חקירת כשלונות מכניים ככלי לשיפור האחזקה והתפעול/ מ. קנדלר/ מכונות וכלים

---

מאת: מהנדס מאיר קנדלר

פורסם בירחון מכונות וכלים, אפריל 92.

 

מי מעוניין בחקירת כישלון מכני של מוצר או מכונה

לפני שנחפש תשובה לשאלה זו, נדגיש כי מדובר בכשלונות מכניים של מוצרים, ולא בכשלונות אלקטרוניים או חשמליים.

על אף הבחנה זו, נכון יהי לומר כי לגורמים שונים חשובה האינפורמציה המתקבלת מחקירת כשלון. זו חיונית ביותר על מנת:

• למנוע כישלון דומה בעתיד.
• למצוא את הליקויים שגרמו לכישלון ולתקן אותם.
• לשפר את קריטריוני התכנון של מוצרים דומים.

מאחר שכשל או נזק יכול להתרחש בכל אחד משלבי החיים של המוצר, הרי ניתוח נכון של התהליך שגרם לנזק יספק אינפורמציה בעלת ערך רב למתכנן, ליצרן ואפילו למפעיל או למשתמש.

כאשר מתרחש נזק או תקלה, נשאלות מיד כמה שאלות חשובות:

• באיזה אופן קרה הנזק, או מנגנון הכישלון.
• למה קרה הנזק, או מהו גורם הנזק.
• האם היה אפשר לגלות את הנזק במועד, או איזו שיטת אחזקה מונעת לנקוט.

כדי להבהיר שאלות אלו, וכן על מנת ללמוד כיצד ניתן להתמודד עמן, נראה תחילה מהם המצבים שמבחינה הנדסית מהווים כשל מכני של מוצר או מכונה.

כשל של מוצר או מכונה

כשל מכני מובחן בשלושת המצבים הבאים, שבהם המוצר או המכונה מהווים מערכות שנכשלו:

1. המוצר יצא לחלוטין מכלל שימוש. למשל, שבר בזרוע של עגורן או התפרקות של גלגל שיניים.
2. המוצר שמיש עדיין, אך אינו מסוגל לבצע את התפקיד שעבורו יוצר, למשל, מיסב שמסלוליו החלו נשחקים, ושימוש נוסף עלול לגרום לנזק לציר שעליו הוא מורכב.
3. המוצר התבלה באופן כה חמור עד שקיים חשש בטיחותי לשימוש בו. למשל, ירידת עובי דופן בדוד קיטור עקב קורוזיה.

מכל אחד מסוגי הכשל המכני קיים תהליך או אירוע אחד, אשר יוצרים את המצב הסופי שאנו מכנים כישלון. במילים אחרות, כשלון של רכיב מתפתח בתהליך הדרגתי, כדוגמת התקפת קורוזיה והתפתחות סדקי התעייפות, או באופן פתאומי, עקב מאמץ או עומס פתאומי.

מנגנון כשל

אופן התרחשות הנזק במוצר או במכונה יכול ללמד את היצרן על תהליך יצור שבוצע באופן חלקי, או את המתכנן על תנאי סביבה שלא נצפו מראש. באותה מידה, הידוק לא מספיק של בורג על-ידי איש אחזקה, בגנרטור למשל, עלול לגרום לשבר של הבורג כתוצאה מרעידות.
לפיכך מזהים שתי משפחות של מנגנוני כשל:

• מנגנוני כשל פתאומיים.
• מנגנוני כשל הדרגתיים המתפתחים לאורך זמן.

מנגנוני כשל פתאומיים

כשלונות מסוג זה מאופיינים בעומסים גבוהים המופעלים לפרק זמן קצר על מכונה או מוצר. למשל, קריסת שלדת רכב בתאונת דרכים, התפוצצות דוד קיטור, או גזירת ציר מנוע. בכל המקרים הללו, עלה העומס המקומי הפועל בנקודה מסוימת בחומר מעל לעומס שהחומר יכול לשאת, ואירע נזק. בסוג זה של כישלונות נכללים בדרך-כלל מוצרים אשר יוצאים מכלל שימוש לחלוטין.

 

מנגנוני כשל הדרגתיים

במשפחה זו נמצאים שאר סוגי הנזקים, וזוהי משפחה עשירת זרועות וענפים. קיימים סוגים שונים של כשלונות הדרגתיים ונזכיר את החשובים שבהם:

• התעייפות (Fatigue) – בתעשייה נפוצים מאוד תנאי עבודה שבהם עומס (מכני ו/או תרמי) המופעל על מכונה הוא מחזורי או משתנה. שבר הנגרם לפריט מכני בהשפעת מאמץ מחזורי זה הור שבר התעייפות (Fatigue fracture). למשל, בגופים סובבים כמו טורבינות ומדחסים, מתב עבודה של רעידות הוא מצב אופייני שבו מאמץ מחזורי פועל באופן קבוע. על מנת למנוע רעידות, מקובל לבצע איזון של המערכת. האיזון מקטין את רמת הרעידות ומוריד את הסיכוי לכשל בהתעייפות. דוגמה שונה לכשל בהתעייפות, בתעשיית הרכב דווקא, מתבטאת בשבר של גל ארכובה במנועי רכב. בדרך-כלל נובע הדבר מאיזון לקוי או מעיבוד לקוי של פינות בגל ארכובה.
• קורוזיה (Corrosion) – סוגים רבים ושונים של כשלונות בהם מעורבת קורוזיה מוכרים הן בתעשייה והן למשתמש הפשוט. ביניהם ניתן להזכיר קורוזיה לברזל בניין (במיוחד באזורים סמוכים לים), בדודי מים למיניהם, בסביבות חומציות, ובמקומות שבהם, לכאורה, היא לא אמורה להימצא, כגון מערכות גזים. בנסיבות בהן מצויים שני גופים בעלי מטען חשמלי שונה וביניהם קיים תווך מוליך כלשהו, כמו מים, ייווצרו תנאים להתהוות קורוזיה. כשלונות במנגנוני הקורוזיה השונים עלולים להתפתח מגורמים שונים. החל מבחירת חומרים לא מתאימה על-ידי המתכנן ועד שימוש בחומרי ניקוי תוקפנים (מאכלים) על-ידי איש התחזוקה.

 

קיימים מנגנוני כשל נוספים, אשר זיהויים כהדרגתי או פתאומי תלוי בנסיבות, כמו למשל הבחנה בין נזקים עקב פריכות מימנית (Hydrogen embrittlement) או עקב קורוזית מאמצים (Stress corrosion). הראשון פתאומי והשני הדרגתי – למרות שהמופע הקטסטרופי די דומה: שבר פריך פתאומי. הזיהוי הוודאי שלהם נתון בסופו של דבר בידי חוקר הכשל שלרשותו אמצעיים מעבדתיים לאבחן את אופני הכשל השונים.

 

גורמי כשלון

ניתן למנות ארבעה גורמי כשלון מובהקים הקשורים זה בזה, וגורם חמישי בלתי תלוי. באופן כללי ניתן לומר, כי בכל שלב בחיי המוצר עלול להתרחש כשל עקב ליקוי בשלב זה.נראה עתה כיצד נוצרות הנסיבות לכל בכל אחד מהמצבים:

בתכנון

הצגת כשלונות הנובעים מרשלנות בתכנון אפשרית באופנים שונים, וכוללת בין השאר התעלמות באזורים של ריכוז מאמץ (Stress concentration), בחירת חומרים שגויה, או בחירת רכיבים לא מתאימה. כדוגמה לבחירת אטם לא מתאים נזכיר את שאירע למיכלי המימן של מעבורת החלל 'קולומביה', שם האטמים התפוררו וגרמו ואסון המזעזע.

בייצור

כשלונות עקב ייצור לקוי מתגלים בדרך-כלל, אם הם משמעותיים, מהר מאוד, יחסית לשאר הגורמים, מכיוון שהפגם גורם לתפקוד לקוי. למשל, התפתחות קורוזיה בסוללות כשלושה חודשים לאחר ייצורן עקב ליקוי בבידוד הפנימי. העדר בידוד גרם לזליגה חשמלית ולהתפתחות קורוזיה מואצת שכילתה את הסוללות.

באחזקה

למרבה הצער זהו גורם מספר אחד בכשלנות ותרומתו הי הרבה ביותר. די בפעולה פשוטה, או אף המנועות מפעולה בתהליך האחזקה, כדי לגרום לנזק חמור. למשל, הידוק חלקי של בורג או ויסות לקוי של שסתום עלול לגרום לעיתים רק להשבתה של מכונה. אך לעיתים זה עלול להסתיים בפיצוץ של דוד. איתור נכון של גורם הנזק לאחר שהכשל התרחש יכול למנוע ארועים מסוג זה באותה מערכת ובמערכות דומות באותו מפעל.

בתפעול

אלו הליקויים שכל משתמש גורם להם בעצמו במהלך התפעול השוטף. למשל, הפעלת כוח רב על ידידת יגרום לניתוקה ממקומה, ציר גלגל יישבר עקב נהיגה במהירות גבוהה בדרך משובשת, מיכל יתפוצץ עקב העלאת לחץ מעבר למותר וכיוצא באלו.
סוג זה של כשלונות מתבטא בדרך-כלל במנגנוני כשל פתאומיים. כאשר החריגות מתפעול תקין הן מעטות, הנזק המתהווה אמנם קטן, אך מכיוון שהוא מצטבר באופן הדרגתי, הוא מוביל לכשל קטסטרופי.

אופני מניעה

את אופני המניעה צריך לייחס למוצר או למכונה ובהתאם ניתן לבנות תכנית שתעלה את אמינותם. כאשר מדובר במוצר מוגמר, אופני המניעה מתייחסים בעיקר לשימוש נכון ונקיטת אמצעי בטיחות מתאימים. כאשר מדובר במכונה קיימים מספר גורמים, ושילוב שלהם יאפשר איתור תקלות מוקדם תוך מניעה או מוקדם של התפתחות שבר קטסטרופי. בין אמצעים אלה ניתן למנות בדיקת שמנים, בדיקת רעידות, בדיקות תרמיות, בדיקת סדקים (אל-הרס) וכו'.

חקירת כשלונות

חקירת הכשלון הינה למעשה תהליך טורי, אשר עיקרו איסוף נתונים ועיבודם, בניית תסריט כשל, שחזור והפקת דו"ח מסקנות והמלצות.
איסוף הנתונים משתרע על תחומים רבים, והוא כולל:

• נתוני תפעול של הפריט שנכשל (מהמשתמש).
• נתוני תפעול של המערכת בתוכה היה מורכב (מהמשתמש).
• החומר ותכונות החומר של הפריט שנכשל (בחלקם מהמשתמש ובחלק נבדקים במעבדה).
• אפיון מנגנון הכשלון ונוכחות פגמים נוספים (נבדק במעבדה).

לאחר האיסוף נבנה מודל כשל ראשוני אשר נתמך על-ידי מודל מתמטי של הפריט או ניסוי שחזור במעבדה. התוצאות משמשות לעדכון מודל הכשל הראשוני ולהסקת תסריט הכשל ומסקנות מניעה.

אנו רואים עד כמה חיוני ונחוץ חקר הכשל לכל אדם הנעזר באמצעים טכנולוגיים ומשתמש ומוצרים פרי הטכנולוגיה. למעשה כלי חקר הכשל משמש ככלי האמין היחידי לזיהוי בעיות במערכת, מכיוון שהוא שואב את מסקנותיו מניתוח ליקויים במוצר או במכונה הנבדקים. מסקנות אלו מאפשרות לחוקר הכשל (Failure engineer) להגדיר את האמצעים שעל המשתמש לנקוט כדי למנוע הישנות אירוע דומה בעתיד. כמו-כן משמשים ממצאי החקירה את יצרן המוצר, כדי לעדן ולעדכן את קריטריוני התכנון ושיטת הייצור שלו.