1. Introducere9

1. INTRODUCERE1.1. Aspecte generale. Definiii [1, 6, 13, 17, 22, 27, 32]

Fiabilitatea a aprut ca efect al importanei deosebite pe care au cptat-oproblemele siguranei n funcionare a echipamentelor industriale, dispozitivelor icomponentelor, constituind n prezent, o tehnic de vrf indispensabil inginerilor.Funcionarea unui produs este limitat de apariia unei abateri sau a unui defect. Din acestpunct de vedere, fiabilitatea poate fi privit i ca o tiin a defectrilor. Fiabilitateareprezint astfel aptitudinea unui produs de a funciona fr a se defecta. Matematic esteposibil s se prevad cu un anumit grad de certitudine comportarea unui produs nanumite condiii de utilizare stabilite.

Noiunea de fiabilitate este tot mai frecvent ntlnit n tot mai multe domenii. Cesemnificaie are acest termen? Termenul fiabilitate este un neologism provenit din limbafrancez unde adjectivul fiable (arhaism utilizat de canadienii de origine francez pentrua traduce termenul similar anglo-saxon) nseamn demn de ncredere sau n care te poincrede de la care a derivat substantivul fiabilitate. Literatura anglo-saxon care a introdusmulte notaii unanim acceptate, utilizeaz termenul reliability derivat din verbul to relycare nseamn a conta pe sau a se ncrede n cineva sau ceva. n limbile rus (nadejnosti)i german (Zuverlssigkeit) termenii au nelesul de siguran. Fiabilitatea unui produsreprezint deci acea nsuire care ne sugereaz idea de ncredere i siguran. Deasemenea, n comparaie cu un alt produs, se poate utiliza expresia mai fiabil sau maipuin fiabil.

Fiabilitatea este unul din elementele eseniale ale calitii unui produs. Calitateareprezint totalitatea proprietilor i caracteristicilor necesare unui produs referitoare laaptitudinea acestuia de a ndeplini cerinele pentru care a fost realizat. n cazul particularal unui sistem tehnic, prin calitate se nelege gradul n care sunt ndeplinite proprietile icerinele funcionale, operaionale i fizice de ctre acesta, stabilite corespunztor scopuluiutilizrii. Dintr-un anumit punct de vedere, calitatea poate fi considerat ca o nsuirestatic de satisfacere a unor condiii ntr-un anumit moment, n timp ce fiabilitatea este ocalitate n timp sau o nsuire dinamic. Din acest punct de vedere fiabilitatea reprezint onou dimensiune a calitii, o component n timp a calitii.

Noiunea de fiabilitate poate fi privit sub dou aspecte: calitativ i cantitativ.a) Calitativ, fiabilitatea reprezint aptitudinea unui produs de a-i ndeplini funcia

specificat n condiii date de-a lungul unei durate impuse.b) Cantitativ, fiabilitatea reprezint caracteristica unui produs exprimat prin

probabilitatea ndeplinirii funciei impuse pe o durat dat Tf, mai mare dectintervalul de timp L, prescris, n condiii de funcionare specifice, adic:( ) ( )LTPLR f >= . (1.1)Aceast definiie conine cinci concepte fundamentale:- Conceptul de caracteristic. Fiabilitatea este o caracteristic a unui produs,

poate fi determinat i caracterizat, la fel ca i celelalte caracteristici tehnice(putere, turaie etc.), printr-o anumit valoare.

- Conceptul de probabilitate. Fiabilitatea reprezint o probabilitate i deci ovaloare cuprins ntre 0 i 1. Fiind o probabilitate nu poate fi msurat direct

1. Introducere10

aa cum se procedeaz n cazul altor mrimi fizice, ci se determin pe bazametodelor statisticii matematice i a teoriei probabilitilor.

- Conceptul de funcie. Fiabilitatea presupune satisfacerea unei funcii, andeplinirii unei misiuni sau cerine. Acest lucru implic definirea exact afunciei pe care trebuie s o realizeze i, de asemenea, precizarea n unelecazuri a strii de nefuncionare.

- Conceptul de durat de funcionare. Fiabilitatea presupune o durat de bunfuncionare exprimat n uniti de timp (ore, zile, ani etc.) sau n numr decicluri, conectri, manevre etc.

- Conceptul de condiii de funcionare (de utilizare i de mediu) reprezintansamblul condiiilor de exploatare pentru care a fost proiectat produsul. Seface observaia c n multe cazuri noiunea de fiabilitate nu este interpretatcorect, mai ales atunci cnd valoarea fiabilitii este abordat prin prisma unorncercri de laborator n care solicitrile nu sunt corelate cu cele din utilizareanormal.

Durabilitatea dispozitivului, considerat n mod individual, este variabila aleatoare Tfdin relaia (1.1), semnificnd durata efectiv de funcionare fr defeciuni.

Durabilitatea unei populaii, format din elemente (dispozitive) identice i cuaceleai condiii de funcionare, este perioada de timp L n care fiabilitatea scade pn la ovaloare limit dat (care n cazul rulmenilor este, n mod uzual, de 90%). Se observ cdurabilitatea este inversa funciei de fiabilitate (1.1).

Defectarea, denumit i defeciune sau cdere, reprezint evenimentulfundamental din teoria fiabilitii i anume ncetarea aptitudinii unui dispozitiv de a-indeplini funciunea specificat.

n raport de consecine, defectrile pot fi:- minore, dac sunt remediabile uor, nempiedicnd funcionarea sistemului, ca de

exemplu zgrierea vopselei, dar pot influena costul vnzrii produsului;- majore, dac ntrerup ndeplinirea funciunii de baz, ns nu au implicaii legale;- critice, dac pot avea consecine periculoase pentru om sau mediul ambiant, ca

de exemplu defectarea echipamentului de frnare al unui automobil.Statistica defectrilor a relevat, c, la transmisiile staionare cu roi dinate, danturile

au frecvena de defectare cea mai mare (v. tabelul 1.1) i, prin urmare, au o influendeterminant asupra fiabilitii acestui tip de transmisie. Astfel de statistici au fost realizaten principal de societile de asigurare (v. de ex. Allianz Handbuch) n scopul stabiliriiprimelor de asigurare n corelaie cu fiabilitatea.

Tabelul 1.1. Frecvena defectrilor componentelor transmisiilor cu roi dinateElemente

componente Roi dinate Lagre ArboriAlte elementeconstructive

Frecvenadefectrilor 40-60% 12,5% 6,4% 9,7%

Deteriorarea reprezint procesul de modificare treptat a parametrilor constructivii funcionali de care depinde funcionarea corect a sistemului. n cazul sistemelormecanice, fenomenele de deteriorare const n: deformri, ruperi, neetaneiti, modificriale materialului etc. Defectarea se produce cnd se atinge valoarea limit a unuia dintre

1. Introducere11

procesele de deteriorare care afecteaz sistemul (v. fig. 1.1).Pentru unele procese de

deteriorare, ca de exemplufisurarea, deteriorarea limiteste stabilit univoc, pe bazacriteriului scoaterii din uz. nalte cazuri, se utilizeaz limiteconvenionale, de exemplu,existena pittingului pe 2% dinsuprafaa activ a flancurilordinilor. Depirea acestora nudetermin defectarea propriu-zis, ns mrete nepermis demult riscul producerii acesteia.Pentru sisteme mecanice importante producerea defectrii poate fi prognozat prinevaluarea periodic a gradului de deteriorare sau, n mod indirect, prin diagnosticarevibro-acustic bazat pe corelaia dintre procesele de deteriorare primare i emisia devibraii i zgomot.

Interpretarea corect a definiiei fiabilitii este deosebit de important mai ales nproiectarea unor ncercri determinative de fiabilitate. Deocamdat se constat cfiabilitatea ridic mai multe probleme dect reuete s rezolve, dar perfecionareametodelor de investigaie va conduce cu siguran la transformarea noiunii de fiabilitate nprincipala caracteristic a unui produs. Anumite produse necesit o serie de operaii dentreinere sau de mentenan. Dac utilajul este reparabil, se pune problema naturiidefectelor i a posibilitii de intervenie. Ansamblul tuturor aciunilor tehnice iorganizatorice efectuate n scopul meninerii sau restabilirii funciei specificate se numetementenan. Aptitudinea unui produs de a putea fi ntreinut sau reparat mai uor estereprezentat de caracteristica de mentenabilitate, sau simplu de mentenabilitate, redattot printr-o probabilitate. n cazul dispozitivelor reparabile se folosete i noiunea dedisponibilitate care reprezint probabilitatea ndeplinirii funciei la un anumit moment dat,lund n consideraie i probabilitatea repunerii n funciune n urma eventualelor defecte.Corelaia acestor concepte ca pri ale calitii unui sistem mecanic este prezentat nfig. 1.2.

Fig.1.1. Legtura dintre deteriorare i defectare

Durabilitatea Tf t

D

eter

iora

re

Det

erio

rare

in

adm

isib

il

Deteriorare admisibil

Deteriorare limit

Momentul defectrii

Fig.1.2. Locul fiabilitii n cadrul conceptului de calitate

Calitatea unui sistem mecanic

Caracteristicile constante n timp

Caracteristicile variabile n timp

Disponibilitatea

Fiabilitatea Mentenabilitatea

Deteriorarea

Durabilitatea

Defectarea

1. Introducere12

1.2. Conceptul de fiabilitate a unui produs industrial[1, 3, 9, 12, 16, 17, 18, 22, 32]

Problemele de siguran n exploatare se pun pentru sistem i pentru element.Prin sistem se nelege maina, aparatul, dispozitivul destinat s realizeze anumite

funcii. Exemplu: televizorul, maina unealt, utilajul de prelucrarea zahrului etc.Prin element se nelege o parte component a sistemului i care ndeplinete o

anumit funcie n cadrul acestuia. Exemplu: roata dinat, rulmentul, ambreiajul, motorulelectric asincron, pompa hidraulic etc.

In general, orice sistem poate s aib n componena sa elemente mecanice,electrice, hidraulice sau pneumatice. Realizarea de sisteme mecanice cu fiabilitate ridicateste posibil numai n cadrul unui sistem coerent de asigurare a fiabilitii. Fiabilitatea sepoate prezenta n mai multe moduri (categorii). Diversele categorii de fiabilitate pot ficonsiderate ca nite estimatori ai aceleiai fiabiliti reale dar necunoscute. Specialitii i,n special, proiectanii trebuie s urmreasc stabilirea unor relaii ntre aceti estimatori nscopul precizrii datelor de proiectare. Astfel, n fiecare etap a ciclului de via seefectueaz evaluri succesive ale nivelului de fiabilitate (v. fig. 1.3) i, dac este cazul, seiau msuri pentru mrirea acestuia.

Conform diagramei rezult c fiecrei etape a ciclului de via i se poate asociacte o categorie de fiabilitate.

n etapa de planificare a produsului se efectueaz studii de marketing i deprognoze, privind nivelul fiabilitii produselor similare, realizate de firmele concurente, ladata cnd noul produs va fi lansat pe pia. n urma acestora se stabilete un nivel alfiabilitii cerut de pia.

Fiabilitatea nominal, stabilit prin tem, este cea pe care viitorul produs trebuies o evidenieze n funcionare i este inclus n lista de cerine care trebuie ndeplinite (nnumeroase cazuri fiind specificat n contracte). Factorii de care trebuie s se in cont la

100 95

t

Fia

bilit

atea

[%

]

Stabilirea Realizarea Marketing temei Proiectarea prototipului Fabricaia Exploatarea Casarea

Fiabilitate stabi-lit prin studiul produselor simi-lare de pe pia

Fiabilitate potenial la punerea n funciune

Fiabilitate ideal

Fiabilitate previzional

Fiabilitate experimental a prototipului

Fiabilitate potenial

dup reparaie

Exploatare efectiv

Reparaie Fiabilitate sta-bilit n tem Fiabilitate

operaional

Fig.1.3. Evoluia nivelului de fiabilitate atins n diferite etape ale ciclului de via al unui sistem mecanic

1. Introducere13

stabilirea acesteia sunt:- normele i standardele de siguran ale oamenilor i ale mediului ambiant;- fiabilitatea cerut de pia;- costurile implicate de perioada de garanie acordat;- optimizarea costurilor suportate de beneficiar. Fiabilitatea previzional se estimeaz prin calcul, n faza de proiectare, pe baza

structurii sistemului i fiabilitilor elementelor constructive componente care, la rndul lor,pot fi determinate experimental sau prin calcul. Nivelul fiabilitii previzionale trebuie s fiemai ridicat, dect cel stabilit prin tem, pentru a compensa erorile inerente de estimare aacestuia.

Trebuie precizat c valorile fiabilitilor componentelor sunt aproximative, chiar dacsunt stabilite experimental, pe componente similare. n acest caz, determinrile inexactesunt cauzate, n principal, de diferena dintre modelul ncrcrii, adoptat pe baza analizeisistemelor de acelai tip, i ncrcarea real a viitorului produs.

Fiabilitatea experimental este cea estimat prin prelucrarea observaiilordefectrilor, obinute prin testri efectuate n laborator pe prototip, seria zero i/sau pepiese-epruvet. Condiiile create n laborator, inclusiv solicitrile, trebuie s fie similare cucele din exploatare, s produc "acelai mod sau mecanism de defectare i aceeaistructur a defectelor".

ncercrile pot fi executate:- la solicitri normale, dac acestea au nivele apropiate de cele din exploatare;- la solicitri accelerate, dac au nivele i frecvene mai mari dect n exploatare.Fiabilitatea experimental trebuie, de asemenea, s aib un nivel mai ridicat dect

cel stabilit prin tem, deoarece condiiile simulate n laborator difer inerent de cele reale.Pe de alt parte, aceasta reprezint o estimaie mai precis dect fiabilitatea previzionalcu care se compar. Dac diferenele sunt prea mari, atunci se modific soluiaconstructiv sau cea tehnologic.

Stabilirea fiabilitii experimentale ridic probleme deosebite, deoarececomponentele sistemelor mecanice sunt produse n serie mic sau sunt unicate (cu uneleexcepii, ca de exemplu rulmenii) i au costuri mari. Din acest motiv, dac este neapratnecesar, aceasta se efectueaz, n principal, pe eantioane mici formate din epruvete cuconcentrator i, mai puin, din piese - epruvet, subansambluri sau chiar ansambluri(prototipul i seria zero). Pe prototip se determin, n special, solicitrile reale, iar pe seriazero, modurile tipice de deteriorare i, uneori, media timpului de bun funcionare.

Deoarece durabilitile sistemelor mecanice i costurile aferente ncercrilor suntfoarte mari, se utilizeaz preponderent testrile la solicitri accelerate care reduc n modconsiderabil duratele experimentelor.

La ncrcri mici, ncercrile sunt trunchiate la un numr de cicluri suficient de marepentru a nu se perturba rezultatul, iar duratele i costurile experimentelor s nu fieexagerat de mari.

Eantioanele experimentale mici i trunchierea testrilor creeaz dificulti laprelucrarea i valorificarea rezultatelor. Impedimentele legate de determinareaexperimental a fiabilitilor elementelor constructive care compun sistemul impun frecventlimitarea la metodele teoretice de estimare ale fiabilitii previzionale, chiar dac, nprezent, acestea au o precizie sczut.

Fiabilitatea potenial este cea evaluat la punerea n funciune a produsului.

1. Introducere14

Aceasta se hotrte nc din faza de proiectare (prin soluia constructiv adoptat), iarfabricaia nu face dect s o realizeze la parametrii concepui sau s o coboare prinabaterile tehnologice sau a derogrilor obinute. Fiabilitatea potenial poate fi stabilitexperimental pe componente, extrase din fabricaia de serie. n general, nu se pot facedeterminri experimentale i de aceea se utilizeaz fiabilitatea previzional. Dacproducia este n serie suficient de mare, se efectueaz ncercri de laborator, n care seurmrete testarea omogenitii fabricaiei i verificarea nivelului fiabilitii produselor deserie.

Fiabilitatea operaional este cea valorificat pe baza rezultatelor privindcomportarea n exploatare, pe o anumit perioad de timp, a unui numr mare deexemplare identice, utilizate efectiv de beneficiar. Aceasta reprezint estimarea cea maiprecis a fiabilitii produsului i se compar cu valorile determinate n fazele anterioare, nscopul corectrii i ameliorrii procedeelor utilizate. Datorit duratei mari pe care onecesit, prezint interes doar pentru dezvoltrile ulterioare de produse de acelai tip,deoarece generaia de produse studiat ajunge s se perimeze fizic i moral. Observaiiledin exploatare sunt efectuate, n principal, de societile de asigurare i de serviciile deservice ale productorului.

n practica inginereasc se mai utilizeaz noiunile de fiabilitate intrinsec -determinat pe baza legturii dintre solicitarea aplicat i rezistena elementului considerat- i extrinsec - stabilit pe baza prelucrrii datelor eantionate sau analitic cu ajutorulindicatorilor de fiabilitate

1.3. Implicaii economice [4, 19]

Criteriul economic st la baza proiectrii sistemelor i subsistemelor a crordefectare nu intr sub incidena legii. n acest caz, fiabilitatea necesar se stabilete dinanalize de pia, prin comparaii cu sisteme deja existente sau optimizri ale costurilor.

Pentru echipamentele complexe, reparabile, paralel cu fiabilitatea trebuie s se ia nconsideraie i mentenana. Din punctul de vedere al costurilor, o mbuntire a fiabilitiiunui sistem determin, pe de o parte reducerea costurilor de mentenan, ns, pe de altparte, presupune costuri de achiziie cu att mai mari cu ct se dorete o depire mainalt a nivelului uzual de fiabilitate. Exist o zon de optim economic (cost minim) creiai corespunde fiabilitateaoptim (Ropt). n fig. 1.4, seobserv c suma costurilor dinetapa de proiectare-dezvoltarei cele de mentenan atinge ovaloare minim la o fiabilitatecare poate fi consideratoptim din punct de vedereeconomic. Pentru o fiabilitate R> Ropt, costul investiiei estemare n raport cu scopulpropus. n anumite cazuritrebuie s se int seama decheltuielile (pagubele)

Fig.1.4. Variaia costurilor n raport de nivelul de fiabilitate:Ca - costuri de achiziie; Cm - costuri de mentenan; Ct -

costuri totale

C

Ct Cm Ca

0 20 40 60 80 [%] 100 Fiabilitatea R

Ropt

1. Introducere15

provocate de lipsa de fiabilitate. n general, valoarea Ropt este inferioar fiabilitii tehnicposibile. Trebuie deci s ne ateptm la un numr de defectri, neneglijabile, pentru agaranta cel mai economic pre al disponibilitii i, n consecin, este necesar camentenana s fie definit judicios. In final, fiabilitatea adoptat prin soluia de proiectarereprezint un compromis ntre costul fiabilitii i mentenanei.

n fig. 1.5 se prezint principiul care st la baza optimizrii duratei de exploatare asistemului dup criteriul eficienei economice.

Introducnd notaiile din figura 1.6, eficiena economic a utilizrii sistemului sepoate calcula cu relaia:

)CC(CE eap += . (1.2)Se observ c, ncepnd cu momentul T0, ctigul ajunge mai mare dect

cheltuielile efectuate i exploatarea sistemului devine profitabil. Aceasta este posibil pnn momentul Tlim, cnd ctigul ncepe s fie depit de costuri i utilizarea sistemuluidevine nerentabil. Momentul optim al casrii Tc ntrece momentul profitului maxim Tmax,deoarece acest moment poate fi decelat dup ce se produce o scdere vizibil a eficieneieconomice.

Un factor care influeneaz nivelul fiabilitii este perioada de garanie pe careproductorul o stabilete din considerente concureniale, cu asumarea riscului unorcheltuieli de reparaie gratuit, limitate de un nivel de fiabilitate suficient de ridicat.

Fig.1.5. Optimizarea duratei de exploatare dup criteriul eficienei economice: E-eficiena economic; CP-ctigul; Ca- costul de achiziie al sistemului; Ce- costul de exploatare;

T0-momentul cnd exploatarea devine profitabil; Tlim-momentul limit cnd utilizarea sistemului devine nerentabil; Tmax-momentul profitului maxim; Tc- momentul optim al casrii (scoaterii din uz)

t T0 Tmax Tc

Tlim Ce+Ca

Domeniul profitabil

CP

C

0

Ca

E

E