния
других элементов подвижной системы, если эти изменения ока-
зывают влияние на положение золотника относительно седла.
Негерметичность относительно внешней среды. В основе от-
казов по этому выходному параметру лежат изменения исход-
ного состояния элементов, общие для каждого вида ПГА: не-
герметичность разъемных соединений и сварных швов, сквозные
поры и микротрещины в материале деталей.
Глава 3. Детали и элементы ПГА (функция,
структура, взаимодействия)
При традиционном описании отказов, включая механизм их
формирования, широко применяется так называемая предметная
классификация деталей и элементов ПГА. В этом случае выде-
ляются группы однотипных по функциональному назначению
деталей и элементов. Наиболее распространенные из них: затвор,
состоящий из седла и клапана (золотника, клина, шара, диска),
подвижные и неподвижные уплотнения (прокладки, кольца, гнез-
да); штоки, шпиндели, направляющие и другие элементы кине-
матической цепи, передающей движение от привода к затвору;
корпусные детали, упругие и чувствительные элементы и т. д.
Обычно для каждой из этих групп приводятся схемы и методы
расчетов, принципы конструирования и технологии, особенности
материального исполнения [27—30, 34, 42, 45]. На основе такой
общепринятой классификации во второй главе были рассмотрены
характерные неисправности и повреждения элементов, деталей и
узлов высоконадежной ПГА.
Однако, если исследовать физический или физико-химический
механизм формирования того или иного отказа, включая условия
зарождения и развития деградационных процессов, то вышепри-
веденный подход не является определяющим ввиду ограниченной
информативности предметной классификации. Детали и элемен-
ты разных классов и типоразмеров ПГА, одинаковые не только
по названию, но и по функциональному назначению, не могут
быть идентифицированы вследствие множества отличий, вы-
званных рядом внутренних и внешних факторов: режимами ра-
боты ПГА, геометрическими (объемными) и поверхностными па-
раметрами, материальным исполнением и соответствующими ме-
ханическими, физико-химическими и другими свойствами,
технологией изготовления, схемой действующих нагрузок, сред,
температур и др. Естественно, что при таком множестве факто-
ров природа и механизм деградационных процессов в каждом
конкретном случае могут значительно отличаться друг от друга.
Косвенно об этом свидетельствует имеющий место в практике
разброс значений интенсивности отказов (X) для одних и тех же
наименований деталей.
Если использовать системный подход, то функционирование
ПГА можно рассматривать как взаимодействие подсистем и
3—376
65
элементов низшего ранга (/г+3) —рабочих поверхностей уплот-
нений, пар трения, резьбовых соединений, оболочечных и дру-
гих элементов. Эти элементы совместно с «внешней средой» мож-
но представить, используя метод деления системы более высоко-
го ранга (ПГА), в виде самостоятельных систем (см. с. 14), в
которых превалирующими процессами при их функционировании
являются поверхностные или объемные деградационные процес-
сы. Возможность протекания того или иного деградационного
процесса будет определяться особенностями системы.
Таким образом, ограниченным числом систем, функция,
структура и взаимодействие элементов которых вполне опреде-
лены, можно идентифицировать не только множество конст-
руктивных элементов ПГА, но и множество внешних воздейст-
вий, так как в систему в качестве обязательного элемента
входит «внешняя среда» с комплексом соответствующих пара-
метров. Функциональное преобразование в системах, образо-
ванных элементами низшего ранга ПГА, всегда приводит к не-
обратимым изменениям их структуры (деградация структуры),
так как указанные системы являются разомкнутыми — происхо-
дит взаимный обмен массой и энергией с «внешней средой». Это
обстоятельство и является причиной образования потерь при
функционировании ПГА, являющихся следствием протекания
деградационных процессов, лежащих в основе поверхностных
(трибосистемы) и объемных (объемно-напряженные, упругоси-
ловые, упругочувствительные системы) структурных изменений.
3.1.	Триботехнические системы ПГА
В общем смысле триботехническая система определяется как
«целое, техническая функция которого связана с взаимодейст-
вием материальных поверхностей в относительном движении»
[109]. Здесь технические функции разделены на следующие
группы: передача движения; передача работы (или мощности);
выработка или воспроизведение информации; перемещение ма-
териалов; формирование материалов.
На основе этой классификации был составлен перечень три-
босистем, из которых в ПГА функционируют пять.
Трибосистема I. Устранение потока материалов (рабочих
сред). Этот тип трибосистем охватывает типы затворов (кла-
панных уплотнений) в закрытом состоянии, неподвижных и по-
движных уплотнений, обеспечивающих заданную степень гер-
метичности, а также фильтры (устраняется поток твердых час-
тиц заданного размера).
Трибосистема II. Ограничение движения. К этим трибосисте-
мам относятся так называемые пары трения ПГА, поступатель-
ные и вращательные кинематические пары в основном 4-го и
5-го классов: штоки и шпиндели с направляющими, детали саль-
66
никовых и поршневых уплотнений, других соединений, обеспечи-
вающих функции подшипников скольжения, реже качения. Как
известно, кинематические пары 5-го класса (одноподвижные) и
4-го класса (двухподвижные) ограничивают движения соответст-
венно пяти и четырех степеней свободы.
Трибосистема III. Передача работы или движения. Ее обра-
зуют детали винтовых (ходовых) передач, другие контактирую-
щие элементы кинематических пар, передающие усилие (работу)
от привода к затвору. Принципиально трибосистему III можно
было бы не выделять. Однако силопередающие элементы — это
тяжелонагруженные элементы и, следовательно, трибовзаимо-
действия характеризуются значительными силовыми парамет-
рами и потенциально повышенным изнашиванием контактирую-
щих поверхностей. Объемные деформации, которым подвержены
эти элементы, не являются определяющими при оценке их дол-
говечности, так как традиционно рассчитываются с большими
запасами прочности. Поломки таких деталей встречаются редко
и вызваны либо конструкторскими ошибками, либо превышени-
ем штатных усилий. Наиболее характерными причинами отка-
зов являются поверхностные процессы: повышенный износ и
утонение винтовых поверхностей или их схватывание и заеда-
ние, смятие или растрескивание в местах контакта пят и под-
пятников и др.
Трибосистема IV. Устранение движения. К трибосистеме IV
относятся крепежные резьбовые, байонетные, клиновые, флан-
цевые и другие неподвижные соединения.
Трибосистема V. Перемещение (регулирование) материалов
(рабочих сред). Принципиально трибосистема V образуется лю-
бой частью поверхности проточной части ПГА при обтекании ее
рабочей средой, жидкой или газообразной. Так как элементами,
лимитирующими работоспособность ПГА, являются уплотни-
тельные элементы затвора (седло и клапаны), в качестве трибо-
системы V принята система, образованная этими элементами и
обтекаемым их в открытом состоянии затвора потоком рабочей
среды.
В табл. 3.1 приведены основные трибосистемы ПГА, их функ-
циональные и структурные схемы, а также конструкционные эле-
менты.
Функции трибосистем ПГА
Первым шагом описания любой системы должно быть отделе-
ние ее от окружения путем выбора границ (оболочки) системы.
Описываемые трибосистемы ПГА включают под оболочку не бо-
лее четырех элементов (табл. 3.1): 1 и 2— подвижную и непо-
движную взаимодействующие поверхности (в графе 3 таблицы
указаны номера элементов п+3 ранга, представленных на рис.
3*
67
3.1. Основные триботехнические системы ПГА
Триботех-
ническая
система
Функциональная и структурная
схемы
Подсистемы, элементы ПГА
(см. рис. 1.10)
Трибосисте-
ма I — уст-
ранение (ре-
гулирова-
ние) потока
материалов
Дополнительный выход для по-
движных уплотнений (см. три-
босистему II)
Затвор (КУ) в закрытом состоя-
нии (элементы 1—1, 1—2)
Неподвижные уплотнения (эле-
менты 5—15, 5-—14)
Подвижные уплотнения (эле-
менты 5—11, 5—12)
Трибосисте-
ма III — пе-
редача рабо-
ты или дви-
жения
. Трибосисте-
ма II — ог-
раничение
движения
Кинематическая пара шток —
втулка (элементы 2—5, 2—6)
Подвижные уплотнения (эле-
менты 5—11, 5—12)
Винтовая (ходовая) передача
(элементы 2—7, 2—8)
Пара пята — подпятник (эле-
менты 2—3, 2—4)
68
Продолжение табл. 3.1
Триботехни-
ческая система
Функциональная и структурная
схемы
Подсистемы, элементы ПГБ
(см. рис. 1.10)
Трибосисте-
ма IV — уст-
ранение дви-
жения
Крепежные резьбовые соедине-
ния (элементы 2—7, 2—8)
Байонетные
Клиновые
Фланцевые
Трибосисте-
ма V — пере-
мещение ма-
териалов
Для элементов затвора
Корпусные де-
тали
Сильфоны, мем-
браны
(элементы
4—9, 7—15)
Затвор в открытом состоянии
(элементы 1—1, 1—2)
1.10); 3 — промежуточный элемент, «третье тело»—-смазка (три-
босистемы III и IV) или рабочая среда (трибосистемы I и II);
несмотря на то, что рабочая среда является внешней по отноше-
нию к ПГА, для физически корректного описания трибосистем
она включена под оболочку; в трибосистеме V рабочая среда вы-
полняет функцию подвижного тела; 4 — окружающая среда; в
трибосистемах I и, частично, II, где элементы 1 и 2 находятся в
контакте только с рабочей средой, этот трибоэлемент отсутству-
ет, равно как он не имеет смысла в трибосистеме V, — последняя
состоит только из двух элементов 1иЗ.
Подвижные уплотнения (сальниковые, поршневые) относятся
одновременно к трибосистемам I и II; из этих соображений в
трибосистему I введен третий выход (показан пунктирной лини-
ей) — интенсивность изнашивания (I), являющийся главным для
трибосистемы II.
В основном отказы ПГА связаны с процессами разгерметиза-
ции— появлением сверхнормативных протечек в затворе или уп-
лотнениях относительно внешней среды. Эти процессы связаны с
функционированием первой (основной), второй и пятой трибоси-
стем ПГА.
Функция трибосистемы I заключается в устранении потока
рабочих сред, т. е. в обеспечении герметизации (уплотнения)
или фильтрации (фильтры).
Под механизмом герметизации различных уплотнений пони-
мают совокупность процессов, приводящих к уменьшению по-
69
тока герметизируемого вещества (материала) через межповерх-
ностную полость соединения. При этом встречающееся в практи-
ке проектирования и эксплуатации выражение «утечка не
допускается» правомочно только для строго оговоренных мето-
дов и условий контроля утечки, так как абсолютно герметичных
уплотнений не существует. Поэтому обычно приводят регламен-
тированное значение утечки. Если ее значение превышает этот
установленный уровень, то говорят о разгерметизации уплотне-
ния. Утечка может происходить при вязкостном, молекулярном
или промежуточном режимах течения рабочих сред [47].
Функция трибосистемы V является диаметрально противо-
положной и заключается в обеспечении максимальной пропуск-
ной способности (минимального гидравлического сопротивле-
ния). Это особенность трибосистемы V. Затвор в открытом со-
стоянии представляет две трибосистемы (седло — среда и
клапан — среда); в закрытом состоянии затвора эти две трибо-
системы преобразуются в трибосистему I. Поэтому элементы
затвора функционируют в наиболее жестком режиме и должны
удовлетворять вышеуказанным противоречивым требованиям.
Наиболее характерными для трибосистем I рабочими пара-
метрами (входами) являются: нормальная нагрузка FH(FH'),
тип относительного движения (ТД) между трибоэлементами 1 и
2, скорость сближения скорость относительного скольжения
v2, температура (1\— температура рабочей среды, Т2— темпера-
тура окружающей среды), число циклов п или время т, С\ —
активность рабочей среды (в данном случае активность среды
условно выражена через концентрацию «с», так как в общем
виде скорость реакций зависит от концентрации исходных ве-
ществ [37]), с — активность окружающей среды.
Для всех типов уплотнений основным рабочим параметром
является нормальная герметизирующая нагрузка Fn'. Под ее
воздействием в результате деформации поверхностных неров-
ностей уменьшается межповерхностный зазор и увеличивается
гидравлическое сопротивление утечке (AQ). Последняя являет-
ся основным выходным параметром рассматриваемой трибоси-
стемы. В практике AQ зависит от норм контактных давлений
(значение которых определяется типом уплотнения), установ-
ленных норм герметичности, рабочего давления и других фак-
торов и может изменяться в широких пределах.
В качестве дополнительного выхода трибосистемы I для за-
творов можно использовать параметр А (мкн3)—геометриче-
ский параметр герметичности, зависящий от рельефа уплотни-
тельных поверхностей и их сближения под нагрузкой и характе-
ризующий геометрию микрозазоров стыка [47]. Заданный
параметр Д может служить выходом и для трибосистемы V,
так как характеризует стабильность микрорельефа уплотнитель-
ных поверхностей при обтекании его потоком рабочей среды
70
при открытом затворе. Другим выходным параметром трибоси-
стемы V является гидравлическое сопротивление затвора t, или
его пропускная способность Ку.
В зависимости от типа или конструктивного исполнения уп-
лотнительных поверхностей (трибоэлементы 1 и 2) их взаимное
движение может быть только нормальным (например, процесс
сближения неподвижных фланцевых уплотнений) или только
тангенциальным (затвор шарового крана, сальниковые уплот-
нения).
Большинство уплотнительных поверхностей затворов в про-
цессе герметизации испытывают одновременно два взаимных
движения: нормальное сближение шероховатых поверхностей и
тангенциальное — трение скольжения. Трение скольжения осу-
ществляется малой амплитудой и вызвано, как правило, несо-
вершенствами кинематических пар звеньев кинематической
цепи, передающей движение (работу) от привода к затвору, а
также воздействием различных возмущений: пульсаций рабочей
среды, вибрации, других динамических нагрузок и др. Исклю-
чение составляют конические и некоторые другие клапанные
уплотнения, клинья задвижек, где трение скольжения предус-
матривается конструктивно. Скорость сближения в зависимости
от типа ПГА может изменяться в широких пределах — от деся-
тых и даже сотых долей (в ПГА с ручным приводом) до не-
скольких метров в секунду (в отсечной, предохранительной и
другой быстродействующей ПГА). Скорость относительного
скольжения изменяется в меньших пределах.
Важными рабочими параметрами, оказывающими значитель-
ное влияние на изменение структуры рассматриваемой трибоси-
стемы, являются температура зоны уплотнения, ресурс и актив-
ность среды.
Температура Т и активность с «внешней среды», квалифици-
ровавшиеся в системах более высокого ранга как возмущения
(см. с. 12), во всех трибосистемах трансформировались в полез-
ные входы, а в трибосистеме V полезным входом дополнительно
стал параметр возмущения Qi (гидромеханическое воздействие
потока рабочих сред). Такая трансформация некоторых возму-
щений в рабочие переменные произошла потому, что они стали
оказывать функциональное влияние на значение и стабильность
выходных параметров большинства трибосистем (через соответ-
ствующие преобразования структуры), что заставляет управлять
структурой трибосистем для обеспечения ее стабильности, сни-
жения потерь Am, б, Кт (обозначение возмущений и потерь
указано в табл. 1.1) и, как следствие, повышения долговечно-
сти. Ряд нежелательных входов (возмущений для систем ПГА)
остались таковыми и в трибосистемах (Р/, ЛЭ и частично Qi).
Техническая функция трибосистем III и II заключается со-
ответственно в передаче работы (движения) от привода к за-
71
твору и одновременном ограничении движения перемещающих-
ся звеньев, т. е. обеспечении направления движения. От пра-
вильного функционирования этих систем и прежде всего второй
зависит не только выполнение основных функций ПГА, но и ин-
тенсивность генерирования возмущений (Р/), причины которых
могут быть следующими.
Как известно, движение от привода к исполнительному орга-
ну ПГА — затвору передается кинематической цепью, содержа-
щей ряд кинематических пар. Наиболее распространенными
являются винтовые пары, направляющие поступательного дви-
жения с ограничением (например, с помощью шпоночного сое-
динения) или без ограничения вращательного движения, торцо-
вые подшипники (например, пята — подпятник) и др. Во всех
кинематических парах имеются погрешности: зазоры и вызван-
ные ими перекосы. Перекосы определяются допусками и посад-
ками на элементы (рабочие поверхности) кинематических пар.
При малых скоростях эти погрешности увеличивают силы тре-
ния и контактные напряжения в кинематических парах, что, в
свою очередь, интенсифицирует изнашивание.
При больших скоростях появляются дополнительные дина-
мические нагрузки, вызванные силами инерции, особенно в мо-
менты реверса движения, когда ускорение достигает максималь-
ных значений. Динамические нагрузки являются источниками
дополнительных сил трения и контактных напряжений в элемен-
тах кинематических пар, причинами вибрации, ударных нагрузок
(растущих с увеличением зазоров), уровня шума и других нега-
тивных явлений.
В трибосистеме II на входе действуют почти те же парамет-
ры. Нагрузка FN" представляет собой нормальную составляю-
щую силу, возникающую в результате перекосов кинематиче-
ской пары шток—втулка и уплотняющих нагрузок (например,
в сальниковом уплотнении). Выходными параметрами являются
интенсивность изнашивания I и коэффициент f или сила тре-
ния Гтр.
В трибосистеме III главным входным параметром является
Гу — внешняя управляющая сила, передаваемая от привода к
затвору. Если для управления затвора требуется вращательное
движение (шаровые краны) или преобразование вращательного
движения в поступательное (клапаны), то в качестве рабочего
параметра входа служит Л4У —внешний управляющий момент.
Выходной параметр Г/— управляющая сила после преобразо-
вания трибосистемой (управление рабочим органом ПГА).
Трибосистема IV выполняет крепежные функции (устраняет
движение) и обеспечивает герметичность неподвижных и некото-
рых типов подвижных уплотнений, жесткость стыков корпусных
деталей и фланцевых соединений, присоединение к трубопрово-
ду и др. В трибосистеме IV основным входом является либо мо-
72
мент затяжки Т3— для резьбовых, байонетных и других соедине-
ний, либо внешнее осевое усилие F3— для клиновых (кониче-
ских) соединений. К выходным параметрам относятся FN'—
сила герметизации и F3'— регламентируемое усилие затяжки
(для ответственных крепежных узлов). Данные о дополнитель-
ных входах трибосистем III, IV, возмущениях и потерях приве-
дены при описании трибосистемы I.
Структура трибосистем ПГА
Большинство трибосистем обладает структурой, которая не-
обратимо изменяется (деградирует) при функционировании си-
стемы под действием механических и физико-химических рабо-
чих параметров и возмущений, действующих на входе. Следо-
вательно, при описании трибосистем необходимо учитывать, что
они обладают структурой и функцией динамической системы.
Структура всех трибосистем идентифицирована тремя или
четырьмя элементами (см. табл. 3.1), функциональное назначе-
ние которых было описано выше.
Свойства элементов трибосистем. Основными элементами,
определяющими взаимодействие в трибосистемах, а следова-
тельно, активно влияющими на процесс функционирования
ПГА, являются элементы 1 и 2.
Необходимый комплекс свойств этих трибоэлементов опре-
деляется тремя основными группами механизмов контактного
взаимодействия: механизмом герметизации (трибосистема I,
II); механизмами изнашивания твердых тел (трибосистемы I,
II, III, IV), механизмами изнашивания твердых тел потоками
газообразных и жидких рабочих сред (трибосистема V).
В зависимости от режимов сближения или трения, рабочих
сред и параметров могут иметь место следующие преобладаю-
щие механизмы контактного взаимодействия твердых тел: уста-
лостное изнашивание, абразивное изнашивание, адгезионное
изнашивание [109] (характерное, в первую очередь, для вакуу-
ма и газовых сред, не содержащих кислород), коррозионно-ме-
ханическое изнашивание.
Твердые металлические и неметаллические материалы раз-
рушаются потоками газообразных и жидких рабочих сред (три-
босистема V) по таким механизмам: эрозионное изнашивание,
кавитационное изнашивание, химическое (коррозионное) изна-
шивание [5].
Следствием перечисленных процессов поверхностного дефор-
мирования и изнашивания являются деградационные процессы,
вызывающие необратимые изменения структуры трибосистем, а
следовательно, изменения геометрических, физико-механиче-
ских и механохимических характеристик поверхности элемен-
тов 1 и 2. Эти характеристики, геометрические, физико-механи-
73
ческие и механохимические определяют основные свойства три-
боэлементов 1 и 2.
Геометрические характеристики. Их разделяют на объемные
и поверхностные. К объемным относятся форма уплотнитель-
ных и трущихся поверхностей (плоскость, шар, конус, цилиндр
и др.); к поверхностным — макроотклонения, волнистость, шеро-
ховатость. Характеристики макроотклонений — отклонения Д,
допуски Т (СТ СЭВ 301—76). Основные характеристики волнис-
тости: средняя высота волнистости Wz, наибольшая высота вол-
нистости (W'max), средний шаг волнистости 5Ш. Основные харак-
теристики шероховатости: среднее арифметическое отклонение
Ra, высота неровностей профиля Rz, наибольшая высота неров-
ностей в пределах базовой длины R шах, средний шаг неровно-
стей профиля Sm и др. (ГОСТ 2789—73). Значительно большей
информативностью обладают статистико-вероятностные методы,
представляющие поверхностный макро- и микрорельеф ампли-
тудно-частотными характеристиками [4], автокорреляционной
функцией, спектральной плотностью статистического ряда и
плотностью распределения координат профиля поверхности [47].
Физико-механические свойства поверхностей: твердость (Я),
модуль Юнга (Е), коэффициент Пуассона (р), остаточные на-
пряжения (пост), плотность (р), теплопроводность (Z).
Механохимические свойства: химический состав материала,
степень упрочнения при пластической деформации, прирост
плотности деформационного тока (Дг) и потенциала коррозии
(Дф). Механохимические свойства имеют смысл только при
контакте трибоповерхностей с коррозионно-активными средами.
С точки зрения классической теории трения и изнашивания
в качестве промежуточного трибоэлемента 3 (см. табл. 3.1) вы-
ступает так называемое «третье тело». Им может быть смазка
(жидкая, консистентная, твердая) или жидкая рабочая среда.
В вакууме и газообразных средах под «третьим телом» обычно
понимают окисные и другие поверхностные пленки.
В рассматриваемом случае трибоэлемент 3 представляет лю-
бую рабочую среду, жидкую, газообразную, вакуум, так как она
оказывает значительное влияние на взаимодействие между эле-
ментами. Поэтому для вакуума и газообразных сред трибоэле-
мент 3 не следует рассматривать как классическое «третье те-
ло». Однако не учитывать их влияния, пусть косвенного, на ха-
рактер взаимодействия между трибоэлементами 1 и 2 нельзя,
так как последствия этого влияния во многом определяются
свойствами этих сред. Для учета специфики вакуума и газооб-
разных сред, в условиях их действия, трибоэлементы 3 и 4 (рис.
3.1, 3.2 и 3.3) обозначены пунктирными кружками.
Главными свойствами жидких рабочих сред, влияющими на
взаимодействие между элементами, являются: динамическая
вязкость (Л), плотность (р), активность среды (с) и зависимость
74
Рис. 3.1. Схемы трибологических взаимодействий между элементами ПГА в
трибосистемах I и V:
а — вакуум; б — инертные и неокислительные газообразные среды; в — кислородосодер-
жащие и другие окислительные газообразные среды; г — жидкие инактивные и поверх-
ностно-активные среды; д — жидкие агрессивные (коррозионно-активные растворяющие
и другие среды)
этих величин от температуры и давления. Если в качестве треть-
его тела служит смазка, то основным ее свойством является вяз-
кость.
Главные свойства окружающей среды 4: влажность, темпера-
тура и химическая активность.
Взаимодействия между элементами трибосистем ПГА показа-
ны на рис. 3.1, 3.2 и 3.3. Так как характер этих взаимодействий
в значительной мере зависит от свойств и параметров рабочих
сред, последние определены в качестве критериев, по которым
В)
Рис. 3.2. Схемы трибологических взаимодействий между элементами ПГА в
трибосистемах II, III и IV:
а — вакуум; б — инертные и неокислительные среды; в — инертные кислородосодержащие
и другие окислительные среды; г — жидкие инактивные и поверхностно-активные среды;
д — жидкие агрессивные (коррозионно-активные растворяющие среды)
75
Рис. 3.3. Схемы взаимодействия
между элементами ПГА с ок-
ружающей средой (трибосисте-
мы II, III, IV):
а — внешняя среда — вакуум: б —
внешняя среда — промышленные ат-
мосферные условия
сгруппированы схемы. Арабскими цифрами обозначены трибо-
элементы, римскими — доминирующие процессы разрушения или
способствующие им процессы, протекающие в реальных диапазо-
нах эксплуатационных параметров: I — контактная деформация,
усталостное изнашивание; II — адгезия, схватывание, адгезион-
ное изнашивание; III — абразивное изнашивание; IV — эрозион-
ное изнашивание; V — кавитационное изнашивание; VI — корро-
зионно-механическое изнашивание; контактное коррозионно-ус-
талостное разрушение; VII — химическое (коррозионное)
изнашивание, коррозия; VIII — сублимация (при 7,>7’Субл); IX —
окисление, окислительное изнашивание; X — диффузия (при
высоких температурах); XI — фреттинг-коррозия.
Перечисленные взаимодействия и процессы вызывают необра-
тимые деградационные изменения структуры: изменение свойств
трибоэлементов 1 и 2 (геометрических, физико-механических,
механохимических); деформацию и разрушение их трибоэлемен-
тов; дополнительные потери на трение; ионный и фрагментарный
массоперенос от элементов во внешнюю среду (потери материа-
лов) и т. д.
Структурные изменения, в свою очередь, приводят к таким
отказам, как появление сверхнормативных протечек в уплотне-
ниях, увеличение силы (момента) трения и, как следствие, сни-
жение чувствительности регуляторов, повышение тягового уси-
лия в электромагнитных клапанах, заклинивание трущихся
деталей, разрушение резьбовых и других соединений, нарушение
функции управления ПГА, облитерация фильтров, недопустимые
загрязнения рабочих сред (отказ системы более высокого ранга)
и многие другие (см. гл. 2).
Описание доминирующих процессов разрушения элементов
трибосистем ПГА, приводящих к деградации их структуры, а так-
же примеры соответствующих отказов приведены в гл. 4.
Кроме трибосистем, в основе структурных изменений которых
лежат поверхностные процессы, ПГА содержит ряд элементов
низшего ранга, структура которых изменяется под действием
объемных деформационных процессов. Это прежде всего толсто-
стенные оболочечные элементы (корпусные детали), а также
тонкостенные оболочки, пластины, стержни (упругие и чувстви-
тельные элементы). Назовем систему, образованную первой
76
группой деталей, системой объемно-напряженных элементов,
вторую — упругосиловой или упругочувствительной системой в
зависимости от элементов, образующих систему (упругих или
чувствительных).
3.2.	Функция и структура объемно-напряженных элементов
Основные элементы системы объемно-напряженных элемен-
тов — корпусные детали, хотя принципиально к ним могут отно-
ситься и другие детали ПГА, уровень напряжений при которых
достигает опасных значений, т. е. возможна потеря их работоспо-
собности (поломка, потеря устойчивости, недопустимые остаточ-
ные деформации и др.).
Корпусные детали несут двойную функциональную нагрузку
(элемент 4—9, 4—10, рис. 1.10). Во-первых, они образуют несу-
щую оболочку ПГА, во-вторых, обеспечивают ряд ее вспомога-
тельных функций — перемещение рабочих сред, их герметиза-
цию относительно окружающей среды, механическое крепление
к трубопроводу и др.
Корпусные детали ПГА представляют собой в основном не-
осесимметричные оболочки с концентраторами напряжений. Ис-
ключением являются простые детали — штуцера, крышки, кор-
пуса электромагнитов, имеющие, как правило, осесимметричные
формы.
Подобно трибосистемам, функциональная схема системы
объемно-напряженных элементов также имеет соответствую-
щие входы и выходы. При этом ее основную техническую функ-
цию можно сформулировать следующим образом: обеспечение
целостности и плотности структуры оболочки под воздействи-
ем полей напряжений, инициируемых гидростатическим давлени-
ем, изгибающими моментами в местах крепления к трубопрово-
ду и усилием уплотнения в затворе (от привода.). Поэтому
основными входами являются рабочие параметры: — давле-
ние рабочей среды; Мк — изгибающий момент трубопроводов;
Ку — усилие, действующее на затвор. Выходом является герме-
тичность (протечка AQ), так как при любом нарушении целост-
ности появляется протечка (рис. 3.4).
Под понятием «протечка не допускается» подразумеваются
чувствительность метода и соответствующий ему минимальный
пороговый поток (AQmin), который надежно регистрируется при
испытаниях. Таким образом, AQ<AQm:n- В зависимости от ме-
тода испытаний AQmin изменяется в пределах от 1-Ю-2 (пнев-
могидравлические методы) до 1 • 10~10 (массоспектрометриче-
ский — метод щупа).
Для ПГА высокого и сверхвысокого давления существует
критерий «утечка до разрушения». В этом случае критическая
77
Рис. 3.4. Функциональная схема системы объемно-напряженного элемента
длина трещины должна быть больше толщины стенки, вследст-
вие чего увеличение трещины нарушает герметичность корпус-
ной детали, но не приводит к ее разрушению.
Дополнительным входом является также пробное давление
Рпр. При проверках корпусов на прочность (испытание пробным
давлением) не должно произойти ни разрушения, ни потери
герметичности. Указанные проверки производятся не только в
процессе изготовления ПГА, но и в процессе ее эксплуатации в
составе трубопроводных систем, например химических произ-
водств, после ремонтных работ. Причем ПГА должна подвер-
гаться проверкам 2 раза: перед установкой в систему и в составе
системы.
Дополнительные входы — возмущения являются практически
теми же, что и для других элементов ПГА. Потери в данном слу-
чае выражены величинами б (пластическая деформация, потеря
устойчивости) и К\ (коэффициент интенсивности напряжения);
через этот коэффициент условно обозначен процесс разруше-
ния— возникновение и распространение трещин. С точки зрения
механики разрушения, поле напряжений определяется коэффи-
циентом интенсивности напряжений К\, являющимся мерой всех
напряжений и деформаций. Когда напряжение и деформация при
вершине трещины достигает критических значений, происходит
расширение трещины, т. е. при достижении К\ критических зна-
чений Ku произойдет разрушение. Следует отличать К\ от коэф-
фициента концентрации напряжений Kt как по размерности, так
и по смыслу: Kt представляет собой отношение максимального
напряжения к номинальному в образце с выточкой [16].
Наличие трещин, их рост и возможность разрушения свиде-
тельствуют о том, что конструкция имеет лишь ограниченную
долговечность. Для обеспечения заданной долговечности, а сле-
78
довательно, и надежности необходимо знать закономерности
зарождения и роста трещины, а также соответствующие методы
упрочнения, т. е. торможение этих нежелательных процессов
(см. параграф 4.5).
Таким образом, процессы потери прочности, приводящие к от-
казам, связаны также с деградацией структуры. В данном случае
понятия структуры системы объемно-напряженного элемента и
структуры материалов совпадают. Из этих соображений структу-
ру корпусных, а также других элементов ПГА, для которых ха-
рактерны объемные процессы потери прочности, следует рассмат-
ривать как систему взаимосвязанных структурных элементов
металлов: зерен, их фрагментов, блоков, границ зерен, а также
дефектов структуры типа дислокаций, вакансий, трещин и др.
Процесс образования и развития этих дефектов до критических
значений характеризует долговечность объемно-напряженных
элементов.
3.3.	Функция и структура упругосиловых
и упругочувствительных систем
Пружины, сильфоны, мембраны, являющиеся основными эле-
ментами упругосиловых и упругочувствительных систем, могут
выполнять функцию силовых и чувствительных элементов. Функ-
циональная схема упругосиловых систем приведена на рис. 3.5,
упругочувствительной — на рис. 3.6, на котором вместо Qq сле-
дует читать Qf.
В качестве силовых элементов в основном применяют пружи-
ны. Наибольшее распространение в ПГА получили винтовые ци-
линдрические пружины сжатия и тарельчатые пружины. В каче-
стве чувствительных элементов — сильфоны и мембраны (регу-
ляторы, мембранные исполнительные механизмы и др.). Сильфо-
ны и мембраны выполняют также функцию уплотнительных
элементов (уплотнение по штоку).
Основным входом упругих (силовых) элементов является
Я — линейное перемещение, а выходом — Fnp (развиваемая пру-
{л}	{ Fnp}
оизтущение
Потери
Рис. 3.5. Функциональная схема
упругосиловой системы
Рис. 3.6. Функциональная
схема упругочувствительной
системы
79
жиной сила при перемещении X). Важной характеристикой упру-
гих элементов является жесткость c=dFTlv>ld'k, одновременно
представляющая функциональную зависимость между входом и
выходом.
Основным входом чувствительных элементов является рабо-
чее давление рр (на это давление настраивается задающая на-
грузка чувствительного элемента в регуляторах). Выходом — пе-
ремещения чувствительного элемента. Если сильфон и мембрана
выполняют функцию уплотнения, то выходами является протеч-
ка AQ. Возмущающиеся входы силовых и чувствительных эле-
ментов: физико-химическое воздействие сред (С), температура
(Г), эксплуатационные возмущения (ДЭ).
Для нормального функционирования чувствительных эле-
ментов имеет значение еще одно возмущение Qf — пульсация
рабочего давления (см. табл. 1.1).
Вредные выходы: потеря устойчивости, пластическая дефор-
мация, разрушение (от силовых факторов и вследствие корро-
зии) .
Число отказов упругих и чувствительных элементов сравни-
тельно невелико [59]. Большая доля этих отказов происходит,
как показали исследования, вследствие нарушения технологи-
ческих процессов или отклонения химического состава исходных
материалов от стандартов. Например, отказы пружин связаны с
загрязненностью неметаллическими включениями, нарушением
режимов термической обработки, заневоливанием и др. У силь-
фонов ряд отказов вызван дефектами, образующимися в про-
цессе их сварки (пайки) с монтажными и другими деталями,
трещинами в околошовной зоне и в шве, непроварами, пережо-
гами, разрушением гофров в зоне термического влияния.
Структура упругосиловых и упругочувствительных систем
аналогична структуре корпусных деталей. Если исключить отка-
зы, связанные с нарушением технологии, то искажение техниче-
ской функции связано с деградационными процессами в структу-
ре вследствие усталостных процессов, коррозии, пульсаций дав-
ления, резонансных явлений. При этом имеют место потеря ус-
тойчивости сильфонов, мембран (выпучивание или пластическая
деформация гофров), разрушение (в том числе коррозионное
растрескивание) и другие нежелательные процессы (см. гл. 4).
Глава 4. Доминирующие процессы разрушения
элементов ПГА
Характер взаимодействия между трибоэлементами, представ-
ляющими большинство элементов и деталей ПГА, и доминирую-
щие процессы деградации структуры трибосистем вплоть до раз-
рушения в значительной мере зависят от природы, состава и
параметров рабочих сред. Это отчетливо видно из рис. 3.1. Наи-
более чувствительными к рабочим средам являются элементы
трибосистем I и V (затвор). Недопустимое изменение микрорель-
ефа уплотнительных поверхностей может произойти и без про-
цессов контактного взаимодействия при обтекании их потоками
рабочих сред. Даже процессы объемного деформирования дета-
лей ПГА в коррозионно-активных средах имеют свою специфи-
ку: циклически деформируемые материалы не имеют предела
выносливости [48].
4.1. Характеристика рабочих и окружающих сред
Внешние среды по отношению к ПГА разделяют на рабочие,
и окружающие. Рабочие среды можно разделить по физическим
признакам (вакуум, газообразные, жидкие, абразивно-содержа-
щие, в том числе пульпообразные) и физико-химическим при-
знакам (инактивные, поверхностно-активные, коррозионно-ак-
тивные, растворяющие, диффундирующие).
К газообразным средам относятся все существующие в газо-
образном состоянии химические элементы и их соединения, а
также пары воды, электролитов, других химических соединений,
пары металлов и неметаллов и др.
Вакуум является частным случаем газообразных сред при
их значительном разрежении. Однако специфические условия
процессов контактного взаимодействия в вакууме обязывают вы-
делить эти условия.
К жидким средам относятся вода, водные растворы кислот,
щелочей и солей, нефть и нефтепродукты, газоконденсатные сре-
ды, различные топлива, жидкие органические соединения, рас-
плавы солей и жидких металлов и др.
Инактивными средами будем считать среды, которые не ока-
зывают какого-либо влияния на конструкционный материал (в
том числе деформированный).
81
Поверхностно-активными средами называют такие среды, ко-
торые, взаимодействуя с тонким дефектным поверхностным сло-
ем и не проникая в глубь конструкционного материала, могут
изменить характер деформирования и механические свойства
последнего.
Коррозионно-активные среды — это среды, вызывающие раз-
личные виды коррозии — самопроизвольного разрушения метал-
лических материалов вследствие химического или электрохими-
ческого взаимодействия с жидкими или газообразными средами.
Растворяющими средами будем считать такие, которые разру-
шают конструкционный материал самопроизвольным образова-
нием жидкого раствора. Типичным примером такого разрушения
является растворение твердого металла в жидком, например в
расплавах щелочных металлов, применяемых в энергетических
системах. В этом случае процесс растворения твердого металла
происходит в результате разрыва связей между атомами в его
кристаллической решетке.
Средами, диффундирующими в конструкционный металл, бу-
дем считать такие, атомы которых, диффундируя в твердый ме-
талл, могут образовывать твердые растворы, смеси или интер-
металлические соединения, механические свойства которых от-
личаются от свойств деформированного твердого металла. Таки-
ми средами являются газообразные среды (О2, N2, Н2 и др.) при
высоких температурах.
Классификация сред по характеру воздействия на конструк-
ционный материал условна, так как в зависимости от наличия в
средах тех или иных примесей, температуры и времени воздейст-
вия инактивные и поверхностно-активные среды могут стать
коррозионно-активными, а последние при удалении из них при-
месей— инактивными. Например, если активированные олеино-
вой кислотой масла не загрязнены примесями воды, то они яв-
ляются инактивными средами, а при загрязнении становятся
поверхностно-активными или коррозионно-активными. Расплавы
легкоплавких металлов могут в зависимости от состава и ус-
ловий эксплуатации выступать как инактивные, растворяющие
или как диффундирующие [106].
Рабочие среды могут быть однофазными или многофазными.
Напомним, что фазой называется гомогенная часть среды, отде-
ленная от других частей физической границей. Согласно этому
определению к однофазным средам относятся газообразные сре-
ды, а из жидких — растворы, расплавы и др.
К многофазным (в том числе двухфазным) относятся паро-
водяные смеси, газовые или жидкостные среды с твердыми час-
тицами, пульпы, смесь органических и неорганических сред (на-
пример, масловодные эмульсии) и др. Многофазные смеси могут
вызывать специфические виды разрушений. Например, парообра-
зование в потоке жидкости вызывает такие отрицательные явле-
82
ния, как кавитация, шум, вибрация; наличие твердых частиц в
газовой или жидкостной среде — абразивное изнашивание; мас-
ловодные эмульсии-—язвенную коррозию и т. д. Разрушающий
эффект потока инактивных и поверхностно-активных сред опре-
деляется в основном процессами эрозионного и (или) кавитаци-
онного изнашивания. В зависимости от режимов течения сред и
конфигурации проточных частей ПГА эти процессы могут прояв-
ляться индивидуально, но на практике в основном они протека-
ют совместно в различных комбинациях и при дополнительном
воздействии коррозионного фактора.
Элементы проточных частей ПГА с точки зрения гидравлики
являются сопротивлениями. Поэтому возникновение разрушений
в потоке и их интенсивность зависят от конфигурации этих гид-
росопротивлений и режимов течения среды и в первую очередь
скорости и перепада давления.
Если рабочими являются агрессивные среды (коррозионно-
активные, растворяющие, диффундирующие), то следует рас-
сматривать не просто интенсификацию разрушения, а качествен-
ное изменение механизма разрушения. Например, коррозионное
разрушение не ограничивается зоной действия потока, а проис-
ходит везде, где имеет место контакт с рабочей средой; значи-
тельно интенсифицируются эрозионные, кавитационные, гидроаб-
разивные процессы изнашивания; под действием коррозионных
сред в деформированных металлах развиваются сложные меха-
нохимические процессы, интенсифицирующие не только разруше-
ние, но и коррозионные процессы. Развитие и протекание этих
сложных процессов зависит не только от коррозионной стойкости
материалов, но и от конструктивного исполнения элементов дета-
лей, геометрических характеристик поверхностей.
Активное влияние окружающей среды на детали ПГА прояв-
ляется при действии химического фактора: влажности, загрязне-
ния атмосферы химически активными компонентами. В настоя-
щее время состав атмосфер, характеристики макроклиматиче-
ских районов, методы защиты от коррозии и соответствующие
методы испытаний регламентированы рядом стандартов
(ГОСТ 9.005—72, ГОСТ 9.012—73, ГОСТ 9.039—74, ГОСТ
9.040—74, ГОСТ 9.041—74, ГОСТ 9.053—75, ГОСТ 15150—69
и др.).
4.2. Работоспособность деталей ПГА
в коррозионно-активных средах
Механизм разрушения деталей ПГА, их элементов в коррози-
онно-активных средах преимущественно зависит от механизма
процесса коррозии, который может происходить по химическому
или электрохимическому пути.
83
Химической коррозией называют взаимодействие металла с
коррозионной средой, при котором окисление металла и восста-
новление окислительного компонента среды протекают в одном
процессе; электрохимической коррозией — взаимодействие ме-
талла с электролитами, при котором ионизация атомов металла
и восстановление окислительного компонента коррозионной сре-
ды протекают не одновременно и их скорости зависят от элек-
тродного потенциала металла [37].
Электрохимическая коррозия
Наиболее распространенной и эффективной в смысле много-
образия механизмов коррозионного разрушения является элек-
трохимическая коррозия в жидких электролитах [1, 2, 13, 22, 35,
37, 39, 58, 81, 83].
Сложность процессов коррозии, протекающих во внутренних
полостях ПГА, заключается в их преимущественно локальном
характере, вызванном особенностями устройства и функциониро-
вания элементов ПГА, способствующими образованию электро-
химической гетерогенности.
На рис. 4.1 показана обобщенная схема внутренней полости
ПГА, на которой схематически показаны наиболее характерные,
с точки зрения электрохимической гетерогенности, зоны [5].
Каждая из этих зон может повторяться в конструкциях два
или более раз. Между различными зонами в статических услови-
ях может устанавливаться определенная разность потенциалов,
т. е. возникают гальванические макроэлементы. В комплексе
они создают многоэлектродную коррозионную систему. Однако
в момент изменения режима работы ПГА равновесное состояние,
устанавливающее между различными макроэлементами, может
резко нарушиться. Статическая коррозионная система, существо-
вавшая до этого момента, трансформируется в динамическую,
переходные режимы коррозионных процессов не способствуют
установлению стационарных потенциалов, затрудняется сохране-
10
Рис. 4.1. Обобщенная схема внутренней полости
ПГА:
/ — зона потока рабочей среды; 2 — зона периодиче-
ской турбулизации и активного перемешивания; з —
поверхности трения скольжения; 4 — застойные зоны;
5 — неподвижные уплотнения; 6 — уплотнение по што-
ку; 7 — зоны возможного функционирования щелевой
коррозии (места уплотнения, контакта, трения); в —
уплотнение в затворе; 9 — зоны возможного накопле-
ния загрязнений, продуктов коррозии, износа и др.;
10 — зоны резкого изменения направления потока
84
ние пассивных пленок, что интенсифицирует поверхностное раз-
рушение, усугубляемое процессами гидроэрозии и кавитации.
Например, при открывании клапана резко изменяется градиент
скоростей в различных участках проточной части, что может при-
вести к изменению потенциалов зон 2 и 9 (рис. 4.1); исчезают
одни и образуются новые щелевые элементы (в затворе, в парах
трения).
Нестационарный характер гидромеханических режимов те-
чения коррозионно-активных сред. Химическое изнашивание.
При малых скоростях потока, исключающих возможность эро-
зионного изнашивания рабочих поверхностей проточной части
ПГА при отсутствии контактного взаимодействия твердых тел
(трибосистема V), происходит изнашивание поверхностного мик-
рорельефа. Изнашивание тем интенсивней, чем активней среда.
В основе этого процесса, названного авторами «химическое изна-
шивание», лежат следующие фундаментальные физико-химиче-
ские процессы [69].
В слое жидкости, непосредственно прилегающем к поверхно-
сти твердого тела, всегда возникает насыщенный раствор раст-
воренного вещества. Эта насыщенная область образует так на-
зываемый гидродинамический пограничный слой, где происходит
основное изменение концентрации растворенного вещества и де-
поляризаторов. Касательная слагающая скорости потока в этом
слое претерпевает изменения от стационарных значений до нуля
(у поверхности твердого тела). Пограничный слой достигает мак-
симальных значений в спокойной среде или при очень малых
скоростях движения среды (при малых числах Рейнольдса).
В случае увеличния числа Рейнольдса, даже при его незначи-
тельных абсолютных значениях, соответствующих ламинарному
режиму, при обтекании затвора (трибосистема V) возможно пе-
ремешивание и турбулизация потока.
При обтекании потоком микрорельефа уплотнительных по-
верхностей (затвора) может возникнуть два случая: толщина
гидродинамического пограничного слоя будет меньше или боль-
ше выступов микрорельефа. В первом случае шероховатость по-
верхности способствует турбулизации жидкости вблизи поверх-
ности, улучшению условий ее перемешивания и облегчению
транспортирования деполяризаторов и продуктов коррозии, рас-
творение микрорельефа должно идти быстрее, чем остальной
массы тела, шероховатость должна сглаживаться. Во втором
случае, когда шероховатость мала по сравнению с пограничным
слоем, первыми растворяются выступы микрорельефа, так как
путь растворенных частиц и деполяризаторов от выступов к гра-
нице слоя меньше, чем у впадин, т. е. здесь должно было бы
происходить сглаживание микрорельефа. Однако в действитель-
ности в одних случаях наблюдалось увеличение высот микроне-
ровностей, в других — уменьшение.
85
В технически гетерогенных сплавах, имеющих растворимые
фазы и компоненты, коррозионное поражение имело преимуще-
ственно глубинный характер, что значительно увеличивало шеро-
ховатость (бронзы БрАЖН 10—4—4 в растворах щелочей).
В случае технически гомогенных сплавов на первое место вы-
двигались гидродинамические факторы, в результате чего более
интенсивно растворялись выступы и микрорельеф сглаживался
(сталь 08Х18Н10Т в этих же средах).
При ламинарном режиме растворение будет более равномер-
ным. При турбулентных вихрях коррозия носит язвенный харак-
тер. В этой связи определенную опасность представляет наличие
на уплотнительных поверхностях в зоне потока различных рисок,
микроуглублений (микрозабоин, следов схватывания), где про-
исходит интенсивное перемешивание с образованием зон турбу-
лентности.
Ряд сред вызывают селективное растворение структурных со-
ставляющих или отдельных компонентов сплавов. Независимо от
структурного состояния металлических материалов, будь это го-
могенный раствор или эвтектика, многокомпонентный двухфаз-
ный сплав или интерметаллическое соединение, наблюдалось
селективное растворение нестойких в растворах этих сред компо-
нентов, в результате чего шероховатость значительно увеличи-
валась.
При любом изменении микрорельефа наблюдалось уменьше-
ние микротвердости. Как показали исследования, это было выз-
вано, во-первых, образованием поверхностных и подповерхност-
ных микродефектов, во-вторых, селективным растворением от-
дельных компонентов или разрушением структурных составляю-
щих, ответственных за твердость (например, кремния), и,
в-третьих, образованием рыхлых поверхностных слоев.
Зазоры и щели. Во внутренних полостях арматуры всегда
имеются конструктивно необходимые щелевые элементы, образо-
ванные, например, уплотнительными и трущимися поверхностя-
ми, элементами подпятников, упоров и других сопряжений (три-
босистемы I, II, III, частично IV).
В щелях затруднен доступ кислорода (дифференциальная
аэрация), что разрушает пассивные пленки. Дифференциаль-
ная аэрация — одна из первых причин щелевой коррозии, основ-
ные разрушения возникают вследствие появления активно-пас-
сивных макроэлементов щель — открытая поверхность, работа
которых изменяет электрохимические свойства среды и материа-
лов в щели и на прилегающих к ней участках.
При образовании щелевого элемента пассивными сталями и
сплавами (например, хромистыми и хромоникелевыми сталями)
анодом являются поверхности, расположенные в щели (зазоре),
а катодом — прилегающая к щели поверхность, к которой име-
ется доступ свежих порций электролита, поэтому коррозионные
86
разрушения происходят в щели. У сплавов на медной основе (ла-
туней, бронз) в ряде рабочих сред наблюдается обратное явле-
ние: коррозия в зазорах меньше, чем на прилегающих к зазорам
поверхностях.
Авторами установлено, что щелевой эффект сосредотачивает-
ся прежде всего в зонах контурной и фактической площадей кон-
такта уплотнения. Чем плотнее контакт (например, при притир-
ке), тем интенсивней коррозионное поражение сопряженных
поверхностей. Не исключено и обратное явление (алюминиево-
железные бронзы в щелочных средах) —в образовавшемся ще-
левом макроэлементе щель служила катодом; топография неров-
ностей в щели не претерпевала никаких изменений, в то время
как микрорельеф на прилегающих к ней поверхностях разрушал-
ся. Существенного влияния на характер коррозионного пораже-
ния в этом случае щель не оказывала.
К щелевым коррозионным процессам относят также линейно-
избирательное растворение металлов на границе фаз [84].
В ПГА этот вид поражения может встречаться при применении
неметаллических уплотнительных материалов (резины, полиме-
ров) в контакте со сталями (рис. 4.2). Линейно-избирательное
растворение объясняется возникновением концентрационных эле-
ментов. Подобный вид коррозионного поражения наблюдался на
штоках из низколегированной стали в зоне сальникового уплот-
нения и других элементах неподвижных уплотнений арматуры
химических производств.
Опасный и редко встречающийся вид локального коррозион-
ного поражения наблюдается при контакте с металлом двухфаз-
ной среды, например масловодной эмульсии. На границе фаз
развиваются коррозионные язвы. Исследовалась разрушенная
корпусная деталь стенда для испытания ПГА высокого давления
[4]. Язвенная коррозия явилась первой причиной возникновения
трещин. При сопутствующем циклическом нагружении накопите-
ля внутренним давлением (режим испытания ПГА) вследствие
развития усталостных процессов произошло его разрушение.
В момент разрушения давление составляло 400 МПа.
Контактная коррозия. Усиление коррозии одних метал-
лов при их контакте с другими называют контактной корро-
зией.
Появление коррозионных очагов контактной коррозии при ра-
боте арматуры вызвано, во-первых, образованием на различных
участках ее проточной части гальванических макроэлементов и,
во-вторых, пористостью покрытий. В данном случае не упомина-
ются случаи контактной коррозии вследствие неправильного
подбора материалов, их необходимо квалифицировать как конст-
руктивные ошибки, так как помимо обширной литературы суще-
ствуют отраслевые и общесоюзные стандарты, регламентирую-
щие применение допустимых контактов (ГОСТ 9.005—72).
87
Рис. 4.2. Линейно-избира-
тельное растворение на гра-
нице фаз:
1 —« диэлектрик; 2 — коррозион-
но-активная среда; 3 — металл
Выходной
патрубок
Рис. 4.4. Схема внутрен-
ней полости электромаг-
нитного клапана
Причинами образования гальванических макроэлементов на
различных участках проточной части арматуры могут являться
щели и зазоры, влияние факторов технологической наследствен-
ности (остаточных напряжений, дефектов сварных швов и меха-
нической обработки), возникновение разницы потенциалов меж-
ду застойными зонами и турбулентными вихрями.
Пористость покрытий (независимо от вида и технологии по-
лучения) также приводит к возникновению контактных токов,
если покрытия и защищаемый металл (матрица) различаются
Рис. 4.3. Коррозия основного металла в порах покрытия (система Fe—Ni)
88
электрохимическим потенциалом. Если покрытие является ано-
дом по отношению к матрице (кадмиевые или цинковые покры-
тия на стали), то растворяется покрытие, искажая поверхност-
ный микрорельеф (нарушается герметичность).
При пористом катодном покрытии (хромирование или нике-
лирование на сталях) возникают гальванические микроэлемен-
ты (дно поры — покрытие), при этом защищаемый материал в
поре подвергается активному растворению. Продукты коррозии,
выходя на поверхность, откладываются вокруг пор, значитель-
но искажая поверхностный микрорельеф (рис. 4.3). Протекаю-
щие подповерхностные коррозионные процессы могут привести
к скалыванию отдельных участков покрытий.
Контактная коррозия в ПГА может возникнуть и при отсут-
ствии указанных причин, если в рабочей среде присутствуют
следы более благородных металлов. Вторичное осаждение из
электролитов ионов более благородного металла на менее бла-
городном приводит к появлению контактной коррозии. Авторы
наблюдали подобный случай, явившийся причиной отказа элек-
тромагнитного клапана, рабочей средой которого являлась дис-
тиллированная вода с долями процента серебра. Корпус клапа-
на был изготовлен из коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10Т,
внутренняя полость электромагнита — из магнитомягкой ста-
ли с коррозионно-износостойким (Ni—Р) химическим покрыти-
ем (рис. 4.4). В результате длительного пребывания клапана
в одном из положений и образовался щелевой элемент А. Функ-
ционирование этого, хотя и мало эффективного, гальваноэле-
мента несколько затронуло потенциал щели. При этом щель и
противолежащая поверхность Б, на которой отложились ионы
серебра, образовали другой, более эффективный гальваноэле-
мент А—Б, катодом которого стала поверхность с ионами се-
ребра, а анодом — щель (зазор) А. Результатом работы такого
гальваноэлемента явилась активная коррозия в прежде отно-
сительно пассивном щелевом элементе А. Продукты коррозии,
образовавшиеся в щели, привели к прилипанию якоря к корпу-
су и отказу (клапан не сработал).
Межкристаллитная коррозия. Межкристаллитная коррозия
является одним из наиболее опасных видов местной коррозии,
приводящей к избирательному разрушению приграничных участ-
ков зерен хромистых и хромоникелевых сталей и некоторых
сплавов (никелевых, алюминиевых и др.). Причиной склонности
сплавов к межкристаллитной коррозии чаще всего являются
структурные превращения на границах зерен. Методы ее обнару-
жения и защиты этой коррозии регламентирует ГОСТ 6032—84.
По механизму межкристаллитной коррозии развивается корро-
зия азотированных, коррозионно-стойких сталей. Коррозионная
стойкость этих сталей резко снижается после азотирования в
связи с образованием по границам зерен нитридов хрома. Нит-
89
риды, являясь катодом по отношению к обедненным хромом при-
граничным участкам зерен, вызывают растворение последних.
Таким образом, химическое изнашивание и другие виды кор-
розионного поражения приводят к изменению структуры трибо-
систем, включающему: изменение свойств геометрических, проч-
ностных и других трибоэлементов — практически всех элементов
низшего ранга ПГА (см. рис. 1.10), соприкасающихся со средой;
потери структуры (ионный перенос материала во внешнюю сре-
ду); генерирование поверхностных дефектов (язв, каверн, пит-
тингов) . Указанные деградационные процессы могут приводить
к следующим отказам ПГА: появление сверхнормативных проте-
чек в затворе и относительно окружающей среды; заклинивание
движущих деталей, недопустимое повышение силы или момента
трения, разрушение чувствительных элементов (сильфонов, мем-
бран) и др.
Повышение долговечности деталей и элементов ПГА
в условиях коррозии и химического изнашивания
Повышение долговечности деталей ПГА в коррозионно-актив-
ных средах достигается разработкой эффективных методов за-
щиты от коррозионного поражения, учитывающих специфику
функционирования ПГА. Принципиально методы защиты можно
свести к четырем основным группам: электрохимические методы,
защита с помощью ингибиторов, рациональное с точки зрения
защиты от коррозии конструирование элементов и деталей ПГА
и оптимальный выбор коррозионно-стойких материалов и покры-
тий.
Применение электрохимических методов и ингибирования яв-
ляется нецелесообразным, а часто и невозможным вследствие
динамического характера протекающих коррозионных процессов
в ПГА, а также трудностей поддержания потенциала защищае-
мой поверхности в области оптимальных значений (электрохими-
чески ПГА не изолирована от гидросистемы).
Применение рационального конструирования арматуры пред-
полагает исключить такие конструктивные элементы, которые
уменьшили бы электрохимическую гетерогенность внутренней
полости ПГА: резкие переходы, сужения, изгибы на пути потока
коррозионно-активных сред.
Недопустимы — застойные дренажные полости, в которых
могут скапливаться продукты коррозии, твердые осадки, грязь,
частичная изоляция покрытиями или солевыми отложениями;
неплотные сварные или паяные швы; трещины и узкие зазоры
и щели; наличие подкладных колец (при сварке) и др. Опас-
ность с точки зрения электрохимической гетерогенности пред-
ставляют зоны термического влияния в сварных швах, различ-
ные концентраторы напряжений, остаточные внутренние напря-
90
жения и др. Однако не все из перечисленных элементов можно
исключить. Часть из них, как уже упоминалось, является либо
конструктивно необходимыми, например зазоры в уплотнениях
или трущихся элементах, либо формируется в процессе функ-
ционирования арматуры. Поэтому наиболее эффективными ме-
тодами защиты, а следовательно, и повышения работоспособно-
сти арматуры в коррозионно-активных средах являются рацио-
нальный подбор и соответствующее применение коррозионно-
стойких материалов и покрытий. С учетом специфики развития
локальных коррозионных процессов при подборе материалов
для ответственных элементов ПГА следует руководствоваться
следующими принципами.
1.	Подбор материалов для того или иного элемента ПГА
должен осуществляться с учетом того локального вида корро-
зии, вероятность проявления которого может иметь место в кон-
кретных условиях эксплуатации (см. рис. 4.1).
2.	Стали и сплавы для уплотнительных элементов и пар тре-
ния не должны содержать компонентов, селективно растворяю-
щихся в данной среде.
3.	Для ответственных конструкций со щелевыми зазорами
следует применять хромоникелевые аустенитные стали с молиб-
деном либо беспористые хромовые (для кислот и нейтральных
растворов), молибденовые, никелевые покрытия (для щелочных
и нейтральных сред), а также стойкие в соответствующих сре-
дах беспористые полимерные покрытия с хорошей адгезией к
основе.
4.	Контактирующие металлические материалы, даже если
они пространственно разделены, не должны быть разнородны-
ми в электрохимическом смысле. В сильно проводимых средах
следует обращать внимание на материалы деталей гидросистем,
в которых установлены ПГА. Рекомендации по подбору материа-
ров, исключающие контактную коррозию, изложены в ГОСТ
9.005—75, а также в работе [84]. Относительно возникновения
гальванических макроэлементов, вызванных конструктивными
особенностями ПГА, следует придерживаться общего правила,
чтобы макроэлемент был малоэффективным, т. е. таким, в кото-
ром коррозионный эффект минимален или практически не прояв-
ляется. Например, в растворах концентрированных щелочей
малоэффективный щелевой макроэлемент реализован авторами
при применении хромоникелевых сталей с содержанием никеля
свыше 16% или сплавов на основе никеля; в морской воде и
некоторых кислых средах таким материалом является титан и
его сплавы. Для ряда сред рекомендуются хром и молибден.
Стали, содержащие молибден, устойчивы и к щелевой, и пит-
тинговой коррозии. Для снижения эффективности гальваниче-
ских макроэлементов, вызванных к жизни гидродинамическими
факторами, успешно применяют хромоникельмолибденовые аус-
91
тенитные стали с широкой областью пассивности или термоди-
намически устойчивые в заданных рабочих средах сплавы.
5.	При подборе материалов для деталей высоконадежной
ПГА, работающей в коррозионно-активных средах, к которой
предъявляются повышенные требования надежности, рекоменду-
ется использовать данные табл. 4.1. Как видно из таблицы,
ограничения скорости коррозии связаны с функциональным на-
значением того или иного элемента. Такое разделение на группы
вызвано необходимостью учитывать эффект химического изнаши-
вания поверхностного микрорельефа, в то время как общие поте-
ри от коррозии могут быть незначительными [4].
4.1. Коррозионные характеристики элементов арматуры
Деталь	Детали и элементы, входящие в группу	Скорость коррозии, мм/год	Балл корро- зии
Уплотнительные элементы	(1—1, 1—2, 5—11, 5—12, 5—13, 5—14)	Детали клапанных уплотнений; уплот- нительные кольца, золотники и т. д.	0,00015	9
Пары трения ответ- ственных сопря- жений (элементы от 2—3 до 2—8)	Направляющие штоки, шпиндели са- модействующей арматуры, сопряже- ние якорь — корпус электромагнитной арматуры, штоки и кольца сальников и другие ответственные пары трения	0,0005— 0,0015	8
Неответственные пары трения (эле- менты 2—7 и 2—8)	Шток-втулка арматуры с ручным при- водом, трущиеся вспомогательные де- тали	0,003	6
Тонкостенные обо- лочки и упругие элементы (7—15, 7—16)	Сильфоны, мембраны, пружины и др.	0,0005	7-8
Корпусные детали (элементы 4—9, 4—10)	Корпусные детали, находящиеся в одной полости с деталями по типу 1 и 2	0,0015— 0,003	7
Вспомогательные (подсистема 6)	Крепежные, монтажные детали, неот- ветственные детали, непосредственно, не соприкасающиеся со средой	0,01—0,02	5
Примечание. Номера элементов подсистем указаны на рис. 1.7.
6. Целесообразным решением проблемы защиты от коррозии
при одновременном обеспечении заданных функциональных
свойств деталей и элементов ПГА является применение компози-
ционных материалов, состоящих из матрицы (основного метал-
ла), требование к которой должно ограничиваться лишь объем-
ной прочностью, и рабочих поверхностных слоев, обеспечиваю-
щих коррозионную стойкость. Тогда можно было бы получить
экономичный композит, матрицей которого являлись прочные
углеродистые или низколегированные стали, а поверхностные
слои представляли собой коррозионно- или износостойкие по-
92
крытия. Принципиальные соображения, которыми следует руко-
водствоваться при выборе или разработке таких покрытий,
следующие:
подбором соответствующих компонентов покрытия можно
обеспечить создание малоэффективных макроэлементов, напри-
мер щелевых; хорошо себя зарекомендовали покрытия Ni—Р,
одно- и многокомпонентное диффузионное насыщение поверх-
ностных слоев Ni, Mo, Ti, W, получение титаноазотированных и
карбидосодержащих покрытий;
для обеспечения заданной работоспособности и надежности
катодные покрытия должны характеризоваться отсутствием пор
и хорошей сцепляемостью с матрицей; по этой причине для вы-
соконадежной ПГА оказались бесперспективными большинство
гальванических (ввиду значительной сквозной пористости и пло-
хого сцепления с основой) и некоторые виды плазменных, без
последующей термообработки, покрытий;
стойкость к избирательной коррозии;
сопротивление коррозионно-механическому изнашиванию;
высокая прочность; установлено, что для большинства диф-
фузионных покрытий лимитирующим фактором является проч-
ность покрытия (опокр) , составляющая от 5 до 50% прочности
матрицы, в то время как межфазная прочность (сгМф — проч-
ность между матрицей и вновь образованными поверхностными
фазами) приближалась к прочности матрицы; разрушение проис-
ходило в основном по границам кристаллитов покрытия, что не-
обходимо учитывать при расчетах реальных деталей.
Оптимальными свойствами будут обладать материалы, состав
которых представляет композицию в виде тонкого поверхностно-
го слоя (покрытия), коррозионно- или износостойкого в данных
условиях, переходящего в матрицу в виде межфазных выделений
по границам зерен, т. е. своеобразного упрочняющего армирова-
ния.
Химическая коррозия
Химическая коррозия наблюдается при действии на металлы
элементов ПГА сухих газов (воздух, СОг, О2, С12 и др.), жидких
неэлектролитов, нефти, газоконденсата, бензина и других про-
дуктов крекинга нефти, содержащих коррозионно-активные со-
ставляющие: серу, сероводород, тиофены и другие среды. Реак-
ции заметно активизируются при наличии в указанных средах
даже небольшого количества воды, которая вызывает электро-
химическую коррозию.
Наиболее распространенными механизмами химической кор-
розии являются: окисление металлов при повышенных темпера-
турах, водородная и сероводородная коррозия, коррозия в сухих
газах химических производств.
93
Окисление металлических материалов в условиях воздействия
высоких температур и потока окислительных сред представляет
собой процесс химического взаимодействия со средой, в резуль-
тате которого на поверхности сплава образуется окисел (окси-
ды) сложного химического состава [37]. Эти оксиды могут вли-
ять на нормальное функционирование ПГА уплотнительных
элементов и пар трения (трибосистемы I, II, III, V).
С увеличением скорости движения высокотемпературных га-
зовых потоков, в том числе содержащих абразивные частицы,
интенсифицируются процессы нарушения сплошности окисной
пленки, ее эрозионное или газообразивное изнашивание, ускоря-
ется процесс окалинообразования. Чем меньше шерохова-
тость поверхности сплава, тем меньше скорость ее окис-
ления.
Одним из основных путей повышения эксплуатационных ха-
рактеристик материалов в условиях высокотемпературного окис-
ления является легирование, наиболее эффективными добавками
при легировании стали являются алюминий, хром, кремний. Эти
металлы способствуют сильному замедлению процесса окисле-
ния сталей благодаря образованию окисных пленок, обладающих
высокими защитными свойствами. При этом влияние алюминия
более эффективно, чем хрома и кремния. Однако наименьшей
скоростью окисления отличаются сплавы железа, комплексно
легированные хромом и алюминием, а также алюминием и крем-
нием. Следует учитывать, что чрезмерное увеличение содержа-
ния этих элементов (хрома более 30%, алюминия более 22% и
кремния более 10%) в железе не рекомендуется ввиду ухудше-
ния технологических характеристик этих сплавов. Из других
компонентов сплавов никель и марганец не влияют на окисление
сталей. Титан, медь, кобальт несколько замедляют окисление,
что связано с повышением защитных свойств образующейся
окалины, но не оказывают доминирующего влияния.
Углерод влияет на окисление сплавов по-разному. С одной сто-
роны, он может способствовать снижению скорости окалинообра-
зования вследствие интенсивного образования окиси углерода, что
приводит к торможению окисления железа, а также к сниже-
нию скорости его диффузии в окисной пленке в связи с образо-
ванием в ней газовых пузырей. С другой стороны, добавки
углерода в коррозионно-стойкой стали, содержащие карбидооб-
разующие элементы (Cr, Ti и др.), влекут за собой образование
специальных карбидов с одновременным объединением этими
элементами твердого раствора и, как следствие, вызывают ин-
тенсивное окисление материалов. Указанные закономерности
должны приниматься во внимание при применении защитных
покрытий.
Воздействие кислорода. Несмотря на то, что кислород вхо-
дит в состав окислительных сред, специфика его воздействия на
94
детали и элементы ПГА зависит не только от материала, но и
от их конструктивного исполнения, так как от этих факторов
зависят температура воспламенения и интенсивность горения.
Следует избегать применения материалов, активных по отноше-
нию к кислороду (титан, люминий и их сплавы, материалы на
основе углерода). Углеродистые стали не следует применять
при давлении более 4 МПа, коррозионно-стойкие стали при дав-
лении более 6,4 МПа (температура эксплуатации ПГА в этом
случае не должна превышать 100°С). При высоком давлении
более 6,4 МПа рекомендуется применять только сплавы на
медной основе. Без ограничения рабочего давления для газооб-
разного кислорода рекомендуется применение бронз (БрАЖМц
9—2 и АБрАЖМц 10—3—1,5) в температурном интервале от
—196 до +250°С [41].
Безопасность применения материалов может быть повышена
выполнением следующих конструктивных требований: толщина
элементов должна быть возможно большей, например при рр=
= 40 МПа она составляет не менее 6 мм; радиусы скругления
следует выполнять размером не менее 3 мм; конусные поверхно-
сти должны иметь угол не менее 120°, при толщине деталей более
15 мм могут быть допущены углы, равные 90°, в общем случае
конусные поверхности имеют углы не меньше, чем углы, опреде-
ляемые предельными давлениями горения; проточные части
должны иметь плавные переходы; поверхности, соприкасающие-
ся со средой газообразного кислорода, выполняют с малой ше-
роховатостью.
Водородная коррозия. Негативное воздействие водорода на
металлы сводится к охрупчиванию, которое связано с процесса-
ми окклюзии водорода (поглощение и удержание металлом га-
за). Окклюзии водорода обязательно предшествуют стадии по-
верхностной адсорбции и превращение молекулярного водорода
в атомарный (протон). Имея незначительные размеры, протоны
активно диффундируют в глубь металла или сплава.
В то же время в металле всегда имеются дефекты типа пус-
тот, неметаллических включений и другие, называемые коллекто-
рами. Атомарный водород, проникая в коллекторы, на их по-
верхности приобретает электрон и превращается в молекуляр-
ный. Размер молекулы не позволяет покидать коллектор. По
мере диффузии водорода в металл происходит накопление его в
коллекторах до значительных гидростатических давлений. Об-
разованные этими давлениями поля напряжений совместно с
внешними полями напряжений приводят к образованию и рас-
пространению трещин (водородное растрескивание).
Проникающий в металл водород может также вступать в
реакции и образовывать химические соединения. Например, ес-
ли коллекторы образуются карбидными частицами, то при опре-
деленных термодинамических условиях (давлении, температуре)
95
водород вступает в реакцию с углеродом, в результате
чего образуется метан или другие углеводородные соеди-
нения.
Присутствие водорода в металлах приводит к увеличению
хрупкости всех без исключения металлов. Ни в одном случае не
было обнаружено увеличения пластичности металла при окклю-
зии водорода.
При выборе материалов для работы в контакте с водородом,
особенно при высоких температурах и давлениях, необходимо
учитывать следующие факторы [10, 21, 24].
1.	С повышением температуры и давления окклюзия водоро-
да увеличивается.
2.	Химический состав стали оказывает решающее значение
на ее водородопроницаемость, например Si, Al, Cr, Mo, W умень-
шают окклюзию водорода железом, a Ni, V, Мп увели-
чивают.
3.	Загрязненность стали неметаллическими включениями и
металлургические дефекты увеличивают окклюзию водорода и
склонность к водородному охрупчиванию.
4.	При сварке происходит сильное насыщение металлов водо-
родом.
5.	Большая шероховатость поверхности увеличивает окклю-
зию водорода в металлы.
6.	Длительная работа под определенной нагрузкой в контакте
с газообразной или жидкой водородсодержащей средой способ-
ствует развитию водородной коррозии, проявляющейся в форме
растрескивания и обезуглероживания стали (в особенности при
повышенных температурах и давлениях).
Основные меры по снижению уровня водородной проницаемо-
сти, а следовательно, и коррозии следующие.
1.	Введение в сталь одного или нескольких карбидообразую-
щих элементов (Ti, Nb, Mo, V, W) в количествах, достаточных
для связывания всего углерода.
2.	Применение вакуумно-дугового переплава или другого ме-
тода рафинирования стали значительно уменьшает загрязнен-
ность стали неметаллическими включениями, снижает эффект
водородной коррозии.
3.	В сварных конструкциях количество проходов должно
быть по возможности минимальным. Электроды и присадочную
проволоку необходимо выбирать такими, чтобы в наплавленном
металле был наименьший процент ферритной фазы.
4.	Для уменьшения реакционной способности деталей, сопри-
касающихся с водородом, поверхности должны иметь 7?z^3,2.
Не допускаются острые кромки и переходы.
Сероводородная коррозия. Сероводород (H2S) наиболее час-
то встречается в рабочих средах различных трубопроводных си-
стем добычи, переработки нефти, а также сопутствующих про-
96
дуктов природного газа, газоконденсата и др. Как правило, H2S
находится в растворах электролитов. С учетом электролитиче-
ской коррозии он является наиболее сильным коррозионным
агентом в указанных средах [61, 103]. Основной его отрица-
тельный эффект — коррозионное растрескивание. Механизм
этого явления почти аналогичен водородному растрескиванию,
так как H2S является веществом, способствующим наводорожи-
ванию сталей. При этом на поверхности металлов происходит
диссоциация H2S. Водород (протон) окклюдирует вглубь, а по-
верхность обогащается серой, увеличивая хрупкость ме-
талла.
Так как в указанных средах H2S присутствует как примесь,
необходимо учитывать условия, при которых наиболее интенсив-
но происходят растрескивание и другие коррозионные эффекты.
Особую опасность представляют сероводородсодержащие среды
с ярко выраженной тенденцией к кислотности. Наибольшая ок-
клюзия водорода в углеродистых сталях имеет место при pH
от 1,5 до 11,5; в хромистых сталях при рН<6. Кислотность раз-
творов увеличивает окклюзию водорода и в высоколегирован-
ных коррозионно-стойких сталях, особенно в присутствии хлори-
дов. С увеличением pH наводороживание уменьшается и резко
снижается при переходе от кислых растворов к нейтральным и
щелочным средам.
Основные методы защиты деталей и элементов ПГА против
сероводородной коррозии можно свести к двум группам.
К первой группе относятся меры по снижению уровня водо-
родной коррозии, связанные с составом и структурой металлов.
Вторую группу образуют методы защиты от коррозии, связан-
ные с составом среды, в которой содержится H2S. Так как диа-
пазон таких сред велик, можно рекомендовать общепринятые
методы защиты от коррозии с учетом специфики ПГА (см.
с. 84). При этом необходимо учитывать катализирующую спо-
собность кислых сред, кислорода, хлоридов и других веществ в
отношении водородного охрупчивания.
4.3.	Действие потоков рабочих сред
на работоспособность ПГА
Помимо химического изнашивания и других видов коррози-
онного поражения, рабочие среды могут вызывать разрушения,
обусловленные процессами эрозии, кавитации, газо- или гидро-
абразивным воздействием. Эти процессы протекают при опреде-
ленных режимах течения сред и зависят от скоростей потоков,
перепадов давления, геометрии гидросопротивлений проточной
части. Этим видам повреждения подвержены элементы трибо-
систем I и V.
4—376
97
Эрозионное изнашивание
Согласно ГОСТ 23.002—78 механическое изнашивание в ре-
зультате воздействия потока жидкости и (или) газа называют
эрозионным изнашиванием.
Наибольшее распространение этот вид поверхностного раз-
рушения получил в энергетической арматуре сверхкритических
параметров. Высокая скорость потока рабочей среды (пара —
до 650 м/с, воды — до 100 м/с и более) оказывает разрушающее
действие на материал деталей проточной части [9]. Следует за-
метить, что допустимые скорости в энергетических трубопровод-
ных системах составляют: 40—90 м/с для пара; 1,5—3 м/с для
воды; 0,8—1,5 м/с для вязких сред [14]. В химической промыш-
ленности скорости еще более ограничены: 20... 40 м/с для паро-
водяных смесей, 0,5...4 м/с для жидкостей; 10...20 м/с для га-
за [ПО]. При указанных скоростях инактивные газовые среды
практически не вызывают эрозионных разрушений.
Эрозионному разрушению подвергаются прежде всего уплот-
нительные элементы затворов (трибосистемы V и I). В зависимо-
сти от их конструкции, а также расположения в потоке других
деталей может происходить щелевая или ударная эрозия. На-
пример, в регулирующих клапанах золотникового типа наиболь-
шему эрозионному разрушению подвергаются золотники, вслед-
ствие чего применение этих клапанов допустимо при относитель-
но небольших перепадах давления среды. Клапаны игольчатого
типа выходят из строя вследствие щелевой эрозии.
Интенсивность эрозионного изнашивания возрастает, если ра-
бочая среда является коррозионно-активной. При малых скорос-
тях ударного и щелевого потока воды и пароводяных смесей
процесс эрозии фактически сводится к описанным процессам хи-
мического изнашивания. При больших скоростях в этих средах
преобладают механохимические процессы, так как наблюдается
совместное действие механического фактора химической актив-
ности воды. Роль последнего фактора в ударной эрозии меньше,
чем в щелевой эрозии.
В работе [112] высказывается мнение, что разрушение проис-
ходит под действием потока в результате поверхностной пласти-
ческой деформации. В отдельных местах (прежде всего в кон-
центраторах напряжений) происходит рост плотности дислока-
ций, возникают микротрещины, слияние которых приводит к от-
делению частичек металла.
Для количественной оценки эрозионной стойкости материа-
лов элементов ПГА, работающих в условиях скоростного пото-
ка среды, рекомендуется [14, 82] использовать эксперименталь-
ные данные по их относительной эрозионной стойкости. За эта-
лон принята эрозионная стойкость стали 11Х18Н9Т (12Х18Н10Т),
уровень эрозионной стойкости которой принят за единицу.
98
Рис. 4.5. Эрозия запорного органа ПГА высокого давления
Минимальные значения эрозионной стойкости, которые долж-
ны иметь материалы относительно эталона в зависимости от ско-
рости воды при щелевом потоке [82], следующие:
Скорость воды, м/с.................. 30—50
Эрозионная стойкость.............. 0,25
50—100
0,5
>100
1,0
При непрерывном ударном действии потока должны
соблюдены следующие параметры:
быть
Скорость воды, м/с................
Эрозионная стойкость .............
Твердость НВ, МПа.................
30—50
0,25
>2500
50—100
0,5
>2500
>100
0,75
>3000
Эрозионное разрушение уплотнительных поверхностей проис-
ходит не только при открытом затворе. При больших рабочих
давлениях 200—250 МПа наблюдается эрозия уплотнительных
поверхностей затвора в закрытом состоянии (рис. 4.5). Это ред-
кое явление отмечалось в затворах арматуры при давлении до
320 МПа. Оно было вызвано протечками рабочей среды (газ,
жидкость) в стыке уплотнительных поверхностей затвора. Раз-
рушению подвергались высокопрочные стали (30CrMoV9V,
30CrNiMo8, 38ХНЗМФА). Замена этих материалов твердыми
сплавами на основе карбидов хрома и вольфрама позволила рез-
ко снизить эрозию.
4'
99
Кавитационное изнашивание
Согласно ГОСТ 23.002—78 кавитационное изнашивание — это
гидроэрозионное изнашивание при движении тела относительно
жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи
поверхности, что создает местное повышение давления или тем-
пературы. Этот вид изнашивания имеет также название кавита-
ционная эрозия.
Однако кавитация и свойственное ей изнашивание наблюда-
ется и при течении жидкой среды в местных гидравлических со-
противлениях трубопроводных систем. В ПГА такими гидроси-
стемами являются затвор и другие элементы проточной части
(трибосистема V).
Кавитация относится к нестационарным явлениям, так как
она представляет процесс возникновения, роста и схлопывания
каверн. При этом в окружающей жидкости распространяется
импульс давления в виде результирующей ударной волны (дав-
ление может достигать значений 103 МПа), которая может вы-
звать разрушения поверхности твердого тела на значительных
расстояниях [П2].
Вопросам теории и практики возникновения кавитации в
местных гидравлических сопротивлениях, зависимостям для
расчета критических параметров кавитации, а также определе-
нию кавитационных характеристик запорных и регулирующих
органов ПГА и других материалов посвящен ряд работ, обзор
которых приведен в работе [9].
С точки зрения надежности ПГА интерес представляют так
называемые вторичные эффекты кавитации, обычно приводящие
к поверхностному разрушению деталей проточной части ПГА
(деградация структуры элементов трибосистем V и I). Степень
разрушения зависит от свойств материала, его структуры, напря-
женного состояния и других факторов. Кроме того, кавитация
может существенно изменять гидродинамические характеристи-
ки, что может привести к некоторым видам параметрических
отказов, например к уменьшению пропускной способности ПГА.
Для обеспечения длительной и надежной работы ПГА прежде
всего необходимо установить диапазон режимов безкавитацион-
ной работы. Возникновение кавитации в местном гидросопротив-
лении зависит от скорости потока, перепада давления и других
факторов. Чтобы оценить границы безкавитационной работы
ПГА, необходимо знать ее кавитационные характеристики.
Предельно допустимой для безкавитационного течения ско-
рости (wKaB) или перепаду давления (ДРкр) соответствует крити-
ческое число кавитации или критерий кавитации:
„	— ркр)
° КО     ----- >
100
где pi — давление на входе в гидросопротивление; р — плотность жидкости.
Число кавитации тесно взаимосвязано с коэффициентом гид-
росопротивления арматуры £кл. В безкавитационном режиме те-
чения указанный коэффициент сохраняет постоянное значение.
С началом кавитации происходит его резкое возрастание. Мо-
менту возникновения кавитации соответствуют критическое чис-
ло кавитации и предельно допустимая для безкавитационного
течения скорость.
Каждому положению хода регулирующего органа соответ-
ствует определенное критическое число кавитации окр. По ре-
зультатам кавитационных испытаний для каждого клапана
можно установить зависимость Окр=/(£кл) и рассчитать предель-
но допустимую скорость бескавитационного течения потока додоп.
Отсутствие кавитации обеспечивается при соблюдении усло-
вия
°крР^2	1
2(Р1 Ркр)
Примеры расчета и конструирования регулирующих органов
арматуры для бескавитационной работы приведены в работе [14].
Методы борьбы с кавитацией и кавитационным изнашивани-
ем можно свести к двум группам.
Первая группа включает в основном гидромеханические мето-
ды. О возможности создания бескавитационного течения уже
говорилось. Другим методом борьбы против кавитационного
изнашивания элементов ПГА является создание режима супер-
кавитации. Суперкавитация—это такой вид течения, когда об-
разовавшиеся в области пониженного давления пузырьки, за-
полненные газом и паром, сливаются в обширную полость,
представляющую собой каверну больших размеров (суперкавер-
на), которая распространяется далее по течению на расстояние,
в несколько раз превышающее размеры местного сопротивления.
В зависимости от давления за местным сопротивлением супер-
каверна может заканчиваться в каком-либо месте трубопровода
или гидравлической системы либо продолжаться далее по тече-
нию. При суперкавитационном течении уровень шума и вибра-
ция значительно ослабляются, а разрушение в местном сопротив-
лении практически отсутствует. Работы по созданию режима
суперкавитации в запорно-регулирующей арматуре и соответст-
вующей защиты от кавитационного изнашивания в настоящее
время проводятся А. Ф. Немчиным [38, 73, 74].
Если исключить кавитацию гидромеханическими методами
невозможно, то необходимо обеспечить повышение стойкости
материалов к кавитационному изнашиванию (вторая группа ме-
тодов). Известные материалы подвергаются разрушению, в том
числе наиболее твердые и прочные.
101
Несмотря на большое число работ, посвященных этому виду
поверхностного разрушения, понимание происходящих при этом
процессов является далеко не полным. Практически все исследо-
ватели сходятся в одном, что унос материалов с поверхности
твердого тела происходит в основном (но не полностью) механи-
ческим путем. Поэтому в качестве параметра, характеризующего
сопротивление материала кавитации, предлагается использовать
энергию деформации разрушения (площадь под кривой напря-
жение— деформация) [9, 112].
На развитие кавитационной эрозии значительное влияние
оказывает также химический фактор. Однако увеличение степе-
ни разрушения многие исследователи объясняют изменением ме-
ханических свойств материалов, совершенно не касаясь механо-
химических эффектов разрушения. Этот специфический вид
разрушения будет рассмотрен при коррозионно-механическом
изнашивании.
Попытка найти корреляцию между скоростью изнашивания
при кавитации и какой-либо характеристикой или их комбинаци-
ей пока не принесла успеха. Была лишь отмечена тенденция уве-
личения стойкости металлов с увеличением твердости, хотя чет-
ких закономерностей обнаружено не было. Данные по стойкости
материалов к кавитационному изнашиванию приведены в
табл. 4.2—4.4. Терминология применена в авторском варианте.
В табл. 4.2 приведена стойкость различных материалов, приме-
няемых в США для элементов регулирующих клапанов. Стой-
кость оценивается относительно стойкости эталона, принятой за
единицу — коррозионно-стойкой стали 316 (советский аналог
стали — сталь 10Х17Н13М2Т). Значение индекса более единицы
указывает на большую сопротивляемость действию кавитации
по сравнению с эталоном. Приведенные данные не определяют
предельной стойкости материалов действию кавитации, а пока-
зывают приблизительное соотношение стойкости к кавитацион-
ному изнашиванию. Полимерные материалы удовлетворительно
4.2.	Относительная кавитационная стойкость материалов [9]
Материал дроссельных частей регулирующих клапанов по стандарту	Время испы- таний, ч	Ин- декс стой- кости	Материал дроссельных частей регулирующих клапанов по стандарту	Время испы- таний. ч	Ин- декс стой- кости
Стеллит № 6 на кор- розионно-стойкой ста- ли 316 К> >ррозионно-стойкая сталь:	120	20	Хромомолибденовая сталь С5 Железо А-395 Углеродистая сталь То же	4,0 2,5 2,25 1,0	0,67 0,42 0,38 0,17
17-4РН	12	2,00	Латунь	0,5	0,08
316 Чугун А126, класс С	6 4,5	1,00 0,75	Алюминий	0,02	0,006
102
сопротивляются кавитации только при низких ее интенсивностях
и плохо при значительных.
4.3. Кавитационная стойкость металлов [49]
Металл или сплав		Потеря массы образцов через 2 ч, мг
Горячекатаная алюминиевая бронза (Си 83%, Fe 5,8%)	А1 10,3%,	3,2
Литая алюминиевая бронза (Си 83,1%, А1 12,4%, Fe	4,1%)	5,8
Горячекатаная коррозионно-стойкая сталь (Сг 26%	, Ni 13%)	8,0
Отпущенная катаная коррозионно-стойкая сталь (Сг 12%) Литая коррозионно-стойкая сталь;		9,0
Сг 18%, Ni 8%		13,0
Сг 12%		20,0
Алюминий		124,0
Латунь		156,0
Чугун		224,0
4. 4. Кавитационная стойкость неметаллических материалов [49]		
	Потеря образцом через 2 ч	
Материал		
	объема, мм3	массы, мг
Нейлон	7	8
Феноловая смола на тканевой основе	20	26
Резина на стальной поверхности	29	33
При подборе методов защиты от кавитационного изнашива-
ния следует обратить внимание на следующие структурные осо-
бенности сплавов [П2]:
1.	Энергия дефектов упаковки должна быть мала. По этой
причине скорость разрушения сплавов Си—Ni выше, чем ско-
рость разрушения сплавов Си—Zn, имеющих более низкую энер-
гию дефектов упаковки. То же самое относится к сплавам на
основе железа.
2.	Упорядоченные сплавы более стойки, чем неупорядоченные.
3.	С уменьшением зерна, особенно, если его размеры меньше
диаметра кратера разрушения, стойкость к изнашиванию значи-
тельно возрастает.
4.	Любые виды технологической обработки интенсифицируют
кавитационное изнашивание, если они увеличивают шерохова-
тость поверхности, создают концентраторы напряжений, зоны
растягивающих напряжений и другие дефекты, облегчающие за-
рождение трещин. Поверхностное упрочнение, обеспечивающее
образование в поверхностных слоях сжимающих напряжений,
способствует повышению стойкости к кавитационному изнаши-
ванию.
103
Абразивное изнашивание в потоках рабочих сред
В соответствии с ГОСТ 23.202—78 механическое изнашивание
материала в результате режущего или царапающего действия
твердых тел или частиц называют абразивным. Рассмотрим гид-
ро- и газоабразивное изнашивание в зависимости от того, как
увлекаются абразивные частицы потоком жидкости или газа
(трибосистема V). Изнашивание закрепленным и свободным аб-
разивом при трении рассмотрено далее (см. с. 117). В зарубеж-
ной литературе встречается также термин «абразивная эрозия»,
означающий абразивное изнашивание при относительном пере-
мещении твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости, парал-
лельно поверхности тела. В зависимости от механических свойств
абразивных частиц и поверхностных слоев изнашиваемого мате-
риала абразивное изнашивание характеризуется различной ин-
тенсивностью.
Абразивные частицы (пульпы и др.) могут специально транс-
портироваться в трубопроводных системах, а могут находиться в
качестве примесей, например, замерзшие частицы воды и других
жидкостей в магистральных трубопроводах, следы окалины и
других продуктов коррозии, износа, твердые частицы полимеров
в установках полимеризации и т. д.
Во всех перечисленных случаях важен не только механизм
взаимодействия абразивных частиц, увлекаемых жидкостью или
газом с элементами проточной части ПГА, но и совместное дей-
ствие частиц такими видами изнашивания, как эрозионное, кави-
тационное, химическое.
Факторы, влияющие на гидро- и газоабразивное изнашивание,
следующие [15, 89, 97, 112]: скорость удара частиц; угол накло-
на вектора скорости частиц к поверхности детали (угол атаки);
концентрация частиц в потоке; абразивные свойства твердых
частиц (твердость), размеры и форма частиц, соотношение мик-
ротвердостей частицы и материала деталей и др.; режим экс-
плуатации ПГА, продолжительность изнашивания; свойства и
структура изнашивающихся материалов; влияние физических и
физико-химических процессов: эрозии, кавитации, коррозии.
Стойкость материалов к гидроабразивному изнашиванию ха-
рактеризуют абсолютной и относительной износостойкостью.
Абсолютная износостойкость — это величина, обратная интен-
сивности изнашивания. Относительная износостойкость — это от-
ношение интенсивности изнашивания материала, принятого за
эталон, к интенсивности изнашивания исследуемого материала.
Интенсивность изнашивания по массе связана со скоростью
частиц следующей зависимостью:
/Д=Л‘Ц7',
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств изнашивае-
104
мого и абразивного материала, а также угла атаки; т — показатель степени,
т= 1,54-4.
Величина т при v< 100 м/с имеет устойчивые значения, для
более высоких скоростей она изменяется в более широких преде-
лах. Для большинства металлических материалов наибольшее
гидроабразивное изнашивание имеет место при углах атаки 18—
60° (для пластичных материалов угол атаки 20°). Для материа-
лов очень высокой твердости разрушение имеет полидеформаци-
онный и хрупкий характер. Эти процессы наиболее интенсивны
при максимальной силе удара. Поэтому максимальное изнашива-
ние у них наблюдается при углах атаки, близких к 90°. Упругие
материалы типа резин при нормальном угле атаки способны по-
глощать энергию удара и их износ незначителен. В условиях
скользящего или косого потока, когда развивается процесс сре-
зывания, стойкость к которому у таких материалов низкая, износ
их значительно возрастает.
С увеличением концентрации абразивной струи интенсивность
изнашивания может снижаться в связи с интенсификацией экра-
нирующего эффекта при отражении частиц. Исключение состав-
ляют резины, которые при высоких концентрациях нагреваются
и изнашиваются сильнее. С увеличением размера частиц (до
150 мкм) интенсивность изнашивания в воздушной среде моно-
тонно увеличивается, после этого наблюдаются самые разнооб-
разные зависимости.
Важное значение имеет форма твердых частиц, особенно при
небольших углах атаки. Частицы с острыми гранями обладают
изнашивающей способностью в 2—3 раза большей, чем такие же
сферообразные частицы.
Механизм процесса изнашивания в значительной мере опре-
деляется коэффициентом Кт, представляющим соотношение мик-
ротвердостей материала детали Нм и твердых частиц На.
Однако износостойкость материалов деталей увеличивается
линейно с повышением их твердости только до каких-то опреде-
ленных значений коэффициента Кт. Например, для углеродистых
сталей предельные значения Кт=0,5-?0,6. При дальнейшем по-
вышении Кт в зависимости от ударной вязкости материала, его
микроструктуры и др. износостойкость может как возрастать, так
и снижаться.
Использованием высокотвердых металлических сплавов и на-
плавок можно достичь существенного эффекта при Нм>На. Не-
которое повышение износостойкости можно получить также, если
твердость абразива лишь незначительно превышает твердость
материала (Яа/#м<1,6); в этом случае важное значение имеет
структура материала.
Износостойкость материалов, подвергающихся гидро- и газо-
абразивному изнашиванию, зависит от структуры и свойств этих
материалов. Наиболее часто встречаются описания зависимости
105
износостойкости от твердости, модуля упругости, вязкости разру-
шения.
Зависимость гидроабразивной износостойкости сталей от
твердости в целом имеет сложный характер. Повышение твердо-
сти благоприятно сказывается на сопротивлении сталей изнаши-
ванию, особенно при достижении критических значений Лт. Од-
нако возможен ряд отклонений, одно из которых связано с уве-
личением опасности хрупкого разрушения поверхностного слоя
сталей, отпущенных при низких температурах (при эвтектоид-
ном и более высоком содержании углерода). С повышением
содержания углерода в сталях их гидроабразивная износостой-
кость повышается. Это влияние несколько сильнее при малых уг-
лах атаки. Появление в структуре избыточных карбидов приво-
дит к увеличению износостойкости. Все это относится к углеро-
дистым сталям с достаточно вязкой матрицей.
В сталях мартенситного класса с увеличением содержания уг-
лерода более эвтектоидного возможно уменьшение износостойко-
сти вследствие повышенной хрупкости сильно пересыщенного
углеродом мартенсита.
Износостойкость легированных сталей с повышением содер-
жания углерода при сохранении достаточно высокой вязкости
непрерывно увеличивается.
При малых и больших углах атаки снижение содержания
связующего (кобальта) и соответствующее повышение твердо-
сти металлокерамических сплавов типа ВК приводит к резкому
повышению износостойкости. При всех видах абразивного изна-
шивания, в том числе и при гидроабразивном, износостойкость
металлокерамических вольфрамокобальтовых сплавов увеличи-
вается с повышением их твердости. Повышение модуля упруго-
сти твердых сплавов, характеризующее в основном дисперс-
ность карбидных зерен, поверхность раздела фаз, толщину и
свойства кобальтовой прослойки между зернами, приводит к
сильному повышению износостойкости сплавов. При больших
углах атаки износостойкость металлокерамических твердых
сплавов меньше, чем при малых.
Для наплавочных твердых сплавов структурный фактор так-
же имеет очень важное значение, так как во многом определяет
развитие изнашивания этих гетерогенных материалов. Повыше-
ние прочности и вязкости основы, уменьшение размеров и уве-
личение количества карбидных составляющих, возможно боль-
шая структурная однородность сплавов должны благоприятно
сказаться на их износостойкости.
Вязкость разрушения (трещиностойкость) имеет большое
значение для повышения износостойкости материалов при абра-
зивном изнашивании. Износостойкость пластмасс по сравнению
с износостойкостью других материалов находится на высоком
уровне.
106
При совместном кавитационно-абразивном воздействии воз-
можны различные варианты протекания совместного износа, при
этом значение износа по сравнению с кавитационным износом
может уменьшаться в несколько раз (абразивные частицы как
бы защищают поверхность от кавитации) и увеличивать-
ся Г15].
Кавитационный износ протекает с длительным инкубацион-
ным периодом, измеряемым десятками и сотнями часов, поэтому
достаточно небольшого содержания в воде абразивных частиц
порядка 0,1—0,5% по объему, чтобы абразивное изнашивание
опережало кавитационное. Поэтому детали различных машин,
подверженные совместному кавитационно-абразивному воздейст-
вию, имеют в основном гладкие изношенные участки, т. е. участ-
ки со следами только абразивного воздействия.
Интенсивность протекания такого сложного вида изнашива-
ния в несколько раз превышает интенсивность изнашивания при
обычном обтекании тел гидроабразивным потоком, так как изна-
шивание поверхности происходит в большей мере не от захлопы-
вания каверн, а от ударов абразивных частиц, скорость которых
в этом случае значительно выше средней скорости потока вслед-
ствие воздействия на них кавитационных каверн. Кроме того,
протекающие в парогазовой атмосфере кавитационной полости
тепловые, электрические, химические и другие процессы могут
облегчить отделение металла вследствие ударов абразивных
частиц.
Кавитационный износ в зависимости от его стадии определя-
ется скоростью соударения в степени «=144-6, а абразивный
износ зависит от скорости только в степени « = 24-3. Поэтому
при совместном кавитационно-абразивном износе по мере пре-
обладания абразивного износа наблюдается уменьшение пока-
зателя степени [57].
Износостойкость ПГА при гидро-газоабразивном изнашива-
нии можно повысить конструктивными мероприятиями, выбором
материалов и средств их упрочнения.
При конструировании затворов и других элементов проточной
части ПГА следует учитывать следующие требования [15]: обес-
печение возможности полного закрывания и открывания запор-
ного органа при наличии в гидросмеси твердого компонента раз-
личной фракции и исключение шлама из полостей корпуса в зоне
перемещения затвора, которые могли бы воспрепятствовать его
установке в крайнее положение; принудительное герметичное
перекрытие проходного отверстия ПГА путем расклинивания
затвора в конечном закрытом положении и его самоустановка по
седлу; выход затвора из проходного отверстия в открытом поло-
жении; обеспечение герметичности в закрытом запорном органе
арматуры при наличии перепада давления гидросмеси с одной
или с другой его стороны и др.
107
Управление свойствами материалов. Более высокую износо-
стойкость материалов по сравнению с обычной закалкой можно
получить при изотермической обработке. Химико-термическая
обработка (борирование, цементация и др.) значительно снижа-
ет износ поверхностей, но при этом необходимо учитывать глуби-
ну упрочненного слоя. При обычной закалке с повышением твер-
дости сталей значительно уменьшается их пластичность.
Износ снижают те легирующие элементы, которые образуют
энергоемкие карбиды и способствуют получению нестабильной
аустенитной структуры, претерпевающей мартенситное превра-
щение при изнашивании. Наибольшую износостойкость показы-
вают нестабильные аустенитно-карбидные и аустенитно-мартен-
ситные сплавы.
В тяжелых условиях эксплуатации, когда другие способы
уменьшения износа не дают заметного эффекта, применяют
сплавы Т5КЮ, Т15К6, Т30К4, ВК6, ВКЗ.
4.4.	Процессы изнашивания элементов ПГА
при контактном взаимодействии
Основными механизмами изнашивания, возникающими при
контактном взаимодействии между элементами ПГА (трибоси-
стемы I, II, III, IV), являются: коррозионно-механический; ус-
талостный; адгезионный; абразивный.
Превалирование того или иного механизма изнашивания
твердых тел, как было показано на рис. 3.1, в большей степени
определялось свойствами рабочих сред. Хотя каждый из этих
механизмов имеет специфику и в различных эксплуатационных
условиях проявляется индивидуально, в ряде случаев они могут
действовать одновременно.
Каждая из четырех трибосистем, в которых имеет место
контакт твердых тел, объединяет большое количество реальных
сопряжений различных типов ПГА, функционирующих при раз-
личных внешних условиях, что говорит о многоцелевом назна-
чении каждой из трибосистем.
Например, один и тот же тип затвора (трибосистема I) мо-
жет работать в газовых и жидких средах, инактивных и корро-
зионно-активных, но при этом структура трибосистемы остает-
ся постоянной (имеются две контактирующие поверхности), из
меняются только виды взаимодействия, характер которых
определяется внешними условиями и прежде всего рабочей
средой.
Так как большинство рабочих сред, для которых использует-
ся высоконадежная ПГА, являются коррозионно-активными,
преобладающим видом изнашивания является коррозионно-ме-
ханическое. В условиях эксплуатации ПГА этому виду изнаши-
вания присущи признаки усталостного, абразивного и других
108
механизмов (цикличность работы пар трения ПГА. наличие в
средах абразивных частиц; ограничения по материалам, связан-
ные с составом рабочей среды, и ряд других особенностей).
Коррозионно-механическое изнашивание
Согласно ГОСТ 23.002—78 изнашивание в результате меха-
нического воздействия, сопровождаемого химическим и (или)
электрохимическим взаимодействием материала со средой, на-
зывают коррозионно-механическим.
Основным процессом любого вида изнашивания является
отделение материала на трущихся деталях (потери структуры
системы в трибосистемах). Коррозионно-механическое изнаши-
вание можно характеризовать двумя взаимосвязанными процес-
сами— растворением и отделением материала. В основе перво-
го лежат механохимические явления, вызывающие резкое
усиление коррозионного растворения деформированной зоны
трения. Второй процесс связан с локализацией механохимиче-
ских процессов и динамическим генерированием поверхностных
и подповерхностных микротрещин. Разумеется, такое деление
сделано условно, так как протекающие процессы тесно взаимо-
связаны.
Механохимические воздействия при изнашивании. Механохи-
мические процессы твердых тел охватывают взаимосвязанные
явления, протекающие при механохимических воздействиях на
твердое тело или отдельные его части, участвующие в химиче-
ских реакциях с другими веществами или между собой
[26].
Трение в коррозионно-активных системах сопровождается
механохимическими реакциями. Эти реакции, характерные для
деформированного металла, приводят к значительным измене-
ниям закономерностей, присущих стационарным электрохими-
ческим системам. Например, происходит почти полное подавле-
ние пассивных областей, резко сдвигаются в отрицательную
область значения стационарных потенциалов трения (особенно
при нагрузках, вызывающих пластические деформации).
Подробное описание механохимических эффектов деформи-
рованного металла применительно к коррозии под напряжени-
ем приведено в работе [26]. Необходимо отметить следующее.
Приложение к твердому телу избыточного давления ДР (меха-
нической нагрузки) влечет за собой изменение химического по-
тенциала на величину ДРГ (V—мольный объем металла) и со-
ответственно интенсификацию растворения деформированного
металла. Если на твердое тело действуют два внешних фактора:
механический и электрический (например, поляризация от по-
стороннего источника тока), то механоэлектрохимическая ак-
тивность ионов возрастает экспоненциально в зависимости от
109
механической (ДРУ) и электрохимической (ZF<p) составляющих
(здесь Z— валентность ионов, F—число Фарадея, <р — электри-
ческий потенциал системы).
Наиболее интенсивно проявляется механохимический эффект
при высоких механических напряжениях, вызывающих пластиче-
скую деформацию. Причем решающее значение в достижении
экстремальных параметров анодной реакции имеет стадия дефор-
мационного упрочнения (II). Сдвиг потенциалов может состав-
лять сотни милливольт, а анодный ток может увеличиваться в
десятки тысяч раз. Увеличение анодного растворения металла
обусловлено локальным понижением стандартного потенциала
в окрестностях дислокации по мере увеличения их числа в груп-
пах, образующих плоские скопления перед барьерами в процессе
деформационного упрочнения. Формирование скоплений дисло-
каций увеличивает внутренние напряжения и вызывает упрочне-
ние, о чем свидетельствует увеличение микротвердости в этих
областях. В районе скоплений образуются локальные концентра-
торы напряжений, характеризуемые значениями лДт (здесь п —
число дислокаций, т — упрочнение при пластической деформа-
ции). Эти значения напряжений определяют химический потен-
циал поверхностных атомов металла.
Указанные закономерности полностью присущи процессам
коррозионно-механического изнашивания. Пластическая дефор-
мация, не сопровождающаяся значительным деформационным
упрочнением, т. е. на стадиях легкого скольжения (I) и (или)
динамического возврата (III), не приводит к заметному механо-
химическому эффекту. При исследовании изнашивания коррози-
онно-стойких сталей в щелочных, кислых и нейтральных средах
установлено (Ю. Л. Лохвицким и В. П. Иванчуком), что интен-
сивность изнашивания возрастала с увеличением нагрузки, при-
чем наиболее активно при совместном увеличении нагрузки и
концентрации сред, хотя при возрастании концентрации улучши-
лись смазочные свойства среды и ее «грузоподъемность» — плот-
ность среды возрастала в несколько раз (рис. 4.6).
Аналогичной была тенденция роста и потенциала трения
(рис. 4.7). Максимальное упрочнение поверхности происходило
при максимальном сдвиге потенциала. В проведенных экспери-
ментах микротвердость упрочненных зон трения стали
08Х18Н10Т увеличилась с 1400—1800 до 4800—5300 Н/мм2.
В упрочненных зонах фиксировался сдвиг потенциала трения
относительно значения в состоянии покоя. Этот сдвиг зависел
от увеличения нагрузки и был более интенсивным при совмест-
ном возрастании нагрузки и активности среды. Указанные зако-
номерности наблюдались многими исследователями, работы ко-
торых были посвящены коррозионно-механическому изнашива-
нию.
Приросту тока способствуют деформационно-упрочненные
по
Рис. 4.6. Изменение интенсивности изнашивания (Л) пары трения из стали
08Х18Н10Т при наработке циклов (/ = 20°С):
1,1' —в дистиллированной воде; 2,2’— в 1%-ном растворе КОН; 3,3'—в 40%-ном рас-
творе КОН; нагрузка на индентор соответственно 3 и 30 Н
Рис. 4.7. Изменение потенциала трения-
1,1', 1" — в 1%-ном растворе КОН; 2,2', 2" — в 40%-ном растворе КОН; нагрузка на ин-
дентор соответственно 0,3. 3 и 30 Н
участки дорожки трения — области скоплений дислокаций, кото-
рые находятся в возбужденном состоянии (локализация механо-
химического эффекта).
При возвратно-поступательном трении наибольшая локальная
механохимическая активация наблюдалась в зоне реверса. Об
этом свидетельствует и максимальная амплитуда высокочастот-
ных колебаний потенциала трения в течение полуцикла (рис.
4.8). Эти колебания вызваны высокочастотным изменением на-
пряжений и деформаций, которое определяется дискретностью
контакта в зоне фактической площади контакта и реверсивно-
стью вектора тангенциальных сил трения. Чем больше была
амплитуда, тем больше наблюдался износ. Минимальная амп-
литуда тока была при стационарном потенциале трения.
Поверхностное разрушение зоны трения интенсифицируется
также в результате действия хемомеханического эффекта, за-
ключающегося в облегчении разрядки дислокаций, скапливаю-
щихся у поверхностных барьеров, в результате протекания кор-
розионных процессов [26]. Как правило, растворению подверга-
ются зоны выхода линий и полос скольжения, границы зерен и
другие дефекты.
Однако, если оценить потерю массы при изнашивании толь-
ко вследствие механохимических и хемомеханических реакций,
т. е. в результате интенсификации растворения, то она будет
меньше реальной. Объяснить эту разницу можно, рассмотрев
ill
Рис. 4.8. Колебание потенциала трения в течение одного цикла:
1,1', 1"—1%-ный раствор КОН; нагрузка на идентор соответственно 3. 10 и 30 Н; 2—
40% ный раствор КОН. нагрузка 10 Н
поля напряжений, возникающие при контактном взаимодействии
деталей трения, с учетом локализации механохимических и хе-
момеханических процессов.
Контактное взаимодействие трущихся поверхностей. Если
пренебречь средой как активным фактором коррозионно-меха-
нического разрушения, то основным источником зарождающихся
поверхностных и подповерхностных трещин являются перемен-
ные поля напряжений, возникающие в зоне контакта при тре-
нии. Герцом для статического упругого контакта было найдено,
что максимальное напряжение сжатия возникает на поверхно-
сти, а максимальное касательное напряжение находится на не-
которой глубине под ней.
Тангенциальная сила трения в качественном и количествен-
ном отношении изменяет характер деформации приповерхност-
ных слоев — поля напряжений в зоне контакта сдвигаются в
направлении действия этой силы. При возвратно-поступатель-
ном движении эти поля являются знакопеременными, поэтому
одним из важнейших факторов воздействия становится подпо-
верхностное знакопеременное касательное напряжение.
Если силы трения невелики, то последнее может способство-
вать образованию сплошного подповерхностного пластичного
слоя, несмотря на то, что поверхность может деформироваться
упруго. Вероятность такой ситуации тем больше, чем больше
внешняя нормальная нагрузка и меньше расстояние между по-
верхностными неровностями. За движущимися выступами об-
разуются области растягивающих деформаций, которые при
увеличении силы трения постепенно сливаются с глубинными
областями растягивающих деформаций, вызванными касатель-
112
Рис. 4.9. Изменение интенсивности изнашивания в зависимости от темпера-
туры и нагрузки:
-----------Ы0’ циклов (А — нагрузка ЗН);--------— 1-10* циклов (Q — нагрузка 10 Н);
-II — II--4- 10* циклов (□ — нагрузка 30 Н)
Рис. 4.10. Модель коррозионно-механического изнашивания
ными напряжениями [63]. Под действием этих знакопеременных
полей напряжений развиваются усталостные процессы.
Усталостные процессы при контактном взаимодействии даже
в обычных условиях имеют одну особенность — отсутствует пре-
дел контактной выносливости [109, 115].
Известно, что циклически нагруженные материалы и в корро-
зионно-активных средах также не имеют предела выносливости.
Поэтому при трении в этих средах будет происходить постоянное
усталостное разрушение зоны контакта (износ не стабилизиру-
ется). Об этом свидетельствуют ранее приводимые зависимости
«интенсивность износа — путь трения» (см. рис. 4.6), а также
экспоненциальные зависимости интенсивности износа от дейст-
вующих внешних (рис. 4.9) факторов (нагрузки, концентрации,
температуры и т. д.).
С учетом структуры металлов коррозионно-механическое из-
нашивание можно схематически представить в виде модели, изо-
113
Сраженной на рис. 4.10 (показан контакт одной микронеровности
индентора с плоским контртелом). Действующие силы на мик-
ровыступ— нормальная (ДРН) и тангенциальная (ДР/). Рас-
смотрим случай, когда действующие внешние силы вызывают
упругопластическую деформацию на стадии деформационного
упрочнения (II).
При совместном действии нормальной и тангенциальной си-
лы максимум подповерхностных касательных напряжений, как
и поле касательных напряжений, сдвинется в сторону движения
(примерно на два радиуса контакта Герца) [109], в то же вре-
мя максимальные нормальные напряжения находятся в зоне кон-
такта индентора и контртела. Таким образом, образуются по-
верхностный (наружный) и подповерхностный (внутренний)
активные слои. Глубина внутреннего слоя по данным работы
[63] зависит в основном от среднего расстояния между повторя-
ющимися неровностями и не превышает полуторного расстоя-
ния между ними. Максимальная область касательных напряже-
ний расположена на глубине (0,7—0,8) ая (здесь ая — радиус
контакта Герца). Разрушение в подповерхностном слое (очер-
чено штрихпунктирной линией) под действием знакопеременных
напряжений развивается как последовательность событий, вы-
званных усталостными процессами: зарождение трещин, рост
трещин, их пересечение и отслаивание окруженных трещинами
площадей. Механизм зарождения, страгивания и распростране-
ния поверхностных и подповерхностных трещин аналогичен из-
вестным дислокационным механизмам для объема материала,
описанным Зинером, Котреллом, Стро, Канном и др.
В результате работы источников дислокаций (например,
Франка Рида) под действием полей напряжений перед граница-
ми зерен образуются дислокационные скопления. Высокая кон-
центрация растягивающих напряжений в скоплениях дислока-
ций перед барьером (границей зерна, неметаллическим включе-
нием, карбидной частицей и т. д.) может привести к зарождению
трещины. Что касается наружного активного слоя, то он, как
правило, имеет уже зародыши трещин (последствие механиче-
ской обработки поверхности, анодные участки и т. д.). В услови-
ях локализации механохимических реакций, кроме имеющихся
дефектов, возникают новые — прежде всего в местах локализа-
ции этих реакций.
Рост трещин с поверхности аналогичен механизму, описанно-
му в работе [107]. Наибольшее количество дислокационных пе-
тель могут генерировать источники Si, находящиеся в централь-
ной части зерна (на рис. 4.10, а, зерно 2), а приповерхностные
источники сразу же блокируются близлежащими границами. Об-
разующиеся скопления влекут за собой активацию растворения
в этих местах. Это сразу приводит к работе заблокированных ра-
нее приповерхностных источников (S2) при тех же действующих
114
напряжениях. На поверхности зерна (со стороны среды) будет
происходить разрядка дислокаций, а внутри его — постепенное
их накопление до критического значения, когда возможно обра-
зование трещины (рис. 4.10, а, зерно 3). В то же время перед
фронтом трещины А, распространяющейся, например, вследствие
коррозионного воздействия, возникает поле напряжения (щ),
способствующее увеличению этой трещины. Если бы развива-
лась только трещина А, то после распространения ее в зоне
влияния напряжений си рост ее резко затормозился и опреде-
лялся только электрохимическими закономерностями. Однако
в результате одновременно развивающейся трещины Б, также
заполненной коррозионно-активной средой, и анодного растворе-
ния начинают работать источники S3, приводя к дальнейшему
возникновению поля нормальных напряжений о3 перед фронтом
растущей трещины Б.
В свою очередь, рост трещины Б вызовет работу источников
S4 и приведет к созданию дальнейших граничных полей напря-
жения перед фронтом новых трещин, развивающихся по этому
механизму. При благоприятных условиях не исключена вероят-
ность увеличения трещин из питтингов (зерно 4), возникших
вследствие локализации механохимического эффекта. К тому
же надо учитывать, что поверхностные трещины, развиваю-
щиеся по механохимическому механизму, на некоторой глубине
будут соединяться с трещинами, возникшими в зоне L — зоне
максимальных касательных напряжений (см. рис. 4.10, б). Часть
зерен, ослабленных трещинами, будет механически удаляться.
Экспериментально это обнаруживается по изменению шерохова-
тости поверхности — спектры поверхности значительно изменя-
ются за счет высокочастотных составляющих микрорельефа, со-
ответствующих микронеровностям с шагами менее 10—15 мкм
(методика получения спектров поверхностных неровностей изло-
жена в работе [4]).
Методы повышения износостойкости при коррозионно-механи-
ческом изнашивании. Методы повышения износостойкости долж-
ны учитывать прежде всего возможность подавления механохи-
мических реакций, а также торможения процессов зарождения и
роста подповерхностных микротрещин. Исходя из того, что прак-
тически нельзя ослабить действие внешних факторов, т. е. умень-
шить интенсивность параметров трения (нагрузки, скорости, кон-
центрации и температуры среды), наиболее предпочтительными
методами повышения износостойкости представляются методы
поверхностного упрочнения.
В обычных условиях трения применение того или иного мето-
да упрочнения не являлось определяющим — все зависит от сте-
пени необходимого упрочнения и (или) насыщения поверх-
ности антифрикционными или износостойкими компонентами
[100].
115
В условиях коррозионно-механического изнашивания, помимо
функции упрочнения (т. е. торможения дислокаций, создания
дислокационных барьеров), важна химическая стойкость состав-
ляющих сплава, т. е. метод упрочнения не должен приводить к
увеличению механохимической активности. По этой причине не-
целесообразны любые методы деформационного упрочнения, по-
следствием которого является активизация растворения упроч-
ненных участков.
Не всегда можно достичь цели такими известными методами
упрочнения, как термическая или химико-термическая обработ-
ка, если в сплавах содержатся нестойкие структурные составля-
ющие или компоненты. Упрочнение дисперсными частицами яв-
ляется эффективней других методов благодаря снижению актив-
ности источников дислокаций и взаимодействию остаточных
петель (вокруг дисперсных частиц) с плоскими скоплениями
дислокаций; оба фактора уменьшают напряжение на головной
дислокации и облегчают ее задержку. Однако этот метод может
оказаться неэффективным, если дисперсно-упрочненный сплав
содержит химически нестойкие в данной среде компоненты. На-
пример, испытанные в концентрированных водных растворах
щелочей уплотнительные элементы затвора, изготовленные из
сплава 36НХТЮ, упрочненного выделенной дисперсной фазой
состава (Ni, Fe)3(Ti, Al), не обеспечили стабильности микрорель-
ефа поверхности, так как концентрированные растворы щелочей
при температурах выше 70°С избирательно растворяют А1 и Ti
независимо от того, в каком состоянии они находятся в сплаве.
Применение в этих средах дисперсно-упрочненного покрытия
Ni—Р («химический никель») обеспечило не только стабильность
микрорельефа, но и значительное повышение износостой-
кости.
Таким образом, можно сформулировать следующие требова-
ния к методам упрочнения, а следовательно, и пути повышения
износостойкости в коррозионно-активных средах.
1.	При упрочнении поверхностей трения необходимо исклю-
чить деформационные методы, а также методы диффузионного
насыщения нестойкими в данных средах компонентами или на-
несение пористых покрытий.
2.	Весьма перспективными являются методы поверхностного
нанесения коррозионно-стойких дисперсионно-твердеющих ком-
позиций (например, химических покрытий Ni—Р) или соответ-
ствующего диффузионного насыщения.
3.	При выборе метода упрочнения необходимо помнить о под-
поверхностной деформационно-активной зоне L (рис. 4.10). Уп-
рочняющий слой должен превышать ее по глубине, для чего не-
обходимо иметь информацию о полях напряжений в зоне
контакта. Недостаточная глубина упрочнения и резкий градиент
свойств по глубине при переходе от матрицы к покрытию, равно
116
как и их пористость, не обеспечат соответствующей долговечно-
сти упрочненного слоя.
4.	Метод упрочнения должен обеспечивать получение сжима-
ющих напряжений и плавный градиент свойств (из глубины к
поверхности). Из этих соображений покрытия в виде тонкого по-
верхностного слоя (толщиной меньше L) могут применяться, ес-
ли они имеют сжимающее напряжение, а переходной слой явля-
ется подслоем с плавным изменением градиента механических
свойств. Примером такой композиции может служить азотиро-
ванная хромоникелевая сталь (ионное азотирование) с плакиро-
ванным титано-азотированным слоем, толщиной до 10 мкм (тол-
щина азотированного слоя — 80—100 мкм).
Некоторые особенности других видов изнашивания
пар трения ПГА
Абразивное изнашивание при трении. Элементы трибосистем
I, II, III, реже IV могут подвергаться абразивному изнашиванию
свободным абразивом, так как редко удается предотвратить по-
падание абразивных частиц в зазор, образованный трущимися
или уплотнительными поверхностями.
Явление истирания возникает при прямом физическом кон-
такте двух поверхностей, из которых одна (абразивная частица)
значительно тверже другой. Неровности твердой поверхности
внедряются в мягкую поверхность при пластическом течении
мягкого материала вокруг твердых неровностей. При наложении
тангенциального движения твердая поверхность будет скользить
и отделять мягкий материал.
Важным обстоятельством является взаимное влияние твердо-
стей абразивных частиц и сопрягаемых деталей на их изнашива-
ние: с увеличением поверхностной твердости металла элемента
трибосистемы уменьшается износ.
В зависимости от соотношения между твердостью абразива
На и твердостью металла возможны три различных режима
абразивного изнашивания: 1) режим слабого изнашивания при
Н&<НЫ\ 2) переходный режим при На~Нм и 3) режим сильно-
го изнашивания при Н&>НМ. Поэтому для снижения абразивной
составляющей изнашивания твердость материала должна быть в
1,3 раза больше твердости абразива, т. е. условие Ям«1,3//а
можно использовать в качестве критерия малой интенсивности
абразивного изнашивания. Повышать твердость материала более
1,3 твердости абразива нецелесообразно, так как оно не приведет
к значительному улучшению износостойкости [109].
Методы борьбы с абразивным изнашиванием, помимо управ-
ления твердостью трущихся поверхностей, почти аналогичны
описанным выше методам борьбы с гидро- и газоабразивным из-
нашиванием.
117
Движение
Разрушение
Рис 4.11. Схема меха-
низма адгезионного изна-
шивания
Механизмы адгезионного изнашивания. Трение имеет двойст-
венную адгезионно-деформационную природу. Однако могут соз-
даваться условия, при которых превалирующая роль в механиз-
ме изнашивания принадлежит процессу адгезии (например, тре-
ние в вакууме, в неокислительных газовых средах). Такое
адгезионное изнашивание происходит в результате подповерх-
ностного разрушения одного или обоих материалов (рис. 4.11).
В отличие от других механизмов изнашивания, для которых тре-
буется определенное время на развитие или достижение крити-
ческой разрушительной величины, адгезионное изнашивание воз-
никает довольно быстро, приводя к тяжелым формам поврежде-
ния в виде задира или заедания движущихся частей. В вакууме
отмечаются следующие экспериментальные факты, обычно спра-
ведливые для процессов адгезионного изнашивания пар сколь-
жения металл — металл [109].
1.	Металлическая адгезионная связь на поверхности раздела
возникает в любой паре металлов; прямая связь между (объем-
ной) растворимостью пары металлов и их (поверхностной) адге-
зионной связью отсутствует.
2.	Кристаллическая структура оказывает влияние на адгези-
онное изнашивание. Металлы с гексагональной кристаллической
решеткой, как правило, обладают меньшими характеристиками
адгезионного изнашивания, чем металлы с объемно- и гранецент-
рированной кубическими кристаллическими решетками. Это раз-
личие по предположению связано с различием форм пластиче-
ской деформации микронеровностей и числом работоспособных
систем скольжения в кристаллических системах.
3.	Ориентация кристаллов влияет на адгезионное изнашива-
ние. Как правило, высокая плотность атомов и ориентация зерен,
характеризуемая малой поверхностной энергией, дают меньшие
адгезионные силы и адгезионное изнашивание, чем другие ориен-
тации.
4.	В случае контакта разнородных металлов процесс адгези-
онного изнашивания обычно приводит к переносу частиц когези-
онно более слабого материала на когезионно более прочный.
5.	Малые количества легирующих элементов (несколько час-
тей на миллион), таких, как углерод и сера, существенно снижа-
ют адгезию металлических сплавов и тем самым минимизируют
118
их адгезионное изнашивание (активируемые выделяющейся при
трении теплотой углерод и сера будут диффундировать на по-
верхность, достигая здесь концентраций, превышающих концен-
трации в объеме материала).
4.5.	Процессы, приводящие к потере прочности
металлическими материалами
Процессы потери прочности корпусными и другими несущи-
ми деталями ПГА, от которых требуется объемная прочность,
связаны с деградацией структуры металлов и сплавов, из кото-
рых они изготовлены (элементы подсистем 4, 6, 7 структуры
ПГА — рис. 1.10).
Число отказов объемно-разрушенных деталей небольшое
(до 10%) по сравнению с отказами, вызванными поверхностны-
ми процессами. Число таких отказов, связанных с корпусными
деталями, еще меньше (3—4%). Однако малочисленные отказы
корпусных деталей заслуживают особого внимания ввиду их
высокой потенциальной опасности, связанной с последствиями
разрушения сосуда под давлением.
Хрупкое разрушение пластичных материалов. Одним из глав-
ных условий обеспечения высокой надежности корпусных и дру-
гих деталей ПГА является исключение внезапных отказов, вы-
званных хрупким разрушением. Отличительной особенностью
хрупкого разрушения является возникновение очага разрушения
при малой степени деформации и быстрое его распространение.
Следует отметить, что в этом случае хрупкие материалы не
имеются в виду. Такие материалы практически не используют
для корпусов и других ответственных деталей ПГА. Примене-
ние нашли прочные и вязкие стали и сплавы. В большинстве
случаев хрупкое разрушение пластичных материалов вызвано
их невысоким качеством в состоянии поставки, с остаточными
технологическими, термическими и механическими напряжения-
ми. Вероятность хрупкого разрушения деталей и сплавов повы-
шается при высоком уровне напряжений, особенно в ферритных
сталях (в зонах конструктивных и технологических концентра-
торов напряжений при увеличении толщины стенки конструкции,
с понижением температуры и повышением скорости нагружения).
Особую опасность с точки зрения хрупкого разрушения
представляют сварные соединения, обладающие значительной
дефектностью. Местные пространственные искажения зоны
сварного шва под влиянием сварки плавлением приводят к
возникновению остаточных напряжений, достигающих часто пре-
дела текучести материала. Такие высокие напряжения незави-
симо от приложенных внешних напряжений или в сумме с ними
могут приводить к возникновению нестабильного развития тре-
щины. Кроме того, термические и деформационные циклы, вы-
119
званные сваркой, могут привести к значительному охрупчива-
нию материала в околошовной зоне. Причины охрупчивания
для разных сталей различны. В малоуглеродистых сталях ох-
рупчивание определяется в основном деформационным старени-
ем, а в легированных сталях — локальным выпадением карби-
дов по границам зерен при термическом влиянии. Охрупчива-
нию способствуют также процессы, которые происходят при
различных видах термообработки и структурной нестабильности,
которые нельзя не учитывать, если говорить о сохранении ста-
бильности свойств металлов и сплавов в течение срока службы.
Наиболее опасны следующие формы структурной нестабиль-
ности: отпускная хрупкость; сфероидизация; графитизация; вы-
деление графита или образование сигма-фазы.
Причины образования структурной нестабильности достаточ-
но полно изложены в литературе [75].
Хрупкое разрушение стали наступает также в условиях рез-
кого снижения характеристик вязкости разрушения при опреде-
ленных температурах. Следовательно, вязкость материала —
важнейший фактор, который должен учитываться прежде всего
при расчетах корпусных деталей (сосуды под давлением). Не
следует отождествлять вязкость с повышенной склонностью к
пластической деформации. Вязкость разрушения связана с ра-
ботой пластической деформации, однако отсюда не следует, что
склонность к пластической деформации и есть вязкость. Неко-
торые материалы (например, окись магния) могут быть пласти-
чески деформированы, однако вязкостью не обладают. Более
правильным критерием вязкости является сопротивление мате-
риала распространению трещины.
Быстрое макрохрупкое разрушение характеризуется неста-
бильным распространением трещины в конструкции — если
трещина начала увеличиваться, то система действующих напря-
жений способствует ее ускоренному росту. При этом хрупкое
разрушение почти всегда вызвано приложенными напряжения-
ми, которые меньше, чем рассчитанные с учетом соответствую-
щих правил проектирования и коэффициентов запаса. Это об-
стоятельство привело к общему описанию таких разрушений,
как хрупкие, т. е. таких, при которых нестабильный (или
неуправляемый) рост трещин происходит при напряжениях,
меньших предела текучести.
Требования к вязкости материала должны предотвратить
возможность хрупкого разрушения от наибольшего дефекта при
заданном уровне рабочих напряжений. Действующие рабочие
напряжения в корпусных деталях складываются из напряжений
от гидростатистического давления, от изгибающего усилия, дей-
ствующего на патрубки корпусов от трубопроводов, от усилия
на запорный орган, а также от любых дополнительных концент-
раторов напряжений (включая металлургические дефекты).
120
Если известны максимальный размер дефекта и уровень
рабочих напряжений в его зоне, то можно определить условия
зазрушения, пользуясь положениями механики разрушения
16, 76]. Однако это возможно только при полном неразрушаю-
щем контроле структуры материала, что в практике изготовле-
ния и эксплуатации ПГА не всегда доступно.
Наиболее достоверное определение полей напряжений может
быть выполнено численно-экспериментальными методами, на-
пример сочетанием численных методов конечных элементов или
потенциалов и оптико-поляризационных или интерференционной
голографии [12]. Эти методы не нашли распространения в арма-
туростроении, а толщину стенок корпусов ПГА определяют в
большинстве случаев конструктивно либо с помощью простых
инженерных расчетов, основанных на применении характери-
стик кратковременной прочности (сгв, оо,2, Он), а в лучшем случае
с учетом характеристик усталости.
Для исключения случаев хрупкого разрушения корпусных
и других деталей, до широкого внедрения в практику проек-
тирования, производства и эксплуатации ПГА численных рас-
четно-экспериментальных методов, а также соответствующих
методов неразрушающего контроля с высокой разрешающей
способностью можно рекомендовать следующие мероприятия.
1.	Применяемые материалы для деталей высоконадежной
ПГА и в первую очередь для ПГА высокого давления с токсич-
ными, пожаровзрывоопасными и агрессивными средами должны
иметь ограничения по металургическим дефектам, что достигает-
ся применением рафинированных сталей и сплавов (вакуумно-
дуговой, вакуумно-индукционный, электрошлаковый переплавы).
Материалы должны проходить входной контроль.
2.	При конструировании по возможности стараться избегать
резких переходов, острых углов, кромок и других концентрато-
ров напряжений. Не допускать расположения сварных швов
около конструктивных концентраторов напряжений.
3.	Сварные конструкции должны обязательно подвергаться
термообработке по соответствующим режимам с целью снятия
внутренних напряжений и стабилизации структуры шва и около-
шовной зоны.
4.	Применять металлы и сплавы, а также соответствующие
технологии формирования деталей ПГА, исключающие сущест-
вование в процессе эксплуатации любых форм их структурной
нестабильности.
5.	Рекомендовать применение материалов для корпусных и
Других тяжелонагруженных деталей ПГА с большим значением
коэффициента интенсивности напряжения К\с.
Если исключить возможность проявления хрупкого разруше-
ния, а следовательно, вероятность возникновения внезапного
отказа, то долговечность корпусных и других объемно-напря-
121
женных элементов ПГА будет зависеть от деградации структу-
ры металлов. Этот процесс представляет собой следующую
ПСЦ: зарождение микротрещин-»-их рост-»-образование и рост
магистральной трещины до критического состояния —^разруше-
ние. Эти процессы по сопоставлению различных режимов экс-
плуатации ПГА могут происходить под действием статических,
динамических (вибрация, удары), циклических (пульсации
давления, пуски-остановки гидропневмосистем) нагрузок. Цик-
лический режим работы является превалирующим для боль-
шинства деталей ПГА.
Зарождение трещины. 1. В случае однородных материалов,
не содержащих никаких дефектов, первые микротрещины возни-
кают всегда на поверхности. Это связано с тем, что по мере
наработки циклов нагружения постепенно образуются линии и
полосы скольжения, выходящие на поверхность. Возникает
поверхностный рельеф, образованный экструзией (выдавливани-
ем) или интрузией (вдавливанием) металла в зонах полос
скольжения. Места интрузии являются концентраторами напря-
жений, способствующих образованию трещин.
2.	Кроме случаев по п. 1, трещины образуются по дислокаци-
онным механизмам. Дислокационные модели (Зинера — Стро,
Котрелла, Мотта и др.) описывают зарождение трещины как
следствие высокой концентрации напряжений в скоплении
дислокаций перед препятствием — границей зерна, разрывами
сплошности, неметаллическими включениями и т. д.
3.	Любые технологические (поверхностные и объемные) де-
фекты являются источниками трещин, либо уже образованных
в процессе предшествующей обработки, либо возникающих в
процессе нагружения, по механизмам п. 1 или п. 2.
4.	Трещины могут образоваться на поверхности деталей в
процессе эксплуатации, в результате процессов коррозии (осо-
бенно локальных ее видов — питтинговой, щелевой, межкристал-
литной), кавитации, изнашивания (трибосистемы I... V).
Распространение трещины. В процессе циклического нагру-
жения обычно возникает большое число микротрещин, но
только некоторые из них впоследствии распространяются. После
достижения трещинами определенного значения, составляющего
несколько десятых миллиметра для мягких материалов и не-
сколько сотых миллиметра для высокопрочных материалов, и
слияния некоторых из них образуется одна трещина с критиче-
ским размером /с. Она, как правило, расположена в плоскости,
перпендикулярной максимальному напряжению [72, 111].
Распространение усталостных трещин представляет непре-
рывный и повторяющийся процесс. Размер трещины увеличи-
вается с каждым циклом нагружения, причем одновременно
уменьшается прочность. На изломе разрушенной детали имеют-
ся усталостные канавки. Расстояние между канавками соответ-
122
ствует приросту за один цикл. Однако явно выраженные канав-
ки наблюдаются не на всех сплавах. Они, например, не всегда
видимы на изломах высокопрочных мартенситных сталей. Для
ряда технических материалов наблюдается усталостное разру-
шение транскристаллитного и межкристаллитного характера.
Межкристаллитному разрушению способствует наличие корро-
зионно-активной среды.
С практической точки зрения, важное значение имеет надеж-
ное описание скорости распространения трещины в зависимости
от параметров нагружения и свойств материалов, а также опре-
деление условий, при соблюдении которых имеющиеся трещины
не будут распространяться.
Парис [116J установил, что скорость распространения трещи-
ны является однозначной функцией коэффициента интенсивно-
сти напряжений. Зависимость скорости распространения трещи-
ны от коэффициента интенсивности напряжений должна оста-
ваться одинаковой для разных тел.
Коэффициент интенсивности напряжений (МН-м-3/2)
/С=ор/л/.	(4.1)
Величина К описывает интенсивность поля напряжений в
зоне вершины трещины и является его интегральной характери-
стикой, средней для некоторой малой области, в которой проис-
ходит разрушение. Трещина начинает расти, когда коэффициент
интенсивности напряжений достигает порогового значения (Kic),
постоянного для данного материала при данных условиях.
По существу, Kic — это константа материала, характеризующая
трещиностойкость.
Скорость распространения усталостных трещин определяет-
ся как Д//ДМ, т. е. прирост длины трещины Д/ в течение выбран-
ного числа циклов нагружения ДМ. В предельном случае —
dlldN. Эта скорость распространения трещины является функ-
цией амплитудного значения коэффициента интенсивности на-
пряжения: Ка= (Кшах—Ктш)/2 (здесь Ктах и Ктш — экстремаль-
ные значения К — фактора в течение цикла нагружения) [111].
Показанная на рис. 4.12 зависимость для различных мате-
риалов зависит от действия окружающих сред. При рассмотре-
нии кривых распространения трещин (обзор математических
уравнений приведен в работе [50]) важно учитывать, что имеется
пороговое значение амплитудного коэффициента интенсивности
напряжений, ниже которого трещина не распространяется. Это
значение представляет одну из важных характеристик мате-
риалов. Для тела с трещиной I условием нераспространения
трещины является
/GCKanr
где Kath — пороговое значение амплитудного коэффициента интенсивности на-
пряжений.
123
lytil/dN
Рис. 4.12. Зависимость ско-
рости распространения уста-
лостных трещин от ампли-
туды коэффициента интен-
сивности напряжений [111]
Рис. 4.13. Корреляция между
пороговым коэффициентом ин-
тенсивности напряжений и пре-
делом текучести различных ста-
лей [111]
Не вдаваясь в формальные выкладки и результаты экспери-
ментов, которые подробно изложены во многих работах, напри-
мер, в работе [111], можно отметить, что предел выносливости
прямо пропорционален характеристике материала ftath
(рис. 4.13) [85, 111, 115, 117]. В пределах большой зоны рассея-
ния пороговое значение понижается с увеличением предела
текучести стали. Для определенного предела текучести порого-
вые значения для разных сталей могут отличаться почти в
3 раза, что указывает на решающее значение не предела теку-
чести, а константы материалов Kath. Это становится понятным,
так как большинство деталей содержит структурные дефекты
и первотрещины. Поэтому для оценки эксплуатационной надеж-
ности (и прежде всего долговечности) решающими являются
характеристики стойкости против распространения трещин (Кк,
Kath, Kite и др.), и только на втором плане находятся характе-
ристики кратковременной прочности (оо.2, ов).
Влияние температуры. Повышение температуры в общем слу-
чае облегчает деформацию, а понижение — тормозит. Однако в
условиях циклического нагружения поведение материалов слож-
нее, так как в области повышенных температур происходит
взаимодействие усталостного разрушения при ползучести, а в
области пониженных температур — взаимодействие усталостно-
го и хрупкого разрушения. Понижение температуры в общем
способствует переходу от вязких процессов к процессам скола
(хрупкое разрушение), что приводит к резкому снижению несу-
щей способности конструкций. В этом случае перспективными
124
-1
rl 2
Рис. 4.14. Зависимость о =
= /(л/)~1/2 [106]
являются стали аустенитного класса,
не имеющие склонности к охрупчива-
нию в широком диапазоне температур.
Влияние рабочих сред. Коррозион-
но-активные среды почти во всех слу-
чаях способствуют увеличению скоро-
сти распространения трещин как уста-
лостных, так и находящихся под ста-
тическим напряжением (коррозионное
растрескивание). Механизм этих про-
цессов частично освещен на с. 83, а
также в работах [26, 106, 107, 111].
Для количественного описания процесса коррозионного
растрескивания или коррозионной усталости можно также вос-
пользоваться линейной или нелинейной механикой разрушения
[106]. Когда коэффициент интенсивности напряжения (или вяз-
кость разрушения) для образцов с трещинами в коррозионных
средах ниже значения К\с, развитие трещины происходит вслед-
ствие коррозии под напряжением. Однако существует предель-
ное значение этого коэффициента, ниже которого рост трещин
определяется только коррозионным процессом и не зависит от
действующих напряжений. Например, рост трещины может
происходить в результате аэрационной или межкристаллитной
коррозии и не быть связанным с действующими напряжениями.
Это значение коэффициента интенсивности напряжений обозна-
чается как К \scc-
На основании уравнения (4.1) запишем:
для обычных условий
0 = К1с(л/)-1/2;
для коррозионно-активных сред
и построим соответствующие зависимости (рис. 4.14).
Из этого рисунка видно, что
^ic=tga1; K1Jfc=*tga2.
Следовательно, для определения критических напряжений в
случае исходной дефектности металла при испытании на возду-
хе и в коррозионной среде необходимо по экспериментально
найденным значениям К\с и Кисс построить зависимость
(рис. 4.14) и оценить опасность дефекта. Может быть решена и
обратная задача — по заданному рабочему напряжению найти
критическую длину трещины, а затем, определив скорость ее
развития, установить долговечность конструкции.
В отличие от значения критического напряжения, которое
описывает прочность данного образца с трещиной, величина
125
K\scc позволяет сравнивать результаты, полученные для образ-
цов различной формы и размеров, и ее удобно использовать в
качестве критерия при расчетах на прочность. В этом случае
условие прочности приобретает вид [106]
К 1	[^1]«СС Klscclft'
Таким образом, надежность корпусных и других объемно-
деформированных деталей определяется сопротивлением мате-
риалов распространению трещин, в частности, при циклическом
нагружении и коррозии под напряжением; степенью дефектно-
сти материалов; уровнем рабочих напряжений и местных кон-
центраций напряжений. Поэтому, кроме расчетно-эксперимен-
тальных методов, учитывающих характеристики сопротивления
материалов распространению трещин, необходимы тщательный
контроль качества выполняемых технологических операций,
применение эффективных методов неразрушающего контроля
для выяснения размера, характера и формы дефектов, деталь-
ный анализ условий нагружения при эксплуатации и др.
4.6.	Краткие сведения о процессах старения
неметаллических материалов ПГА
В ПГА полимеры применяют в основном в качестве гермети-
зирующих элементов подвижных и неподвижных уплотнений.
Широко используют резины и фторопласты, а также полиамиды.
Из указанных материалов наибольшей стойкостью к старению
обладают фторопласты — полимеры фторопроизводных этилена.
Фторопласты обладают высокой износо- и коррозионной стойко-
стью. Лишь ионизирующее излучение при длительном воздейст-
вии приводит к изменению механических свойств в нежелатель-
ную для сохранения герметизирующей способности сторону.
Другие полимеры обладают низкой стабильностью свойств во
времени. Под воздействием теплоты, кислорода воздуха, света,
механических напряжений, рабочих сред и других факторов
полимерные материалы стареют — в них протекают процессы,
сопровождающиеся необратимым деградационным изменением
их химической и физической структур и ухудшением прочност-
ных, диэлектрических и других свойств. Способность полимер-
ных материалов стареть зависит от химического состава, моле-
кулярной массы, состава примесей и других факторов, связанных
с их получением и очисткой.
Основные факторы старения [78, 91, 92]. Все факторы услов-
но можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним
относятся состав и структура полимеров, молекулярная масса,
наличие внутренних дефектов. Более существенное влияние на
старение оказывают внешние факторы, к которым относят тем-
пературу, влажность воздуха и наличие в нем агрессивных при-
126
месей, кислород, механические нагрузки и т. д. Из перечислен-
ных факторов можно выделить агенты, непосредственно взаимо-
действующие с полимером, и активаторы, способствующие
такому взаимодействию.
Выступая в роли агента старения, температура способствует
развитию так называемого физического старения. В этом случае
могут протекать преимущественно физические процессы, связан-
ные с изменением механических свойств, поскольку некоторые
полимеры после переработки в изделия находятся в метаста-
бильном состоянии. Наиболее ярко процесс старения проявляет-
ся в застеклованных аморфных полимерах. Свойства таких
полимеров постепенно изменяются при их хранении после пере-
работки, причем скорость изменения зависит только от темпера-
туры. Температурная область, в которой происходят такие пре-
вращения, называется «областью старения». Она связана с
температурой стеклования и температурами других переходов,
характерных для данного полимера. Интенсивность старения в
этом случае зависит от времени.
Влажность, как и температура, может выполнять роль агента
и активатора старения. Действуя как агент старения, влажность
вступает в химическое взаимодействие с полимером или высту-
пает как пластификатор. В этом случае она способствует процес-
сам изменения вторичной структуры, релаксации внутренних
напряжений. Кроме того, влажность является причиной гидро-
литического расщепления макромолекулы и связанного с этим
изменения свойств полимера. Особенно значительные и нежела-
тельные изменения свойств полимерных материалов в условиях
влажности происходят при переходах температуры от положи-
тельных к отрицательным значениям, что неудовлетворительно
сказывается на герметизирующей способности уплотнительных
элементов.
Агрессивными агентами, эффективно взаимодействующими с
полимерами, являются кислород воздуха, пары воды, серной,
соляной, азотной и других кислот, H2S, NH3, оксиды азота,
сера, озон и другие примеси, содержащиеся в рабочей и окружа-
ющей средах. Под действием рассмотренных активаторов (аген-
тов) старения полимерный материал претерпевает различные
химические превращения. Эти превращения протекают в резуль-
тате взаимодействия полимерного материала с химически
активными активаторами и могут происходить на межмолеку-
лярном и внутримолекулярном уровнях. Считают [78], что
химические превращения по механизму свободнорадикальных
реакций включают три основные стадии: инициирование, разви-
тие и гибель активных центров.
Разрушение полимерных изделий в случае преобладающей
роли химических процессов начинается с поверхности. Этим
можно объяснить причину известного на практике различия в
127
скоростях старения «тонких» и «толстых» образцов. Скорость
деструкции «тонких» образцов определяется в основном кинети-
ческими закономерностями реакции. Скорость деструкции «тол-
стых» образцов зависит не только от кинетических факторов, но
и от диффузии реагирующего компонента (агента, вызывающе-
го старение) в полимер. В случае «толстых» образцов окисление
тонкого поверхностного слоя сопровождается образованием
поверхностных дефектов — субмикро-, микро- и макротрещин,
потерей работоспособности полимерного материала.
Механические нагрузки влияют на ускорение релаксацион-
ных процессов в стеклообразных полимерах при температурах
ниже температуры стеклования. Они могут даже ускорять хими-
ческие превращения, протекающие под действием кислорода,
воды, химически активных агентов (механохимические про-
цессы). Рассмотрим некоторые особенности старения резин, по-
лиамидов.
Резины. Широкое применение резин обусловлено свойствен-
ной им уникальной способностью обратимо деформироваться
при воздействии малых нагрузок, запасая или рассеивая боль-
шое количество энергии. В отличие от металла резины имеют
S-образную форму кривой напряжение — деформация, значи-
тельный гистерезис, сильную зависимость механических свойств
от температуры [40].
Под влиянием различных физико-химических факторов не-
обратимо протекают процессы старения резин. В этих процессах
можно выделить три основные группы изменений [66].
1.	Изменение механических свойств в результате теплового
старения. При повышенной температуре происходят структур-
ные изменения каучука, особенно интенсивные в присутствии
кислорода (окислительная деструкция, структурирование и мо-
дификация), ускоряющиеся при действии нагрузки. В табл. 4.5
приведены некоторые данные по сопротивлению резин термиче-
скому старению. В скобках указано значение температуры для
резин, подверженных старению при сжатии.
2.	Изменение размеров резины с одновременным изменением
цвета, повышением жесткости поверхности и образованием на
ней сетки трещин. Главную роль в этом процессе играют фото-
химические реакции, протекающие под действием ультрафиоле-
товых лучей.
3.	Озонное растрескивание при растяжении за счет присутст-
вующего в атмосфере озона. В атмосферных условиях — это
наиболее опасный вид старения.
Влияние различных агрессивных сред на свойства резин
существенно зависит от состава сред. Значительное влияние
оказывают процессы адсорбции и десорбции окружающих
веществ, набухание и выщелачивание, а также различные хими-
ческие реакции. Так, под влиянием кислот в вулканизаторе мо-
128
4.5. Сопротивление резин термическому старению [92]
Каучук	Вулканизирую- щая система	Максимальная температура применения, °C	
		длительно (более 500 ч)	кратковременно (50—150 ч)
ПИ	Серная	60—80 (50—80)	80—90 (80—100)
	Тиурамная	80—90 (70—90)	90—100 (90—120)
	Пероксидная	90—100 (80—100)	100—120 (100—140)
вкс	Серная	80—90 (80—90)	90—110 (100—130)
	Тиурамная	90—100 (90—110)	100—140 (110—150)
	Пероксидная	90—100 (90—120)	100—140 (120—160)
вкн	Серная	90—100 (90—100)	110—120 (110—140)
	Тиурамная	100—120 (100—130)	130—150 (130—150)
	Пероксидная	100—120 (100—130)	130—150 (130—160)
пхп	—	90—110 (90—110)	110—140 (110—140)
эхпк	—	110—130 (100—130)	130—150 (120—150)
эпк	Пероксидная	130—150 (130—150)	150—170 (150—170)
эпт	—	130—150 (130—150)	150—170 (150—180)
эпт	Серная	100—130 (100—130)	130—150 (130—150)
БК	»	100—130 (80—120)	130—150 (130—150)
	Соляная	130—150 (100—140)	150—180 (140—170)
АК	—	140—160 (100—130)	170—180 (130—150)
СКФ-32	—	130—150 (120—160)	150—200 (130—180)
СКФ-26	Аминная	170—200 (150—200)	200—250 (200—250)
гут разрушаться солевые, ди- и полисульфатные связи, а при
действии щелочей разрушаются связи и узлы, образованные
при взаимодействии полимерных цепей с ускорителями.
Растрескивание резин зависит от химической природы среды
и деформации. Скорость разрушения недеформированной рези-
ны в агрессивной среде определяется диффузией, а деформиро-
ванной— скоростью химического взаимодействия со средой в
месте разрушения (в трещинах). При этом температурный ко-
эффициент разрушения (например, по пределу прочности) зави-
сит от типа связей и способности агента адсорбироваться на
резине.
Полиамиды [91]. Полиамиды в ПГА применяют для изготов-
ления уплотнительных элементов затвооов. Одним из главных
факторов, вызывающий старение полиамидов, является темпе-
ратура. При этом может происходить термическое, термоокис-
лительное и фотоокислительное разложение. В интервале темпе-
ратур 353—415 К происходит изменение структуры полиамидов
(степени кристалличности). В свою очередь, структурные изме-
нения приводят к изменению комплекса механических и тепло-
физических свойств полимера.
При термоокислении акты разрыва и структурирования
происходят в первую очередь в наименее упорядоченных обла-
стях. Если принять во внимание, что при формировании изделия
(образца) в нем возникают внутренние напряжения, то, по-ви-
димому, акты разрыва должны способствовать, с одной стороны,
уменьшению этих напряжений, а с другой,— созданию условий
5—376	129
4.6. Коэффициенты сохранения свойств [79]
	Темпе- ратура. °C	Продолжительность старения, ч							
Полимер		240	360	480	720	1440	2160	4320	
Полиамид	50	1,07	1,07		1,09	1,05	1,02		0.79
			0,99		1,00	1,02	0,96		0,87
	70	—	0,95	—	Q..88	0,80	0,75		0.68
			0,96		0,94	0,92	0,80		0,52
	120	0,80	0,75	0,71	0,69	0,66	—		—
		0,48	0,42	0,32	0,29	0,22			
Полиамид 6, 10	50	—	—	0,99	1,01	0.96	0,96		0,89
				0,98	0,98	0,89	0,88		0,88
	70	—	—	—	0,92	0,83	0,84		0,77
					0,82	0,69	0,62		0,32
	100	0,76	—	—	0,56	0,44	—		—
		0,69			0,03	0,03			
Полиамид 12	50	—	1,00	—	1,00	0,95	1,00		1,00
			1,00		0,98	1,03	1,00		1,00
	70	—	0,93	—	0,95	0,89	0,92		0,88
			1,00		0,94	0,94	0,92		0,83
	100	0,89	—	0,79	0,75	0,70	—		—
		0,82		0,60	0,32	0,05			
для дополнительной кристаллизации. В табл. 4.6 приведены
данные по влиянию продолжительности выдержки и темпера-
туры теплового старения на разрушающее напряжение при рас-
тяжении (в числителе) и относительное удлинение при разрыве
(в знаменателе) ненаполненных полиамидов.
Стабильность свойств полиамидов может быть повышена
введением стабилизаторов и увеличением степени ориентации.
Результаты испытания стеклонаполненных полиамидов в
условиях холодного климата указывают на положительное влия-
ние наполнителя на стабильность свойств композита.
При длительном (до 5 лет) хранении полиамидов в склад-
ском неотапливаемом помещении различных климатических зон
заметного изменения свойств не происходит. Максимальное
снижение деформационных свойств не превышает 20—25% - При
этом необходимо учитывать влияние влаги на свойства поли-
амидов.
Более подробная информация о старении полимеров изложе-
на в работах [78, 91].
Глава 5. Технологические факторы в обеспечении
надежности ПГА
Технологический цикл изготовления ПГА оказывает непо-
средственное и существенное влияние на показатели надежности,
хотя прямой связи последних с параметрами различных техно-
логических процессов практически не установлено. Это влияние
связано в основном с образованием производственно-технологи-
ческих дефектов (далее дефектов), способствующих развитию
и интенсификации деградационных процессов и формированию
отказов.
Было бы ошибочно считать, что дефекты являются следстви-
ем только грубых нарушений режимов и последовательности
технологических процессов, наличия оборудования с низкими
техническими характеристиками, отсутствия контроля и т. д.,
хотя такие негативные явления, к сожалению, имеют
место.
Технологические процессы можно представить как качествен-
ное изменение предметов природы, происходящее в результате
направленного воздействия на них различных видов энергии
(тепловой, механической, электрической, химической и др.) при
помощи различных методов и способов их приложения [25]. Эти
виды энергии вызывают протекание в обрабатываемом мате-
риале различных в основном неравновесных, физических и (или)
химических процессов, вызывающих отклонения от идеального
строения и желаемых свойств. Генерирование дефектов проис-
ходит на различных стадиях технологического цикла: при
кристаллизации сплавов, обработке давлением, сварке, механи-
ческом, электрофизическом, электрохимическом, термическом,
химико-термическом методах обработки и др.
Дефекты с учетом их возникновения обычно классифицируют
на следующие виды: металлургические (пористость, ликвация,
усадочные дефекты, неметаллические включения, волосовины);
дефекты термической обработки (закалочные трещины, крупно-
зернистая структура, обезуглероживание, пятнистая твердость,
снижение механических свойств); дефекты сварки (непровар,
пережог); дефекты обработки давлением (ковочные трещины,
утяжины, рванины, ликвационный квадрат); дефекты механиче-
ской обработки (сверхнормативные отклонения геометрических
характеристик поверхности); остаточные растягивающие напря-
5*
131
жения, наклеп, охрупчивание, микротрещины в поверхностных
слоях [75, 80].
В данном случае под термином «дефект» понимается более
широкое, чем определяемое стандартом, понятие. Приведенные
виды дефектов, даже если они реально существуют в деталях,
могут квалифицировать номинальными дефектами (ГОСТ
15467—79) в том случае, если они описаны в нормативно-тех-
нической документации на материал (ГОСТ, ОСТ, ТУ), а так-
же в технической документации на изделие. Если они не фикси-
руются, то их наличие в металлах (деталях) не является бра-
ковочным признаком.
Если такой нерегламентированный дефект становится при-
чиной отказа, то его обычно называют скрытым, хотя он по
некоторым признакам не уступает явному. К скрытым дефек-
там можно отнести также дефекты, регламентированные доку-
ментацией, но не обнаруженные контрольными операциями или
приемо-сдаточными испытаниями ПГА.
Такое положение возможно потому, что в настоящее время
отсутствует научно обоснованное соотношение между уровнем
внешних воздействий на те или иные элементы ПГА (гидроста-
тическое давление, механические и термические нагрузки, хими-
ческая активность сред и др.) и пороговыми (опасными) пара-
метрами дефектов, т. е. таких минимальных значений этих
параметров, выше которых дефекты либо являются причиной
развития деградационных процессов, либо способствуют их
интенсификации. Имея информацию о таких соотношениях,
скрытые дефекты легко было бы перевести в явные, подпадаю-
щие под признаки дефекта согласно ГОСТ 15467—79, путем их
регламентации в технической документации. Это, в свою оче-
редь, обеспечило бы их обнаружение (при соответствующих
методах контроля) и устранение. Однако такой очевидный путь
пока труднореализуем. В работе [80] проблема влияния дефек-
тов и возможности отклонения от стандартов характеризуется
как дискуссионная. Отчасти это связано с тем, что имеющие
место попытки найти соотношение уровней внешних воздейст-
вий и пороговых параметров дефектов относится к сфере разра-
ботки ПГА, в то время как фактический уровень дефектов гене-
рируется при реализации конкретной технологической операции
и практически не зависит от разработчика ПГА. Поэтому выяв-
ление одновременно дефектоносных операций должно произ-
водиться с обеспечением надежности ПГА, причем оно связано
с решением, как минимум, двух важных задач: исследование
влияния факторов технологической наследственности ка форми-
рование отказов и на этой основе управление параметрами
технологических процессов с целью снижения дефектности
структуры элементов и подсистем ПГА; организация эффектив-
ного контроля на всех этапах технологического цикла (входной
132
и пооперационный контроль материалов, полуфабрикатов, дета-
лей, сборок; приемосдаточные испытания ПГА).
Технологические дефекты условно можно разделить на две
группы: дефекты в исходных материалах или полуфабрикатах,
получаемые от внешних поставщиков, и дефекты, генерируемые
в деталях, сборках, изделиях в процессе их изготовления непо-
средственно на арматурном производстве. Выявление дефектов
материалов сводится обычно к входному контролю последних, а
выявление дефектоносных технологических операций к актив-
ному вмешательству в процессе технологического цикла.
5.1.	Управление технологической наследственностью —
важный фактор обеспечения надежности ПГА
Основное значение на формирование показателей качества
выпускаемых изделий оказывают последние (финишные) опера-
ции технологического процесса, причем часть свойств передается
с промежуточной операцией. Явление переноса свойств обраба-
тываемого объекта (заготовки) от предшествующих операций
к последующим называется технологическим наследованием, а
сохранение этих свойств — технологической наследственностью
[80, 113]. Так как интерес представляет не вся наследственная
информация, а только та ее часть, которая касается дефектов,
то можно говорить о явлении переноса потока дефектов в цепоч-
ке технологических операций. Поток этот обладает переменны-
ми параметрами (%i — вид дефекта, %2— размер дефекта, хз—
число дефектов в единице объема структуры элементов ПГА),
так как вид, размеры и число переносимых дефектов от одной
технологической операции к другой может изменяться в широ-
ких пределах. Это вызвано тем, что каждая последующая
технологическая операция может служить либо генератором
потока дефектов, либо барьером (сопротивлением) для него,
либо не оказывать никакого влияния.
Выявление потока дефектов, прежде всего с параметрами
выше пороговых, в цепочке технологических операций особенно
важно для таких ответственных деталей ПГА, как уплотнения,
корпусные детали, упругие и чувствительные элементы. В част-
ности, для уплотнительных элементов ПГА дефектными техно-
логическими операциями являются силовое резание и шлифова-
ние, другие методы механической обработки, генерирующие в
поверхностных слоях большую плотность дефектов, не устраняе-
мых последующими финишными операциями; нанесение порис-
тых покрытий, а из предшествующих формообразующих техно-
логических операций — различные виды литья, методы рядовой
выплавки сталей и последующего передела (загрязненность не-
металлическими включениями, волосовины, поры и флокены).
Последние виды технологических операций опасны и для кор-
133
пусных деталей ПГА высоких параметров. Для пружин и других
упругих элементов дефектоносными технологическими опера-
циями являются операции термической обработки, допускающие
обезуглероживание поверхностного слоя, а также технологиче-
ские операции формообразования, при которых образуются по-
верхностные дефекты (риски, царапины, надрезы).
Увеличение потока дефектов может возникнуть не только при
наличии в технологической цепочке дефектных технологических
операций, но и при выходе режимов технологических операций
за допустимые пределы. Последний фактор может произойти
вследствие субъективных факторов (ошибки обслуживающего
персонала, другие производственные неполадки) либо вследст-
вие недостаточной стабильности технологической операции,
имея в виду, что поддержание значений регламентированных
параметров дефектов в допустимых пределах не ниже их поро-
гового уровня.
Стабильность технологических операций можно обеспечить,
четко определяя параметры потока дефектов и соответствующую
систему контроля для поддержания нижнего порогового уровня
дефектности структуры ПГА и его подсистем. С точки зрения
поддержания стабильности, технологические операции можно
условно разбить на две группы. К первой группе относятся тех-
нологические операции, стабильность которых зависит от под-
держания в заданных пределах их рабочих параметров (терми-
ческая и химико-термическая обработка, нанесение покрытий,
большинство способов сварки, некоторые виды обработки
металлов давлением). Ко второй группе относятся технологиче-
ские операции, стабильность которых в значительной мере лими-
тируется стойкостью инструмента режущего, штампов, пресс-
форм (все виды резания, литье в многоразовые формы, обработ-
ка давлением, электрофизические и электрохимические методы
размерной обработки).
Стабильность первой группы технологических операций срав-
нительно легко можно обеспечить автоматизацией контроля
основных параметров этих операций (температуры, силы тока
и напряжения, силовых факторов и др.). Для обеспечения ста-
бильности технологических операций, относящихся ко второй
группе, необходимо определить физическую стойкость тех или
иных инструментов (с учетом порогового уровня дефектов) для
конкретных технологических операций, а также их статические
характеристики, после чего регламентировать нормативную
стойкость, строго контролируя значение последней независимо
от физического состояния инструмента. Помимо вышеуказанных
мер эффективным путем снижения интенсивности потока дефек-
тов является включение в технологический цикл так называемых
«барьерных» технологических операций, обладающих способ-
ностью «стирать» наследованные дефекты [113]. В технологиче-
134
Рис. 5.1. Структурная схема управления
параметрами потока дефектов:
1—	СИ (сбор информации об отказах); 2— ПУ
(определение пороговых уровней дефектов); 3 —
ПД (поиск дефектоносных технологических опера-
ций); 4 — ДТО [блок сравнения по п. 3 (дефек-
гоносная технологическая операция)]; 5 — ИР (из-
менение режимов дефектоносных технологических
операций); 6 — РП [блок сравнения по п. 5 (ре-
зультат положительный)]; 7 — БТО (введение
барьерных технологических операций); в — РП
[блок сравнения по п. 7 (результат положитель-
ный)]; S — БТЦ (организация бездефектного тех-
нологического цикла); 10 — НТЦ (организация
нового технологического цикла); 11— БиД БГ
(банк данных бездефектных технологий); 12—
БиД ДТ (банк данных дефектных технологий)
ский цикл обычно входят техноло-
гические операции, которые, хотя и
не оказывают активного влияния на
параметры потока дефектов, но без
которых невозможно их выявление.
Например, контрольные технологи-
ческие операции и приемосдаточные
испытания заводской продукции.
Последние являются своеобразными
операциями основных параметров
работоспособности ПГА. Краткие
сведения о барьерных и контроль-
ных технологических операциях бу-
дут изложены ниже.
Если активно воздействовать на
технологические операции в части
изменения их режимов, замены де-
фектоносных технологических опе-
раций на барьерные или их исключения из технологической це-
почки для изменения параметров потока дефектов, то можно го-
ворить об управлении этими параметрами, а следовательно, и об
управлении технологической наследственностью.
На рис. 5.1 показан один из возможных вариантов такого
управления для обеспечения заданного уровня надежности.
Реализация такого управления может быть осуществлена при
выполнении ряда мероприятий, часть которых перечислена
ниже.
1.	Организовать систему сбора информации об отказах, яв-
ляющихся следствием влияния технологических дефектов (фик-
сируются параметры дефектов —	Х2, х3 и комплекс внешних
эксплуатационных воздействий, в условиях которых произошел
отказ) — блок 1.
2.	Исследовать на уровне структуры элементов ПГА, а также
соответствующих подсистем (см. гл. 1 и 3) влияние параметров
дефектов на процессы деградации структуры и формирования
135
отказов. Определить значение пороговых параметров дефектов
(Х1°Х20*з°)э — блок 2.
3.	Исследовать цепочку технологических операций техноло-
гического цикла изготовления отказавших деталей, узлов, ПГА
в целом (любые методы анализа, операции разрушающего и не-
разрушающего контроля) для выявления К дефектных опера-
ций (*1X2X3)* — блоки 3, 4.
4.	Провести варьирование режимами дефектных технологи-
ческих операций с целью уменьшения уровня дефектности —
замена (xix2x3)* на (xi*2x3)^ (Х1°х20Хз0)э — блоки 5, 6.
5.	В случае отрицательных результатов по п. 4 ввести барь-
ерные технологические операции, отвечающие соотношению
(xix2x3)s^ (Х1°Х20х3°)э,— блоки 7, 8.
6.	Осуществить проверку нового (бездефектного) техноло-
гического цикла (xix2x3)m+s^ (Х1°х20Хз0)э. Знак плюс в показа-
теле степени m + s означает добавление s барьерных операций,
знак минус—исключение k=s дефектных операций — блок 9.
7.	Произвести паспортизацию технологических операций или
их режимов, при которых возникали дефекты с параметрами
выше пороговых. В соответствующей конструкторской, техноло-
гической и другой нормативно-технической документации регла-
ментировать требования по нижним пороговым уровням пара-
метров дефектов.
8.	Внедрить в производство методы неразрушающего контро-
ля, выявляющие пороговые значения параметров дефектов и
охватывающие 100% ответственных деталей ПГА (корпусных
и других деталей, находящихся под внутренним гидростатиче-
ским давлением, всех видов уплотнений, пар трения и др.).
9.	Создать в системе САПР К и САПР Т банки данных по
пп. 1; 2; 3 и 4 (в части дефектоносных технологических опера-
ций или соответствующих режимов) — блок 5.
Проследим возможные пути реализации управления техно-
логической наследственности на примере ПГА высокого давле-
ния, комплектующей технологические установки полиэтилена
высокого давления. Максимальное рабочее давление в трубо-
проводных системах этих установок достигает 320 МПа, а тем-
пература— до 300°С. Эксплуатация ПГА высокого давления
сопровождается значительными суммарными нагрузками от
гидростатического давления среды, уплотняющих нагрузок в
затворе, изгибающих усилий на трубопроводах. Как правило,
нагрузки носят циклический характер. С точки зрения пожаро-
и взрывобезопасности, а это одна из главных проблем произ-
водств полиэтилена высокого давления, наибольшую опасность
представляет разгерметизация оборудования. В ПГА разгерме-
тизация может наступить в основном в результате разрушения
корпусных деталей или узлов сальникового уплотнения (по
штоку).
136
Анализ отказов высокого давления, причиной которых яви-
лось разрушение указанных подсистем, выявил следующее.
В основном исследованные разрушения корпусных деталей
произошли вследствие влияния технологических дефектов, боль-
шая часть которых не была регламентирована документально:
засоренность металлов неметаллическими включениями (3—4
балла), снижение вязкостных свойств сталей вследствие нару-
шения режимов термообработки; наличие микротрещин после
ковки; наличие пор; межзеренная хрупкость, вызванная нару-
шением химического состава и термообработки; структурная
неоднородность, ликвация и т. д.
Факторами дефектов явились технологические операции
производства сталей рядовой выплавки; технологические опера-
ции ковки и термообработки при отступлении от оптимальных
режимов.
Носителями дефектов является структура металлов корпус-
ных деталей.
Как правило, разрушение носило усталостный характер. Ис-
точниками трещин являлись вышеописанные технологические
дефекты. Интенсификация разрушения наблюдалась в зонах
суммирования технологических дефектов с конструкционными
(линии перехода внутренних полостей корпусов, резьбы, попе-
речные отверстия и др.).
Другой причиной разгерметизации ПГА высокого давления
явился выход из строя сальниковых уплотнений — разрушались
манжеты, изготовленные из композиционных материалов на
металлополимерной основе. Одной из основных причин разру-
шения манжет явилась образующаяся на поверхности хромового
покрытия развитая сетка микротрещин. Быстрое растрескивание
хромового электролитического покрытия вызвано значительны-
ми остаточными растягивающими напряжениями, образование
которых является следствием специфики технологических опе-
раций осаждения хромовых осадков, которая и явилась дефект-
ной операцией. Разрушение манжет происходило тем интенсив-
нее, чем грубее и с большим шагом формировалась сетка, т. е.
чем грубее был микрорельеф. Носителем дефектов, следователь-
но, явилась трибоповерхность штока.
Минимальные пороговые уровни технологических дефектов
для корпусов и штоков были установлены путем анализа инфор-
мации об отказах и реальных режимах эксплуатации ПГА,
металлофизических исследований соответствующих деталей,
отказавших и продолжающих эксплуатироваться изделий, а
также путем изучения зарубежного опыта и проведения проч-
ностных расчетов. Рассмотрим эти дефекты.
Большинство металлургических дефектов недопустимы в
пределах чувствительности существующих методов, а загрязнен-
ность высокопрочных сталей неметаллическими включениями
137
(сульфиды, оксиды, силикаты) должна быть в пределах 1—2
баллов.
Не допускаются трещины и другие дефекты в объеме метал-
ла, суммарное эквивалентное значение которых в одном сечении
заготовок не должно превышать 3 мм2 при расстоянии между
дефектами не менее 10 мм (при 100%-ном ультразвуковом
контроле).
После окончательной механической обработки не допускает-
ся никаких поверхностных дефектов (трещин, микротрещин,
волосовин и др.), обнаруживаемых 100%-ным контролем маг-
нитной и цветной дефектоскопией.
Резьбы должны быть гладкими без заусениц, трещин, забо-
ин; неполная резьба не допускается.
Не допускается никаких поверхностных трещин в пределах
чувствительности люминесцентной дефектоскопии или высоких
остаточных растягивающих напряжений в элементах трибо-
систем и прежде всего в покрытиях.
Барьерами для потока дефектов в корпусных деталях от
предыдущих операций являются следующие: рафинирование
сталей рядовой выплавки методами вакуумно-дугового или (и)
шлакового переплава (снижение содержания в сталях неметал-
лических включений и других дефектов); автофретирование кор-
пусных деталей для создания объемных сжимающих напря-
жений.
Кроме того, барьерами может служить оптимизация режимов
технологических операций ковки (температурный режим, стой-
кость инструмента) и термической обработки (температурный
режим нагрева, выдержки, охлаждения; временной фактор;
свойства закалочных сред и т. д.), исключающие появление
таких дефектов, как структурная неоднородность, микротрещи-
ны, пятнистая твердость и др.
Барьерными технологическими операциями для потока
дефектов в трибоповерхностях штоков являются: замена элект-
ролитического хромирования диффузионным, пиролитическим
методами хромирования, а также другими видами химико-тер-
мической обработки (например, азотированием или азотирова-
нием с последующим титан-азотированием в одном цикле) [105],
исключающее появление вышеописанных дефектов; виброудар-
ное упрочнение или упрочнение алмазным выглаживанием
(создание сжимающих поверхностных остаточных напряжений).
5.2.	Технологические пути повышения надежности ПГА
Одним из эффективных методов повышения надежности ПГА
(или, по крайней мере, сохранение заданных показателей на-
дежности в процессе производства) является включение в техно-
138
логический цикл оптимального числа барьерных и контрольных
операций (включая приемосдаточные испытания).
Методы снижения дефектности
Можно выделить следующие основные группы барьерных
технологических операций, которые легко могут быть реализо-
ваны в условиях арматурного производства (без учета метал-
лургического производства): технологические операции термиче-
ской и химико-термической обработки (снижение остаточных
растягивающих напряжений, гомогенизация и стабилизация
структуры, упрочнение металлов и сплавов корпусных и других
деталей ПГА, испытывающих силовое воздействие); технологи-
ческие операции упрочнения методами пластической деформа-
ции (создание сжимающих напряжений в поверхностных слоях
уплотнительных и трибоэлементов ПГА, объемах материала:
корпусных деталях ПГА высокого и сверхвысокого давления);
технологические операции поверхностного диффузионного насы-
щения или (и) нанесения покрытий (уплотнительные и трибо-
элементы).
Термическая и химико-термическая обработка. Барьерной
технологической операцией, преграждающей поток дефектов,
связанных с влиянием остаточных напряжений, после операций
металлургического (литейного) производства, сварки, механиче-
ской и других видов обработки заготовок (деталей) является
отжиг при температурах 180—700°С с последующим медленным
охлаждением. Конкретное значение температуры отжига зависит
от применяемого материала, конфигурации заготовки, предше-
ствующей технологической операции. Остаточные напряжения
снимаются и при других видах отжига: рекристаллизационного,
с фазовой перекристаллизацией, а также при отпуске закален-
ной стали.
Для устранения дефектов, связанных с укрупнением зерна,
применяется отжиг II рода (с фазовой перекристаллизацией),
измельчающий зерно. Этот отжиг применяется и для устранения
структурных дефектов (видманштеттовые и другие неблагопри-
ятные структуры). Полученное измельченное зерно способствует
повышению пластичности и вязкости.
Крупнозернистая структура после литья и различных видов
обработки металлов давлением может быть устранена также
при нормализации сталей, которая вызывает полную фазовую
перекристаллизацию. Нормализация горячекатаной стали повы-
шает ее сопротивление хрупкому разрушению (снижается хлад-
ноломкость и увеличивается вязкость разрушения).
Улучшение высокопрочных сталей (закалка и высокий
отпуск) применяется для повышения их конструктивной проч-
ности. Улучшение снижает чувствительность сталей к концент-
139
раторам напряжений, повышает значение коэффициента вязко-
сти разрушения, снижает порог хладноломкости. Улучшению
должны подвергаться низколегированные высокопрочные стали,
применяемые для корпусных деталей ПГА высокого и сверхвы-
сокого давления.
Для снижения конструкционных и производственно-техноло-
гических дефектов в поверхностных слоях уплотнительных
элементов можно применять поверхностную термическую обра-
ботку, наиболее распространенным видом которой является по-
верхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ), обеспечи-
вающая повышение твердости, износостойкости и предела
выносливости (по существу, многие дефекты «замораживают-
ся»), Глубина упрочненного слоя зависит от частоты тока. На-
пример, для получения глубины слоя до 1 мм частота тока
должна быть 50—60 кГц, 2 мм — 15 кГц, 4 мм—4 кГц. Необхо-
димая толщина упрочняемого слоя должна определяться в зави-
симости от глубины действия контактных напряжений
(рис. 4.10).
Некоторые процессы химико-термической обработки можно
отнести к барьерным технологическим операциям в связи с фор-
мированием на поверхности сжимающих напряжений, значи-
тельно снижающих уровень пороговых параметров дефектов,
что важно для повышения работоспособности уплотнительных и
трибоэлементов ПГА.
Одним из таких процессов является азотирование в тлеющем
разряде (ионное азотирование). Износостойкость азотированной
стали выше, чем при других видах химико-термической обра-
ботки. В азотированном слое возникают остаточные напряжения
сжатия, которые могут составлять 800 МПа. Наличие сжимаю-
щих напряжений повышает предел выносливости, особенно
значительно в присутствии концентраторов напряжений (более
чем на 100%).
Однако в результате азотирования коррозионно-стойких
аустенитных сталей их коррозионная стойкость ухудшается
(эффект межкристаллитной коррозии). В качестве защитных
мер эффективно применение комбинированного покрытия: азо-
тированный слой плакируется тонким слоем нитрида титана
(также формируемого в плазме тлеющего разряда). При этом
азотированный слой обеспечивает значительное поверхностное
упрочнение с плавным изменением градиента механических
свойств по толщине слоя (80—120 мкм), а слой нитрида
титана, имея хорошее сцепление с азотированной поверхностью,
обеспечивает высокую коррозионную стойкость и износостой-
кость [7, 105].
Упрочнение пластическим деформированием. Различают по-
верхностное и объемное упрочнение деталей ПГА. В обоих
случаях упрочняющие технологические операции, являясь барье-
140
рами для ряда дефектов, либо «стирают» наследуемые дефекты,
либо сводят их влияние к нулю. Такими дефектами являются,
прежде всего, остаточные напряжения, дефекты микро- и макро-
рельефа, различные поверхностные или (и) объемные
концентраторы напряжений.
Основной эффект упрочняющих методов поверхностной
обработки сводится к созданию на поверхности остаточных
сжимающих напряжений и благоприятного поверхностного
рельефа. Причем благоприятного не только с точки зрения
уменьшения шероховатости, но и с точки зрения снижения оста-
точных напряжений в микроконцентраторах или их ликвидации.
Эти концентраторы образуются, например, при определенных
сочетаниях параметров микрорельефа после некоторых техноло-
гических операций механической обработки, например после
шлифования. Однако следует помнить, что деформационное
упрочнение нельзя рекомендовать в коррозионно-активных сре-
дах ввиду интенсификации механохимических процессов.
К наиболее эффективным барьерным технологическим опера-
циям, основанным на принципе деформационного упрочнения,
относятся электромеханическая обработка, поверхностно-пласти-
ческое деформирование, алмазное выглаживание.
Электромеханическая обработка основана на сочетании
термического и силового воздействия на поверхность детали.
Основными параметрами этого метода обработки, влияющими
на исходный микрорельеф, являются сила тока и усилие прижи-
ма инструмента (ролика). Наряду с упрочнением поверхностно-
го слоя электромеханическая обработка снижает число микро-
концентраторов напряжений.
Простым и эффективным способом поверхностного упрочне-
ния является метод поверхностно-пластического деформирова-
ния. При данном способе упрочнения поверхностный наклеп
осуществляется при помощи роликов или шариков, закреплен-
ных в оправке. Обширные исследования по влиянию упрочнения
поверхностно-пластического деформирования на торможение
усталостных процессов проводились П. И. Кудрявцевым, кото-
рым показано, что роль упрочнения поверхностно-пластического
Деформирования заключалась в повышении предельного напря-
жения, при котором могло происходить развитие усталостных
трещин (т. е. нивелирование влияния дефектов). С помощью
поверхностно-пластического деформирования удалось повысить
выносливость хромированных поверхностей, обладающих значи-
тельной дефектностью [87].
Сущность алмазного выглаживания заключается в пластиче-
ском деформировании поверхностного слоя детали при помощи
алмазного резца, рабочая часть которого имеет форму сферы
Или цилиндра. Алмазный инструмент с некоторым усилием
Прижимается к обрабатываемой поверхности, в результате чего
141
гребешки пластически деформируются, при этом вытесняемый
металл заполняет впадины микрорельефа. Таким образом, на
обрабатываемой поверхности происходит перераспределение
металла, что вызывает образование наклепаной зоны и возник-
новение в ней остаточных сжимающих напряжений. Алмазное
выглаживание является наиболее эффективным барьером для
дефектов после предшествующей механической обработки. Чис-
ло поверхностных дефектов после выглаживания резко умень-
шается, что благоприятно сказывается на износостойкости —
износ меньше в 1,5—3 раза по сравнению со шлифованием и на
20—40% по сравнению с полированием.
Эффективным методом упрочнения корпусов ПГА высокого
давления (рр до 320 МПа) является автофретирование. Сущ-
ность этой технологической операции состоит в создании пред-
варительной пластической деформации на внутренних поверх-
ностях корпусов ПГА с помощью гидростатического давления.
Если затем давление снизить, то вследствие остаточных
деформаций корпус будет находиться в напряженном состоянии.
На границе между деформированными и недеформированными
слоями возникнут сжимающие (направленные к оси) напряже-
ния (внешний упругий слой оказывает давление на внутренний
слой). Автофретированный сосуд (корпус ПГА) может выдер-
живать большие давления, а также имеет более высокий предел
выносливости по сравнению с неавтофретированными, благода-
ря сжатию внутреннего слоя, а также вследствие упрочнения
материала при пластической деформации. Поэтому дефекты, на-
ходящиеся на внутренней поверхности корпуса, теряют свое
влияние.
Диффузионная металлизация и покрытия. Эффективными
барьерными технологическими операциями являются методы
диффузионной металлизации (насыщения) или нанесения плот-
носцепленных с основой, беспористых одно- и многокомпонент-
ных покрытий (см. гл. 4).
Указанные процессы являются по существу финишными
операциями технологической цепочки изготовления деталей
ПГА, хотя не исключается применение дополнительных методов
финишной обработки, улучшающих эксплуатационные характе-
ристики рабочих поверхностей.
Методы контроля дефектов
В настоящее время в ПГА применяют следующие группы
методов выявления дефектов: разрушающий контроль исходных
материалов и полуфабрикатов (контроль структуры элементов
ПГА); неразрушающий контроль материалов, заготовок, дета-
лей, сборок (контроль дефектности структуры элементов и под-
142
систем ПГА); методы испытания деталей, узлов и ПГА в целом
(контроль дефектов структуры ПГА и некоторых ее элементов).
В настоящее время при входном контроле материалов и
полуфабрикатов преимущественно применяют методы разруша-
ющего контроля. Виды и методы последнего, число проб, отби-
раемых от партии материалов или полуфабрикатов, а также
способ отбора регламентируются общесоюзными или отраслевы-
ми стандартами, технической документацией на изделие (ПГА).
Цель контрольных операций — проверка соответствия стандар-
там механических свойств (ов, ио,2, а, Н), химического
состава, характеристик макро- и микроструктуры и др.
Существенным недостатком разрушающих методов контро-
ля, кроме материальных издержек (выхода из строя части мате-
риала, дополнительной трудоемкости при изготовлении проб
или образцов), является неполная достоверность полученных
сведений о степени годности контролируемых объектов (в части
числа регламентированных дефектов, не говоря о скрытых). Это
связано с выборочным контролем, хотя известно, что даже в
одном прутке (листе), тем более в партии проката, поковок,
отливок, может иметь место неравномерность свойств и дефект-
ности. Эта неравномерность вызвана известными издержками
металлургического производства, нестабильностью режимов
технологических операций рядовой выплавки, проката, ковки,
а также недостаточными контрольными мерами. Следовательно,
при применении только разрушающих методов контроля не
может быть достоверной фильтрации потока дефектов.
Необходимо упомянуть еще об одном негативном факторе, к
сожалению, имеющем место в практике: при заказе металлов
(полуфабрикатов) .не всегда регламентируется требуемый уро-
вень свойств и дефектности материалов (стандарты допускают
такую регламентацию). Металлургическое предприятие в таком
случае поставляет металл с некоторым «среднестатистическим»
содержанием дефектов, хотя он и соответствует стандартам, но
имеет определенное число скрытых дефектов, не выявленных
разрушающим контролем.
Разрушающие методы контроля могут давать хороший
эффект только при большой однородности свойств и дефектов
и периодического их контроля как у поставщика, так и у потре-
бителя.
Возможность осуществления сплошной проверки и практиче-
ски полная гарантия бездефектности (при наличии методики и
соответствующей чувствительности приборов) не только исход-
ных материалов, но и готовых деталей и узлов позволяют реа-
лизовать методы неразрушающего контроля.
В основе методов неразрушающего контроля лежит взаимо-
действие проникающего или отраженного физического поля с
испытуемым материалом. Для контроля различных свойств ма-
143
териалов, дефектности их структуры могут быть использованы
известные виды электромагнитного излучения (низкочастотное,
радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентге-
новское, гамма-лучи), акустические методы, имеется сообщение
об использовании корпускулярных излучений, а также электро-
статических полей. К средствам неразрушающего контроля
принято относить контрольно-измерительную аппаратуру, в ко-
торой используются проникающие поля, излучения и вещества
для получения информации о свойствах и дефектности материа-
лов, деталей, сборок. Описание средств неразрушающего конт-
роля приведено в работе [79]. Классификацию методов неразру-
шающего контроля регламентирует ГОСТ 18353—79, в соответ-
ствии с которой методам этого контроля присвоен определенный
код и рассмотрены основные виды (свыше 60) дефектов метал-
ла и рекомендуемые методы неразрушающего контроля. Оценка
выявляемости каждого типа дефекта дана по пятибалльной
системе. Анализ этих данных, опыт применения неразрушающе-
го контроля при производстве, ремонте ПГА, а также попытках
диагностирования развития дефектов в процессе эксплуатации
позволяют сделать определенные выводы, не всегда свидетель-
ствующие только о преимуществе методов неразрушающего
контроля.
1.	Не все дефекты могут быть выявлены теми или иными
методами неразрушающего контроля. Лишь некоторые из них
выявляются с полной гарантией, характеризуемой высшей оцен-
кой — отлично [79]. В основном это дефекты, связанные с разры-
вами сплошности материала (трещины, раковины, волосовины
и т. д.).
2.	Отсутствие в настоящее время общей теории структуро-
скопии не позволяет однозначно идентифицировать методами
неразрушающего контроля и соответствующими средствами
неразрушающего контроля структурные составляющие (их де-
фекты) металлов, сплавов, покрытий. Такое положение обязы-
вает в каждом конкретном случае находить корреляцию между
параметрами используемых физических методов неразрушающе-
го контроля и структурными составляющими или их дефектами.
Даже при наличии такой информации необходимо устанавли-
вать количественные критерии для конкретной производствен-
ной ситуации, учитывая специфику и многообразие различных
материалов для ПГА.
3.	Для высоконадежной ПГА не установлена однозначная
корреляция между пороговыми значениями дефектов (xi°, Х20,
Х30) и количественными параметрами средств неразрушаемого
контроля.
4.	Предельная чувствительность дефектоскопа, основанного
на том или ином методе неразрушающего контроля, может быть
ниже порогового уровня дефектов (xi°, Х20, хз0), что делает не-
144
возможным их обнаружение. Кроме того, следует учитывать
статистическое распределение параметров потока дефектов и
значений предельной чувствительности дефектоскопа.
С учетом возможностей методов неразрушаемого контроля
дефекты структур элементов ПГА можно объединить в три
группы.
1.	Внутренние дефекты типа нарушения сплошности (трещи-
ны, поры, флокены, волосовины и др.)—корпусные и другие
тяжело нагруженные детали.
2.	Поверхностные дефекты (поверхностные геометрические
несовершенства, микротрещины, поры и др.) — все виды уплот-
нений, другие трибоэлементы.
3.	Дефекты структуры металлов — корпусные детали после
различных видов термической, химико-термической обработки,
автофретированные детали.
Ниже приведен краткий обзор некоторых методов неразру-
шаемого контроля [75, 79], с помощью которых можно выявить
указанные группы дефектов.
Акустические методы неразрушающего контроля могут при-
меняться для определения дефектов типа нарушения сплошно-
сти, а также измерения напряжения в металлах и их механи-
ческих свойств (например, при определении остаточных напря-
жений при автофретировании). Для акустического контроля
применяют колебания ультразвукового и звукового диапазона
частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно
не превышает 1 кВт/см2. Акустические методы неразрушающе-
го контроля разделяют на две группы: 1) методы, основанные
на излучении и приеме акустических волн; 2) методы, основан-
ные на регистрации акустических волн, возникающих в металле
(например, при росте трещин). Ультразвуковой контроль осно-
ван на первой группе методов, основными из которых являются:
теневой и эхометод. При теневом методе (сквозного прозвучи-
вания) дефект на пути ультразвуковых волн ослабляет прини-
маемый сигнал или задерживает его. Эхометод основан на от-
ражении ультразвукового импульса от дефектов, поверхности
детали, других неоднородностей. Временной интервал между
импульсом и приемом отраженного сигнала может быть исполь-
зован для определения месторасположения дефектов. Наиболь-
шее распространение получил эхометод. С помощью этого
метода осуществляют контроль поковок, штамповок проката,
термообработанных отливок, сварных швов, пластмасс, измеря-
ют толщину деталей (заготовок) и оценивают структуру метал-
лов, а также напряжения.
Дефект типа трещин с плоской поверхностью дает наиболь-
ший сигнал при зеркальном отражении волны от источника
(искатель) к приемнику. Дефекты в виде сферических или
Цилиндрических полостей дают меньший отраженный сигнал,
6—376	145
чем дефекты в виде трещины. Если несплошность заполнена
оксидом, то ее обнаружить труднее. Для достижения приемле-
мой точности необходимо принять экспериментальный крите-
рий— нахождение границ дефектов ультразвуковым пучком и
откалибровать искатель с помощью стандартных образцов с
отверстиями или прорезами на различных глубинах.
Применение ультразвукового контроля ограничивают следу-
ющие факторы: 1) неоднородность структуры металла (крупно-
зернистость, значительная гетерогенность и т. д.), вызывающая
сильное рассеяние ультразвуковых волн (шум), в частности,
плохо контролируется литье, особенно из коррозионно-стойких
сталей, чугун с крупными графитовыми включениями; 2) слож-
ность формы и малые размеры изделий (ПГА малых условных
проходов); 3) грубая шероховатость поверхности; требования к
шероховатости поверхности особенно высоки при контактных
методах ультразвукового контроля.
Радиационные методы неразрушающего контроля применяют
наряду с ультразвуковым для обнаружения внутренних дефек-
тов. При прохождении через контролируемый объект (деталь,
сборка) ионизирующее излучение (рентгеновское или у-лучи)
ослабляется — поглощается и рассеивается. Степень ослабления
зависит от толщины и плотности объекта, а также от интенсив-
ности и энергии излучения. При наличии дефектов интенсив-
ность и энергия выходящего пучка излучения резко изменяются.
Применение данного метода требует знания методики контроля
и умения правильно интерпретировать радиографическое изо-
бражение. При квалифицированной расшифровке радиационным
методом могут быть обнаружены следующие дефекты: 1) про-
дольные и поперечные трещины; 2) сплошные и прерывистые
непровары по кромкам шва и наплавляемого металла (напри-
мер, в седле затвора); 3) шлаковые включения; 4) поры, газо-
вые включения; 5) прожоги, проплавы, подрезы и другие по-
верхностные дефекты. Расшифровщик по изображению дефекта
на снимке определяет его координаты, а также размеры (шири-
ну и длину). Глубину залегания дефекта находят просвечивая
изделие со смещением источника излучения. На снимке должен
быть виден весь контролируемый участок с установленными на
нем маркировочными знаками и эталонами чувствительности.
Чувствительность к минимальным дефектам, выявляемым
радиографическим методом, существенно зависит от направле-
ния пучка излучения по отношению к поперечному сечению
дефекта и его размерам. Минимальное значение площади попе-
речного сечения трещины (ширина, умноженная на глубину) в
стали, фиксируемое этим методом, составляет 4-10~5/2мм2
(здесь t — толщина образца). Тонкую трещину шириной 0,01 мм
можно обнаружить, если ее поперечное сечение расположено
перпендикулярно пучку излучения и она находится на глубине,
146
составляющей 20—40% t- Небольшое отклонение (угол около 5°)
плоскости трещины от направления пучка приводит к невоз-
можности выявить такую трещину. Таким образом, даже совер-
шенные радиографические методики могут не выявить тонких
трещин значительных размеров в толстых сечениях металла.
Для эффективного определения поверхностных дефектов
применяют капиллярный, а также магнитопорошковый и магни-
тографический методы неразрушающего контроля.
Капиллярный неразрушающий контроль основан на капил-
лярном проникновении индикаторных жидкостей в полости по-
верхностных и сквозных несплошностей материала объекта
(детали) и регистрации образующихся индикаторных следов
визуальным способом или с помощью преобразователя. Контро-
лю подвергаются металлические и неметаллические материалы,
а также их композиции, полуфабрикаты и изделия, объекты
любой формы в процессе их изготовления и эксплуатации (тех-
нического обслуживания и ремонта). При этом выявляются
открытые трещины (сварочные, термические, шлифовочные,
усталостные и др.), пористость, трещины на фоне пористости
и т. д. Контроль осуществляют в три стадии: 1) заполняют конт-
ролируемую поверхность индикаторными веществами, проника-
ющими в дефекты; 2) извлекают индикатор из микрополостей
контролируемой поверхности с помощью проявителя (порошок,
суспензия, краска, пленка); эффект регистрации усиливается с
помощью средств, способствующих наиболее полному проявле-
нию индикаторного вещества (люминесцирующего или цветно-
го) — источников ультрафиолетового излучения; 3) очищают
объект от индикаторной жидкости. Очистители подразделяют
на растворимые в воде и органических растворителях. Следы в
виде тонких линий указывают на присутствие узких дефектов,
типа трещин. Линии, проявляющиеся медленно и постепенно
расширяющиеся, соответствуют дефектам типа глубоких тре-
щин. Пятна в виде рассеянных точек указывают на наличие
пористости; пятна в виде цепочки точек—на наличие тонких
трещин. Минимальные размеры дефектов (уровень чувстви-
тельности), обнаруживаемые капиллярным неразрушающим
контролем: ширина 1 мкм, глубина 10 мкм, длина 100 мкм.
Метод магнитографического неразрушающего контроля при-
меняется для контроля поверхностных дефектов ферромагнит-
ных материалов и основан на искажении магнитных силовых
линий в местах дефектов типа разрывов сплошности или немаг-
нитных включений. Намагничивание производится вблизи маг-
нитного насыщения. Области дефектов выполняют видимыми
путем обработки поверхности контролируемой детали сухим
тонким магнитным порошком или суспензией в виде взвеси маг-
нитных частиц в специальных жидкостях. Магнитографический
Неразрушающий контроль позволяет обнаружить поверхностные
6*	147
и подповерхностные (на глубине до 100 мкм) дефекты типа
трещин, волосовин, если они близки к поверхности расслоений,
флокенов, заковов, непроваров. При большом удалении от
поверхности (2—3 мм) могут быть выявлены более грубые
дефекты, чем на поверхности. Чувствительность метода зависит
от многих факторов: магнитных характеристик материала,
формы детали и ее размеров, типа выявляемых дефектов, шеро-
ховатости обработки поверхности, свойств порошка и т. д.
Особенность другого магнитного метода (магнитографиче-
ского неразрушающего контроля) заключается в том, что в
качестве индикатора дефектов используют магнитную ленту.
Магнитографическим методом обнаруживают поверхностные
дефекты при чувствительности, примерно равной чувствительно-
сти при магнитопорошковом методе, и глубинные при расстоя-
ниях 20—25 мм от поверхности (дефекты типа трещин, непро-
варов, шлаковых включений, цепочек и скоплений пор
и т. д.).
Магнитопорошковый и магнитографический методы неразру-
шающего контроля различаются между собой тем, что первый
из них является более универсальным и пригоден для контроля
деталей практически любых форм и размеров, а второй наиболее
пригоден для деталей относительно простой формы.
Наиболее перспективными методами неразрушающего конт-
роля для выявления дефектов структуры, а также внутренних
напряжений являются магнитные методы, основанные на ис-
пользовании в основном коэрцитивной силы, наиболее чувстви-
тельной к структурным превращениям в материале и микрона-
пряжениями, метод вихревых токов (оценивается степень
механических напряжений, выявляются зоны усталости и т. д.),
акустические методы и др.
Приемосдаточные испытания ПГА
Заключительной контрольной операцией ПГА в сборе явля-
ются приемосдаточные испытания. Они проводятся для инте-
гральной проверки качества собранного изделия.
Основные причины необходимости проведения испытаний
заключаются в следующем.
1.	Подтвердить, что запас прочности ПГА выше требуемого,
убедиться в отсутствии грубых дефектов, которые могли бы при-
вести к разрушению корпуса, мест соединений и др.
2.	Подтвердить отсутствие дефектов, через которые могут
возникнуть утечки.
3.	Гарантировать ту степень бездефектности, которая обес-
печит безопасную работу ПГА.
148
4.	Отсутствие грубых дефектов в трибоэлементах, так как
нормальное функционирование ПГА зависит от работоспособ-
ности его трибосистем (см. гл. 1 и 3).
Для этого ПГА подвергают: 1) гидравлическим испытаниям
на прочность, непроницаемость металла и неподвижных разъ-
емных соединений пробным давлением pnp—zpy [здесь ру —
условное давление, z — коэффициент, значение которого зависит
от ру; z колеблется от 2 (0,1 МПа) до 1,25 (св. 50 МПа)];
испытание избыточным давлением может привести к уменьше-
нию концентрации напряжений в локальных областях вследст-
вие пластической деформации дефектов; 2) гидравлическим
испытаниям затвора и других мест уплотнений на герметич-
ность.
Вопросы методики проведения приемосдаточных испытаний
и их особенности изложены в работе [29]. Кроме того, при
приемосдаточных испытаниях проводят испытания на работо-
способность— отработка основной функции и некоторые другие
испытания.
Глава 6. Количественный анализ
надежности ПГА
6.1.	Метод количественного анализа надежности в системе
обеспечения надежности
При разработке ПГА важно знать, как влияют на уровень
надежности принятые проектные решения и воздействия, оказы-
ваемые на производственно-технологический цикл. Оценка эф-
фективности реализованных на данной стадии работ по обеспе-
чению надежности и формулирования задач следующей стадии
производится на основании сравнения достигнутого уровня на-
дежности с заданным. Уточним понятие «достигнутый уровень
надежности». Для ранних стадий отработки за достигнутый
уровень надежности условно примем значения заданных показа-
телей надежности, которые обеспечиваются конструкторской до-
кументацией и подтверждаются для данной стадии результата-
тами прогнозирования. Для стадии автономных испытаний опыт-
ных образцов ПГА и последующих стадий под достигнутым уров-
нем надежности будем понимать значения заданных показателей
надежности, которые подтверждены экспериментально.
Достигнутый на каждой стадии разработки уровень надежно-
сти определяется с помощью методов количественного анализа
надежности.
Частные задачи, решаемые методами количественного анали-
за, на каждой стадии разработки имеют отличия, обусловленные
спецификой стадии. Основная задача количественного анализа
остается общей для всех стадий и этапов — это обеспечение об-
ратной связи между принятыми конструкторско-технологически-
ми решениями и результатами их реализации. Место количест-
венного анализа в системе обеспечения надежности показано на
рис. 6.1. Рассмотрим одно условие, от выполнения которого су-
щественно зависит эффективность применения количественного
анализа в системе обеспечения надежности. Если методы коли-
чественного анализа представить как некоторый инструмент, с
помощью которого должна последовательно определяться коли-
чественная мера какого-то определенного свойства (в данном
случае — надежности) одного и того же изделия по мере его со-
вершенствования, то логично предположить, что основополагаю-
щие принципы определения этой меры свойств должны быть одни-
ми и теми же. Таким образом, методы количественного анализа,
применяемые для одного и того же типа изделий на различных
стадиях разработки, должны быть объединены общим принци-
150
Рис. 6.1. Количественный анализ в системе обеспечения надежности
151
пиальным подходом и типом применяемых моделей. В обрат-
ном случае будет исключена возможность сравнения результа-
тов — уровней надежности, достигнутых на каждой стадии.
Следует рассмотреть некоторые характерные ошибки, допу-
скаемые в процессе опытно-конструкторских работ. Их объединя-
ет отсутствие преемственности между этапом проектирования и
последующими этапами в части применяемых методов количест-
венного анализа надежности и их результатов. На этапе проек-
тирования количественный анализ надежности ПГА изделий
ограничивается расчетом вероятности безотказной работы по
структурной схеме надежности, а вероятность безотказной рабо-
ты каждого элемента структурной схемы определяется с уче-
том предположения об экспоненциальном законе распределения
наработки до отказа.
Сопоставление результатов количественного анализа надеж-
ности двух этапов в упомянутом случае может привести к оши-
бочным выводам.
Следует отметить еще одно немаловажное обстоятельство, оп-
ределяющее эффективность количественного анализа надежно-
сти,— необходимость его взаимосвязи с другими проектными рас-
четами и конструкторско-технологическими решениями. Особен-
но большое значение это имеет на ранних стадиях проектирова-
ния, на которых решаются основные задачи по обеспечению за-
данного уровня надежности. На этапе проектирования методы
количественного анализа надежности обеспечивают возможность
принятия оптимальных проектных решений, и, кроме того, они
представляют собой единственные аналитические методы, с по-
мощью которых может быть произведена комплексная оценка
степени соответствия проектных решений, воплощенных в первом
варианте конструкции, требованиям технического задания. В
практике проектирования механических систем имеют место слу-
чаи, когда основная часть проектных расчетов выполняется вне
всякой связи с количественным анализом надежности, что пре-
вращает последний в формальную процедуру. Следствием этого
являются сверхплановые затраты времени и средств на ту часть
доработок изделия, причины которых могли быть исключены на
предшествующей стадии проектирования.
6.2.	Обзор методов количественного анализа
надежности ПГА
Классификация методов количественного анализа надежности
Эффективность работ по надежности и опытно-конструктор-
ских работ в целом, в известной мере зависит от выбора мето-
дов количественного анализа надежности. Эффективность одно-
го и того же метода количественного анализа надежности мо-
152
жет быть различной в зависимости от того, насколько он соот-
ветствует типу изделий, его функциональным задачам, условиям
производства, серийности, требованиям по надежности и т. д.
Учитывая многообразие разработанных методов количествен-
ного анализа надежности и связанные с этим трудности выбора,
целесообразно привести их краткий обзор и классификацию. Рас-
смотрим основные признаки этой классификации.
1.	По типам моделей оценки и используемой исходной инфор-
мации методы количественного анализа надежности можно раз-
делить на две группы.
К первой группе относятся традиционные методы количест-
венного анализа, основанные на статистических моделях оценки
и использующие исходную информацию узкого вида — случайные
значения наработок и число отказов. Будем условно называть
эти методы статистическими.
Ко второй группе относятся методы количественного анализа,
основанные на анализе моделей функционирования изделия
и использующие исходную информацию в виде значений пара-
метров, описывающих условия безотказности. В дальнейшем ме-
тоды второй группы будем условно называть функциональ-
ными.
2.	По способу получения исходных данных методы количе-
ственного анализа надежности подразделяют на расчетные и
экспериментальные.
К расчетным относят методы, основанные на вычислении по-
казателей надежности по справочным данным. К эксперимен-
тальным относят методы, использующие данные, полученные в
результате испытаний или подконтрольной эксплуатации оцени-
ваемых изделий или их составных частей. В свою очередь, экспе-
риментальные методы разделяют на прямые и косвенные [71].
Прямыми называют методы, при которых показатели надеж-
ности изделия оцениваются непосредственно по результатам на-
блюдений за функционированием изделия как целого. Косвенны-
ми методами или расчетно-экспериментальными называют мето-
ды, при которых требуемые показатели надежности изделия вы-
ражаются через другие показатели, характеризующие работо-
способность изделия или его элементов, а затем их определяют
расчетным путем.
3.	По типу оцениваемых показателей методы количествен-
ного анализа надежности разделяют следующим образом: мето-
ды, оценивающие показатели типа наработка (наработка до от-
каза, у-процентная наработка и т. д.); методы, оценивающие по-
казатели типа вероятность (вероятность безотказной работы, ве-
роятность восстановления за заданное время и т. д.).
4.	По характеру априорных сведений о функции распределе-
ния наблюдаемой случайной величины: методы, когда вид функ-
ции распределения наблюдаемой случайной величины известен
153
априори; методы, когда вид функции распределения наблюдае-
мой случайной величины не известен. В первом случае задача
количественного анализа надежности исчерпывается процедурой
оценивания показателей надежности с учетом вида функции рас-
пределения. Во втором случае количественный анализ надежно-
сти сводится к решению следующих задач: принятию гипотезы
о виде функции распределения наблюдаемой случайной величи-
ны; проверке соответствия эмпирического распределения пред-
полагаемому теоретическому; оценке параметров для функции
распределения предполагаемого типа.
В том случае, если по результатам проверки гипотеза о пред-
полагаемом виде функции распределения отвергается, то принима-
ется новая гипотеза и все повторяется сначала. Задача выбора и
обоснования закона распределения случайных величин подроб-
но рассмотрена в работах [20, 23, 90].
5.	По выбранной стратегии испытаний экспериментальные ме-
тоды количественного анализа надежности первой группы (ста-
тистические) разделяют в соответствии с принятыми планами ис-
пытаний.
В соответствии с ГОСТ 27.002—83 план испытаний обознача-
ется тремя символами, заключенными в скобки. Символы несут
следующую информацию: первый символ N указывает число из-
делий, поставленных на испытание; второй символ указывает
на необходимый порядок действий при возникновении отказа и
обозначается одной из букв U, R или М: U — отказавшие изде-
лия не восстанавливаются и не заменяются новыми; R— отка-
завшие изделия не восстанавливаются, но заменяются новыми;
М — отказавшие изделия восстанавливаются после каждого от-
каза.
Третий символ указывает критерий прекращения испытаний
и может иметь одно из следующих обозначений: Т — по истече-
нии времени испытаний или наработки для каждого неотказав-
шего изделия; г — когда число отказавших изделий достигает г;
N — после отказа всех из Д' изделий, поставленных на испыта-
ния; (г, Т) — когда число отказавших изделий достигает г или
при истечении времени или наработки Т каждого неотказавшего
изделия в зависимости от того, какое из этих условий наступит
раньше; Тх — по достижении суммарного по всем изделиям вре-
мени испытаний или наработки Тх (г, Гх) —критерий по смыслу
аналогичный (г, Т); (гь гц), (г2, п2), .... (rft_b nft-i), rh — после
возникновения и отказов с испытаний снимают неотказавших
изделий; после возникновения г2 отказов с испытаний снимают п2
неотказавших изделий и т. д., испытания прекращают после воз-
никновения rh отказов; (Tt, Hi), (Т2, п2),..., (Th-i, nh-i), Th — при
истечении времени или наработки Т\ с испытаний снимают П\
неотказавших изделий (если число неотказавших изделий боль-
ше ль то в обратном случае испытания прекращают) и т. д., ис-
154
пытания прекращают при истечении времени или наработки Tk.
Описания планов испытаний приведены в ГОСТ 27.002—83 и
работах [64, 71]. Методы оценок показателей надежности в соот-
ветствии с планами испытаний приведены в ГОСТ 27.503—81 и
работах [64, 71].
Символы планов испытаний, приведенных в ГОСТ 27.002—83,
заключены в одиночные квадратные скобки. Это означает, что
все изделия подвергаются испытаниям одновременно и конт-
роль за их техническим состоянием осуществляется непрерывно.
Однако выполнить указанные жесткие условия на практике не
всегда представляется возможным, поэтому для менее жестких
условий приняты следующие обозначения [71].
Если изделия подвергаются испытаниям не одновременно, то
символы плана заключаются не в квадратные, а в круглые скоб-
ки, например (NUN). Если контроль в процессе испытаний про-
изводится не непрерывно, а периодически, то символы плана за-
ключаются в двойные скобки (круглые или квадратные). На-
пример, ((NUN)) означает, что изделия подвергаются испыта-
ниям неодновременно, контроль осуществляется периодически.
Если контроль производится только дважды — в начале и в кон-
це испытаний, то символы плана заключаются в фигурные скоб-
ки, например {NUN}.
В зависимости от иерархического уровня элементов (исход-
ные данные о надежности которых используются) методы ко-
личественного анализа надежности разделяют на методы прос-
тых изделий (когда исходные данные относятся ко всему из-
делию как к целому) и методы сложных изделий (когда исход-
ные данные относятся к элементам структуры. Методы количе-
ственного анализа сложных изделий в зависимости от наличия
резервирования делят на методы количественного анализа на-
дежности для резервированных и методы нерезервированных
изделий.
Функциональные методы количественного анализа надежно-
сти основаны на моделях непревышения; в зависимости от
физической сущности процесса потери работоспособности их раз-
деляют на следующие: нагрузка — прочность, нагрузка — изна-
шивание, параметр — поле допуска.
Сравнительный анализ
Работы по обеспечению надежности и их эффективность за-
висят от того, насколько удачно выбраны методы количествен-
ного анализа надежности для рассматриваемого класса изделий.
Целесообразно проанализировать применительно к ПГА воз-
можности двух методов количественного анализа надежности:
традиционного статистического и функционального, основанного
на применении моделей непревышения.
155
К достоинствам первого метода следует отнести его сравни-
тельную простоту и удобство применения. Для оценок показа-
телей надежности достаточно информации о числе отказов и сум-
марной наработке, при этом не требуется исследовать причину
каждого отказа и предпринимать меры по ее исключению. Конт-
роль за работоспособным состоянием может быть ограничен ме-
роприятиями, позволяющими регистрировать только факты от-
казов. Простотой и удобством характеризуется математический
аппарат этого метода, применяемый для прогнозирования пока-
зателей на этапе проектирования.
Наиболее эффективно указанные методы могут быть приме-
нены для изделий, которые выпускаются крупными сериями,
имеют невысокую стоимость и сравнительно невысокие требова-
ния к точности и надежности. При производстве таких изделий,
как правило, используют многократно опробированные стандарт-
ные решения. Примерами таких изделий могут служить резисто-
ры, конденсаторы, источники света, некоторые виды ПГА бы-
тового назначения и др.
Если условия производства и применения изделий существен-
но отличаются от приведенных выше, то неизбежно сказываются
недостатки традиционных статистических методов. Основные из
них: для потверждения высокого уровня надежности необходимы
большие объемы испытаний, что часто нереализуемо на практи-
ке; крайне ограниченные возможности для формулирования и
реализации конкретных научно-технических задач по обеспече-
нию надежности.
Последний недостаток заслуживает более подробного рас-
смотрения.
Как известно, надежность закладывается при проектировании
и именно на этом этапе рассматриваемый метод обладает на-
именьшими возможностями влиять на уровень надежности соз-
даваемого изделия. Так, например, вероятность безотказной ра-
боты механических систем часто определяют [17, 60, 65] с при-
менением известной формулы экспоненциального распределения:
Р(/)=е-хг,	(6.1)
где Л — интенсивность отказов; Т — заданный период безотказной работы.
Обычно справочный материал представлен в виде таблиц, где
каждому наименованию элемента соответствует свое значение
X. Применительно к элементной базе радиоэлектроники такой
подход вполне правомерен и оправдан, так как в этом случае в
обозначении элемента зашифрована крайне важная информация
о материалах, конструкции, технологии изготовления, стандарт-
ных условиях применения и т. д.
Механические системы характеризуются значительно мень-
шей степенью стандартизации и унификации элементной базы,
чем изделия радиоэлектроники. Элементная база ПГА представ-
156
ляет собой в основном оригинальные детали и узлы. Детали од-
ного и того же наименования могут отличаться материалами,
геометрическими параметрами, технологией изготовления, схе-
мой действующих нагрузок, параметрами окружающей среды
и др. Следовательно, одному и тому же наименованию детали
П^А должно соответствовать множество различных значений
X в зависимости от особенностей изготовления и условий при-
менения. Такая справочная информация была бы достаточно до-
стоверной. Однако ее сбор, накопление и применение в таком
ви^е вылились бы в крайне громоздкую и трудновыполнимую
заддчу. Этим можно объяснить то, что таблицы справочных дан-
ные об интенсивностях отказов элементов механических систем
часто имеют такой же вид, как и аналогичные таблицы для ра-
диоэлементов, т. е. каждому наименованию элемента соответст-
вует единственное значение X. Использование такой справочной
информации приводит к тому, что расчет ожидаемого значения
вероятности безотказной работы механической системы на этапе
проектирования часто производится без учета основных факто-
ров, физически определяющих ее безотказность. Например, не
учитывается соотношение нагрузки и прочности, взаимодействие
деталей в узлах и т. д. Характерной чертой такого подхода яв-
ляется отсутствие взаимосвязи между расчетом надежности и
остальными проектными расчетами и решениями. Результаты та-
ких расчетов оказываются не только приблизительными, но мо-
гут быть ошибочными.
Особенностями производства и применения высоконадежной
ПГА являются: высокие требования к точности поддержания
выходных параметров и надежности; широкий диапазон условий
применения; мелкосерийное производство; сравнительно высокая
стоимость; наличие нестандартных проектных решений. По от-
ношению к этому классу изделий недостатки традиционных ста-
тистических методов количественного анализа надежности су-
щественно доминируют над их достоинствами, что ограничивает
возможность их практического применения.
Рассмотрим в общих чертах функциональные методы количе-
ственного анализа надежности, основанные на применении моде-
лей непревышения нагрузка — прочность и параметр — поле до-
пуска.
Требование технического задания к успешному функциониро-
ванию ПГА может быть представлено в виде условий нахожде-
ния значений каждого из его основных функциональных пара-
метров в определенной области. В общем случае условие безот-
казности в отношении рассматриваемого функционального па-
раметра У (/) может быть сформулировано как требование не-
превышения им некоторого предельного уровня [У(0]- Послед-
ний может быть задан стохастически или в виде детермини-
рованной величины. Пусть и S — случайные величины, пер-
157
вая из которых обозначает прочность конструкции, а вторая —
действующую на нее нагрузку. Условие неразрушения конструк-
ции под действием нагрузки имеет вид
7?-S>0.
Соответственно, вероятность неразрушения конструкции можно
записать:
P=Bep{/?-S>0}.
В общем случае понятия «нагрузка» и «прочность» следует
трактовать шире, чем в буквальном смысле. Понятие «нагруз-
ка» объединяет действие факторов, способствующих появлению
отказа, а понятие «прочность» — действие факторов, препятст-
вующих появлению отказа. Законы распределения нагрузки и
прочности могут быть различными [51, 64, 71]. Наиболее широ-
ко распространен нормальный закон.
Для иллюстрации возможностей функциональных методов
количественного анализа надежности рассмотрим в качестве при-
мера случай, когда нагрузка S и прочность R представляют со-
бой независимые случайные величины, распределенные по нор-
мальному закону. Тогда вероятность неразрушения может быть
определена из выражения [51]
P=F0(^0); U.
Mr — Mg
где Fo(-)—нормированная функция нормального распределения; Mr, Mb, o2r,
о3в — математические ожидания и дисперсии прочности и нагрузки.
Если оценка вероятности неразрушения fi производится по
результатам испытаний, то определяют соответствующие выбо-
рочные оценки математического ожидания и средних квадрати-
ческих отклонений /йл, ths и Sr, Ss:
(6.2)
S=j/	’	(6'3)
где n — объем выборки.
Тогда выборочная квантиль
t/„=	(6.4)
158
Вероятность неразрушения
p=F0(Un) = F0
гг.ц—ms
|/ -Sfl + Sl
(6-5)
Выражения вида (6.4), связывающие параметры распределе-
ний прочности и нагрузки со значением вероятности безотказной
раооты, называют уравнениями связи. Уравнение связи может
быть использовано на этапе проектирования для расчета ожи-
даемого значения вероятности безотказной работы и решения
друпих задач. Для этого выражение (6.4) приводят к виду, бо-
лее Удобному для применения на этом этапе.
^ведем обозначения:
« =	VR=-^~- Vs=^~ ,	(6.6)
ms	т%	ms
где «-—коэффициент запаса; Vr и Vs — коэффициенты вариации прочности
и нагрузки.
Подставив выражения (6.6) в выражение (6.4), после неслож-
ных преобразований получим
V ^ + V2S '
(6-7)
Уравнение связи вида (6.7) и примеры его применения на эта-
пе проектирования приведены в работах [17, 61, 105]. Уравнения
связи вида (6.4) и (6.7) позволяют решать и обратную задачу:
определять требуемые значения функциональных параметров и
коэффициентов запаса в зависимости от заданного значения веро-
ятности безотказной работы. Они же могут быть применены для
решения и других задач, в частности для выявления слабых
звеньев конструкции на этапе проектирования; проверки прин-
ципиальной выполнимости заданных требований по надежности;
расчета коэффициентов запаса по выходным параметрам, закла-
дываемым при проектировании из условия обеспечения заданной
надежности; выявления наиболее опасных режимов и условий
работы изделия, которые соответствуют минимальному значе-
нию вероятности безотказной работы и т. д.
Применение уравнений связи для решения задач обеспечения
надежности ПГА рассмотрено в гл. 7.
6.3.	Методы количественного анализа надежности
высоконадежных изделий ПГА
Как было приведено в гл. 2, свыше 90% отказов ПГА состав-
ляют отказы, проявляющиеся при превышении значений выход-
ных параметров допустимых пределов. Менее 10% отказов про-
159
являются как полные функциональные. В группе полных отка-
зов случаи разрушения деталей составляют в среднем одну
треть, остальная часть представлена отказами с различными па-
раметрическими проявлениями. Следовательно, в среднем более
9*Л°/о всех отказов ПГА могут быть предсказаны путем контроля
изменений выходных параметров и менее 4% отказов, представ-
ляющие случаи механического разрушения деталей, не могут
быть предсказаны или выявлены таким путем вплоть до момента
проявления.
Аналогичное деление отказов на две указанные характерные
группы в зависимости от проявления свойственно и другим ме-
ханическим системам [7, 17, 53].
В соответствии с таким делением отказов метод непревыше-
ния, применяемый для количественного анализа надежности вы-
соконадежных ПГА, может быть представлен следующими ти-
пами моделей оценки: параметр — поле допуска, нагрузка —
прочность.
Высоконадежная ПГА характеризуется жесткими требова-
ниями к точности поддержания значений выходных параметров
в сравнительно узких допустимых диапазонах и широким спект-
ром условий применения. Это создает благоприятные условия
для проявления различных параметрических отказов. Поэтому
первая из рассматриваемых моделей является основной рабочей
моделью, широко применяемой для количественного анализа на-
дежности высоконадежной ПГА на всех этапах разработки и про-
изводства.
К числу особенностей рассматриваемого класса ПГА следует
отнести ее высокую механическую прочность. В тех случаях, ког-
да схема действующих нагрузок при проектировании учтена до-
статочно корректно, случаи разрушения деталей на последую-
щих этапах отработки и эксплуатации проявляются редко и в ос-
новном являются следствием производственно-технологических
дефектов. Как правило, применение модели нагрузка — прочность
ограничивается этапом проектирования. Часто в результате пред-
варительного анализа соотношения действующих нагрузок и
прочности опасность разрушения деталей исключается даже тео-
ретически. Тогда в качестве единственной рабочей модели для
количественного анализа надежности применяют модель пара-
метр — поле допуска.
Значительно реже встречается другой крайний случай, когда
успешное функционирование ПГА в основном определяется со-
отношением нагрузки и прочности. Это относится к изделиям
ПГА разового срабатывания, основу схемы функционирования
которых составляют разрушаемые элементы, например разру-
шаемые затворы, прорывные мембраны и т. д. В этом случае
модель нагрузка — прочность является основной и применяется
для количественного анализа надежности изделия на всех этапах
160
разработки. Параметры этой модели характеризуются значи-
тельной устойчивостью к действию комплекса внешних факторов
и времени.
'Выходные параметры ПГА характеризуются меньшей устой-
чивостью. Они изменяются во времени и под действием практи-
чески любого из внешних факторов. Предположим, что работо-
способное состояние изделия характеризует п выходных пара-
метров Vi, каждый из которых ограничен верхним предельно до-
пустимым значением [У,]тах- Тогда условие безотказности в отно-
шении каждого из рассматриваемых выходных параметров будет
иметь вид
у, < Г<]гаах или [^-^=^>0.	(6.8)
Вероятность безотказной работы изделия Р может быть пред-
ставлена как вероятность совместного выполнения п условий ви-
да (6.8):
Р = Вер ([>'- Г, = Z,>0; |Г Jm„ - Г2= Z2 > 0;
1Г„к„-Г„=г„>0}.	(6.9)
Каждый из выходных параметров является функцией конст-
руктивно-технологических факторов и факторов внешних воз-
действий:
П=Л(4Т, 4Ф),	(6.Ю)
где лфт и — аргументы, учитывающие конструктивно-технологические
факторы (кт) и факторы внешних воздействий (вф).
В процессе изготовления геометрические параметры дета-
лей, механические свойства материалов, параметры технологи-
ческих процессов и др. будут принимать случайные значения в
пределах заданных допусков. Аналогично в пределах заданных
диапазонов будут изменяться уровни факторов внешних воздей-
ствий. Таким образом, аргументы х“г и х“ф являются случай-
ными величинами, а следовательно, и функция вида (6.10) пред-
ставляет собой случайную функцию. Физико-химические явления,
обусловливающие изменения выходных параметров, протекают
во времени, т. е. это же относится и к случайной функции (6.10).
Изменение случайной функции во времени представляет собой
случайный процесс.
При количественном анализе надежности ПГА неизбежно
возникает необходимость выбора и обоснования закона распре-
деления наблюдаемых случайных величин. На этапе проекти-
рования обычно принимается допущение о том или ином законе
распределения. На этапе опытной отработки при наличии до-
статочного объема экспериментальных данных задача может
быть решена с применением критериев согласия [8, 20, 70, 90].
Практические приемы решения таких задач приведены в работе
161
[8]	. Однако такой поэтапный подход к решению задачи о выбо-
ре закона распределения не всегда представляется достаточно
оправданным.
Количественный анализ надежности на всех этапах опытно-
конструкторских работ представляет собой единую задачу, под-
чиненную главной цели — обеспечению заданного уровня надеж-
ности. Поэтому применяемые методы количественного анализа
надежности должны обеспечивать сравнение результатов каж-
дого этапа с предыдущим и последующим. Для этого они должны
базироваться на единой методической основе. Следовательно, они
должны иметь общую гипотезу о законе распределения наблюда-
емых случайных величин. Задача о выборе закона распределения
наиболее актуальна на этапе проектирования. Проектирование
является наиболее ответственным этапом на всем жизненном
цикле изделия, так как только на этом этапе закладывается уро-
вень надежности, который уже невозможно повысить на после-
дующих этапах [8, 51].
После того, как на этапе проектирования принято достаточ-
но обоснованное решение о выборе закона распределения и это
решение материализовано в конкретных мероприятиях последу-
ющих этапов, рассматриваемая задача утрачивает прежнюю ак-
туальность. На этапе испытаний опытных образцов она может
представлять интерес, в основном, для демонстрации достигну-
того уровня надежности с точки зрения точности его оценки.
В качестве исходной информации для принятия решения
о предполагаемом законе распределения значений функциональ-
ных параметров могут быть использованы результаты статисти-
ческих обобщений поведения параметров той же физической при-
роды в изделиях-аналогах. В практике количественного анализа
надежности механических систем обычно отдают предпочтение
нормальному закону распределения. Это подтверждается мно-
гочисленными экспериментальными данными [8, 17, 53]. Сведе-
ния о том, что нормальное распределение имеют механические
характеристики материала, в частности, предел прочности на
разрыв, предел текучести, предел усталостной прочности, содер-
жатся в работах [11, 31, 51]. Исследования реальных массивов
значений различных выходных параметров ПГА, произведенные
авторами по результатам приемосдаточных испытаний ПГА при
объеме выборок М>100, свидетельствуют о том, что в большин-
стве они имеют распределения, близкие к нормальному [88].
Нормальный закон распределения занимает особое место
среди других законов распределения. Его отличительная особен-
ность заключается в том, что он является предельным законом,
к которому приближаются другие законы распределения при
часто встречающихся типичных условиях [20]. Сумма достаточно
большого числа независимых (или слабо зависимых) случайных
величин, имеющих различные законы распределения, при соблю-
162
дении нежестких ограничений подчиняется нормальному закону
[20]. Практически каждая случайная величина, наблюдаемая
при количественном анализе надежности ПГА, формируется под
воздействием большого числа факторов, т. е. может быть пред-
ставлена суммой большого числа слагаемых, а следовательно,
имеет нормальное распределение. Поэтому при дальнейшем из-
ложении данных о количественном анализе надежности ПГА бу-
дем исходить из следующих допущений: поведение выходных па-
раметров ПГА под действием эксплуатационных факторов мо-
жет быть представлено гауссовым случайным процессом; рас-
пределение случайной величины в каждом сечении процесса в
течение цикла изделия не изменяется, остается нормальным, из-
меняться могут только значения параметров распределения.
6.4.	Количественный анализ надежности ПГА
при экспериментальной отработке
Оценка надежности ПГА по результатам испытаний
опытных образцов
Вероятность безотказной работы РИзд изделия можно предста-
вить в виде
^изд ^ВП^неРаз’
где Рвп— вероятность того, что в течение заданного времени tp в заданных
условиях значения выходных параметров изделия, определяющих его рабо-
тоспособность, не выйдут за допустимые пределы; Риераз — вероятность того,
что в течение времени /Р в упомянутых условиях не пройдет разрушений эле-
ментов конструкции.
Для высоконадежной ПГА Рнераз определяют по результатам
специальных испытаний отдельных элементов в процессе их отра-
ботки; к моменту испытаний опытных образцов в большинстве
случаев РНераз->-1. Допустим, что в результате предварительного
количественного анализа соотношения нагрузки и прочности ус-
тановлено, ЧТО Рнераз->1, ТОГДЭ Ризд = Р'вП.
Условия безотказности в отношении каждого из п выходных
параметров У,- могут быть представлены в виде:
при верхнем ограничении параметра
[N„,-Г,=Z, >0;	(6.11)
при нижнем ограничении параметра
r/lmln=zz>0,
где [У*]щ«х и [К<]т|П — предельно допустимые соответственно максимальное
и минимальное значения выходного параметра.
Тогда вероятность безотказной работы будет представлять
собой вероятность совместного выполнения п условий вида
(6.11):
163
^изд Вер
(6.12)
и может быть вычислена по формуле [7]
*1 л, л«
А1зд= J J (л—l)pasj f (^1>	Zn^dZ^, dZ2,...» dZn.
(6.13)
Вычисление РИзд по формуле (6.13) при произвольном законе
распределения подынтегрального выражения весьма сложно.
При нормальном законе распределения величин Zb Z2, ..., Zn
оценка вероятности Ризд для условий (6.12) может быть полу-
чена с помощью приближения Судакова [8, 17, 93] по формуле
изд
П₽.+д.
Z-1
(6.14)
где — оценка вероятности безотказной работы по i-му выходному пара-
метру; Д — поправка, учитывающая корреляционную связь выходных пара-
метров.
При значении 0,999 и небольших значениях п корреля-
ционную связь между выходными параметрами можно не учи-
тывать [31]. Первое и второе условия в полной мере приемлемы
для высоконадежной ПГА, поэтому принимаем Д=0.
Выражение (6.14) примет вид
Л„= П Р,-	(6.15)
1-1
Нижний доверительный предел вероятности безотказной ра-
боты (Ризд)н [8, 93]
(Р ) =р
' ИЭД'Н 1
(6.16)
где Ризд — оценка вероятности безотказной работы, определяемая из выраже-
ния (6.15); Р,н— нижняя доверительная граница оценки вероятности безот-
казной работы по i-му выходному параметру.
При нормальном распределении значений выходных пара-
метров оценка вероятности А определяется [18, 86] из выражения
^=F(A,)»
(6.17)
164
где F(Ht)—функция нормированного нормального распределения; ги— соот-
ветственно при верхнем и нижнем ограничениях:
[^zl.nax ту.	тГ~[П]п1п	/гю\
I,__	I . h ___________ I	lh 1R1
(здесь ту^, — выборочные оценки математического ожидания и среднего
квадратического отклонения выходных параметров У<).
Нижняя доверительная граница вероятности
PiH=F(hK).	(6.19)
Ввиду монотонности функции F(h) нахождение значения
F (hH) сводится к определению нижней доверительной границы
йн аргумента h. Значение hHi может быть найдено по формуле [8,
62]
1+Л?/2 ,	(6.20)
где Hi — определяется из выражения (6.18);	—квантиль доверительной ве-
роятности y=F(h1)-, определяется по таблицам нормированного нормального
распределения [105]; N — число объектов наблюдения (опытных образцов,
поставленных на испытание).
Однако выражение (6.20) при малом числе объектов наблю-
дения Л^<10 дает существенную погрешность. Более точная
оценка Лн< может быть получена с применением таблиц нецент-
рального распределения Стьюдента [98]:
*, v)y=- 1/1+4*1.	(6.21)
где Л (N, Н, у)—параметр, определяемый по данным в работе [98] в зависи-
мости от числа объектов наблюдения, оценки квантиля li и доверительной ве-
роятности у.
В качестве примера практического применения изложенных
положений приведем расчет надежности опытных образцов ПГА
по результатам автономных испытаний.
Оценка вероятности безотказной работы опытных образцов
FIFA по результатам автономных испытаний
Общие положения. При оценке надежности изделия ПГА по
результатам автономных испытаний учитывались изделия ПГА
многоразового действия. За оцениваемый показатель надежно-
сти принята вероятность безотказной работы, которая опреде-
ляется как вероятность того, что в заданных условиях, в каждый
момент времени в течение заданной наработки t3 значения вы-
ходных параметров, учитываемых при оценке надежности, будут
165
находиться в пределах, установленных техническим заданием.
Требования к зачетным испытаниям следующие: изделия,
представленные на испытания, должны быть изготовлены в соот-
ветствии с требованиями технической документации; номенкла-
тура, последовательность и уровни факторов, действующих в про-
цессе испытаний, максимально приближены к условиям эксплуа-
тации; в процессе испытаний каждое изделие подвергается воз-
действию факторов в равном объеме; число неустраненных отка-
зов по каждому из оцениваемых выходных параметров должно
быть равно нулю.
Устраненными считаются отказы, удовлетворяющие следую-
щим требованиям: причины отказов установлены однозначно;
мероприятия по предотвращению причин отказов разработаны
и реализованы; эффективность реализованных мероприятий под-
тверждена экспериментально.
Основные допущения: 1) выходные параметры взаимонезави-
симы и представлены гауссовыми случайными процессами;
2) закон распределения значений выходных параметров в каж-
дом сечении процесса не изменяется в течение заданной нара-
ботки; 3) вероятность невыхода значений выходных параметров
за допустимые пределы достаточна велика.
Предварительная обработка экспериментальных данных. Эта
обработка экспериментальных данных включает анализ отка-
зов и упорядочение результатов проверок параметров.
Анализ отказов производится для их классификации, соглас-
но которой отказы разделяют на учитываемые и неучитываемые
(см. гл. 2).
К неучитываемым отказам относятся: отказы, возникшие под
действием внешних факторов, уровни которых превышали до-
пустимые по техническому заданию; отказы, вызванные нару-
шением режимов и условий эксплуатации изделий со стороны
обслуживающего персонала; устраненные отказы (эффектив-
ность мероприятий по предотвращению причин их подтверждена
экспериментально).
Упорядочение результатов проверок включает: группирова-
ние результатов проверок по режимам и условиям испытаний;
исключение из рассмотрения результатов проверок, связанных с
проявлениями неучитываемых отказов; контроль результатов
проверок параметров в соответствии с данными ГОСТ 11.002—73.
Последовательность обработки данных. По каждому выход-
ному параметру для каждой контрольной точки циклограммы
(каждого измерения) находят выборочные оценки математиче-
ского ожидания гп.) и среднего квадратического отклонения S/:
N
166
s'=l/
где у) — значения выходного i-ro параметра в /й контрольной точке цикло-
граммы испытаний.
По формулам (6.18) определяют для каждой контрольной
точки выборочное значение оценки квантили И:
при верхнем ограничении выходного параметра
l^lmax т1
hJ =-------7---
SJ
при нижнем ограничении выходного параметра
Для каждой контрольной точки рассчитывают
P}=F(h}).
Определяют опасное сечение процесса изменения выходного
параметра, которому соответствует минимальное значение Роп
оценки Р/:
Pon=min(P1, Р2,..., Рй),
где k — число контрольных точек циклограммы испытаний.
По формуле (6.15) находят оценку вероятности безотказной
работы изделия РИЗд в каждой контрольной точке:
П р,-
1-1
Определяют контрольную точку циклограммы, соответствую-
щую минимальному значению оценки (Ризд)/. Эта точка принад-
лежит опасному сечению процесса изменения всех учитываемых
выходных параметров:
(Ризд)оп = п11п (Р
ИЗД >9 Ризд,. , РИЗДд)-
В найденном опасном сечении процесса найдем для каждого
выходного параметра нижнюю доверительную границу оценки
Лн с применением одного из выражений (6.20) или (6.21). При
значениях Л7^10 предпочтение следует отдавать выражению
(6.21). Определим нижнюю доверительную границу вероятно-
сти невыхода значения каждого выходного параметра за до-
167
пустимые границы:
Лн=^(Лн).
Определим нижнюю доверительную границу вероятности без-
отказной работы изделия из выражения (6.16).
Решение о соответствии достигнутых показателей надежно-
сти требуемым принимается по результатам контроля следую-
щего неравенства:
(Риз,)н>/>тр,	(6.22)
где Ртр — значение нижней доверительной границы вероятности безотказной
работы изделия, требуемое по техническому заданию.
Требование к надежности изделия ПГА считается выполнен-
ным, если выполняется неравенство (6.22).
6.5.	Закономерности изменения функциональных
параметров ПГА
Изменение выходных параметров ПГА
Для прогнозирования показателей надежности ПГА на этапе
проектирования необходимо располагать априорной информа-
цией о доминирующих тенденциях поведения выходных парамет-
ров в процессе эксплуатации. Можно предположить, что выход-
ные параметры, имеющие одну и ту же сущность формирования,
при аналогичных воздействиях будут изменяться подобным об-
разом. Представим математическую модель изменения выход-
ных параметров гауссовым случайным процессом. Распреде-
ление случайных значений выходных параметров в каждом
/-м сечении процесса определяется параметрами т,- и Sj=Vjmj
(здесь ntj, Sj, V/ — математическое ожидание, среднее квадрати-
ческое отклонение и коэффициент вариации выходного парамет-
ра). Изменение т, и V/ происходит под действием эксплуата-
ционных факторов и во времени, т. е.
к, о;
Vj=fv{L, К, /),
где L — группа факторов, вызывающих обратимые изменения выходных пара-
метров; К — группа факторов, вызывающих необратимые изменения выход-
ных параметров; t — время.
Время t может быть отнесено к группе факторов, вызываю-
щих необратимые изменения выходных параметров:
К);
V}—fv (L, К)-
168
Значения т, и Vj могут быть представлены в виде исходных
значений параметров т и V и их приращений под действием экс-
плуатационных факторов:
ттгу=/тг0 (1
(6.23)
где т0 и Vo — исходные значения т и V; &mL и AVl — приращения значений
т и V под действием группы факторов L; &тк и AV\ —то же, под действием
группы факторов К.
Таким образом, прогнозирование поведения выходных пара-
метров под действием эксплуатационных факторов возможно
при наличии априорной информации о значениях т0, ктк,
Vo, AVl и AVx-
На этапе проектирования значения ги0 и Дщд определяют про-
ведением соответствующих детерминистических расчетов. При на-
личии исходных аналитических зависимостей для определения
то и AmL методом линеаризации могут быть получены выраже-
ния для расчета значений Vo и AV^. Однако последний дает до-
статочно приближенные выражения, поэтому их целесообразно
уточнять опытными данными. Наиболее сложной представля-
ется задача выявления закономерностей изменения tn и V под
действием факторов, вызывающих необратимые изменения. Эта
задача может быть решена путем обобщения опытных данных
об основных тенденциях поведения выходных параметров ПГА
одной физической сущности.
Авторами проводились наблюдения за поведением выходных
параметров ПГА в процессе экспериментальной отработки, в том
числе испытаний на надежность. Объем исследуемых выборок
находился в диапазоне от 10 до 20 образцов, база испытаний —
от 104 до 107 циклов срабатывания. В результате наблюдений
выявлены следующие характерные виды функций: mj=fm(n)
(здесь п — наработка в циклах):
1.	mj = tn0 = const при п= (0—106) циклов.
Исходное значение математического ожидания выходных па-
раметров т0 устойчиво сохраняется неизмененным при больших
значениях наработки (п=106 циклов). К группе таких выходных
параметров можно отнести: напряжение срабатывания двухпо-
зиционного поляризованного электромагнитного привода ПГА;
время срабатывания упомянутого привода; давление открытия
обратного клапана для нейтральных жидких сред и др.
2.	mj = m0-\-cn (здесь с — опытный коэффициент пропорцио-
нальности). Такой вид функции mj = fm(n) характеризует следу-
ющие выходные параметры ПГА: напряжение срабатывания од-
нопозиционных электромагнитных приводов ПГА; время сраба-
тывания упомянутых приводов (иногда этот выходной параметр
169
Рис. 6.2. Изменение математического ожидания mj, времени срабатывания од-
нопозиционного электромагнитного клапана с наработкой
может иметь незначительную нелинейность); гидросопротивле-
ние изделий ПГА всех типов при наличии фильтров на входе
или выходе.
3.	nij=m0—сп. Такой вид рассматриваемой функции имеют
следующие выходные параметры: давление открытия и давле-
ние обратной посадки некоторых типов предохранительных кла-
панов для газовых сред (на линейном участке); усилие удержа-
ния якоря у стопа в однопозиционных электромагнитных при-
водах ПГА.
4.	Нелинейный вид функции	Пример такой эм-
пирической функции показан на рис. 6.2.
5.	Вид функции	представляющий собой комби-
нацию линейных и нелинейных участков. Как правило, линей-
ный участок предшествует нелинейному. На рис. 6.3 показана
функция такого вида, построенная по данным наблюдений за из-
менением гл/ давления обратной посадки предохранительного
клапана. Вид функции	указывает на устойчивость вы-
ходного параметра к действию эксплуатационных факторов и
Рис. 6.3. Изменение математического ожидания mj, давления обратной посад-
ки предохранительного клапана с наработкой
170
Рис. 6.4. Зависимость коэффициента
вариации давления открытия предо-
хранительного клапана от темпера-
туры
Рис. 6.5. Зависимость коэффи-
циента вариации давления на
выходе регулятора давления от
температуры:
1,2 — соответственно расход Qmax и
Qmln
на характер протекания доминирующих деградационных про-
цессов. Например, первый рассмотренный случай m; = m0=const
свидетельствует об устойчивости выходного параметра к дейст-
вию эксплуатационных факторов. Линейное изменение т, ука-
зывает на то, что доминирующий деградационный процесс раз-
вивается с постоянной скоростью. Появление нелинейности, как
правило, отражает то, что развитие деградационного процесса
интенсифицируется и переходит в фазу паталогического развития.
Об этом может свидетельствовать увеличение кривизны на гра-
фике функции mi=fm(n).
Наблюдения за коэффициентами вариации V выходных па-
раметров ПГА выявили следующие закономерности.
1.	Диапазон изменения коэффициента вариации каждого
выходного параметра при прочих равных условиях определя-
ется физической моделью процесса формирования выходного
параметра и методом измерения.
2.	Связь коэффициентов вариации выходных параметров с
уровнями действующих факторов, как правило, имеет вид функ-
циональной зависимости, значительно реже—корреляции.
3.	Эмпирические зависимости коэффициентов вариации вы-
ходных параметров с уровнями факторов в основном могут быть
представлены нелинейными функциями. Примеры таких эмпи-
рических функций показаны на рис. 6.4—6.12. Зависимости ко-
эффициентов вариации давления открытия предохранительного
клапана и давления на входе газового редуктора от температу-
ры показаны на рис. 6.4 и 6.5. Наибольшие значения коэффици-
ентов вариации выходных параметров соответствуют границам
171
Рис. 6.6. Зависимость коэффициента вариации на выходе от давления на вхо-
де в газовый редуктор:
1, 2 — соответственно расход Qmax и Qmln
диапазонов температур. Как видно из рис. 6.4, значения коэф-
фициента вариации этого выходного параметра несущественно
изменяются в широком диапазоне расхода рабочей среды Q.
Это подтверждают опытные данные, показанные на рис. 6.6 для
коэффициента вариации давления на выходе газового редукто-
ра. Зависимость коэффициентов вариации V/ давления на вы-
ходе газового редуктора, давления открытия предохранительно-
го клапана, давления обратной посадки предохранительного кла-
пана от температуры рабочей и окружающей сред хорошо ап-
роксимируется выражением
Vj=AT2-BT-C,
где 7'=7'окр.сц=7’раб.ср — температура окружающей и рабочей сред; А, В, С —
эмпирические коэффициенты.
На рис. 6.7 показан наиболее характерный для газовых ре-
дукторов вид зависимости коэффициента вариации давления
на выходе редуктора давления от давления на входе, построен-
ной по данным ресурсных испытаний. Как следует из рис. 6.7,
значения коэффициента вариации выходного параметра, как
правило, уменьшаются с увеличением давления на входе. Более
явно эта тенденция проявляется на эмпирической зависимости
регулятора давления с более широким диапазоном давлений на
входе (рис. 6.8). Как видно из рис. 6.8, давление на входе в ре-
гулятор давления может оказывать существенное влияние на ко-
эффициент вариации давления на выходе регулятора давления.
Сравнение кривых 1 и 2 на рис. 6.7 дает возможность выявить
еще один эксплуатационный фактор, значительно влияющий на
коэффициенты вариации выходных параметров ПГА. Из рис.
172
Рис. 6.7. Зависимость коэффициента вариации давления на выходе регулято-
ра давления от расхода наработки и давления на входе:
Л 2 — соответственно расход Qmax и Qmln:-X.-X ~ до ресурсных испытаний;
-----° -----° — после ресурсных испытаний
Рис. 6.8. Зависимость коэффициента вариации давления на выходе регуля-
тора давления qt давления на входе:
/ — после ресурсных испытаний; 2 — до ресурсных испытаний
6.7 видно, что после ресурсных испытаний коэффициент вариа-
ции увеличился более чем в 2,5 раза.
Зависимость коэффициента вариации выходных параметров
от наработки, как правило, имеет вид нелинейной функциональ-
ной зависимости, а иногда — корреляции (рис. 6.9). Вид кри-
вых V=fv(n) может быть различным; некоторые из них показа-
ны на рис. 6.9. Вид функции V=fv(n) в значительной мере оп-
ределяется типом доминирующего деградационного процесса и
интенсивностью его развития. Например, интенсивное увеличе-
ние значений коэффициентов вариации выходных параметров
предохранительного клапана, показанное на рис. 6.10, как было
установлено, явилось следствием нарушения контрения узла
настройки и последующего самоотвинчивания регулировочного
винта. Уменьшение при наработке значений коэффициентов ва-
риации выходных параметров электромагнитного привода (рис.
6.11) связано с приработкой поверхностей трения якорь — кар-
кас. Если изменения выходного параметра формируются под до-
минирующим влиянием процессов изнашивания, а база испыта-
ний достаточна велика (n^ 106 циклов), то на эмпирических кри-
173
Рис. 6.9. Зависимость коэффициента вариации давления начала открытия об-
ратного клапана от наработки
вых V=fv(n) различных выходных параметров проявляются об-
щие закономерности (см. рис. 6.5—6.12). Рассмотрим эти законо-
мерности на примере коэффициента вариации напряжения сраба-
тывания однопозиционного электромагнитного привода.
Характерная форма эмпирической функции V=fv(n) показана
на рис. 6.13. Выделим три характерных участка кривой /—III.
Участок (/) (или АВ) характеризуется неустойчивым поведе-
нием V и чаще всего представляет собой нисходящую ветвь
кривой (АВ) (но может быть и восходящим или иметь другую
форму). Участок / на оси п условно назовем периодом прира-
ботки, его значение обычно находится в диапазоне (1—6) 105
циклов. На участке II (ВС) коэффициент вариации выходных
параметров остается практически постоянным, что свидетельст-
вует о стабильном протекании деградационного процесса. Учас-
Рис. 6.10. Зависимость коэффициента вариации выходных параметров предо-
хранительного клапана от наработки:
Л 2 — коэффициенты вариации давления соответственно обратной посадки и полного от-
крытия
174
Vv э мп
Рис. 6.11. Зависимость коэффициента вариации выходных параметров двух-
позиционного электромагнитного клапана от наработки:
/, 2 — коэффициенты вариации минимального напряжения соответственно открытия и за-
крытия
ток // — период нормальной работы. Участок кривой III (CD)
характеризуется значительным увеличением V с увеличением
наработки. Угол наклона кривой CD и оси п в течение довольно
значительного периода может оставаться постоянным, а затем,
как правило, увеличивается. Изменения значения V на участке
1 — коэффициент вариации минимального напряжения удержания якоря в положении «от-
крыто»; 2— коэффициент вариации минимального напряжения открытия
175
Рис. 6.13. Изменение коэффициентов вариации выходных параметров от на-
работки
CD свидетельствует о переходе деградационного процесса в
фазу интенсивного развития.
Справочные данные о функции V=/v(n) будут тем досто-
вернее, чем выше степень подобия физических моделей выход-
ных параметров изделий-аналогов.
6.6. Количественный анализ надежности ПГА
на этапе проектирования
Расчет коэффициентов запасов выходных параметров,
задаваемых при проектировании
Опыт экспериментальной отработки ПГА свидетельствует о
том, что наиболее характерным проявлением отказов этих изде-
лий является уход значений выходных параметров за допусти-
мые границы. Причины большинства этих отказов заключаются
в недостаточном учете влияния эксплуатационных факторов на
возможные изменения выходных параметров. Поэтому обосно-
ванный выбор коэффициентов запасов выходных параметров
при проектировании ПГА представляется актуальной задачей.
Сформулируем ее следующим образом: определить, каким зна-
чением коэффициента запаса выходных параметров необходимо
задаться при проектировании для того чтобы при учете комп-
лекса эксплуатационных факторов в течение заданного времени
(или наработки) t3 вероятность невыхода значений выходных
параметров за допустимые границы оставалась не менее тре-
буемой техническим заданием.
Представим процесс изменения выходных параметров в тече-
ние времени t3 гауссовым случайным процессом. Выходной пара-
метр в каждый момент времени (или в каждом сечении процес-
176
са) характеризуется своим значением математического ожида-
ния m.j и средним квадратическим отклонением S/.
Рассмотрим случай верхнего ограничения параметра У пре-
дельно допустимым значением [У]тах- В каждом сечении процес-
са вероятность Р/ невыхода значений выходного параметра за
допустимую границу
hj=------------,	(6.24)
si
где F(-)—нормированная функция нормального распределения.
Запишем уравнение связи (6.24) в безразмерной форме, для
чего введем следующие обозначения:
(6.25)
Vy=S,./m,,	(6.26)
где П] и Vj — коэффициент запаса выходных параметров и коэффициент ва-
риации ВП соответственно в J-м сечении процесса.
Выражение (6.19) примет вид:
(6.27)
Откуда
nJ=hJVJ-\-l.	(6.28)
Однако выражение (6.28) еще не является искомым, так как
связывает значения П/, hj и V/ только для одного любого сечения
процесса. Задача состоит в том, чтобы связать коэффициент
запаса в исходном сечении с параметрами распределения вы-
ходных параметров в опасном сечении процесса, соответствую-
щем условию hj=hmin-
Запишем выражение для коэффициента в j-м сечении процес-
са, принимая во внимание, что в дальнейшем целесообразно рас-
сматривать только те случаи, когда значение коэффициента за-
паса п уменьшается при действии эксплуатационных факто-
ров, т. е.
пу=/г0(1 — Ал),	(6.29)
Пл — П 1
где Ди = —------	(6.30)
«о
ло-т max/т<> — коэффициент запаса в исходном сечении.
Подставив в выражение (6.30) выражение (6.25) и анало-
гичное ему для п0, получим
=	(6.31)
7—376
177
Подставив формулу (6.31) в выражение (6.29), получим
лу=/70-^.	(6.32)
Если приравнять выражения (6.28) и (6.32) и решить урав-
нение относительно «о» то получим
«o=WD--	(6.33)
/По
Аналогично решается задача для случая ограничения пара-
метра У снизу допустимым значением [У]ппп:
si
Примем коэффициент запаса выходного параметра Л/>»1,
тогда
пу=ту/[Г[т„.	(6.35)
Подставив выражение (6.26) и (6.35) в уравнение (6.34), по-
лучим уравнение связи в безразмерных коэффициентах:
Из выражения (6.36) следует
П)= 1/(1 — hV}).	(6.37)
Примем, что коэффициент запаса выходного параметра пу в
произвольном /-м сечении процесса уменьшается и отличается
от исходного значения п0 на величину Ди:
Лу = Л0(1 — Дд);
Л0 — nj
Ln=----------.
«о
Приняв Ло = [У]тт//По; Л/ = [У]т1п//П/, получим
Дп
mo — mj
пщ
(6.38)
Подставив выражение (6.38) в формулу (6.29), получим
nj=n0---.
то
Приравняв уравнения (6.37) и (6.39), найдем
л0=---------
°	(1-ЛИ/) mj
(6.39)
(6.40)
178
Под опасным сечением процесса будем подразумевать сече-
ние, соответствующее минимальному значению hj=hmln. Тогда
из выражений (6.24) и (6.27) следует, что при верхнем огра-
ничении выходного параметра опасное сечение характеризует-
ся /n/=znmax и V/= Утах. При нижнем ограничении выходных па-
раметров опасному сечению процесса соответствуют значения
т]=тт1п, V/= Vmax. Тогда выражения (6.33) и (6.40) соответ-
ственно примут вид
^=(*vmaX-H)p^);	(6.41)
п0=-----!------.	(6.42)
(1 — ЛИтах) тт1П
Таким образом, для вычисления коэффициента запаса по, за-
даваемого из условия обеспечения требуемого уровня недежно-
сти, необходимо располагать данными о максимальном значе-
нии коэффициента вариации параметра Vmax и о значении ОТ’
ношений тт!а1т0 и гпо/^mm. Задача может быть решена с при-
менением метода опытных коэффициентов, учитывающих влия-
ние эксплуатационных факторов на параметры т, и V/.
Обозначим неблагоприятные изменения выходных парамет-
ров от действия упомянутых факторов в виде относительных
приращений Дт и ДУ. При ограничении выходных параметров
сверху неблагоприятная тенденция изменений их будет состо-
ять в увеличении значения т, т. е. /п/>-то. Обозначим
т/ — тп
Ьт = -1----- .	(6.43)
/Ио
При ограничении параметра снизу неблагоприятная тенден-
ция заключается в уменьшении значения выходного парамет-
ра, т. е.
mi — то
( — кт)= —-----(6.44)
/По
При любом виде ограничения выходного параметра неблаго-
приятное изменение коэффициента вариации У состоит в уве-
личении его значения, т. е. У/> Уо:
Wj=(Vj-V0W0.	(6.45)
Из выражения (6.43) следует, что
т;=/и0(1-|-Д/пу).	(6.46)
При нижнем ограничении выходного параметра из уравне-
ния (6.44) находим
/П;=/п0(1 —Д/п).	(6.47)
7*	179
При любом виде ограничения выходного параметра
+	(6.48)
Для опасного сечения процесса выражения (6.47), (6.42) и
(6.43) будут иметь вид
m.nax=^o(1 + ^wmax);	(6.49)
^min=w0(l-A/nniax);	(6.50)
V'ma^V'o (1 + ДИ^).	(6.51)
Подставив формулы (6.49) и (6.51) в выражение (6.41) при
ограничении выходного параметра сверху, получим
"о= (Ar04-Al/0AVmax 4-1) (1 + Д/птах).	(6.52)
Подставив формулу (6.50) и уравнения (6.51) в (6.42) при
нижнем ограничении выходного параметра, получим
п 0 ==------------?-------------.	(6.53)
° (1-ЛИо-ЛУ0ДИтах)(1 -дттах)	v ’
Уравнения связи вида (6.52) и (6.53) дают возможность на
этапе проектирования задаваться таким значением коэффициен-
та запаса выходного параметра, который обеспечивает с задан-
ной вероятностью P=F(h) определение выходного параметра
в области допускаемых значений при наиболее неблагоприятных
воздействиях эксплуатационных факторов.
В общем случае коэффициент запаса представляет функцию
nv=fn{V& AV(/), Д/п(/)}.
Следовательно, для расчета по необходима следующая спра-
вочная информация: исходное значение коэффициента вариации
выходного параметра Vo; максимальные значения функций
AV(/) и Ат(0- Указанная справочная информация может быть
получена по результатам экспериментальной отработки изде-
лий-аналогов. Для обеспечения достаточной достоверности спра-
вочной информации должны быть учтены, кроме конструктив-
ных аналогий, также и подобие физических процессов формиро-
вания изменений выходного параметра. Следует отметить, что
сечения процесса, соответствующие максимумам функций AV(/)
и Azn(Z), на практике могут не совпадать, поэтому значение
коэффициента (п0) проект^ необходимое для обеспечения заданно-
го уровня надежности, как правило, будет несколько меньшим,
чем определяемое по выражениям (6.52) или (6.53). Однако ло
всегда должно быть больше значений п/, определяемых по вы-
ражениям (6.28) или (6.37):
.23\	(^O^npoeKT
180
Прогнозирование показателей безотказности
по выходным параметрам
Расчет носит поверочный характер и производится после
того, как исходные ожидаемые значения выходного параметра
то определены в результате проектных расчетов или выбраны.
Если безотказность изделия определяется числом выходных
параметров п, то вероятность безотказной работы изделия
Л	п
1-1	1-1
где Pi — оценка вероятности невыхода i-ro параметра за допустимые пределы.
Оценку Л/ для произвольного /-го сечения процесса находят
из выражений:
при верхнем ограничении выходного параметра
р [Птах— Ы]
hf—------------;	(6.54)
при нижнем ограничении выходного параметра
Лу=-/П/~[Г]п1п ,	(6.55)
7	«Л;	1
где ntj и Vj — математическое ожидание и коэффициент вариации выходного
параметра.
Воспользуемся моделью; тогда
Л/=Атп-	(6.56)
Условие (6.56) обеспечивается для выражения (6.54) при
^/ = 7«тах = ^о(1+Д^тах);	(6.57)
Vj = V\nax = У0 (1 + AV'max).	(6-58)
Для выражения (6.55) условие (6.56) обеспечивается при
значении V/ в соответствии с выражением (6.58) и при
^=^т1п = '«о(1-ДОТтах)>	(6.59)
Подставив выражения (6.58) и (6.57) в формулу (6.54), по-
лучим уравнение связи для случая верхнего ограничения выход-
ного параметра:
[Птах — ^0 G Д^тах)	zg gg\
V0 (1 + Д^тах) m0 О + Дттах)
Аналогично получим уравнение связи для нижнего ограни-
чения выходного параметра
Д =	(1 — Доттах) [Hmln	(661)
Vo (I + д vmax) т0 (I — Дттах) ’
181
Рис. 6.14. Зависимость параметров распределения m=fm(n) и V=fy(n) ми-
нимального напряжения открытия однопозиционного электромагнитного кла-
пана от наработки
В тех случаях, когда сечения процесса, соответствующие
максимальным значениям Дт и ДУ, не совпадают друг с дру-
гом, применение выражений (6.60) и (6.61) может давать
неутешительное прогнозирование. Поэтому исходную справоч-
ную информацию по каждому виду выходного параметра в
форме значений Уо, ДУтах и Дттах целесообразно уточнять по
графикам эмпирических функций, иллюстрирующим характер
изменения т/ и У/ в зависимости от уровня фактора. Поясним
это на примере. Развитием деградационного процесса обуслов-
лено изменение выходных параметров, показанное на рис. 6.14.
Если заданный период безотказной работы соответствует
точке С на оси п, то выражения (6.60) и (6.61) дают наиболее
точный прогноз, так как максимумы функций m=fm(n) и У=
=fv(n) совпадают. Если заданный период безотказной работы
соответствует точкам А или В, то справочные значения ДУ и
Дт должны быть уточнены по виду соответствующих эмпириче-
ских функций.
6.7. Метод структурных схем надежности
Метод применяют как вспомогательный для количественного
анализа показателей безотказности изделий ПГА на этапе про-
ектирования; для блочной ПГА метод может быть применен на
стадиях экспериментальной отработки. Основная задача, решае-
мая с применением этого метода, сводится к определению значе-
ний показателей безотказности изделия по известным значени-
ям показателей безотказности составляющих его элементов.
Задача решается в два этапа. На первом этапе составляется
182
структурная схема надежности, на втором — выводится расчет-
ная формула для определения значения вероятности безотказ-
ной работы изделия.
Составление структурных схем надежности
После определения критериев отказа изделия производят
его деление на элементы. Из этих элементов составляется
структурная схема надежности. Структурной схемой надежности
называют условное схематическое соединение элементов изде-
лия, учитывающее влияние отказа каждого элемента на безот-
казность изделия.
При составлении структурной схемы надежности принимают
следующие допущения: отказы элементов являются независи-
мыми событиями; одно и то же событие показывается на струк-
турной схеме надежности только один раз; изделие состоит
только из элементов, имеющих один отказ.
Графически структурная схема надежности представляет
собой последовательное, параллельное или комбинированное
соединение элементов, обозначенных на рис. 6.15 в виде прямо-
угольников.
Последовательное соединение элементов. Соединение эле-
ментов в структурной схеме надежности называют последова-
тельным в том случае, если отказ любого из элементов вызы-
вает отказ изделия. Последовательное соединение элементов
показано на рис. 6.15, а. Для структурных схем надежности
ПГА последовательное соединение элементов является наиболее
характерным. Изделие, структурная схема которого представ-
лена только последовательным соединением элементов, назы-
вают нерезервированным. Согласно теореме умножения вероят-
ностей независимых событий вероятность безотказной работы Ри
такого изделия равна произведению вероятности безотказной
работы всех составляющих его элементов:
P.= PiP3...P„=nP,.	(6.62)
1-1
б)	б)
Рис. 6.15. Структурная схема надежности элементов:
а—в — соединение элементов соответственно последовательное, параллельное и комбини-
рованное
183
Значение вероятности безотказной работы нерезервирован-
ного изделия не превышает значения вероятности безотказной
работы наименее надежного элемента, т. е.
Ри<т1п{Р,.}.	(6.63)
Параллельное соединение элементов. Соединение элементов
в структурной схеме надежности называют параллельным в
том случае, если отказ изделия наступает только при отказе
всех элементов. Параллельное соединение элементов показано
на рис. 6.15, б. Выразим вероятность отказа изделия qK через
вероятность совместного появления отказов элементов q\ и q&
qK=(h<h-	(6.64)
Так как отказ и отсутствие отказа — несовместные события,
<7i+P/=l, запишем
<7И=1 —Рк;
<71=1—Л;
q2=\-P2.	(6.65)
Подставив выражения (6.65) в формулу (6.64), получим
В общем случае при числе элементов т
т
^и=1- П(1-Р/).	(6.66)
1-1
Изделие, структурная схема которого содержит элементы,
соединенные параллельно, называют резервированным.
Структурное резервирование применяют в конструкциях
ПГА ограниченно, и оно имеет свои особенности. Это объясняет-
ся тем, что резервирование основных элементов ПГА, корпусов,
затворов, штоков, чувствительных элементов и др., как прави-
ло, нереализуемо из конструктивных соображений. Перечень
функциональных элементов ПГА, резервирование которых воз-
можно, обычно ограничивается уплотнительными кольцами,
сигнализаторами положения запорного органа и приводными
устройствами. При разработке компоновочных схем блоков ПГА
может быть применено резервирование единичных изделий ПГА
и их групп.
Реальные компоновочные схемы блоков ПГА, как правило,
содержат элементы последовательного и параллельного соеди-
нения единичных изделий ПГА и их групп.
Применяют два вида резервирования: постоянное и с заме-
щением. Постоянное резервирование было рассмотрено ранее
184
(см. рис. 6.15, б). Однако его применение не всегда целесооб-
разно, так как, например, может приводить к излишним потерям
рабочей среды. В этом случае применяют резервирование с за-
мещением (см. рис. 6.16). Резервный элемент 2 включается в
работу только тогда, когда происходит отказ основного элемен-
та 1. Как видно из рис. 6.16, обязательным элементом такой
схемы является переключающее устройство (ПУ). Последнее
представляет собой систему, состоящую из датчиков контроля
состояния основного элемента, блока автоматики и механизма
переключения. Наличие ПУ в схеме блока ПГА неизбежно
связано с увеличением его габаритов, массы и энергопотребле-
ния. Однако в ряде случаев применение такого резервирования
оправдывается получаемым положительным эффектом. Для
наглядности оценим на численном примере влияние переключа-
ющего устройства на надежность всего звена, представленного
на рис. 6.16.
Пользуясь формулами (6.62) и (6.66) соответственно для
последовательного и параллельного соединений, составим выра-
жения для вероятности безотказной работы всего звена:
Р3=1- (1-	^пу).	(6.67)
Определим значение Р3 из выражения (6.67), исходя из пред-
положения, что ПУ либо отсутствует, либо его значение вероят-
ности безотказной работы равно единице. В этом случае выра-
жение (6.67) сводится к аналогичной формуле (6.66) для посто-
янного резервирования. Приняв значения Pi = P2=0,9, получим
Рз=1 — (1—0,9) (1—0,9)=0,99. Определим значение Р3, приняв
Рпу=0>9 при прочих равных условиях:
Р3= 1 — (1 — 0,9) (1 — 0,9 0,9)=0,981.
Как показывает приведенный пример, резервирование с
замещением приводит к существенному увеличению значения
вероятности безотказной работы звена по сравнению с вероят-
ностью безотказной работы элемента даже при сравнительно
невысокой надежности ПУ.
При выборе оптимальной структуры блока ПГА следует
учитывать, что в этом случае на традиционные методы струк-
турного резервирования накладываются ограничения, обуслов-
ленные спецификой ПГА. Они заключаются в том, что монтаж-
ные соединения элементов ПГА в блоке могут не совпадать с
их схемно-функциональными соединениями в структурной схеме
надежности блока. Таким образом, одна и та же принципиальная
схема блока ПГА может иметь несколько различных вариантов
структурной схемы надежности в зависимости от того, какая из
ряда функциональных задач является основной, и от того, как
влияют на решение этой задачи конкретные проявления отказов
элементов ПГА, входящих в блок. Неучет этих особенностей
185
Рис. 6.16. Резервирование заме*
щением
Ш
Рис. 6.17. Варианты структуры
блока ПГА
может привести к тому, что в результате структурного резерви-
рования масса и размеры блока ПГА увеличатся, а уровень
надежности будет ниже.
Рассмотрим пример. Блок ПГА состоит из двух электромаг-
нитных клапанов 2 и двух регуляторов давления 3 (рис. 6.17, а).
На вход блока подключена емкость 1 со сжатым газом. Блок
ПГА предназначен для следующих функциональных задач.
Задача № 1. Из исходного состояния, соответствующего за-
крытым электромагнитным клапанам 2, по команде системы
управления необходимо обеспечить давление на выходе бло-
ка Рвых!
[Plmax Рвых [Plmln*
Задача № 2. Обеспечить выполнение задачи № 1 несколь-
ко раз.
При функционировании блока могут иметь место следующие
отказы электромагнитного клапана и регулятора давления:
электромагнитный клапан не открывается по управляющему
сигналу или самопроизвольно закрывается; 2) электромагнит-
ный клапан не закрывается по управляющему сигналу или
самопроизвольно открывается; 3) давление на выходе регуля-
тора давления менее минимально допустимого рВЫх<[р]т1п, в том
числе рвых=0; 4) давление на входе регулятора давления более
максимально допустимого рВых>[р]тах, в ТОМ числе Рвых = Рвх.
Предположим, что основной является задача № 1. Электро-
магнитный клапан может иметь отказы типа 1. Если один из
электромагнитных клапанов не откроется либо самопроизвольно
закроется, то его функции может выполнять другой электромаг-
нитный клапан, следовательно, в структурной системе надежно-
сти блока электромагнитные клапаны соединены параллельно.
Регуляторы давления могут иметь отказы типа 3 или 4. При
отказе типа 3, т. е. если рВых<[р]т1п, то функции одного отказав-
186
01
Рис. 6.18. Варианты структурной схемы надежности блока ПГА
шего регулятора давления могут быть выполнены другим регу-
лятором давления. Эти элементы структурной схемы надеж-
ности блока соединены параллельно (рис. 6.18, а). При отказе
типа 4, т. е. рвых>[р]max, резервирование регуляторов давления
отсутствует и они соединены последовательно в структурной
схеме надежности (рис. 6.18, б).
Если основной является задача № 2, а наиболее опасными
являются отказы типа 2 и 4, то структурная схема надежности
блока будет представлена только последовательным соединени-
ем элементов (рис. 6.18, в). В этом случае структура блока,
показанная на рис. 6.17, а, является нерациональной, так как
такое монтажное соединение элементов приводит к увеличению
массы и размеров блока и снижает уровень его надежности.
Более целесообразной представляется структура блока, показан-
ная на рис. 6.17, б.
Вывод расчетной формулы вероятности
безотказной работы изделия
Решение задачи на этом этапе сводится к тому, что струк-
турную схему надежности условно разделяют на звенья таким
образом, чтобы в каждом из них элементы были соединены
либо только последовательно, либо только параллельно. С ис-
пользованием формул (6.62) и (6.66) записывается выражение
для ВБР каждого звена:
Pot=/1(Р1» Р2» • • •» Рд);
Р02=/2(Р«+1. .Рт);	(6.68)
Ро/=Л(Р*. РА+1,..., Р/),
187
Рис. 6.19. Структурная схема надежности блока ПГА и ее упрощенные ва-
рианты
где Poi, Роа,..., Pot—вероятность безотказной работы звеньев; Pi, Рг,..., Pt —
вероятность безотказной работы элементов, входящих в звенья.
Затем структурную схему надежности упрощают, звенья заменя-
ют эквивалентными одиночными элементами, имеющими такие
же значения вероятности безотказной работы. После чего
структурная схема надежности аналогичным образом разделяет-
ся на звенья и т. д. Описанный процесс повторяется до тех пор,
пока не станет возможным выразить вероятность безотказной
работы изделия через вероятность безотказной работы укрупнен-
ных звеньев с помощью одной из формул для последовательного
(6.62) или параллельного (6.66) соединений.
^02....»	(6-69)
Подставив в выражение (6.69) выражение (6.68) и другие
аналогичные для укрупненных звеньев, получим искомую фор-
мулу. Поясним на примере.
Блок арматуры состоит из 12 единичных изделий ПГА.
Структурная схема надежности блока имеет вид, показанный
на рис. 6.19, а. Элементы 1 и 7; 2 и 8; 3, 5, 9 и 11; 4, 6, 10 и 12
полностью аналогичны и имеют равные значения вероятности
безотказной работы, т. е.
Pi — Pi\ Рч=Р^\ Рз=Р3=P^=Pi\i РР&=P\q^ P\i-
Необходимо составить расчетную формулу вероятности безот-
казной работы блока Рб-
1.	Разделим структурную схему надежности блока на звенья
с последовательным соединением элементов в каждом звене.
188
Запишем выражение для вероятности безотказной работы каж-
дого звена:
Р\,2 = Р\Р 2? Р 3,4—Р зР 4; Р 5,6 — Р 5,Р 6? Р 1,3—Р jP gl
Р^ЛЗ — Р^Р^ ^11,12 — РцР12’
Учитывая аналогию элементов и равенство соответствующих
вероятностей безотказной работы, можно записать
Р\, 2=Pi, 8 — Р\Р-ъ
Рзл—Рц^^Р^—Рххлг—РзР^	(6.70)
2.	Упростим структурную схему надежности и заменим упо-
мянутые звенья эквивалентными элементами, тогда эта схема
примет вид, показанный на рис. 6.19, б.
3.	Представим звено с параллельным соединением элемен-
тов 3, 4 и 5, 6 эквивалентным элементом с вероятностью безот-
казной работы:
Р3,4.5,6= 1 -( 1 ~ ^3,4) (1 - Р5,б) = 1 ~ (1 - Л,4)2.	(6.71)
В этом случае структурная схема надежности примет вид, по-
казанный на рис. 6.19, в.
4.	Представим звено с последовательным соединением эле-
ментов 1, 2 и 3, 4, 5, 6 эквивалентным элементом с вероятно-
стью безотказной работы:
Р„=РмРш*	(6-72)
В этом случае структурная схема надежности примет вид,
показанный на рис. 6.19, г.
Запишем выражение вероятности безотказной работы блока:
Рб=1-(1-Р^6Л	(6.73)
Подставив в формулу (6.73) выражения (6.70) — (6.72), полу-
чим искомую формулу:
Р6= 1 - {1 -PlP2 [1 ~ О" WIF-
Глава 7. Организация работ по обеспечению
надежности
7.1.	Общие сведения
Создание технических изделий всегда было органически
связано с проблемой обеспечения их надежности. Как только
требования к надежности изделий стали задаваться в виде ко-
личественных норм, появилась необходимость активного целе-
направленного воздействия на процессы проектирования и про-
изводства.
В настоящее время вопрос о том, что необходимо делать на
каждой стадии опытно-конструкторских работ для обеспечения
надежности, достаточно хорошо разработан и широко освещен в
литературе. Однако попытка воспользоваться на практике этими
безусловно полезными рекомендациями далеко не всегда при-
носит ожидаемый успех. Отчасти это объясняется тем, что
рекомендации, как правило, имеют общий характер и их доста-
точно много. Попытка решить каждую из множества полезных,
но неравнозначных задач неизбежно приводит к распылению
усилий разработчика и снижению эффективности работ. Время
и средства, которыми располагает разработчик ПГА, всегда
ограничены, поэтому его усилия, в первую очередь, должны быть
направлены на решение ограниченного количества наиболее
актуальных задач.
В дополнение к сказанному отметим и другие причины, сни-
жающие эффективность работ по обеспечению надежности
ПГА.
1.	Основной акцент в проведении работ делается на этап
экспериментальной отработки, т. е. только тогда, когда причины
ненадежности материализованы в металле.
2.	Между работами по обеспечению надежности смежных
стадий и этапов часто отсутствует связь и преемствен-
ность.
3.	Задачи, подлежащие решению на каждой стадии опытно-
конструкторских работ, ставятся без четкого ранжирования их
по степени актуальности.
4.	Программы обеспечения надежности часто ограничивают-
ся решением только стандартных задач, общих для любых тех-
нических изделий. Часть актуальных задач, вытекающих из
специфики ПГА и специфики конкретного изделия, часто остает-
ся без решения.
190
Отметим некоторые характерные для ПГА научно-техниче-
Sпроблемы обеспечения надежности.
Обеспечение требований по герметичности. Это основная
хиональная задача ПГА. Специфика обеспечения этих тре-
:ий и особенности проявления отказов (по количественно-
юявлению они составляют наиболее представительную
у) делают целесообразным выделение требований по
тичности из ряда других выходных параметров
Обеспечение запасов долговечности по критериям уста-
ого разрушения и износа.
Обеспечение необходимых запасов работоспособности по
выходным параметрам.
Возможности для эффективного решения каждой из этих
проблем распределены между стадиями опытно-конструкторских
работ'крайне неравномерно. Наибольшие возможности отличают
стадий проектирования. Проектирование является практически
единственной стадией опытно-конструкторских работ, тогда
работы по обеспечению надежности дают наибольший эффект
при минимальных затратах, причем затраты на достижение
одного и того же эффекта при проведении ряда работ будут
тем меньше, чем раньше эти работы проводятся.
Следует заметить, что подавляющая часть задач по обеспе-
чению надежности ПГА может быть решена только на стадии
проектирования, например: обеспечение запасов долговечности,
прочности, выходных параметров и т. д. Такие проблемы, как
обеспечение герметичности, складываются из самостоятельных
задач, решаемых как при проектировании, так и при производ-
стве ПГА. Например, одной из актуальных производственных
задач этой проблемы является очистка внутренних полостей
изделия от механических микрочастиц различного происхожде-
ния. Попадание таких частиц на уплотнительные поверхности
затворов является одной из характерных причин негерметично-
сти последних.
Часть задач по обеспечению надежности ПГА может быть
решена только технологическими мероприятиями, например,
уменьшением влияния неблагоприятной технологической наслед-
ственности, совершенствованием операций сборки, настройки,
контроля и т. д.
Решение других задач может быть ограничено организаци-
онными мероприятиями. Однако эти задачи при их кажущейся
разобщенности органически связаны в единой комплексной
проблеме обеспечения надежности ПГА и неизбежно влияют на
эффективность ее решения.
Рассмотрим решение некоторых задач обеспечения надеж-
ности ПГА, не получивших до настоящего времени широкого
освещения в литературе.
191
7.2.	Структура системы обеспечения надежности
Работы по обеспечению надежности представляют собой
единую комплексную задачу, охватывающую все стадии и этапы
опытно-конструкторских работ. Входящие в нее частные задачи
взаимосвязаны и подчинены единой конечной цели — обеспече-
нию заданного уровня надежности. В структуру каждой задачи
входит три основных элемента: формирование задачи, реализа-
ция задачи и обратные связи. Общая структура системы обеспе-
чения надежности ПГА показана на схеме рис. 7.1. Одним из
определяющих элементов рассматриваемой структуры явлйется
формирование задачи. Задачи каждой стадии могут быть раз-
делены на два типа:
1.	Типовые, стандартные задачи, традиционно выполняемые
на рассматриваемой стадии, независимо от результатов работ
на предшествующей стадии.	[
2.	Дополнительные задачи, необходимость которых диктует-
ся результатами работ на предшествующих стадиях и достигну-
тым уровнем надежности.	I
Информация, необходимая для формулирования дополнитель-
ных задач, поступает через соответствующие обратные связи:
анализ дефектов, анализ отказов, анализ запасов по выходным
параметрам и прочности.
Рис. 7.1. Структура системы обеспечения надежности ПГА
192
1.3. Программные документы по обеспечению надежности
Работы, связанные с обеспечением надежности, осуществля-
ются на основе программных документов. Основным из этих
документов является программа обеспечения надежности. Ме-
роприятия программы обеспечения надежности, относящиеся к
этапам экспериментальной отработки, развиваются и конкрети-
зуются в программах экспериментальной отработки. Программа
обеспечения надежности представляет собой документ, опреде-
ляющий комплекс организационно-технических мероприятий,
требований и правил, которые должны выполняться в процессе
опытщо-конструкторских работ и серийного производства для
обеспечения заданных техническим заданием требований по
надежности. Программа обеспечения надежности на этапе опыт-
но-конструкторских работ разрабатывается предприятием —
разработчиком изделия на основе требований к надежности, из-
ложенных в техническом задании на разработку. Эта
программа, как правило, разрабатывается на стадии «Техниче-
ское предложение», а в том случае, когда разработка изделия
начинается с более поздних стадий,— с первой стадии разра-
ботки. Программа обеспечения надежности состоит из следую-
щих разделов: 1) общего положения; 2) работ и мероприятий
по обеспечению надежности; 3) требований к программам экс-
периментальной отработки; 4) порядка контроля за выполнени-
ем программы обеспечения надежности.
В разделе «Общие положения» должны быть приведены сле-
дующие данные: назначение и структура изделия: количествен-
ные и качественные требования по надежности; выходные
параметры и диапазоны их допустимых значений, характеризу-
ющие работоспособное состояние изделия.
Раздел «Работы и мероприятия по обеспечению надежно-
сти» должен содержать: перечень работ и мероприятий по обес-
печению надежности с развертыванием по этапам и стадиям;
сроки выполнения каждого мероприятия; состав исполнителей
по каждому мероприятию; ссылки на нормативно-технические и
методические документы; отчетность по каждому мероприя-
тию.
В перечень работ и мероприятий по обеспечению надежности
должны входить: предварительный анализ требований по на-
дежности и оценка их принципиальной выполнимости; проект-
ная оценка надежности с расчетом требуемых значений выход-
ных параметров (или коэффициентов запасов выходных пара-
метров) из условия обеспечения заданного уровня надежности;
выявление элементов, деталей, узлов и выходных параметров,
лимитирующих надежность изделия; проведение испытаний
ПГА по программам опытной отработки; внедрение эффективно-
го входного, пооперационного и приемочного контроля; работы
193
по выявлению и устранению причин отказов; оценка надежности
опытных образцов по результатам испытаний.
В разделе «Порядок контроля за выполнением программы
обеспечения надежности» указываются основные контрольные
точки, в которых проверяется выполнение работ этой программы
и перечень соответствующих отчетных документов. В этом же
разделе указываются подразделения предприятия или должно-
стные лица, на которых возлагается контроль за выполнением
программы обеспечения надежности. Как правило, контроль за
выполнением программы обеспечения надежности осуществляет-
ся подразделением, разработавшим этот документ. В разделе
«Требования к программам экспериментальной отработки» ука-
зывают: число макетных или опытных образцов, подвергаемых
испытаниям на каждом этапе: номенклатуру, последователь-
ность и уровни действующих факторов, основные режимы рабо-
ты изделия, номенклатуру и требования к последовательности
проведения проверок.
7.4. Обеспечение надежности ПГА при проектировании
Расчет коэффициентов запаса прочности для обеспечения
заданной вероятности неразрушения
Возможность разрушения конструкции под действием экс-
плуатационных нагрузок в значительной мере зависит от запаса
прочности. Разрушение не произойдет, если для любой точки
конструкции будет выполнено условие:
°акв < °разр»	(7-1)
где (Так* — эквивалентное напряжение от действующих нагрузок в точке;
сгразр — разрушающее напряжение.
В общем случае коэффициент запаса прочности в любой i-й
точке конструкции
й/ = 0разр/0вкв’	(7-2)
С учетом выражений (7.1) и (7.2) условия неразрушения в
i-й точке имеют вид
nt> 1 или nt—1>0.	(7.3)
Для конструкции детали в целом выражение (7.2) имеет вид
(°экв) max
где (Овкв)тах — максимально возможное напряжение в детали, возникающее
от действия эксплуатационных нагрузок.
На начальных этапах проектирования при определении фор-
мы и геометрических размеров детали расчет на прочность
194
ведется по номинальным допускаемым напряжениям. При этом
условие прочности имеет вид
(Зэкв)тах < [Зн[«
В большинстве отраслей машиностроения созданы нормы
расчетов конструкций на прочность, которые предусматривают
выбор допускаемых номинальных напряжений и коэффициентов
запаса. Например, в работе [77] для сталей рекомендуется сле-
дующий выбор номинальных допускаемых напряжений:
[aH]=mIn[ °».;	,
\ «в «0,2 /
где Ов* — предел прочности материала при температуре 2— предел те-
кучести материала при температуре t\ пв=2,6 и п0|2=1,5 — коэффициенты за-
паса прочности и текучести.
На выбор коэффициентов запаса прочности оказывают влия-
ние следующие факторы: методика расчета на прочность, в том
числе полнота учета концентраторов напряжений; адекватность
расчетной схемы действия нагрузок условиям эксплуатации;
особенности технологического цикла предприятия — изготовите-
ля изделий, в частности, стабильность технологических процес-
сов; стабильность механических свойств применяемых конструк-
ционных материалов.
Основным недостатком детерминированных методов расчета
коэффициентов запасов прочности является отсутствие непо-
средственной количественной взаимосвязи между запасом
прочности, возможными изменениями нагрузок, механическими
свойствами материала деталей в процессе эксплуатации, с одной
стороны, и заданной вероятностью неразрушения с другой сто-
роны. Это может привести к тому, что в одном случае выбран-
ный коэффициент запаса прочности окажется недостаточным и
не будет обеспечена заданная надежность, в другом — он будет
неоправданно большим и приведет к неудовлетворительным
габаритно-массовым характеристикам изделия. Изменение на-
грузки и механических свойств конструкционного материала в
процессе эксплуатации можно представить в виде двух случай-
ных процессов. Опишем функционирование детали моделью
непревышения. Тогда вероятность неразрушения детали в каж-
дый момент времени будет определяться соотношением парамет-
ров этих процессов.
Рассмотрим вероятность неразрушения детали под воздейст-
вием циклических знакопеременных нагрузок. Условие нераз-
рушения имеет вид
oa<Co 1 ИЛИ а , — аа>о,
а _1д	-1д
где а~ 1д — предел выносливости детали; оа—амплитуда напряжений.
195
Если величины ст-1Д и оа распределены нормально и некорре-
лированы, то вероятность неразрушения детали может быть
определена из выражения
Т^неразр— (^7р)»
где Ф(*)—знак функции нормированного нормального распределения;
°-1д ~ °а
(7-5)
(здесь под средним значением <т-1д, оа будем понимать расчетное значение
о- 1Д и аа; Sa ,Sa —предполагаемые оценки средних квадратических от-
—-1д	а
клонений величин а-1д и сга).
Введя в выражение (7.5) коэффициент вариации величин
СТ—1Д И (Та*
Va	=——
v a—11Г
1Л °—1д
: Ч=—
а аа
и коэффициент запаса средних значений о-1Д и сга:
Л = а_1д/за,
получим уравнение связи в безразмерных коэффициентах:
U =_____ п~{
V -tv‘
—М	а
Решив уравнение (7.6) относительно п, получим выражение
для расчета коэффициента запаса прочности при проектирова-
нии. Расчет значений коэффициента запаса прочности с приме-
нением уравнения связи (7.6) аналогичен расчету коэффициента
запаса по ВП. Однако этот расчет является в большей мере
условным. Это объясняется тем, что процесс изменения механи-
ческих свойств материала в отличие от процесса изменений вы-
ходных параметров имеет ряд особенностей.
1. Исходное состояние свойств конструкционных материалов
и их последующие изменения зависят от большого числа факто-
ров, значительная часть которых не поддается эффективному
контролю и управляющему воздействию в процессе производст-
ва и эксплуатации [101]. Например: концентрация напряжений
у границ зерен и включений; различия прочности, вызванные
различной ориентацией зерен; исходные дефекты кристалличе-
ской решетки и ее изменения в результате действия нагрузок;
различие прочности различных фаз; различия химического со-
става и др.
196
2. Параметры процесса изменения механических свойств
материалов в процессе эксплуатации недоступны для контроля,
поэтому заблаговременное выявление опасных тенденций в раз-
витии процесса, как правило, невозможно.
Расчет коэффициентов запаса по выходным параметрам
для обеспечения заданного уровня надежности
В тех случаях, когда вероятность безотказной работы
задается в виде невыхода значений выходных параметров за
допустимые границы, возникает необходимость расчета предель-
но допустимых значений выходных параметров или соответст-
вующих коэффициентов запаса по выходным параметрам. Под
значениями выходных параметров, получаемыми в результате
расчетов, будем понимать ожидаемые значения оценок матема-
тического ожидания выходных параметров. Расчет коэффициен-
тов запаса по выходным параметрам, задаваемым из условия
обеспечения заданного уровня надежности, приведен в гл. 6.
Задача прогнозирования средней наработки до отказа имеет
решение, если известно аналитическое описание функции
mi=f(n) (здесь ш,- — среднее ожидаемое значение выходного
параметра, п — наработка в циклах). В общем случае при гра-
ничном условии т=[У]т-3 (здесь (У]тз —предельно допусти-
мое в соответствии с техническим заданием значение выходного
параметра) решение сводится к нахождению значения п из
выражения
m^fm(n).	(7.7)
Рассмотрим случай, когда выходной параметр линейно и
необратимо изменяется с наработкой и при этом может полу-
чать обратимые изменения под действием других эксплуатаци-
онных факторов. Характерной иллюстрацией этого случая
является поведение выходных параметров, изменения которых
формируются под доминирующим влиянием процессов изнаши-
вания. Запишем выражение для среднего значения выходного
параметра в i-м сечении процесса:
т/ = т04-(ДтА-)'4-(Дт£)',	(7.8)
где т0— значение m в исходном сечении; (Лтк)'—абсолютное необратимое
приращение m вследствие наработки; (Дгиь)'— абсолютное обратимое при-
ращение ГП',
(Дтку =cN;	(7.9)
i
(kmiX = то^Ьгп]	(710)
1
(здесь с — коэффициент пропорциональности; Дгпд—относительное прираще-
ние т).
197
Подставив формулы (7.9) и (7.10) в уравнение (7.8), полу-
чим
т]=ть Дпг/) "Ьсл-	(7.11)
Решив выражение (7.11) относительно п при граничном ус-
ловии /П/=[У]тах, ПОЛуЧИМ
(Птах — то(’ + S hmi)	„«ах
где mg определяется расчетом, как было указано в гл. 6.
Значения Д/и/ и с определяют по результатам испытаний
изделий-аналогов. Выражение (7.12) может быть использовано
для выявления выходных параметров, лимитирующих надеж-
ность. Лимитирующими надежность являются такие выходные
параметры, которые имеют наименьшие значения оценки кван-
тиля Я или наработки п, определяемой из выражения (7.12).
Л,
(7.13)
Анализ выполнения заданных требований надежности
Уравнение связи в /-м сечении при ограничении выходного
параметра значением [У]тах имеет вид
[^]max mj
V}m]
где rtij и Vj — предполагаемые оценки математического ожидания и коэффи-
циента вариации ВП.
Введем в уравнение (7.13) граничные условия Я/=[Л], /П/=
= (w)max, V/= Vmax и решим его относительно mmax:
(m)	=______(И max_
,max [*]Vmax+I
(7.14)
Так как [ft]>0, Vmax>0, из формулы (7.14) следует, что
требования надежности принципиально выполнимы при условии
("Отах < [Птах-	(7-15)
При ограничении выходных параметров значением [У]тщ
имеем
, (gff 	(7.16)
1	[Л] Утах
Условие выполнимости требований надежности имеет вид
"imtn>[T]min. В случае двустороннего ограничения выходного
параметра значением [У]тах и [У]тщ невозможность выполнения
требований надежности очевидна, если значения (rn)max и
("Omin, рассчитанные с применением выражений (7.14) и (7.15),
не удовлетворяют условию (/n)max> (w)min ИЛИ (m)rnax—
(#0 mln<^[lZ]max—[T]mln-
198
7.5.	Обеспечение надежности в процессе производства
Контроль стабильности выходных параметров по результатам
приемосдаточных испытаний
Контроль стабильности выходных параметров при приемо-
сдаточных испытаниях имеет целью выявить отклонения в техно-
логическом процессе изготовления, которые, вызывая негатив-
ные изменения выходных параметров, способствуют снижению
достигнутого уровня надежности.
Процедура контроля стабильности выходных параметров
состоит в сравнении реализаций выходного параметра при
приемосдаточных испытаниях в контролируемой выборке и
исходной. За исходную выборку принимается группа изделий,
по результатам определительных испытаний которых подтверж-
дены заданные в техническом задании требования к количест-
венным показателям надежности. Контролируемая выборка —
очередная партия изделий, изготовленная для поставки
заказчику.
При сравнении реализаций выходных параметров при
приемосдаточных испытаниях использую следующие показа-
тели:
1.	Коэффициент запаса выходного параметра в разностной
форме:
ГИтах
где [У] ши и [У]mm — предельно допустимые по техническому заданию наи-
большие и наименьшие значения выходного параметра; mj — математическое
ожидание значения выходного параметра в рассматриваемой выборке.
2.	Среднее квадратическое отклонение выходного параметра
3.	Коэффициент (Й)пси , характеризующий вероятность
невыхода значений выходного параметра за нормы приемосда-
точных испытаний (ПСИ), назначенных из условий обеспечения
заданной надежности:
при верхнем ограничении выходного параметра
г v-l пси „
(^)ПСИ И Jmax ~ m .
5
при нижнем ограничении выходного параметра
m Г VI ПСИ
(£)ПСИ m ~ l/Jmln
199
где (Птах1- [Hmin* — нормы выходного параметра на ПСИ для случаев
верхнего и нижнего ограничения.
Негативными изменениями выходного параметра, способству-
ющими снижению достигнутого уровня надежности, являются:
уменьшение значений коэффициента запаса Am выходного па-
раметра; увеличение рассеяния выходного параметра, характе-
ризующегося значением S; уменьшение вероятности невыхода
значений выходного параметра за установленные нормы приемо-
сдаточных испытании [rjmax или [г jmIn » \п)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Акользин П. А. Коррозия и защита металла теплоэнергетического обо-
рудования. М.: Энергоиздат, 1982. 303 с.
2.	Акользин А. П., Жуков А. П. Кислородная коррозия оборудования хи-
мических производств. М.: Химия, 1985. 240 с.
3.	Аксенов А. Ф., Лозовский В. Н. Износостойкость авиационных топлив-
но-гидравлических агрегатов. М.: Транспорт, 1986. 240 с.
4.	Ананьевский В. А., Лохвицкий Ю. Л., Ананьевский С. А., Хильчев-
ский В. В. Исследование изменения поверхностного микрорельефа прецизион-
ных элементов гидросистем в агрессивных средах//Сопротивление материалов
в агрессивных средах. 1976. № 71 (2). Краснодар. С. 27—40.
5.	Ананьевский В. А. Работоспособность деталей трубопроводной армату-
ры в коррозионно-активных рабочих средах: Экспресс-информ. Сер. ХМ-10.
М.: ЦИНТИхимнефтемаш. 1980. № 9. 15 с.
6.	Ананьевский В. А., Колесников В. М., Мороз А. А., Киркач Д. Ф. Ис-
следование разрушения трубчатого накопителя стенда сверхвысокого давле-
нияЛНадежность и безопасность производств полиэтилена высокого давления:
Тр. ОНИО Пластполимер. Л., 1983. С. 80—82.
7.	Ананьевский В. А., Ксенофонтов Ю. Д., Рейтер Л. Г. и др. Опыт при-
менения ионно-плазменных покрытий для деталей пневмогидроарматуры//Со-
противление материалов в агрессивных средах. Краснодар: КИИ, 1986.
С. 19—28.
8.	Апполонов И. В., Северцев Н. А. Надежность невосстанавливаемых
систем однократного применения. М.: Машиностроение, 1977. 24 с.
9.	Арзуманов Э. С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях.
М.: Энергия, 1978. 304 с.
10.	Арчаков Ю. И. Водородоустойчивость стали. М.: Металлургия, 1978.
152 с.
11.	Башта Т. М. и др. Объемные гидравлические приводы. М.: Машино-
строение, 1977. 400 с.
12.	Бесков А. Н. Дис. на соискание уч. степ. канд. техн. наук. Киев:
КИСИ, 1981. 22 с.
13.	Богоявленский В. А. Коррозия стали на АЭС с водным теплоносите-
лем. М.: Энергоатомиздат, 1984. 167 с.
14.	Благов Э. Е., Ивницкий Б. Я. Дроссельно-регулирующая арматура в
энергетике. М.: Энергия, 1974. 264 с.
15.	Брагин Б. Ф. Трубопроводная арматура для абразивных гидросмесей.
М.: Машиностроение, 1981. 103 с.
16.	Броек Д. Основы механики разрушения. М.: Высшая школа, 1980.
368 с.
17.	Волков Д. П., Николаев С. Н. Надежность строительных машин и обо-
рудования. М.: Высшая школа, 1979. 400 с.
18.	Волков Е. Б., Судаков Р. С., Сырицын Т. А. Основы теории надежно-
сти ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1974. 398 с.
19.	Волков Л. И., Шишневич А. М. Надежность летательных аппаратов.
М.: Высшая школа, 1975. 292 с.
20.	Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 366 с.
201
21.	Галактионова Н. А. Водород в металлах. М.: Металлургия, 1967.
303 с.
22.	Герасимов В. В. Коррозия реакторных материалов. М.: Атомиздат,
1980. 253 с.
23.	Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. Математические методы
в теории надежности. М.: Наука, 1965.
24.	Гельд П. В., Рябов Р. А., Кодеч Е. С. Водород и несовершенства
структуры металла. М.: Металлургия, 1979. 224 с.
25.	Григорьян Г. Д. Элементы надежности технологических процессов.
Киев — Одесса: «Вища школа», 1984. 214 с.
26.	Гутман Э. М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Ме-
таллургия, 1981. 270 с.
27.	Гуревич Д. Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры.
Л.: Машиностроение, 1969. 887 с.
28.	Гуревич Д. Ф. Трубопроводная арматура. М.: Машиностроение, 1981.
386 с.
29.	Гуревич Д. Ф., Шпаков О. Н., Вишнев Ю. Н. Арматура химических
установок. Л.: Химия, 1979. 320 с.
30.	Гуревич Д. Ф., Зарицкий О. Н., Щучинский С. X. Эксплуатация при-
водной арматуры на химических предприятиях. Л.: Химия, 1985. 361 с.
31.	Гусев Н. Р. Учет корреляционных связей при расчетах надежности ме-
ханических устройств и агрегатов//Надежность и контроль качества: Прило-
жение к журналу «Стандарты и качество» 1969, Кв 7. С. 27—29.
32.	Дальский А. М. Технологическое обеспечение надежности высокоточ-
ных деталей машин. М., 1975. 224 с.
33.	Динабург Б. И. Конструкции энергетической арматуры высокого дав-
ления за рубежом. М.: НИИинформтяжмаш, 1967. 55 с.
34.	Домашнее А. Д., Хмельникер В. Л. Сальниковые уплотнения арматуры
АЭС. М.: Атомиздат, 1980. 111 с.
35.	Достижения науки о коррозии и технология защиты от нее//Коррози-
онное растрескивание металлов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985.
36.	Дуб Б. И. Арматура трубопроводов высокого давления. М.—Л.: Гос-
энергоиздат, 1960. 231 с.
37.	Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлур-
гия, 1976. 472 с.
38.	Затвор для трубопроводов А. с. № 1122853 СССР. БИ № 41, 1984.
39.	Забачев Ю. Е., Сальинская Э. В. Защита судов от коррозии и обраста-
ния. М.: Транспорт, 1984. 175 с.
40.	Зуев Ю. С. Разрушение эластомеров в условиях, характерных для экс-
плуатации. М.: Химия, 1980. 287 с.
41.	Иванов Б. А. Безопасность применения материалов в контакте с кис-
лородом. М.: Химия, 1974. 287 с.
42.	Имбрицкий М. И. Краткий справочник по трубопроводам и арматуре.
М.: Энергия, 1969. 352 с.
43.	Имбрицкий М. И. Повышение надежности энергетической арматуры:
Обзор, информ. Сер. ХМ-10. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1982. 48 с.
44.	Канарчук В. Е. Основы надежности машин. Киев: Наукова думка, 1982.
245 с.
45.	Кармугин Б. В., Кисель В. Л., Лазебник А. Г. Современные конструк-
ции малогабаритной пневмоарматуры. Киев: Техника, 1980. 295 с.
46.	Кармугин Б. В., Ананьевский В. А., Крохмаль Ю. Н. Пути повышения
надежности арматуры сверхвысокого давления//Надежность и безопасность
производств полиэтилена высокого давления. Л.: ОНПО Пластполимер, 1983.
С. 88—92.
47.	Кармугин Б. В., Стратиневский Г. Г., Мендельсон Д. А. Клапанные
уплотнения пневмогидроагрегатов. М.: Машиностроение, 1983. 153 с.
48.	Карпенко Г. В. Прочность стали в коррозионной среде. М.: Машгиз,
1963. 188 с.
202
49.	Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых на-
сосах. М.: Машиностроение, 1975. 336 с.
50.	Каплун А. В. Влияние параметров цикла нагружения на рост уста-
лостных трещин//Физико-химическая механика материалов. 1978. № 14.
С. 58—68.
51.	Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.:
Мир, 1980. 604 с.
52.	Кац Г. Б., Ковалев А. П. Технико-экономический анализ и оптимиза-
ция конструкций машин. М.: Машиностроение, 1981. 214 с.
53.	Кесаев X. В., Трофимов Р. С. Надежность двигателей летательных ап-
паратов. М.: Машиностроение, 1982. 136 с.
54.	Климанд Д., Кинг В. Системный анализ и целевое управление. Пер.
с англ./Под ред. И. И. Верещагина, М.: Советское радио, 1974. 278 с.
55.	Когчаев В. П., Махутов Н. А., Гусейнов А. И. Расчеты деталей машин
и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. М.: Машинострое-
ние, 1985. 224 с.
56.	Кодолов В. И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов.
М.: Химия, 1976. 153 с.
57.	Козырев С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.:
Машиностроение, 1964. 275 с.
58.	Колотыркин Я. М. Защита металлов от коррозии//Металл и коррозия.
М.: Металлургия, 1985. 88 с.
59.	Колядина Р. А., Симкин Ю. Д. К вопросу об ускоренных испытаниях
арматуры на надежность//Сб. науч. тр. арматуростроения. Л.: ЦКБА, 1975.
Вып. 8. С. 3—8.
60.	Комаров А. А. Надежность гидравлических систем. М.: Машинострое-
ние, 1969. 236 с.
61.	Коррозия и защита от коррозии. Т. 9. М.: ВИНИТИ, 1981.
62.	Коуден Д. Статистические методы контроля надежности. М.: Физмат-
гиз, 1961. 623 с.
63.	Кузнецов Е. А., Гороховский Г. А. Фрикционное взаимодействие ше-
роховатых тел с позиций механики твердого тела. Трение и износ. Т. 1, 1980.
№ 4. С. 638—649.
64.	Кубарев А. И. Надежность в машиностроении. М.: Стандарты, 1977.
264 с.
65.	Кошанский М. С., Степанов В. В., Гольдфрайн В. И. и др. Судовая
арматура. Л.: Судостроение, 1975. 432 с.
66.	Лабораторный практикум по технологии резины (основные свойства
резины и методы их определения). М.: Химия, 1976. 240 с.
67.	Лозовский В. Н. Диагностика авиационных топливных и гидравличе-
ских агрегатов. М.: Транспорт, 1979. 295 с.
68.	Лозовский В. Н. Схватывание в прецизионных парах трения. М.: Нау-
ка, 1972. 83 с
69.	Левич В. Г. Физико-химическая гидромеханика. М.: Физматгиз, 1959.
70.	Митропольский А. К- Техника статистических вычислений. М., Наука,
1971. 576 с.
71.	Надежность технических систем: Справочник/Под ред. И. А. Ушакова.
М.: Радио и связь, 1985. 608 с.
72.	Неймарк О. Б., Давыдова М. М. О статической термодинамике твер-
дых тел с микротрещинами и автомодельности усталостного разрушения//
Проблемы прочности, 1986, № 1 (199). С. 91.
73.	Немчин А. Ф. и др. Исследование характеристик суперкавитирующих
механизмов. Тр. 8-го международного симпозиума МАГИ. Секция гидроме-
ханики. Л.: Машиностроение, 1976. С. 278—295.
74.	Немчин А. Ф., Соколов А. В. Проблемы кавитации в запорно-регули-
рующей арматуре//Вопросы повышения эффективности сахарного производст-
ва. Киев, 1984. С. 78—79.
75.	Никольс Р. Конструирование и технология изготовления сосудов дав-
ления. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1975. 464 с.
203
76.	Нотт. Дж. Ф. Основы механики разрушения. М.: Металлургия, 1987.
256 с.
77.	Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов,
сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследова-
тельских ядерных реакторов и установок. М.: Металлургия, 1973.
78.	Павлов Н. Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных ус-
ловиях. М.: Химия, 1982. С. 224.
79.	Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий/Под
ред. В. В. Клюева М.: Машиностроение, 1986, кн. 1. 488 с.; 1986, кн. 2. 352 с.
80.	Проников А. С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. 591 с.
81.	Плуден В. Защита от коррозии на стадии проектирования. Пер. с англ.
М.; Мир, 1980. 423 с.
82.	Ратнер А. В. Арматура для пара сверхкритических параметров. М.:
Энергия, 1965. 256 с.
83.	Рачев X., Стефанова С. Справочник по коррозии. М.: Мир, 1982. 520 с.
84.	Розенфельд И. Л. Коррозия и защита металлов. М.: Металлургия,
1970. 448 с.
85.	Романов О. Н., Гладкий Я. И., Зима Ю. В. Влияние структурных фак-
торов на кинетику трещин усталости в конструкционных сталях//Физико-хи-
мическая механика материалов. 1978, № 2. С. 3—15.
86.	Ржаницын А. Р. Расчет сооружений с учетом пластических свойств ма-
териалов. М.: Стройвоенмориздат, 1949. 235 с.
87.	Рябой А. Я., Броуз Л. Д. Повышение ресурса авиационных деталей
из высокопрочных сталей. М.: Машиностроение, 1977. 103 с.
88.	Ситников А. Е. Проектная оценка надежности арматуры высокого дав-
ления//Надежность и безопасность производств полиэтилена высокого давле-
ния. Л.: ОНПО Пластполимер, 1983. С. 83—88.
89.	Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев:
Наукова думка, 1979. 187 с.
90.	Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теорий вероятностей и
математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1965.
511 с.
91.	Справочник: Полимерные материалы. Л.: Химия, 1982. С. 315.
92.	Справочное пособие. Применение резиновых технических изделий. М.:
Химия, 1986. С. 234.
93.	Судаков Р. С., Чеканов А. Н. К вопросу о вычислении многомерных
нормальных интегралов в задачах надежности//Техническая кибернетика. 1972.
№ 1. С. 18—27.
94.	Судаков Р. С. Избыточность и объем испытаний технических систем и
их элементов. М.: Знание, 1980.
95.	Судаков Р. С., Волков Е. Ю. и др. Основы теории надежности ракет-
ных двигателей. М.: Машиностроение, 1974.
96.	Судовая арматура. Л.: Судостроение, 1975. 432 с.
97.	Тененбаум М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Ма-
шиностроение, 1975. 271 с.
98.	Тескин О. И., Алымов Н. Таблицы нецентрального распределения Стью-
дента и их приложение к задачам оценки и контроля качества и надежности//
Надежность и контроль качества. 1980. Ns 2.
99.	Тимашов С. А, Надежность больших механических систем. М.: Наука,
1982. 184 с.
100.	Трение, изнашивание и смазка: Справочник. М.: Машиностроение,
1978. кн. 1. 400 с.
101.	Трощенко В. Т. Прочность металлов при переменных нагрузках. Ки-
ев: Наукова думка, 1978. 176 с.
102.	Трубопроводная арматура в химической промышленности США. Экс-
пресс-информ. Сер. ХМ-10. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1986. Ns 4. 10 с.
103.	Шрейдер А. М. Борьба с коррозией нефтехимического оборудования.
ЦИНТИхимнефтемаш, 1969. С. 3—19.
204
104.	Шор Я. Б., Кузьмин Ф. И. Таблицы для анализа и контроля надеж-
ности. М.: Советское радио, 1968. 288 с.
105.	Чаевский М. И., Бледнова Ж- М., Карпов В. И., Федоров А. А. При-
менение плазмы тлеющего разряда для нанесения защитных и упрочняющих
покрытий//Сопротивление материалов в агрессивных средах. Краснодар: КПП,
1986. С. 5—18.
106.	Чаевский М. И. Расчеты на прочность при воздействии агрессивных
сред. Краснодар: КПП, 1980. 58 с.
107.	Чаевский М. И., Попович В. В. О механизме коррозионного растрески-
вания деформированного металла, взаимодействующего с расплавленным лить-
ем//!. 3, ФХММ, 1967. № 3. С. 252—256.
108.	Чернов Л. Б. Основы методологии проектирования машин. М.: Ма-
шиностроение, 1978. 152 с.
109.	Чихос X. Системный анализ в трибонике. М.: Мир, 1982. 352 с.
ПО. Чечиль П. С. Процессы и аппараты химических технологий. Киев:
Техшка 1974. 192 с.
111.	Циклические деформации и усталость металлов: Т. 1: Малоцикловая
и многоцикловая усталость металлов/Под ред. В. Т. Трощенко. Киев: Наукова
думка, 1985. 216 с.
112.	Эрозия7 Под ред. К. Прис. М.: Мир, 1982. 464 с.
113.	Ящерицын П. И., Рыжов Э. В., Аверченков В. И. Технологическая
наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1974. 255 с.
114.	Kloos К- Н-, Broszeit Е. Zur Frage der Danerwalzfestigkeit. Z. f. Werk-
stofftechnik, 5. 1981 (1974).
115.	Neuman P. Coarse Slip Model of Fatigueacta met. 1969. 17 p. 1219—
1225.
116.	Paris P. S., Gomez M., Anderson W. E. Arational theory of fatigue.
Frend. Eng. Univ. Wash., 1961, vol. 13. N 1.
117.	Vosikovsky O. The effect of stress Ration on Fatigue Grade Growth
Rates in Steels-Eng. Fract. Meeh., 1979, 11 p. 595—602.
118.	Rapohl Z. Sistemtecnik-Zrundlagen und Anwentung. Hanser-Verlag.
Munchen. 1975.
119.	Faurre P., Depeyrot M. Element of System Theory. North-Holland.
Amsterdam. 1977.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение	........................................................ 3
Глава 1. Пневмогидроарматура как объект исследования надежности 7
1.1.	Устройство	и	функционирование ПГА.................... 7
1.2.	Функция	и	структура	ПГА............................ 13
1.3.	Принципы управления уровнем надежности ПГА ....	23
Глава 2.	Отказы ПГА............................................... 27
2.1.	Виды технического состояния ПГА..................... 27
2.2.	Критерии отказов ПГА................................ 28
2.3.	Классификация отказов ПГА........................... 29
2.4.	Распределение отказов ПГА по основным классификаци-
онным признакам.......................................... 34
2.5.	Формирование отказов ПГА............................ 40
2.6.	Особенности проявления отказов ПГА.................. 52
Глава 3. Детали и элементы ПГА (функция, структура, взаимодействия) 65
3.1.	Триботехнические системы ПГА....................... 66
3.2.	Функция и структура объемно-напряженных элементов . .	77
3.3.	Функция и структура упругосиловых и упругочувствитель-
ных систем............................................... 79
Глава 4. Доминирующие процессы разрушения элементов ПГА ... .	81
4.1.	Характеристика рабочих и окружающих сред............ 81
4.2.	Работоспособность деталей ПГА в коррозионно-активных
средах................................................... 83
4.3.	Действие потоков рабочих сред на работоспособность ПГА 97
4.4.	Процессы изнашивания элементов ПГА при контактном
взаимодействии.......................................... 108
4.5.	Процессы, приводящие к потере прочности металлически-
ми материалами.......................................... 119
4.6.	Краткие сведения о процессах старения неметаллических
материалов ПГА.......................................... 126
Глава 5. Технологические факторы в обеспечении надежности ПГА . .	131
5.1. Управление технологической наследственностью — важный
фактор обеспечения надежности ПГА.................... 133
5.2. Технологические пути повышения надежности ПГА . . .	138
Глава 6. Количественный анализ надежности ПГА................... 150
6.1.	Метод количественного анализа надежности в системе
обеспечения надежности.................................. 150
6.2.	Обзор методов количественного анализа надежности ПГА 152
6.3.	Методы количественного анализа надежности высокона-
дежных изделий ПГА...................................... 159
6.4.	Количественный анализ надежности ПГА при эксперимен-
тальной отработке........................................ 163
6.5.	Закономерности изменения функциональных параметров
ПГА....................................................... 168
6.6.	Количественный анализ надежности ПГА на этапе проек-
тирования ............................................... 176
6.7.	Метод структурных схем надежности................... 182
Глава 7. Организация работ	по обеспечению надежности............. 190
7.1.	Общие сведения...................................... 190
7.2.	Структура системы обеспечения надежности............ 192
7.3.	Программные документы по обеспечению надежности . .	193
7.4.	Обеспечение надежности ПГА при проектировании ....	194
7.5.	Обеспечение надежности в процессе производства ....	199
Список литературы ................................................ 201