Consideratii generale privind asigurarea fiabilitatii

Consideratii generale privind asigurarea fiabilitatii

Complexitatea masinilor fabricate in prezent, multitudinea regimurilor de functionare, inlocuirea rapida a modelelor uzate moral cu altele noi, fac necesara tratarea problemelor privind cresterea fiabilitatii indiferent de constructia si destinatia acestora.

Studiul fiabilitatii a devenit o problema de interes major pentru industria constructoare de masini moderna, datorita folosirii unor regimuri de lucru tot mai intense, maririi intensitatii de utilizare in timp, a cerintelor referitoare la micsorarea gabaritului si greutatii si mai ales a celor referitoare la cresterea performantelor obtinute in decursul perioadei de exploatare.

Teoria fiabilitatii stabileste legitatea aparitiei defectiunilor instalatiilor si metodele prevenirii acestor defectiuni, cautand solutii pentru marirea sigurantei de functionare. In industria constructoare de masini ea a fost mai putin folosita pana in prezent, aceasta datorandu-se mai multor cauze:

1. Exista o varietatea mare de tipuri de masini cu regimuri de functionare diferite pentru care este destul de dificil de apreciat siguranta in functionare, deoarece pentru aceasta este necesar un numar mare de observatii prelucrate statistic.

2. Lipsa unui sistem de culegere, inregistrare si evidenta a datelor referitoare la defectiuni pe tipuri de masini.

3. Se intampina dificultati in stabilirea tipului functiei de repartitie a defectiunii.

4. Este destul de dificil de transferat in industria constructoare de masini experienta obtinuta in alte ramuri ale industriei in domeniul calculului fiabilitatii.

5. Disponibilitatea unei masini depinde si de modul de exploatare, a acesteia, factor caruia de multe ori nu i se acorda importanta cuvenita.

Prin fiabilitate se defineste capacitatea sistemelor tehnice de a functiona fara defectiuni, in decursul unui interval de timp, in anumite conditii date.

Fiabilitatea conform C.E.I. (Comisia Electrotehnica Internationala) este o caracteristica a unui echipament exprimata prin probabilitatea cu care el indeplineste o functie necesara in conditii date, pe o durata de timp data. Ea constituie o insumare a patru evenimente:

probabilitate,

performanta si misiune de indeplinit,

conditii de exploatare si functionare,

timp de functionare prescris.

Pentru analiza fiabilitatii unui produs se defineste notiunea de cadere, care reprezinta acel defect (avarie, iesire din functiune, incident) ce impiedica produsul sa-si indeplineasca in continuare una, mai multe, sau toate functiile de baza prevazute.

Caderile se pot grupa in:

caderi partiale - incetarea indeplinirii uneia sau mai multor functiuni de baza ale produsului fara a duce la scoaterea completa din functiune a acestuia.

caderi totale - determina paralizarea tuturor functiunilor de baza ale produsului si au ca efect scoaterea lui din functiune.

Evaluarea fiabilitatii se poate face cu ajutorul metodelor statistico-matematice, datele necesare calculului indicatorilor de fiabilitate putand fi obtinute pe baza observatiilor facute:

in faza de proiectare, pe baza considerentelor privind conceptia si proiectarea produsului, precum si pe baza fiabilitatii componentelor sale, in conditiile de exploatare prescrise;

in faza de productie, pe baza incercarilor experimentale in laboratoare, in statii de incercari, standuri de probe in care au fost create conditiile similare cu cele din exploatare;

in faza de utilizare, pe baza valorificarii informatiilor privind comportarea in exploatare pe o anumita perioada de timp, a unui numar de produse efectiv utilizate de beneficiar.

Principalii indicatori de fiabilitate sunt:

Media timpului de buna functionare (M.T.B.F.) care se poate defini ca un raport dintre durata totala de functionare a unui grup de elemente si numarul total de elemente in perioada de timp considerata - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

a t_i

M.T.B.F. = t = ---------- (4.1.)

N

unde: a t_i reprezinta suma timpilor de buna functionare a celor N elemente.

Rata experimentala a caderilor (l_N este un indicator care furnizeaza informatii legate de fiabilitatea unui produs la un anumit moment dat si se calculeaza ca un raport intre numarul elementelor k_i cazute in intervalul de timp analizat si numarul de elemente care nu au cazut - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

k_i

l_N (4.2.)

N - k_i

Functia fiabilitatii (R_N(t)) se determina ca un raport intre frecventa absoluta a elementelor ramase in functiune la momentul t si numarul total de elemente N - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] -:

N - k_i

R_N(t) = ----- ----- ---- = 1 - F_N(t) (4.3.)

N

in care: F_N(t) reprezinta frecventa relativa cumulata a caderilor sau nonfiabilitatea.

Coeficientul de disponibilitate (D) definit prin relatia 4.4., in care M.T.R. reprezinta media timpului de reparare - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

M.T.B.F.

D = ----- ----- ----- ----- ------- (4.4.)

M.T.B.F. + M.T.R.

Tinand seama de faptul ca un produs poate fi considerat ca un sistem compus din mai multe elemente, fiabilitatea sa se poate exprima si in functie de modul de legare a elementelor componente:

A. Elemente legate in serie:

Fiabilitatea sistemului din Figura 4.1. este data de relatia - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

R_S(t) = R_i(t) (4.5.)

unde R_S(t) este fiabilitatea sistemului, R_i(t) este fiabilitatea elementului i.

Se observa ca probabilitatea unei bune functionari scade pe masura ce numarul elementelor componente creste.

R_S(t)

Fig. 4.1. Conexiunea in serie a elementelor sistemului

Daca consideram ca elementele componente ale sistemului admit o fiabilitate dupa o lege exponentiala, relatia de mai sus devine - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990]:

R_S(t) = e ^{- (l l lN)t} = e ^{-a lit} (4.6.)

Rata caderilor sistemului l_S se poate defini - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

l_S a l_i (4.7.)

iar media timpului de buna functionare M.T.B.F. - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

1

M.T.B.F.= ---------- (4.8.)

l_S

B. Elemente legate in paralel:

Caderea unuia dintre aceste elemente nu scoate din functiune sistemul, din Figura 4.2. deoarece functiunile elementului defect pot fi indeplinite de elementele ramase in stare de functiune. Probabilitatea ca un element i sa se defecteze se determina cu formula - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

F_i(t) = 1 - R_i(t) (4.9.)

respectiv probabilitatea ca sistemul sa se defecteze se determina cu relatia - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

F_S(t) = F₁(t) x F₂(t) x x F_N(t) = F_i(t) (4.10.)

Deoarece defectarea sistemului are loc daca toate elementele sale se defecteaza, rezulta ca - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

F_S(t) = 1 - R_S(t) (4.11.)

F_S(t)

Fig. 4.2. Conexiunea in paralel a elementelor sistemului

C. Elemente legate mixt:

Fiabilitatea sistemului din Figura 4.3.se calculeaza tinand seama de legaturile ce se stabilesc intre elementele componente ale sistemul. Sistemul este alcatuit din doua grupe:

- elemente legate in serie (R_I) - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - la care:

R_I = R₁ x R₂ (4.12.)

elemente legate in paralel (F_II) - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - la care:

F_II = F₃ x F₄ = (1 - R₃) x (1 - R₄) (4.13.)

R_I

F_II

R_S

Fig. 4.3. Conexiunea mixta a elementelor sistemului

Fiabilitatea sistemului va fi - [Popa H., Dumitrescu C., Ioanovici F., Sabau C., s.a. - 1990] - :

R_S = R_I x R_II = R₁ x R₂ x [1 - (1 - R₃) x (1 - R₄)] (4.14.)

Evenimentul prin care sistemul trece din starea de functionare in stare defecta se numeste cadere (defectare sau iesire din functiune).O clasificare a tipurilor de defecte se prezinta in Tabelul 4.1..

Ca si consecinte ale acestor caderi asupra masinilor, aparatelor, echipamentelor si instalatiilor se pot aminti: scaderea productivitatii; scaderea randamentului; scaderea preciziei de prelucrare; cresterea nivelului zgomotului si a vibratiilor; deformatii plastice (alungiri, comprimari, deformari); distrugeri datorate socurilor; fisuri, faramitari, ruperi datorate oboselii; distrugeri ale etansarilor; striviri datorate deformatiilor termice; uzuri; gripari.

Tabelul 4.1.

CRITERII DE CLASIFICARE SI TIPURI DE CADERI

In timpul exploatarii masinilor si aparatelor are loc o deteriorare treptata a indicilor calitativi a acestora datorate actiunii unor factori perturbatori cu influenta mai mare sau mai mica cum ar fi:

A. Vibratiile fortate care pot aparea in timpul functionarii masinilor si pot fi provocate de: procesul de prelucrare, adaosul de prelucrare, duritatea materialului prelucrat, alte cauze.

B. Vibratiile libere caracterizeaza procesele tranzitorii, care datorita amortizarilor mari din imbinarile masinilor unelte au o durata foarte scurta.

C. Autovibratiile sunt vibratii neamortizate datorate unor factori excitatori si nu au o variatie periodica.

D. Deformatiile termice ale masinilor si aparatelor conduc la modificarea preciziei de prelucrare.

E. Uzura de aderenta este provocata de sudarea si de ruperea punctelor de sudura intre microzonele de contact ale suprafetelor, caracterizandu-se printr-un coeficient de frecare ridicat.

F. Uzura de abraziune este cauzata de prezenta particulelor dure intre suprafetele de contact sau de asperitatile mai dure ale uneia dintre suprafetele de contact.

G. Uzura prin oboseala apare in urma unor solicitari ciclice a suprafetelor in contact, urmate de deformatii plastice in reteaua atomica a stratului superficial, de fisuri, ciupituri sau exfoliere.

H. Uzura prin coroziune se datoreaza in principal reactiei chimice a materialului suprafetelor cu mediul inconjurator.

Toti acesti factori au o influenta mai mare sau mai mica asupra fiabilitatii masinilor, instalatiilor, echipamentelor si aparatelor. Exista si alti factori care pot influenta negativ fiabilitatea cum ar fi: factorul uman, conditiile de mediu, conditiile de intretinere si exploatare, depozitare, ambalare, transport, s.a.. Cunoasterea si combaterea din timp a actiunii lor serveste la obtinerea unei functionari corespunzatoare.

Determinarea fiabilitatii masinilor si aparatelor de precizie este o problema complexa si presupune o activitate laborioasa, atat din punct de vedere teoretic, cat si practic.

Complexitatea si dificultatea se datoreaza influentei pe care o exercita asupra fiabilitatii sistemelor foarte multi factori, subiectivi sau obiectivi, a caror manifestare este greu de determinat exact asa cum este ilustrat in Tabelul 4.2..

In categoria factorilor subiectivi pot fi inclusi: greselile de proiectare (alegerea unor elemente cu fiabilitate scazuta, scheme cinematice irationale din punctul de vedere al fiabilitatii, etc.), de executie (nerespectarea tehnologiei de fabricatie, a conditiilor de incercare), sau exploatarea irationala a masinilor si aparatelor (nerespectarea indicatorilor de exploatare, folosirea unor regimuri de aschiere intensive, intretinerea superficiala, neglijenta in remedierea micilor defectiuni sau dereglaje).

In categoria factorilor obiectivi se includ: actiunea mediului ambiant (temperatura, umiditate, noxe, radiatii), caracteristicile mediului de exploatare (presiuni active, pulsatii, caderi de presiune, lovituri de berbec), sarcini dinamice, vibratii, etc..

Tabelul 4.2.

FACTORII CE INFLUENTEAZA FIABILITATEA SISTEMELOR

Determinarea indicilor de fiabilitate in cazul masinilor si aparatelor de precizie prin metodele teoriei probabilitatilor si a statisticii matematice porneste de la examinarea unei marimi aleatoare: timpul scurs pana la aparitia defectiunii care determina iesirea din functiune a elementului sau sistemului. In acest scop este necesara intotdeauna efectuarea unor calcule laborioase, pe de o parte cele bazate pe analiza structurii sistemului si a conditiilor de functionare (calcule analitice sau previzionale), iar pe de alta parte cele bazate pe datele statistice culese in timpul exploatarii efective a sistemului sau din timpul functionarii experimentale (prelucrarea datelor experimentale), prezentate in Figura 4.4..

Fig. 4.4. Etapele de efectuare a calculelor de fiabilitate a sistemelor

In cazul determinarii fiabilitatii in faza de proiectare toate calculele privind acest indicator au un caracter de prognoza, deoarece factorii care pot influenta fiabilitatea unui sistem sunt numerosi, iar determinarea exacta a influentei fiecaruia este imposibila.

Pentru calculul fiabilitatii functionale a unui aparat sau a unei masini de precizie este necesar sa se cunoasca valorile intensitatii de defectare l

Determinarea indicilor de fiabilitate este necesara atat pentru sistemele nou proiectate, cat si pentru cele deja existente in exploatare.

Daca se urmareste sa se stabileasca legile reale ale duratei de functionare a elementelor in vederea adoptarii masurilor de crestere a fiabilitatii sistemului, atunci pe baza datelor culese din exploatare se traseaza graficul de variatia a acesteia in functie de l (t).

In cazul in care se impune numai stabilirea fiabilitatii sistemului, distributia empirica se aproximeaza cu una dintre distributiile teoretice. O problema deosebita care apare in timpul studiului fiabilitatii unei masini este caracterul limitat si nesistematizat al informatiei statistice referitoare la defectarea acesteia.

Informatiile pot fi obtinute in urma supravegherii functionarii sistemului, in conditiile exploatarii reale, sau in cursul incercarilor facute in conditii de laborator asa cum sunt prezentate in Tabelul 4.3..

Tabelul 4.3.

POSIBILITATI DE CULEGERE A DATELOR PRIVIND FIABILITATEA SISTEMELOR

O deosebita dezvoltare cunoaste in ultima perioada modelarea si simularea cu ajutorul calculatorului, pe standuri de incercare in laboratoare, a functionarii respectivelor sisteme in conditii normale sau la suprasarcini, pentru a se putea depista din timp elementele mai putin fiabile si a se reproiecta altele noi cu caracteristici superioare.

Previziunea fiabilitatii este un proces continuu care incepe cu efectuarea previziunii teoretice, bazata pe informatii privind comportarea trecuta a elementelor componente ale produsului si pe o schema generala de conexiune a acestora, si se sfarseste cu masurarea fiabilitatii in timpul exploatarii produsului la beneficiari.

Fiabilitatea previzionata este la fel de importanta ca si valorile practice inregistrate, deoarece ea nu poate fi facuta daca nu se obtin in prealabil informatii detailate asupra functiilor produsului, asupra mediilor ambiante in care functioneaza, asupra comportarii componentelor in trecut, s.a..

In Tabelul 4.4. se prezinta etapele previziunii si masurarii fiabilitatii.

Tabelul 4.4.

ETAPELE PREVIZIUNII SI MASURARII FIABILITATII

Conform datelor statistice si experientei acumulate in activitatea de previzionare a fiabilitatii pe plan mondial s-au obtinut urmatoarele concluzii:

Activitatea de previziune a fiabilitatii este in general deosebit de utila in identificarea inca din faza de proiectare a elementelor 'slabe' si a celor 'tari' ale sistemului conceput.

Precizia in ceea ce priveste prevederea fiabilitatii lasa inca destul de mult de dorit deoarece:

dintre previziuni au fost pesimiste (valorile prevazute au fost in medie cu 45 sub cele observate in practica).

previziunile optimiste au indicat o medie cu 224 mai mare decat valorile observate in practica.