Fiabilitate si diagnoza

CAPITOLUL 1

Introducere

Fiabilitatea este o disciplina din domeniul ingineriei care utilizeaza cunostinte stiintifice pentru asigurarea unor performante ridicate ale functiilor unui echipament, intr-un anumit interval de timp si conditii de exploatare bine precizate. Aceasta include proiectarea, abilitatea de a intretine, de a testa si a mentine echipamentul la parametri acceptabili pe toata durata ciclului de viata. Fiabilitatea unui echipament este descrisa cel mai bine de pastrarea performantelor acestuia in timp. Performantele de fiabilitate ale unui echipament sunt concretizate in faza de proiectare prin alegerea judicioasa a arhitecturii echipamentului, a materialelor, a procesului de fabricatie, a componentelor - atat soft cat si hard - urmate de verificarea rezultatelor obtinute in urma simularilor si a testelor de laborator.

Pentru a obtine echipamente fiabile sunt necesare cunostinte si deprinderi din urmatoarele domenii:

analiza statistica

modelarea fiabilitatii echipamentelor

studii de marketing

metode de predictie a fiabilitatii

proiectare prin metoda cazului cel mai defavorabil

analiza fizica a defectiunilor

analiza modurilor de defectare si a defectelor

planificarea si realizarea incercarilor de fiabilitate / incercari accelerate

definirea conceptului de mentenanta

analiza mentenabilitatii

planificarea si realizarea mentenantei

analiza sigurantei echipamentelor

fiabilitate / mentenabilitate / siguranta echipamentului / calitate / suport logistic / factorii umani / software performant pentru monitorizare.

Fiabilitatea este un atribut al echipamentelor care nu trebuie ignorat. Caracteristicile de fiabilitate reprezinta "ingredientele" critice pentru orice activitate de proiectare a echipamentelor industriale. Este de preferat sa se tina cont de aspectele legate de fiabilitate inca din faza de proiectare decat sa nu se faca acest lucru in speranta ca lucrurile vor merge bine.

Aparitia unei teorii a fiabilitatii a fost determinata de cresterea complexitatii echipamentelor si de caracterul de masa al productiei moderne. Domeniul care a impulsionat dezvoltarea acestei discipline a fost, ca si in alte cazuri, cel militar intrucat in timpul celui de-al doilea razboi mondial s-a constatat ca echipamentele electronice complexe (echipamente de radiocomunicatii, sonare etc.) se aflau in stare de defectare un timp sensibil mai mare decat timpul de functionare normala. Pe baza solutiilor oferite de catre aceasta noua disciplina - fiabilitatea - au fost posibile progrese mari si in alte domenii de activitate, precum centralele nucleare, transporturile (navale, terestre, aeriene si in ultimul timp spatiale), prelucrarea si transmisia datelor, productia bunurilor de larg consum etc.

Dupa trecerea de la productia manufacturiera la productia de masa s-a constatat o marire a dispersiei parametrilor echipamentelor datorata atat cresterii complexitatii cat si micsorarii posibilitatilor de control interfazic pe liniile de productie. In cazul productiei de masa, datorita modificarilor rapide ale cerintelor tehnice, se constata ca nu este necesar intotdeauna sa se obtina un nivel maxim posibil de fiabilitate, ci este esential sa se cunoasca cu precizie care este nivelul real de fiabilitate, luandu-se masuri pentru deplasarea acestuia catre o valoare optima. In decursul timpului s-a constat ca, in cazul sistemelor si echipamentelor complexe, oricat s-ar investi pentru a obtine o fiabilitate ideala, nu se poate obtine un echipament care sa nu se degradeze in timp. Din aceasta cauza este util sa se cunoasca nivelul real al fiabilitatii, astfel incat, in functie de acesta, sa se stabileasca durata misiunii, intervalele de revizie, structura echipamentului etc.

Fiabilitatea este unul dintre parametrii determinanti pentru competitivitatea unui produs, intrucat gradul de vandabilitate creste semnificativ pentru produsele fiabile. Este de subliniat faptul ca in programul de actiuni lansate de Guvernul Romaniei la sfarsitul lunii august 2001 pentru cresterea exporturilor (si reducerea deficitului comercial al tarii), una dintre masurile propuse se refera la cresterea fiabilitatii produselor. Se poate aprecia ca fiabilitatea a devenit o preocupare la nivel national. In microelectronica, studiul fiabilitatii dispozitivelor are o istorie mai veche, de circa 30 de ani, dar - in primii 10 ani - doar la nivelul de incercari constatative, cu evaluarea post-factum a fiabilitatii loturilor si transmiterea rezultatelor catre sectia de fabricatie. Din 1980 incepe pentru domeniul fiabilitatii dispozitivelor electronice cu semiconductoare o perioada de succese ale cercetarii de profil, fiind propuse si implementate metode accelerate de evaluare a fiabilitatii, precum si de asigurare a acesteia. Cercetarea romaneasca are contributii insemnate, fiabilitatea dispozitivelor cu semiconductoare fiind unul dintre domeniile cele mai dinamice ale fiabilitatii romanesti [2].

Pe plan mondial, dupa anul 1990 s-a intrat intr-o noua etapa de dezvoltare a domeniului fiabilitatii. Daca in anii '60 fiabilitatea se referea la Control/Verificare, iar in anii '70 - '80 la Asigurare, acum cuvantul de ordine il reprezinta Managementul fiabilitatii, cu tot ce implica el: metode adecvate de predictie, proiectare pentru fiabilitate, fiabilitatea proceselor, inginerie convergenta, controlul calitatii totale etc. Daca pentru tipuri de produse aflate de mai mult timp in fabricatie (cum sunt dispozitivele microelectronice) aceasta preocupare pentru fiabilitate pare justificata, fiind vorba despre produse care isi cauta un loc pe piete din ce in ce mai exigente, in cazul unor produse relativ noi, cum sunt microsistemele, fiabilitatea pare mai degraba un lux. Nimic mai gresit, dupa cum arata ultimele lucrari ale celui mai prestigios simpozion de profil pe plan mondial, Annual Reliability and Maintainability Symposium (ARMS), tinut anual in SUA, alternativ pe coasta de Vest / Est. Mai ales la produsele foarte noi (cum sunt microstructurile si microsistemele - in general, produsele microtehnologiilor) este important ca fiabilitatea sa fie luata in considerare chiar din primul moment (ca un parametru al ingineriei convergente). In acest mod se castiga timp si sume importante de bani, pentru ca punerea la punct a unui nou dispozitiv este mult mai rapida decat prin modul traditional de lucru (inginerie seriala). Acesta este motivul pentru care fiabilitatea devine acum un parametru important al proiectarii unui dispozitiv. si nu este vorba numai de produsele cu cerinte speciale de utilizare (echipamente spatiale sau militare, centrale nucleare etc.), ci chiar de dispozitivele destinate unor bunuri de larg consum, care au acum niveluri ale parametrilor de fiabilitate mult mai mari decat cele militare de acum cativa ani. Tendinta actuala este de a se trece de la certificarea produselor la certificarea tehnologiilor, cu avantaje evidente in ceea ce priveste simplificarea procedurilor de livrare.

Principalele obiective ale fiabilitatii sunt:

studiul defectiunilor echipamentelor (al cauzelor, al proceselor de aparitie si dezvoltare si al metodelor de combatere a defectiunilor);

aprecierea cantitativa a comportarii echipamentelor in timpul exploatarii in conditii normale, tinand seama de influenta pe care o exercita asupra acestora factorii interni si externi;

determinarea modelelor si metodelor de calcul si prognoza ale fiabilitatii, pe baza incercarilor de laborator si a urmaririi comportarii in exploatare a echipamentelor;

analiza fizica a defectiunilor;

stabilirea metodelor de proiectare, constructive, tehnologice si de exploatare pentru asigurarea, mentinerea si cresterea fiabilitatii echipamentelor, dispozitivelor si elementelor componente;

stabilirea metodelor de selectare si prelucrare a datelor privind analiza fiabilitatii echipamentelor.

Definita din punct de vedere calitativ, fiabilitatea reprezinta capacitatea unui sistem de a functiona fara defectiuni, la parametri acceptabili, in decursul unui anumit interval de timp, in conditii de exploatare bine precizate. Definita din punct de vedere cantitativ, fiabilitatea unui sistem reprezinta probabilitatea ca acesta sa-si indeplineasca functiile sale cu anumite performante si fara defectiuni, intr-un anumit interval de timp si in conditii de exploatare specificate.

In cazul echipamentelor a caror perioada de fabricatie este suficient de mare (luni, ani), performantele de fiabilitate pot fi imbunatatite utilizand o structura cu reactie negativa de tipul celei prezentate in figura 1.1, [3].

Fig. 1.1. Controlul nivelului de fiabilitate

Pentru realizarea unei imbunatatiri a performantelor de fiabilitate este necesar sa existe instrumente pentru exprimarea cantitativa a fiabilitatii astfel incat sa se poate face o evaluare a nivelului real de fiabilitate al echipamentului. Cu cat evaluarea nivelului real de fiabilitate se poate face intr-un timp mai redus, cu atat mai repede se va ajunge la nivelul dorit al fiabilitatii. Nivelul optim al fiabilitatii poate fi stabilit utilizand diferite criterii, dintre care cel economic este utilizat in cele mai multe cazuri. Exista insa si domenii in care aspectul economic se afla in planul secund, pe primul plan fiind siguranta in exploatare a echipamentelor (centrale nucleare, sectii de terapie intensiva, transport aerian etc).

Separand cheltuielile    legate de echipament in costuri de productie si costuri de intretinere si reprezentandu-le in functie de nivelul de fiabilitate, se obtine o dependenta intre costuri si fiabilitate de tipul celei prezentate in graficul din figura 1.2. Din grafic se observa ca nivelul optim de fiabilitate, din punct de vedere economic, corespunde unui minim al cheltuielilor totale.

Fig. 1.2. Determinarea nivelului optim de fiabilitate

Analiza fiabilitatii unui echipament se poate face fie la nivel global, fie la nivel structural, utilizandu-se pentru aceasta limbajul teoriei sistemelor. Daca nu tinem cont de structura echipamentului, acesta se poate descrie matematic la nivel global prin dependenta functionala a vectorului de iesire fata de vectorul de intrare:

(1.1)

Atunci cand se cunoaste, chiar si partial structura echipamentului se poate pune in evidenta un numar de variabile interne, care formeaza vectorul de stare: .

Fig.1.3. Descrierea pe stare a echipamentului

In aceasta situatie echipamentul poate fi descris matematic utilizand relatiile:

(1.2)

Aceste modele, furnizate de teoria sistemelor, pot fi utilizate in scopul descrierii unui echipament real sub diferite aspecte, depinzand de interpretarea fizica data variabilelor de intrare, iesire si stare.

Exemplu: Se considera o retea formata din rezistente, inductante, capacitati, surse independente si surse controlate de tensiune si curent. Daca se identifica variabilele de intrare cu sursele independente si variabilele de iesire cu valorile curentilor si tensiunilor in diferite puncte ale retelei, sistemul abstract va fi caracterizat, din punct de vedere functional, printr-o relatie globala de tip (1.1), iar daca alegem drept variabile de stare valorile curentilor prin inductante si ale tensiunilor de pe capacitati, reteaua va fi descrisa prin ecuatii canonice de stare (1.2), [3] .

Modelarea fiabilitatii retelei va pretinde o cu totul alta interpretare a variabilelor, astfel incat sa se urmareasca evolutia performantelor echipamentului in conditii de solicitare precizate. Astfel variabilele de intrare se identifica cu solicitarile aplicate asupra echipamentului, fie ca acestea sunt solicitari utile, esentiale in vederea indeplinirii functiei acestuia, cum ar fi tensiunile, curentii, puterile disipate, fie ca sunt solicitari perturbatoare, ca temperatura ambianta, umiditate, vibratii, socuri, interferente electromagnetice, campuri electrice etc. Variabilele de iesire vor fi identificate cu performantele echipamentului: durata regimului tranzitoriu, rezerva de stabilitate, banda de frecventa, eroarea stationara etc.

O analiza la nivel global a fiabilitatii unui echipament conduce la o relatie functionala de tipul (1.1) intre performante si solicitari, iar o analiza structurala conduce la sistemul de ecuatii (1.2) care leaga performantele de solicitari prin intermediul parametrilor elementelor componente.

O particularitate fundamentala a modelului abstract al fiabilitatii unui echipament este dependenta stohastica intre variabilele care definesc modelul. Chiar daca solicitarile aplicate echipamentului sunt riguros deterministe si controlabile, cum se intampla in conditii de laborator, evolutia performantelor globale ale echipamentului nu este intru totul previzibila, astfel incat vectorul de iesire trebuie considerat un proces aleator p - dimensional.

Admitand necesitatea modelului aleator pentru analiza fiabilitatii echipamentelor, este de remarcat faptul ca analiza cantitativa a modelului prin prisma proceselor aleatoare asociate parametrilor si performantelor este extrem de laborioasa, deoarece consta in analiza simultana a celor    p - procese aleatoare, care formeaza vectorul de iesire (vectorul performantelor).

Metodele utilizate in teoria fiabilitatii au evitat calculul complicat al caracteristicilor proceselor aleatoare, preferandu-se ca, prin utilizarea notiunii de defectare, sa se restranga spatiul performantelor la o singura dimensiune. Defectarea este definita conventional, ea presupunand existenta unui domeniu admisibil D_a , in spatiul p - dimensional, astfel incat daca vectorul performantelor apartine lui D_a , atunci echipamentul se comporta satisfacator, in caz contrar echipamentul fiind considerat defect.

Se presupune ca in starea initiala vectorul performantelor indeplineste conditia de apartenenta la D_a, insa ulterior performantele sistemului evolueaza aleator, defectarea producandu-se atunci cand cel putin una dintre performante intersecteaza frontiera domeniului admisibil D_a. Pentru un vector de iesire unidimensional procesul de defectare poate arata ca in figura 1.4.

Fig.1.4. Proces de defectare    in cazul unidimensional

Se observa ca fiabilitatea echipamentului poate fi exprimata fie cu ajutorul procesului aleator y(t), fie cu ajutorul timpului de functionare pana la defectare (T), interpretat ca variabila aleatoare. Oricare ar fi dimensiunea vectorului de iesire, analiza globala a fiabilitatii poate fi efectuata prin prisma timpului de functionare pana la defectare, ceea ce conduce la o micsorare a dificultatilor de calcul.

Exprimarea influentei solicitarilor asupra parametrilor componentelor si deci asupra performantelor echipamentului este imposibil de realizat in cadrul unei teorii generale. Studiul bazelor fizico-chimice ale degradarii, elucidarea mecanismelor si a modurilor de defectare sunt etape necesare, care pot fi parcurse numai in cadrul analizei aprofundate a unor tipuri particulare de echipamente.