SPIS TREŚCI - CONTENTS

Transkrypt

1 SPIS TREŚCI - CONTENTS Nauka i Technika Shengkui ZENG, Bo SUN, Chuan TONG Zmodyfikowany model prognozowania niezawodności urządzeń elektronicznych A modified model of electronic device reliability prediction... 4 Norbert RADEK Badania eksploatacyjne bijaków stalowych obrobionych elektroiskrowo Determining the operational properties of steel beaters after electrospark deposition Ruiying LI, Rui KANG, Ning HUANG, Weiwei CHEN, Yang CHEN Praktyczne podejście do oceny niezawodności aplikacji sieciowych A practical approach for network application reliability assessment Arkadiusz STACHOWIAK, Wiesław ZWIERZYCKI Weryfikacja modelu obliczeniowego dla zużywania korozyjno-mechanicznego Verification of computational model for corrosive and mechanical wear Zhonglai WANG, Hong-Zhong HUANG, Xiaoping DU Projektowanie niezawodnościowe z wykorzystaniem kilku strategii utrzymania Reliability - based design incorporating several maintenance policies Zdzisław CHŁOPEK, Andrzej JAKUBOWSKI Badania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego pojazdu samochodowego A study of the particulate matter emission from the braking systems of motor vehicles Zhao-Jun YANG, Jian-Ying LIU Ocena niezawodności operacji nagniatania stopu aluminium Reliability assessment of burnishing operation of aluminum alloy Yimin SHAO, Xiaoxia LI, Chris K. MECHEFSKE, Zaigang CHEN Prognozowanie uszkodzeń przekładni mostu napędowego z wykorzystaniem wstępnego przetwarzania sygnału drgań w połączeniu z sieciami neuronowymi typu RBF Rear axle gear damage prediction using vibration signal preprocessing coupled with RBF neural networks Kazimierz ZALESKI Wpływ dynamicznego nagniatania rozproszonego na trwałość zmęczeniową elementów ze stopu tytanu Ti-6Al-4V The effect of shot peening on the fatigue life of parts made of titanium alloy Ti-6Al-4V Yifan ZHOU, Lin MA, Joseph MATHEW, Yong SUN, Rodney WOLFF Prognozowanie trwałości środków technicznych z wykorzystaniem wielu wskaźników degradacji i zdarzeń awaryjnych w ujęciu modelu ciągłej przestrzeni stanów Asset life prediction using multiple degradation indicators and failure events: a continuous state space model approach Andrzej MARCZUK Komputerowy system optymalizacji transportu owoców miękkich w sieci rozproszonego skupu A computer system for optimisation of soft fruit transportation in diffused purchasing networks MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/2009 1

2 W SKRÓCIE - ABSTRACTS ZENG S., SUN B., TONG C.:Zmodyfikowany model prognozowania niezawodności urządzeń elektronicznych: Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: 4-9. Prognozowanie niezawodności urządzeń elektronicznych oparte na modelu fizyki uszkodzeń (PoF) jest obarczone niepewnościami. Opierając się na połączeniu testu Kołmogorowa-Smirnowa (testu K-S) i metody symulacji Monte Carlo, w niniejszej pracy zaprezentowano zmodyfikowaną metodę prognozowania niezawodności urządzeń elektronicznych, która bierze pod uwagę ograniczoną liczbę danych testowych o uszkodzeniach. Ilościową charakterystykę głównych czynników niepewności modelu stworzono na podstawie wskaźnika zdolności procesu (Cpk). W pierwszej części pracy badano stopień dopasowania pomiędzy teoretycznym rozkładem podobieństwa uszkodzeń urządzeń elektronicznych obliczanym w oparciu o PoF przy użyciu metody symulacji Monte-Carlo a empirycznym rozkładem podobieństwa uszkodzeń urządzeń elektronicznych uzyskanym na podstawie testowych lub terenowych danych o uszkodzeniach przy użyciu metody K-S. W części drugiej, dokonano optymalizacji skorygowanego współczynnika modelu. Wreszcie, na podstawie przykładu modelu oceny termicznej wytrzymałości zmęczeniowej połączenia lutowanego oraz wybranych danych testowych o uszkodzeniach dokonano weryfikacji proponowanej metody. Wyniki prognoz uzyskane na podstawie zmodyfikowanego modelu są zgodne z wynikami testowymi. RADEK N.: Badania eksploatacyjne bijaków stalowych obrobionych elektroiskrowo; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: W artykule przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych bijaków stalowych pracujących w młynie młotkowym odpadów papierowych. Badano stopień oraz rozwój procesów zużyciowych bijaków z powłoką naniesioną elektroiskrowo i bez powłoki. Powłoki nanoszone były przy pomocy urządzenia EIL-8A, natomiast elektrodę roboczą stanowił węglik spiekany WC-Co. Ocenę własności eksploatacyjnych przeprowadzono na podstawie obserwacji mikrostruktury, pomiarów mikrotwardości, chropowatości oraz badań odporności na zużycie. Wyniki pracy ukierunkowały dalsze poszukiwania skutecznych metod podwyższenia trwałości bijaków młyna młotkowego. LI R., KANG R., HUANG N., CHEN W., CHEN Y.: Praktyczne podejście do oceny niezawodności aplikacji sieciowych; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Wiele różnych aplikacji może być obsługiwanych przez tę samą sieć. Wymagania użytkowników i kryteria uszkodzeń mogą być odmienne dla różnych aplikacji. Ocena sieci winna być przeprowadzana z punktu widzenia aplikacji. W niniejszym artykule, zaproponowano metodologię oceny niezawodności aplikacji sieciowych opartą na indeksach warstwowych (layered indices). Pierwszym krokiem w omawianej metodzie jest osobne obliczenie niezawodności poszczególnych aplikacji w sieci. Następnie ocenia się niezawodność sieci biorąc pod uwagę związki pomiędzy różnymi aplikacjami. Jako swój wkład niniejszy artykuł (1) przedstawia naukową i praktyczną metodę oceny niezawodności aplikacji sieciowych; (2) tworzy hierarchiczną strukturę do oceny niezawodności aplikacji sieciowych; (3) proponuje i analizuje cztery kluczowe technologie doboru komponentów, upraszczania sieci, modelowania profilu aplikacji oraz oceny niezawodności aplikacji; (4) ilustruje proponowany proces oceny na przykładzie sieci komputerowej. STACHOWIAK A., ZWIERZYCKI W.: Weryfikacja modelu obliczeniowego dla zużywania korozyjno-mechanicznego; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: W pierwszej części artykułu przedstawiono koncepcję modelowania procesu zużywania korozyjno-mechanicznego elementów węzła ślizgowego typu pin-on-disc. Model ten stanowi autorską syntezę rozwiązań cząstkowych uzyskanych przez innych badaczy. Celem syntezy było opracowanie skutecznego narzędzia do prognozowania skutków zużywania korozyjnomechanicznego. Model zakłada, że mechanizmami determinującymi zużywanie są niskocyklowe zmęczenie deformowanych (w strefie styku) przypowierzchniowych warstw materiału oraz korozja równomierna świeżo odsłoniętej powierzchni. W drugiej części artykułu przedstawiono wyniki badań zużycia korozyjno-mechanicznego stali AISI 430 i AISI 321 w roztworze 0,5M H 2 SO 4. Eksperymenty wykonano z wykorzystaniem specjalistycznego stanowiska z węzłem modelowym typu pin-on-disc. Stanowisko zaprojektowano i wykonano w Instytucie Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki Poznańskiej. W artykule zaprezentowano cząstkowe wyniki badań. Wybrane rezultaty umożliwiają identyfikację zależności między czynnikami wymuszającymi i szybkością zużywania korozyjno-mechanicznego. Dodatkowo wyniki badań posłużyły do weryfikacji metody badawczej oraz modelu obliczeniowego. WANG Z., HUANG H-Z., DU X.: Projektowanie niezawodnościowe z wykorzystaniem kilku strategii utrzymania; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Tradycyjna optymalizacja projektowania niezawodnościowego (RBDO) minimalizuje funkcję celu opisującą koszty w zależności od ograniczeń niezawodności. Ograniczenia niezawodności oparte są na modelach fizycznych, takich jak symulacja z wykorzystaniem metody elementów skończonych, których używa się do określania stanu komponentu lub systemu. Stąd niezawodność oznacza tu tzw. niezawodność fizyczną. Ograniczenia niezawodności są zazwyczaj statyczne i nie wyjaśniają problemów związanych z cyklem życia produktu. W niniejszej pracy zaproponowano kilka modeli optymalizacji projektowania niezawodnościowego wykorzystujących kilka strategii utrzymania. Koszt cyklu życia produktu w omawianych modelach został zminimalizowany przy jednoczesnym spełnieniu wymogów niezawodności i dostępności podczas cyklu życia produktu. Do obliczenia czasowo zależnej niezawodności wykorzystano metodę analizy niezawodności pierwszego rzędu (FORM). Możliwość praktycznego wykorzystania proponowanych modeli zilustrowano przykładem. CHŁOPEK Z., JAKUBOWSKI A.: Badania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego pojazdu samochodowego; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: W pracy przedstawiono problem emisji cząstek stałych, związanej z ruchem pojazdów samochodowych. Zwrócono uwagę na szczególne zagrożenie przez pyły emitowane z par trybologicznych pojazdu, przede wszystkim z układu hamulcowego. W celu zbadania zjawiska emisji cząstek stałych z układu hamulcowego opracowano i wykonano specjalne stanowisko badawcze, umożliwiające pomiar emisji cząstek stałych dla różnych warunków pracy par trybologicznych. Opracowano układ do zmniejszania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego w postaci specjalnej ssawki, umieszczonej za zaciskiem tarczy hamulcowej. W wyniku przeprowadzonych badań wstępnych stwierdzono możliwość zmniejszenia emisji cząstek stałych z układu hamulcowego nawet więcej niż o 70% dzięki zastosowaniu opracowanego układu. ZENG S., SUN B., TONG C.: A modified model of electronic device reliability prediction; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: 4-9. There exist uncertainties in the prediction of electronic device reliability based on PoF (physics of failure) model. Based on the combination of Kolmogorov-Smirnov test (KS-test) and Monte-Carlo simulation method, this paper presents a modified method for reliability prediction of electronic devices considering limited test failure data. The process capability index (Cpk) is used to quantitatively characterize the main factors of model uncertainties. Firstly the degree of fitting between the theoretical probability distribution of electronic device failures based on PoF by using the Monte-Carlo simulation method and the practical probability distribution of electronic device failures based on test or field failure data is tested by using K-S test method. Secondly the corrected coefficient of the model is optimized. Finally, a solder thermal fatigue life assessment model and some test failure data are used to verify the proposed method in the illustrative example. The prediction results calculated by modified model are consistent with test results. RADEK N.: Determining the operational properties of steel beaters after electrospark deposition; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: The tests were conducted to analyze the operational properties of steel beaters used in a hammer mill for waste paper recycling. The degree of wear and the development of wear processes were studied for specimens with and without electrospark deposited coatings. The coatings were produced using an EIL-8A; the working electrode was WC-Co sintered carbide. The operational properties of the specimens were assessed by analyzing their micostructure, microhardness, roughness and wear resistance. The results show that more effective methods are required to increase the durability of beaters for hammer mills. LI R., KANG R., HUANG N., CHEN W., CHEN Y.: A practical approach for network application reliability assessment; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Many different applications may be handled by the same network. For different applications, the user requirements and failure criterions may be different. The network reliability assessment needs to be conducted from the application point of view. In this paper, a methodology for network application reliability assessment based on layered indices is proposed. Firstly, the individual application reliability is calculated for each application on the network. Then the network reliability is evaluated considering the relationships among different applications. The contributions of this paper are: (1) a scientific and practical network application reliability assessment method is proposed based on network applications; (2) a hierarchical structure for network application reliability assessment is constructed; (3) four key technologies, component selection, network simplification, application profile modeling, and application reliability assessment, are proposed and analyzed; (4) a computer network is used to illustrate the proposed assessment process. STACHOWIAK A., ZWIERZYCKI W.: Verification of computational model for corrosive and mechanical wear; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: The first part of the paper presents a corrosive and mechanical wear process of sliding pair elements type pin-on-disc. This model is the author s synthesis of partial solutions obtained by other research workers. The aim of the synthesis was to elaborate an effective instrument for forecasting the effects of the corrosive and mechanical wear. The model assumes that the mechanisms determining the wear is low-cycle fatigue of deformed (in the contact zone) nearsurface material layers and uniform corrosion of a newly exposed surface. The second part of the paper presents tests results of corrosive and mechanical wear of steel AISI 430 and AISI 321 in solution of 0.5M H 2 SO 4. The experiments were performed with the use of a technical stand with a model pair type pin-on-disc. The stand was designed and executed in Institute of Machines and Motor Vehicles of Poznań University of Technology. The paper presents partial tests results. The selected results enable to identify the dependence between forcing factors and corrosive and mechanical wear speed. Moreover, the tests results were also used for the verification of the applied test method and computational model. WANG Z., HUANG H-Z., DU X.: Reliability - based design incorporating several maintenance policies; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Traditional reliability-based design optimization (RBDO) minimizes a cost-type objective function subject to reliability constraints. The reliability constraints are based on physical models, such as finite element simulation, which are used to specify the state of a component or a system. Hence the reliability is the so-called physical reliability. The reliability constraints are usually static without accounting for product lifecycle issues. In this work, several reliability-based design optimization models incorporating several maintenance policies are proposed. The product lifecycle cost is minimized while the constraints of product lifecycle reliability or availability are satisfied. The First Order Reliability Method (FORM) is employed to calculate the time dependent reliability. An engineering example is used to illustrate the proposed models. CHŁOPEK Z., JAKUBOWSKI A.: A Study of the Particulate Matter Emission from the Braking Systems of Motor Vehicles; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: This paper looks at the question of particulate matter emission in connection with motor vehicle traffic. Attention is called to the special threat posed by particulate matter emitted from a vehicle s tribological vapors, primarily as stemming from the braking system. A special test stand allowing the measurement of particulate matter emission subject to various modes of tribological vapor activity was designed and built in order to examine the phenomenon of the emission of particulate matter by braking systems. A system for decreasing the emission of particulate matter from braking systems has been developed in the form of special suction nozzles placed behind the disc brake caliper. Preliminary tests as conducted show that it is possible to decrease the emission of particulate matter from braking systems by even more than 70% thanks to the application of the developed system. 2 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

3 W SKRÓCIE - ABSTRACTS YANG Z-J., LIU J-Y.: Ocena niezawodności operacji nagniatania stopu aluminium; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Na trwałość i niezawodność obrabianych komponentów i elementów wielki wpływ wywiera stan warstwy wierzchniej. Powierzchnie obrabiane w tradycyjnych procesach wytwórczych, takich jak toczenie czy frezowanie nieodłącznie charakteryzują się nierównościami i defektami w postaci śladów po narzędziach i zadrapań, które powodują rozpraszanie energii (tarcie) oraz niszczenie powierzchni (zużycie). Nagniatanie jest rodzajem obróbki bezwiórowej, która poprawia stan warstwy wierzchniej obrabianych komponentów. Chcąc propagować stosowanie tego procesu, przedstawiamy w niniejszym artykule badania teoretyczne i eksperymentalne oceny niezawodności nagniatania. Metodologię stworzono w oparciu o modelowanie probabilistyczne i wyniki eksperymentów. Przeanalizowano niezawodność dwóch procesów nagniatania (nagniatania z dociskiem sztywnym i nagniatania z dociskiem sprężystym) i dokonano ich porównania za pomocą proponowanej metodologii. SHAO Y., LI X., MECHEFSKE C. K., CHEN Z.: Prognozowanie uszkodzeń przekładni mostu napędowego z wykorzystaniem wstępnego przetwarzania sygnału drgań w połączeniu z sieciami neuronowymi typu RBF; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Przekładnia mostu pędnego stanowi kluczową część samochodowego układu przeniesienia napędu, a trafne przewidywanie uszkodzeń jest istotne dla bezpiecznego użytkowania samochodu. Jednakże precyzja przewidywania uszkodzenia przekładni jest obecnie niska ze względu na zmienne prędkości obrotowe i zmieniające się obciążenia występujące podczas używania pojazdu. W celu zredukowania zmienności drgań i zwiększenia trafności przewidywania trwałości resztkowej przekładni, w artykule zaproponowano nową metodę predykcyjną, która łączy sieć neuronową o radialnych funkcjach bazowych (RBF) i rekurencyjne przetwarzanie wstępne. Metoda rekurencyjnego przetwarzania wstępnego zmniejsza wpływ zmienności chwilowego obciążenia i prędkości na charakterystyczne parametry uzyskane z sygnałów drganiowych. Sieć neuronowa typu RBF modeluje nieliniowe charakterystyki przenoszenia napędu przez przekładnię mostu pędnego. Sieć taka charakteryzuje się zachowaniem samoadaptacyjnym i szybką zbieżnością. Wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych pokazują, że ta nowa metoda może pozwolić na udoskonalenie tradycyjnych metod predykcyjnych oraz osiąganie wysokiej precyzji w przewidywaniu uszkodzeń przekładni mostu pędnego. ZALESKI K.: Wpływ dynamicznego nagniatania rozproszonego na trwałość zmęczeniową elementów ze stopu tytanu Ti-6Al-4V; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: W pracy przedstawiono metodę kontrolowanego dynamicznego nagniatania rozproszonego, która umożliwia kontrolę ruchu narzędzi nagniatających oraz zachowanie sposobu nanoszenia odcisków na obrabianą powierzchnię charakterystycznego dla nagniatania rozproszonego. Metoda ta umożliwiła przeprowadzenie badań wpływu energii zderzenia narzędzia nagniatającego z obrabianym przedmiotem oraz liczby zderzeń przypadających na jednostkę powierzchni obrabianej, nazywanej gęstością zderzeń, na trwałość zmęczeniową próbek ze stopu tytanu Ti- 6Al-4V. Trwałość zmęczeniową badano na specjalnym stanowisku, umożliwiającym obustronne, cykliczne zginanie badanej próbki. Stwierdzono, że w przyjętym zakresie badanych parametrów energia zderzenia w większym stopniu wpływa na trwałość zmęczeniową niż gęstość zderzeń. Z porównania trwałości zmęczeniowej próbek nagniatanych i szlifowanych wynika, że obróbka nagniataniem dynamicznym powoduje kilkakrotny wzrost trwałości zmęczeniowej próbek ze stopu Ti-6Al-4V. Badania doświadczalne wykazały, że obróbka kulkowaniem wibracyjnym umożliwia uzyskanie podobnego wzrostu trwałości zmęczeniowej jak po kontrolowanym dynamicznym nagniataniu rozproszonym. ZHOU Y., MA L., MATHEW J., SUN Y., WOLFF R.: Prognozowanie trwałości środków technicznych z wykorzystaniem wielu wskaźników degradacji i zdarzeń awaryjnych w ujęciu modelu ciągłej przestrzeni stanów; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Prognozowanie trwałości środków z wykorzystaniem wskaźników degradacji wiąże się z dwoma zagadnieniami praktycznymi: (1) identyfikacją progów niepewnego uszkodzenia dla wskaźników degradacji oraz (2) łączeniem licznych wskaźników degradacji ortzymanych na podstawie danych z monitorowania stanu. Model degradacji w przestrzeni stanów stanowi efektywne podejście do tych dwóch zagadnień. Aby uniknąć konieczności zakładania dyskretnego czasu i dyskretnych stanów, w niniejszej pracy zaproponowano model przestrzeni stanów oparty na procesie Gamma. Proces Gamma charakteryzuje własność monotoniczna rosnącą, która odpowiada nieodwracalnym procesom degradacji środków technicznych w trakcie jednego cyklu serwisowego. Własność monotoniczna rosnąca ułatwia również ustalenie funkcji prawdopodobieństwa, gdy brane są pod uwagę czasy uszkodzeń. W artykule sformułowano algorytmy estymacji parametrów oraz prognozowania czasu życia dla modelu przestrzeni stanów opartego na procesie Gamma. Dodatkowo określono metodę oceny efektywności wskaźników w modelowaniu degradacji. Proponowany model przestrzeni stanów oparty na procesie Gamma oraz jego algorytmy weryfikowano przy użyciu danych symulacyjnych oraz danych terenowych pozyskanych z przedsiębiorstwa zajmującego się ciekłym gazem ziemnym. MARCZUK A.: Komputerowy system optymalizacji transportu owoców miękkich w sieci rozproszonego skupu; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: W opracowaniu przedstawiono system optymalizacji pracy środków transportu przemieszczających świeże owoce malin z punktów skupu do chłodni. Metoda została wykorzystywana do planowania tras przejazdów środków transportu zgodnie z określonym kryterium celu, którym może być np. minimalizacja kosztów, czasu, czy nakładów energetycznych. W prezentowanym systemie uznano, że minimalizowana będzie długość tras przejazdu środków transportu biorących udział w realizacji zadania przewozowego. Przyjęcie takiej funkcji celu prowadzi w praktyce również do minimalizacji kosztów, czasu, oraz nakładów energetycznych. Mniej przejechanych kilometrów to mniej zużytego paliwa i innych materiałów eksploatacyjnych, zmniejszone zużycie techniczne pojazdów, krótszy czas pracy kierowcy a więc i obniżenie ponoszonych kosztów. Dokonując rozdziału środków transportu, na podstawie analiz symulacyjnych dla każdego dnia okresu skupu, można podjąć decyzję dotyczącą ich zakupu lub wynajmu, czyli określenia samowystarczalności transportowej przedsiębiorstwa. Efekty działania programu wykazały, że zastosowanie proponowanego systemu w analizowanym roku skróciłoby łączną długość drogi przebytej przez samochody ciężarowe uczestniczące w kampanii skupu malin dla chłodni o 9%. Poprawa efektywności pracy pojazdów przekłada się na wymierne kwoty, które obniżają koszty wytworzenia produktu i zwiększają jego konkurencyjność na rynku. YANG Z-J., LIU J-Y.: Reliability assessment of burnishing operation of aluminum alloy; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: The life and reliability of machined components or elements are affected greatly by the surface integrity. Machined surfaces by conventional manufacturing processes such as turning and milling have inherent irregularities and defects like tool marks and scratches that cause energy dissipation (friction) and surface damage (wear). Burnishing is a kind of chip-less processing which improves the surface integrity of machined components. To promote the application of this process, reliability assessment of burnishing is investigated theoretically and experimentally in this paper. The methodology was developed based on probabilistic modeling and experimental results. The reliabilities of two burnishing processes (rigid burnishing and elastic burnishing) are analyzed and compared with the methodology proposed. SHAO Y., LI X., MECHEFSKE C. K., CHEN Z.: Rear axle gear damage prediction using vibration signal preprocessing coupled with RBF neural networks; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: The rear axle gear is a key part of the automobile transmission system and accurate damage prediction is important for car safety. However, the precision of gear damage prediction is currently low because of the varying rotating speeds and the changing loads when a truck is in use. In order to reduce the fluctuation of vibrations and enhance the predicting accuracy of gear residual life, a new predictive method, which combines the Radial Basis Function (RBF) neural network with recursive preprocessing is proposed in this paper. The recursive preprocessing method reduces the effects of instantaneous load and speed fluctuations on the characteristic parameters extracted from vibration signals. The RBF neural network models the non-linear characteristics of the rear axle gear transmission. The RBF neural network is characterized by its self-adaptive behavior and its rapid convergence. The simulated and experimental results have shown that this new method can enhance traditional prediction methods and obtain high precision for the damage prediction of rear axle gears. ZALESKI K.: The effect of shot peening on the fatigue life of parts made of titanium alloy Ti-6Al-4V; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: The study presents a method of controlled random shot peening which enables control of the movement of peening tools and preserves the manner of impacting the machined surface that is characteristic of shot peening. This method has made it possible to conduct studies of the influence of the energy with which the peening tool impacts the target workpiece and the number of impacts per unit of machined area, called impact density, on the fatigue life of specimens of titanium alloy Ti-6Al-4V. Fatigue life was examined on a special stand enabling symmetrical (double-sided) cyclic bending of the tested specimen. It was observed that within the adopted range of the tested parameters, impact energy affected fatigue life to a greater degree than did impact density. A comparison of fatigue life of shot peened and of polished specimens showed that shot peening caused a several-times increase in the fatigue life of specimens of titanium alloy Ti-6Al-4V. Experimental studies showed that vibratory ball peening allowed obtaining a similar increase in fatigue life as the one obtained for controlled shot peening. ZHOU Y., MA L., MATHEW J., SUN Y., WOLFF R.: Asset life prediction using multiple degradation indicators and failure events: a continuous state space model approach; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: Two practical issues are involved in asset life prediction using degradation indicators: (1) identifying uncertain failure thresholds of degradation indicators and (2) fusing multiple degradation indicators extracted from condition monitoring data. The state space degradation model provides an effective approach to address these two issues. However, existing research on the state space degradation model largely adopts a discrete time or states assumption which requires equal inspection intervals or discretising continuous degradation indicators. To remove the discrete time and states assumptions, this paper proposes a Gamma-based state space model. The Gamma process has a monotonic increasing property that is consistent with the irreversible degradation processes of engineering assets within a single maintenance cycle. The monotonic increasing property also makes the establishment of the likelihood function more straightforward when failure times are considered. In this paper, parameter estimation and lifetime prediction algorithms for the Gamma-based state space model are developed. In addition, an effectiveness evaluation approach for indicators in degradation modelling is established. The proposed Gamma-based state space model and algorithms are validated using both simulated data and a field dataset from a liquefied natural gas company. MARCZUK A.: A computer system for optimisation of soft fruit transportation in diffused purchasing networks; Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009; 4: This elaboration presents a system for work optimisation of transportation means delivering fresh raspberries from collection points to cold stores. The method was applied to plan transportation means delivery routes according to a specified target criterion, which may be e.g. minimisation of costs, time, or energy consumption. It was assumed in the presented system that the length of delivery routes will be minimised for the transportation means participating in accomplishing of the delivery task. Adopting such a target function leads in practice also to minimisation of costs, time, and energy consumption. A lower number of kilometres driven means less consumed fuel and other operating materials, decreased technical wear of vehicles, shorter drivers work time, and thus also a decrease of the costs spent. Dividing transportation means, on the basis of simulation analysis for each day of purchasing period, a decision can be made to buy or rent them, i.e. to specify transportation self-sufficiency of an enterprise. The effects of the program work have shown that the application of the suggested system in the analysed year would shorten the total length of the distance covered by trucks participating in the raspberry purchasing campaign for the cold stores by 9%. Improvement of vehicle work efficiency renders measurable amounts, which decrease the product manufacturing costs and increase its marketing competitiveness. MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/2009 3

4 NAUKA I TECHNIKA Shengkui ZENG Bo SUN Chuan TONG ZMODYFIKOWANY MODEL PROGNOZOWANIA NIEZAWODNOŚCI URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH A MODIFIED MODEL OF ELECTRONIC DEVICE RELIABILITY PREDICTION Prognozowanie niezawodności urządzeń elektronicznych oparte na modelu fi zyki uszkodzeń (PoF) jest obarczone niepewnościami. Opierając się na połączeniu testu Kołmogorowa-Smirnowa (testu K-S) i metody symulacji Monte Carlo, w niniejszej pracy zaprezentowano zmodyfi kowaną metodę prognozowania niezawodności urządzeń elektronicznych, która bierze pod uwagę ograniczoną liczbę danych testowych o uszkodzeniach. Ilościową charakterystykę głównych czynników niepewności modelu stworzono na podstawie wskaźnika zdolności procesu (Cpk). W pierwszej części pracy badano stopień dopasowania pomiędzy teoretycznym rozkładem podobieństwa uszkodzeń urządzeń elektronicznych obliczanym w oparciu o PoF przy użyciu metody symulacji Monte-Carlo a empirycznym rozkładem podobieństwa uszkodzeń urządzeń elektronicznych uzyskanym na podstawie testowych lub terenowych danych o uszkodzeniach przy użyciu metody K-S. W części drugiej, dokonano optymalizacji skorygowanego współczynnika modelu. Wreszcie, na podstawie przykładu modelu oceny termicznej wytrzymałości zmęczeniowej połączenia lutowanego oraz wybranych danych testowych o uszkodzeniach dokonano weryfi kacji proponowanej metody. Wyniki prognoz uzyskane na podstawie zmodyfi kowanego modelu są zgodne z wynikami testowymi. Słowa kluczowe: prognozowanie niezawodności, modyfi kacja modelu, fi zyka uszkodzeń, urządzenie elektroniczne, test K-S, testy cenzurowania losowego. There exist uncertainties in the prediction of electronic device reliability based on PoF (physics of failure) model. Based on the combination of Kolmogorov-Smirnov test (KS-test) and Monte-Carlo simulation method, this paper presents a modifi ed method for reliability prediction of electronic devices considering limited test failure data. The process capability index (Cpk) is used to quantitatively characterize the main factors of model uncertainties. Firstly the degree of fi tting between the theoretical probability distribution of electronic device failures based on PoF by using the Monte- Carlo simulation method and the practical probability distribution of electronic device failures based on test or fi eld failure data is tested by using K-S test method. Secondly the corrected coeffi cient of the model is optimized. Finally, a solder thermal fatigue life assessment model and some test failure data are used to verify the proposed method in the illustrative example. The prediction results calculated by modifi ed model are consistent with test results. Keywords: reliability prediction, model modifi cation, physics of failure, electronic device, K-S test, random censored tests. 1. Introduction The reliability prediction of electronic device based on U.S. military standards MIL-HDBK-217F has been widely used in practice [4, 6]. However, there are some disadvantages of this method, e.g., the delayed update of model parameters, product failures due to the neglect of non-components failures, and the design misleading due to imprecise prediction. Moreover it has been under increasing doubt recently [11, 13]. As a result, the update of MIL-HDBK-217F was terminated in 1995, and MIL -HDBK-217F was eliminated from supplier contracts by the Army in February 1996, which marked the end of a time for MIL-HDBK-217F in reliability prediction. The fade of MIL-HDBK-217F provided the impetus to the rising of physics of failure. This approach can be applied in various reliability fields, i.e., electronic device reliability design, analysis, test, assessment and failure prediction [5, 12]. Failure physics models of electronic components are the basis of reliability prediction methods based on physics of failure and various failure physics models have been developed with the development of microelectronic technology. These models can describe quantitatively fa- 4 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

5 SCIENCE AND TECHNOLOGY ilure physics process of electronic components, i.e., mechanical, electronical, thermodynamic and chemical process. However, due to the limitation of human cognitive ability and the complexity of objective world, it is difficult to build a perfect model to accurately describe the failure process of electronic components. Moreover some improper assumptions are used for facilitating the calculation in the modeling of PoF. Therefore some subjective coefficients or modified parameters are considered in the PoF model. These coefficients have great impact on the accuracy of prediction and must be determined before using the PoF model to predict reliability of electronic devices. Generally speaking, a recommendable value interval or mean value can be determined through the comparison between mean value of experimental results and mean value of model prediction. However, due to sample disparity, the prediction of the model with the coefficients determined by mean comparison is far away with the practical results. Furthermore, not all the technological parameters of various electronic components can be obtained through the measurement in engineering practice. Some technological parameters are difficult to be measured in some extreme situations. Therefore it demands that group characteristics should be considered in the determination of model empirical coefficients. The modification and optimization of these parameters are essential and critical to obtain precise reliability prediction by using PoF model. This paper presents a modified method of PoF model with limited test failure data to deal with the above-mentioned problems. Based on the source analysis of PoF model uncertainty, the proposed method combines Kolmogorov-Smirnov test (KStest) and Monte-Carlo simulation techniques. In the numerical example, a solder thermal fatigue life assessment model and some failure data obtained in solder accelerated life testing of Plastic Ball Grid Array (PBGA) are utilized for case study and method verification. The modified method proposed in this paper is a general method and can be extended to PoF model parameters modification and optimization of other electronic components. 2. Model uncertainty and product process capability Common source of model uncertainty comprises two categories: cognitive uncertainty and product uncertainty. Firstly, failure of electronic products is a complex process and involves multi-discipline, e.g., mechanics, thermodynamics, electrics and chemistry. Due to the limitation of human cognitive ability, firstly it is impossible to obtain precise physics model to describe product failure mechanism quantitatively. Secondly, due to different process conditions, there exist different process parameters of electronic products, e.g., geometric dimensions and material properties, inherent uncertainties. Even though process condition can Failure date in test (censored random samples ) Survival ratio method Or Mean rank order Practical distribution based on test F n (t) Kolmogorov-Smirnov test Optimization of Correctional parameter F Geometric dimensions and material properties of samples Random values of Geometric parameters Monte-Carlo simulation Theoretical distribution based on model F(t) Optimal value? be the same, process parameter of a product may have some certain disparity. These uncertainties can lead to deflection of prediction, even unreasonable results. To guarantee a reasonable prediction in practice, it is necessary to properly modify and optimize PoF model to reflect product failure mechanism. In the production process of electronic products, some assessment methods can be used to manage quality and reliability of electronic components, e.g., process capability index assessment, statistical process control (SPC), Parts per Million (PPM). Process capability index, represented as C pk, reflects practical Process capability of electronic components and describe quantitatively the uncertainty of product process parameters. It can be calculated by [14]: where USL and LSL are the upper bound and the lower bound of product process parameter criterion, respectively. σ is the standard deviation and μ is the mean of process parameter distribution. The larger C pk, the higher process capability, which reflects the uniformity of products. Generally speaking, when C pk = 2, it corresponds to 6σ of process level. Based on the PoF model, the uncertainty of products is the chief factor. Therefore in the following section, C pk is used to represent the uncertainty of product process parameters. 3. Model modification Fig. 1. The process of model modification method Accounting for the above model uncertainty, a new model based on the modification method is presented in this paper. The main process is shown in Fig. 1. Generally, based on empirical knowledge of failure mechanism, firstly failure physics models, describing failure process of electronic products quantitatively, can be obtained. Secondly theoretical distribution function of failure is determined according to corresponding failure physics model. Meanwhile, the practical probability distribution of electronic device failures can be evaluated based on test or field failure data of a product. Due to model uncertainty, No F i Yes Process capability index (Cpk) PoF PoF PoF model 模 型 initial value of correctional parameter F 0 Obtain optimal value F* PoF model 修 正 后 after 的 PoF correction 模 型 PoF (1) practical probability distribution and theoretical distribution function can not be always consistent. Therefore a reasonable approach is to find an optimized modified parameter so as to make two distributions as similar as possible. In this paper, the Kolmogorov- Smirnov test (KS-test) is used to optimize the model and obtain modified parameters. The modified method will be illustrated in detail in the following sub-sections. MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/2009 5

6 NAUKA I TECHNIKA 3.1. Theoretical distribution based on model F(t) Theoretical distribution function is the probability cumulative function of product failure. Determined by product failure mechanism beforehand, it can be determined by the following steps: (1) According to the mean assessment of product geometric dimension and material properties, determine the initial value of modified parameter F 0 in the given PoF model. (2) Obtain the random values of product geometric dimension and material properties through random samples, e.g., normal distribution. Calculate random values of product life through Monte-Carlo simulation according to the predefined PoF model and F 0. (3) Determine theoretical distribution function F(t) according to the random values of product life. (4) Different theoretical distribution functions can be obtained according to different modified parameters. The optimum modified parameter corresponds to the most desirable theoretical distribution function. In this case, the degree of fitting between theoretical distribution function and practical distribution function will match best Practical distribution based on test F n (t) Reliability test for electronic product in practice usually uses censored random model, which has some deleted samples. These deleted samples can be the lost data for some reasons in the product process, or some data which are not product life data are inserted. When the total number of samples is very large, e.g., n 20, practical distribution function F n (t) and reliability function R(t) can be calculated by survival ratio method [1]. Specifically, a practical distribution function at t i is given as follows: where S(t i ) is survival probability of the product in (t i-1,t i ). S(t i ) is a conditional probability and represents probability that the product functioning properly at t i-1 can continue to work at t i. It can be calculated by (2) H: theoretical distribution function F(t) = practical distribution function F n (t), K-S test has group characteristic. Considering the difference D n between theoretical distribution and practical distribution in each point, the larger D n is used to determine whether the hypothesis can be validated. Test statistic can be constructed by using censored random samples: where t 0 is the censored time of the test. Further, denote by R c = nf(t 0 ) censored point, which is the theoretical failure number at censored time t 0. The criterion is where α is the significance level and T n,α is critical value needed to be tested. T n,α can be obtained by T n,α = k/n, where k can be obtained by checking Reliability Test Table [2] according to R c and α. If test statistic T 0 satisfies T 0 < T n,α, the original hypothesis can be accepted, which means theoretical distribution and practical distribution are consistent. 4. Numerical example Surface Mount Technology (SMT) has been widely applied in modern electronic products. Modified Coffin-Manson model can be used to evaluate thermal fatigue life of solder joints in Ball Grid Array (BGA). Generally speaking, failure physic models have some degree of similarities. Without loss of generality, 54-pin device of Plastic Ball Grid Array (PBGA) is chosen to validate the proposed modified method Test samples and preparation before the test 4 PCBs (Printed Circuit Boards) and 15 PBGA devices are prepared before the test. Solder of the 15 PBGA devices to the PCB and set up monitoring circuit of test samples are shown in Fig. 2. There are two monitoring circuits in each device and there are 30 monitoring circuits in total. Geometric dimensions and material properties of PCB and PBGA devices are shown in Table 1. (5) (6) (3) where n s (t i-1 ) is the number of samples which operate properly at t i-1. Δr(t i ) is the number of samples failed in (t i-1,t i ). n s (t i ) can be obtained by Monitoring Circuit 1 where n is the total number of samples and Δk(t j ) is the number of deleted samples in (t i-1,t i ) K-S test of censored random samples The Kolmogorov-Smirnov test (KS-test) is used to determine whether two data sets differ significantly [1, 7]. The KS-test has the advantage that no basic assumption is necessary about the distribution of data. Therefore, K-S test between theoretical distribution and practical distribution can be undergone with limited failure data. The original hypothesis is as follows. (4) Bridge PCB Fig. 2 Monitoring circuit with bridge Monitoring Circuit 2 6 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

7 SCIENCE AND TECHNOLOGY Tab. 1. Geometric dimensions and material properties of PCB and PBGA devices [3] Parameters Array dimension Pitch (mm) Diameter of solder ball (mm) Height of Collapse solder ball (mm) Mean value 54 balls Upper and lower limits (6 9) ±0.04 ±0.05 ±0.06 Parameters Package Size (mm) Package thickness (mm) PCB marital and thermal expansion parameters (ppm/ºc) thermal expansion parameters of Si (ppm/ºc) Mean value FR4/ Upper and lower limits ± Test condition and results Temperature stress is the main environment stress which affects fatigue failure of PCB. In the test, high-low temperature cycle box is used to simulate the changing of environment stress. The typical temperature stress profile is shown in Fig. 3. In Fig. 3, The temperature cycle is 60 minutes, including 15 minutes resident in high temperature (125ºC) and 15 minutes resident in low temperature ( 40ºC). In the test, 4 PCBs are placed at the box and the function of circuits is in real time monitoring. In 1500 temperature cycles, there were 26 monitoring circuits failed, including 4 circuits which were confirmed as bridge failures and were deleted. The numbers of temperature cycles before failures in 30 monitoring circuits are shown in Table Fatigue life assessment model On the basis of simplification and assumption, Engelmaier model, called as corrected Coffin-Manson model, is used to evaluate thermal fatigue life of electronic devices. Thermal fatigue life can be represented by the numbers of temperature cycles before failures caused by thermal fatigue fracture of solder joint. The following model is applicable to all types of BGA solder joints [8, 9]. (7) where N f is thermal fatigue life (the numbers of temperature cycles before failures). ε f is a Material constant and ε f = for eutectic solder materials, e.g., 63Sn37Pb. L D is the effective length of the device and is half of external diagonal. h is the height of solder joint. α c and α s are the linear thermal expansion coefficients of devices and PCB, respectively. ΔT c and ΔT s are temperature cycle amplitudes of devices and PCB, respectively. T sj is the mean value of cycle temperature and T sj = (T max +T min )/2. t D is the residence time in high temperature. F is empirical correction coefficient of the model and recommended values range from (0.5~1.5) [9] Model modification and results Simulation is conducted in MatLab according to the above modified method and process. Geometric dimensions and material properties of PCB and PBGA devices are shown in Table 1. Due to the process level of samples in the test, let C pk = 0.33 and a set of random values of geometric technical parameters are obtained in each sampling. Each value of modified parameter F corresponds to a group of random life. Repeat this process and theoretical distribution based on model F(t) can be obtained. In the test, let censored random time of the test 1500 cycles and n = 30, according to steps discussed in section 3.1, F(t 0 ) and R c = nf(t 0 ) are obtained. Let significance level α = 0.05, and the T n,α corresponding to each correctional parameter F is obtained. Compare test statistic T 0 with critical value T n,α, the correctional parameter which makes T 0 the smallest and T 0 < T n,α at the same time is determined. T( ) Heating and cooling time 15 minutes Resident time 15 minutes Resident time 15 minutes T (min) Fig.3 The typical temperature stress profile in the test MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/2009 7

8 NAUKA I TECHNIKA Table 2. Failure data of PBGA in the test [3] Circuit Number The number of cycles before failures Circuit Number The number of cycles before failures Circuit Number The number of cycles before failures NF** BD* BD* BD* NF** BD* NF** NF** BD*: Bridge Defect NF**: No Failure Modification results of the model According to the above simulation and K-S test, the optimized modified parameter corresponding to the case is calculated and F* = 0.76 shown in Fig. 4. From the view of this point, the difference of theoretical distribution function (deep dotted line shown in Fig. 4) and practical distribution function (Solid line shown in Fig. 4) is the smallest and the K-S test is accepted (H = 0). In Fig.4, the distribution functions (shown in light dotted line) when F = 0.7 and F = 0.8 are given. It can be seen that the difference between two distribution functions is very large and the K-S hypothesis is rejected (H=1) Modification results comparison In practice, mean comparison method is often used to determine modified parameter, i.e., compare the mean value of test results of samples in accelerated life test with the prediction value of the model, and determine modified parameter. In the numerical example, using mean comparison method, modified parameter F avg = In [10], the recommended modified parameter of PBGA device F calce = In Fig. 5, Cumulative failure probability distribution curves corresponding to three correctional parameters are given. From Fig. 5, the K-S test with F avg and F calce can not be accepted (H=1). However, the K-S test with the correctional parameter F* = 0.76 using the proposed method is accepted (H=0), which means that the prediction using the model with F* has smaller difference with the practical result. In addition, the PBGA samples used in [10] are the solder joint in the form of full area array, which is different with the samples used in this paper. It is one of the reasons causing difference of modified parameters. According to the practical use in the project, the samples in the form of non-full area array are chosen for study. 5. Conclusion In this paper, according to the failure data in accelerated life test, PBGA solder thermal fatigue life assessment model is optimized and modified using the proposed modified method. From the result of the numerical example, the conclusions are given as follows: 1) After discrete process of parameters, the PoF model can be used to predict/assess reliability and obtain the confidence interval. However, the determination of modified parameter is critical for reliability prediction accuracy. The mean comparison method based on correctional parameter can not obtain precise prediction due to product uncertainty. 2) K-S test has group characteristic. In this paper, combining KS-test and Monte-Carlo simulation, a modified method of electronic device reliability prediction model with limited test failure data is presented. The prediction result has smaller difference with test result and this method can be applied into practical use caused by more accurate reliability prediction or assessment. Cumulative distribution function Cumulative distribution function Practical distribution Theoretical distribution Practical distribution Theoretical distribution Fig. 4 Modification results of the model Life (cycles) Life (cycles) Fig.5. Comparison of modification results in different methods 8 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

9 SCIENCE AND TECHNOLOGY 3) The modified parameter using the proposed method can be used to predict reliability of other products of the same type in design phase, as well as assessing reliability and predicting failure in test phase and using phase. 4) When assessing reliability or predicting failures, the proposed method uses group data and can be applied in practical use, no matter how much the influence of product uncertainty. ********** This research was partially supported by the National Basic Research Program of China under contract number ********** 6. References Barr D R, Davidson T, Kolmogorov A. Test for Censored Samples. Technometrics 1973; 15: China Electronics Standardization Institute. Table for reliability test. Beijing National Defense Industry Press Chuan T. Research on reliability prediction for electronic products based on physics of failure. Dept. of System Engineering of Engineering Technology, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing. China Denson W. The History of Reliability Prediction. IEEE Transactions on Reliability 1998; 47(3): Ebel G H. Reliability Physics in Electronics: A Historical Review [J]. IEEE Transactions on Reliability 1998; 47(3): Foucher B, Boullie J, Meslet B, Das D. A Review of Reliability Prediction Methods for Electronic Devices. Microelectronics Reliability 2002; 42(8): Guofang H. Reliability Data Collection and Analysis. Beijing National Defense Industry Press Lee W W, Nguyen L T, Selvaduray G S. Solder Joint Fatigue Models: Review and Applicability to Chip Scale Packages. Microelectronics Reliability 2000; 40(2): Milton Ohring, Reliability and Failure of Electronic Materials and Devices. Academic Press, San Diego Osterman, Qi H Y. Explanation of the 1st Order Thermal Fatigue Model for Solder Interconnects in Area Array Packages. CalcePWA Software Documentation Pecht M. Why the Traditional Reliability Prediction Models Do not Work- Is there An Alternative. Electronics Cooling 1996, 2: Pecht M, Dasgupta A, Barker D, Leonard C T. The Reliability Physics Approach to Failure Prediction Modeling. Quality and Reliability Engineering International 1990; 6(4): Pecht M, Shukla A A, Kelkar N, Pecht J. Criteria for the Assessment of Reliability Models. IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology part B: Advance packaging 1997; 20(3): Xinzhang J. Statistical process control and assessment. Beijing Publishing House of Electronics Industry Prof. Shengkui ZENG Bo SUN, Ph.D. Institute of Reliability Engineering Beijing University of Aeronautics and Astronautics No. 37 XueYuan Rd., HaiDian Dist., Beijing , China zengshengkui@buaa.edu.cn Chuan TONG Motorola Corp. (China), Motorola Park, No. 1, Wangjing East Road, Beijing, , China MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/2009 9

10 Norbert RADEK BADANIA EKSPLOATACYJNE BIJAKÓW STALOWYCH OBROBIONYCH ELEKTROISKROWO DETERMINING THE OPERATIONAL PROPERTIES OF STEEL BEATERS AFTER ELECTROSPARK DEPOSITION W artykule przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych bijaków stalowych pracujących w młynie młotkowym odpadów papierowych. Badano stopień oraz rozwój procesów zużyciowych bijaków z powłoką naniesioną elektroiskrowo i bez powłoki. Powłoki nanoszone były przy pomocy urządzenia EIL-8A, natomiast elektrodę roboczą stanowił węglik spiekany WC-Co. Ocenę własności eksploatacyjnych przeprowadzono na podstawie obserwacji mikrostruktury, pomiarów mikrotwardości, chropowatości oraz badań odporności na zużycie. Wyniki pracy ukierunkowały dalsze poszukiwania skutecznych metod podwyższenia trwałości bijaków młyna młotkowego. Słowa kluczowe: obróbka elektroiskrowa, bijak stalowy, powłoka. The tests were conducted to analyze the operational properties of steel beaters used in a hammer mill for waste paper recycling. The degree of wear and the development of wear processes were studied for specimens with and without electrospark deposited coatings. The coatings were produced using an EIL-8A; the working electrode was WC-Co sintered carbide. The operational properties of the specimens were assessed by analyzing their micostructure, microhardness, roughness and wear resistance. The results show that more effective methods are required to increase the durability of beaters for hammer mills. Keywords: electrospark alloying, steel beater, coating. 1. Wstęp Procesy tworzenia warstw wierzchnich na częściach metalowych związane są najczęściej z transferem materii i energii oraz reakcjami: chemicznymi, elektrochemicznymi i elektrotermicznymi, które im towarzyszą. Właściwości eksploatacyjne warstw wierzchnich (EWW), zależą przede wszystkim od pierwotnej postaci technologicznej warstwy wierzchniej (TWW) i sposobu jej konstytuowania, głównie w aspekcie kumulowania energii, w obrabianym elemencie [2] (w tym także na jego powierzchni). Wykorzystując biegunowość, w obróbkach wspomaganych prądem elektrycznym można sterować ich przebiegiem, dzięki czemu mogą one mieć charakter obróbek: przyrostowej lub ubytkowej. Obróbka ubytkowa, wykorzystująca zjawisko erozji materiału obrabianego pod wpływem wyładowań elektrycznych, nosi nazwę obróbki elektroerozyjnej (EDM). W trakcie tej obróbki powstaje w obrabianym przedmiocie warstwa wierzchnia, która wpływa korzystnie na jego właściwości eksploatacyjne. Obróbka elektroerozyjna przyrostowa, która w literaturze określana jest mianem obróbki elektroiskrowej (ESA), wykorzystuje zjawisko erozji materiału elektrody i wyładowań iskrowych, zachodzących między elektrodami, w efekcie czego, tworzy się technologiczna warstwa powierzchniowa o innych właściwościach niż materiał podłoża. Elektroiskrowe nanoszenie powłok, należy do grupy metod, opartych na wykorzystaniu skoncentrowanego strumienia energii. Metoda pow stała w latach czterdziestych, w ZSRR, prawie równocześnie z ubytkową obróbką elektroerozyjną. Zaczęto ją intensywnie roz wijać w latach sześćdziesiątych, a w latach siedemdziesiątych dość powszechnie używać do nanoszenia trudno topliwych mate riałów na metale i ich stopy, głównie na 1. Introduction Depositing protective layers on metal surfaces frequently involves matter and energy transfer, which is accompanied by various chemical, electrochemical and electrothermal reactions. To determine the operational properties of a surface layer, it is necessary to analyze the original, technological properties of the material, the deposition method, and, particularly, the mechanism of energy accumulation inside and outside the workpiece [2]. By controlling polarity, it is possible to remove or replace material. The process of material removal involving erosion of the stock subjected to electric discharges is called electrical discharge machining (EDM). The surface layer forming on the product improves its operational properties. The process of material growth resulting from electroerosion is known as electrospark alloying (ESA) or electrospark deposition (ESD). The erosion of the anode and the spark discharges between the electrodes result in the formation of a surface layer with properties different from those of the base material. Electro-spark alloying is one of the methods that require concentrated energy flux. The method was first used in the USSR in the 1940s almost simultaneously with the destructive electrical discharge machining. The ESA technique was studied intensively in the 60s. In the next decade, it was commonly applied to deposit hard-melting materials on selected metals and alloys, mainly steel. Polish scientists became interested in electro-spark alloying of coatings as early as in the 80s. The method developed into a number of varieties can now be used not only to produce coatings but also to modify surface microgeometry [1, 4-8]. An electro-spark deposited coating is characterized by non-etched structure. It remains white after etching. 10 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

11 SCIENCE AND TECHNOLOGY stale. W Polsce zaczęto interesować się nanoszeniem powłok elektroiskrowych na początku lat osiemdziesiątych. Współcześnie, stosowane są różne odmiany obróbki elektroiskrowej, spełniające zadania wytwarzania powłok, a także kształtowania mikrogeometrii powierzchni [1, 4-8]. Cechą charakterystyczną powłok nanoszonych elektroiskrowo jest to, że mają one specyficzną, nie trawiącą się strukturę - pozostają białe. Warstwa wierzchnia kształtowana jest w warunkach lokalnego oddziaływania wysokiej temperatury i dużych nacisków. Wartości podstawowych parametrów obróbki elektroerozyjnej są następujące [3]: - ciśnienie fali uderzeniowej od iskry elektrycznej wynosi (2 7) 10 3 GPa, - temperatura osiąga wartości rzędu (5 40) 10 3 C. W procesach technologicznych, współcześnie stosowane są różne odmiany obróbki elektroiskrowej. Warstwa wierzchnia, ukonstytuowana w rezultacie ich realizacji posiada założone cechy, zarówno w aspekcie struktury wewnętrznej, jak również struktury geometrycznej powierzchni (SGP). The surface layer is constituted at locally high temperature and high pressure. The main parameters during electro discharge machining were [3]: - the pressure of the shock wave generated by an electric discharge - (2-7)10 3 GPa, - the temperature - (5-40)10 3 C. Nowadays various electrospark alloying methods are applied in technological processes. A surface layer constituted in this way is characterized by a complex geometric structure. 2. Materiały i parametry obróbki Przedmiotem badań, były powłoki nakładane elektrodą WC-Co (97% WC i 3% Co) o przekroju 3 x 4 mm (anoda), metodą elektroiskrową, na bijaki stalowe, wykonane ze stali C45 (katoda). Skład chemiczny stali C45, przedstawiono w tabeli 1. Do nanoszenia powłok elektroiskrowych użyto urządzenie produkcji ukraińskiej, model EIL-8A. Opierając się na doświadczeniach własnych oraz zaleceniach producenta urządzenia przyjęto następujące parametry nanoszenia powłok elektroiskrowych: Tab. 1. Tab napięcie U = 230 V, - pojemność kondensatorów C = 300 μf, - natężenie prądu I = 2,2 A. Skład chemiczny stali C45 Chemical composition of C45 carbon steel Pierwiastki Elements Zawartość % Content % 2. Materials and process parameters In the experiment, the coatings were electrospark deposited on hammer faces made of carbon steel C45 - the cathode - using a WC-Co (97% WC and 3% Co) electrode with a cross-section of 3 x 4 mm - the anode. The chemical composition of C45 carbon steel is presented in Table 1. The equipment used for electrospark alloying was an EIL-8A model. Basing on the results of previous investigations as well as instructions given by the producer, the following parameters were assumed to be optimal for ESA: - voltage, U = 230 V, - capacitor volume, C = 300 μf, - current intensity, I = 2.2 A. C Mn Si P S 0,42 0,50 0,50 0,80 0,10 0,40 0,04 0,04 3. Wyniki i dyskusja 3.1. Analiza mikrostruktury Analizie mikrostruktury poddano powłoki WC-Co. Do badań mikrostruktury wykorzystano elektronowy mikroskop skaningowy Joel typ JSM Na fotografii (rys. 1a) przedstawiono przykładowy widok mikrostruktury powłoki WC-Co, stopowanej elektroiskrowo. W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono, że grubość uzyskanych warstw wyniosła od μm, natomiast zasięg strefy wpływu ciepła (SWC) w głąb materiału podłoża, ok μm. Na przedstawionej fotografii mikrostruktury, widoczna jest wyraźna granica pomiędzy powłoką, a podłożem, oraz można zaobserwować pory i mikropęknięcia. Analiza liniowa (rys. 1b) powłoki WC-Co, wykazała nierównomierny rozkład pierwiastków w tej powłoce. Można wyróżnić strefy, w których występują znaczne ilości W, Co oraz Fe. Ponadto na wykresie rozkładu liniowego powłoki WC-Co, widoczne są ślady połączenia dyfuzyjnego powłoki z podłożem. W badanej powłoce brak jest wyraźnie widocznej segregacji składników. Analizując wykres rozkładu liniowego powłoki WC-Co (rys. 1b), obserwuje się zwiększoną zawartość węgla, w ukształto- 3. Results and discussion 3.1. Microstructure analysis A microstructure analysis was conducted for WC-Co coatings using a Joel JSM-5400 scanning electron microscope. Figure 1a shows a selected view of the surface microstructure of an electrospark deposited WC-Co coating. The thickness of the surface layer was μm, whereas the heat affected zone ranged approximately μm. As can be seen from this figure, there is a clear boundary between the coating and the base material. The coating possesses pores and microcracks. The linear analysis of the WC-Co coating (Fig. 1b) shows that there is no uniform distribution of the elements. It is possible to distinguish zones with considerable amounts of W, Co, and Fe. Moreover, in the diagram of the linear distribution of the WC-Co coating, one can notice traces of a diffusive interaction between the coating and the base material. In the coating, there is no clear segregation of components. The content of carbon in the electrospark deposited WC-Co coating is higher. It is an example of up-hill diffusion, which involves carbon travelling from the base material - steel C45 - into the electrospark deposited outer layer, this being a result of a thermal interaction. MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/

12 NAUKA I TECHNIKA Rys. 1. Mikrostruktura i rozkład liniowy pierwiastków w powłoce WC-Co nałożonej elektroiskrowo Fig. 1. Microstructure and linear distribution of elements in the electrospark deposited WC-Co coating wanej obróbką elektroiskrową powłoce. Jest to przykład dyfuzji wstępującej, która polegała na przemieszczaniu się z materiału podłoża (stali 45) węgla (w wyniku oddziaływań cieplnych) do kształtowanej elektroiskrowo technologicznej warstwy powierzchniowej (TWP) Pomiary mikrogeometrii Jedną z głównych wad powłok naniesionych obróbką elektroiskrową, jest ich duża chropowatość końcowa. Dotychczas przeprowadzone badania oraz analiza literatury wykazują, że kształtowanie powierzchni zachodzi w wyniku nakładania się na siebie kraterów będących wynikiem erozji podłoża jak również grzbietów utworzonych z przemieszczających się na powierzchnię cząstek materiału powlekającego elektrody. Tak powstała powierzchnia, posiada szereg następujących cech: regularność, brak kierunkowości, duże promienie zaokrągleń wierzchołków mikronierówności. W wielu opracowaniach naukowych analizuje się wpływ parametrów procesu na chropowatość powierzchni. Sterując tymi parametrami można uzyskać zakładane zmiany mikrogeometrii powierzchni. Jest to zatem sposób na wytwarzanie powierzchni o zadanej rozwiniętej powierzchni chropowatej, zwanej relifem powierzchniowym. Pomiary chropowatości przeprowadzono w Laboratorium Pomiarów Wielkości Geometrycznych Politechniki Świętokrzyskiej, za pomocą przyrządu TALYSURF 4, przy wykorzystaniu programu SUFORM. Pomiary chropowatości powłok WC-Co, wykonano w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach. Pierwszy pomiar, był wykonany zgodnie z ruchem przemieszczania się elektrody, natomiast drugi pomiar, był prostopadły do ściegów skanujących. Z dwóch pomiarów, obliczono wartość średnią parametru Ra, dla danej powłoki. Powłoki WC-Co, posiadały chropowatość Ra = 1,55 2,07 μm. Próbki (bijaki stalowe) ze stali C45, na które nanoszono powłoki, miały chropowatość Ra = 0,42 0,58 μm. Przykładowy protokół pomiarów parametrów mikrogeometrii badanych próbek, przedstawiono na rysunku Pomiary mikrotwardości Pomiary mikrotwardości wykonano metodą Vickersa, stosując obciążenie 40 G. Odciski penetratorem wykonano na zgładach prostopadłych w trzech strefach: w powłoce (war Microgeometry measurements One of the main disadvantages of the coatings produced by electrospark alloying is high roughness of the finished surface. By reviewing the literature and analyzing the latest developments in this technology, one can notice that the surface generation process involves erosion of the base material and formation of microcraters and ridges by the particles leaving the electrode. The surface is regular with rounded microroughness peaks. The effect of the process parameters on the formation of surface roughness has been described in numerous publications. By controlling these parameters, it is possible to obtain surfaces with pre-determined microgeometry. Electrospark alloying allows producing surfaces with enhanced roughness called surface relief. The roughness of the WC-Co coatings was measured at the Laboratory for Measurement of Geometric Quantities of the Kielce University of Technology using a Talysurf 4 equipped with SUFORM program. The roughness was measured in two directions perpendicular to each other. Then, the average value was calculated: Ra = μm. Before the coating deposition, the specimens the beaters made of C45 steel - had a roughness of μm. Figure 2 presents an example microgeometry measurement protocol Microhardness tests The microhardness of the specimens with WC-Co coatings was analyzed applying a load of 40 G and using the Vickers method. The indentation was made consecutively in three zones: 12 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

13 SCIENCE AND TECHNOLOGY Rys. 2. Przykładowe wyniki pomiarów parametrów mikrogeometrii dla powłoki WC-Co nałożonej elektroiskrowo na bijak stalowy Fig. 2. Surface microgeometry of the WC-Co coating deposited on the steel beater stwie białej) oraz w strefie wpływu ciepła (SWC), jak również w materiale rodzimym. Wyniki pomiarów mikrotwardości dla powłok elektroiskrowych WC-Co, przedstawiono w tabeli 2. Zastosowanie obróbki elektroiskrowej spowodowało zmiany mikrotwardości, w obrabianym materiale. the coating, the heat affected zone (HAZ) and the base material. The results are given in Table 2. The process of electrospark alloying resulted in certain changes in the material structure. Tab. 2. Tab. 2. Wyniki pomiarów mikrotwardości powłoki WC-Co Results of the microhardness tests for the WC-Co coating Mierzone strefy / Measured zones Mikrotwardość / Microhardness HV 0,04 Wartość średnia / Mean value Numer pomiaru / Measurement number HV 0, Warstwa biała / Coating SWC / HAZ Materiał rodzimy / Substrate Mikrotwardość materiału podłoża, po obróbce elektroiskrowej, wynosiła średnio około 350 HV 0,04 (taka samą wartość mikrotwardości miał materiał w stanie wyjściowym). Nakładając obróbką elektroiskrową powłoki WC-Co, uzyskano znaczny wzrost mikrotwardości, w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża. Powłoka WC-Co posiadała średnią mikrotwardość 617 HV 0,04 (nastąpił wzrost mikrotwardości średnio o 176% w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża). Mikrotwardość SWC po obróbce elektroiskrowej wzrosła o 152% w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża Badania odporności na zużycie Do badań wykorzystano bijaki (próbki) stalowe, wykonane ze stali C45 (rys. 3). Przygotowano osiemnaście bijaków, dziewięć próbek do naniesienia powłoki obróbką elektroiskrową i dziewięć próbek bez nanoszenia powłoki. Na rysunku 4 przedstawiono widoki powierzchni roboczych bijaków. Na początku, wszystkie próbki zostały zważone, następnie na dziewięć bijaków, naniesiono powłokę z WC-Co. Umocnieniu podlegały tylko krawędzie robocze bijaków. Próbki z naniesioną powłoką, zostały ponownie zważone. W następnym etapie, osiemnaście bijaków zamontowano w młynie młotkowym, który znajduje się w firmie EKOFIBER (rys. 5). Wszystkie bijaki zostały symetrycznie rozmieszczone na wale roboczym młyna i pracowały przez około 250 godzin The average microhardness of the base material after ESA was 350HV0.04. The value was the same as that at the initial state. The average microhardness of the WC-Co coating was 617HV0.04. Thus, there was a 176 percent increase compared to that of the base material. The microhardness of the heat affected zone after electrospark alloying was 152 % higher in relation to that of the base material Wear resistance The tests were conducted for beaters made of C45 steel (Fig. 3). There were eighteen specimens measured: nine with electrospark deposited WC-Co coatings and nine uncoated ones. Their working surfaces are presented in Fig. 4. All the specimens were weighed for the first time before the tests. Then, nine of them were coated with WC-Co and weighed again. It should be noted that only the working surfaces were strengthened. The next stage involved mounting the beaters in a hammer mill operating in Nordiska Ekofiber Polska Ltd. (Fig. 5). The eighteen beaters were placed symmetrically along the mill shaft. After 250 hours of operation, all of them were weighed again. The data are shown in Tables 3 and 4. MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/

14 NAUKA I TECHNIKA Tabela 3. Masa bijaków z powłoką WC-Co Table 3. Mass of the beaters with WC-Co coatings Nr. Próbki Specimen number Numer pomiaru Measurement number Ubytek masy Mass loss I [g] II [g] III [g] [g] N 1 927,93 927,77 927,66 0,110 N 2 957,6 957,62 957,21 0,410 N 3 959,45 959,45 958,98 0,470 N 4 956,58 956,52 955,97 0,550 N 5 967,83 967,72 967,47 0,250 N 6 950,28 950,27 949,98 0,290 N 8 926,77 926,8 926,44 0,360 N 9 953,87 953,83 953,71 0,120 Średnia / average value 0,320 Tabela 4. Masa bijaków bez powłoki Table 4. Mass of the beaters without coatings Nr. Próbki Specimen number Numer pomiaru Measurement number Ubytek masy Mass loss I [g] II [g] [g] A 1 928,82 928,59 0,230 A 2 954,34 953,74 0,600 A 3 939,33 938,71 0,620 A 4 950,58 949,85 0,730 A 5 963,78 963,13 0,650 A 6 927,25 926,89 0,360 A 8 935,8 935,45 0,350 A 9 951,92 951,659 0,261 Średnia / average value 0,475 Rys. 3. Przykładowy niezużyty bijak przed nałożeniem powłoki WC-Co Fig. 3. Working surface of an unworn specimen before the deposition of a WC-Co coating Rys. 4. Powierzchnia robocza bijaka (pow. 20x): a) przed nałożeniem powłoki elektroiskrowej, b) z naniesioną elektroiskrowo powłoką WC-Co, c) z naniesioną elektroiskrowo powłoką WC-Co po pracy w młynie, d) bez naniesionej elektroiskrowo powłoki po pracy w młynie Fig. 4. Working surface of a beater (magnification 20x): a) before electrospark alloying, b) with an electrospark deposited WC-Co coating, c) with an electrospark deposited WC-Co coating after operation in the mill, d) without an electrospark deposited WC-Co coating after operation in the mill roboczych. Następnie wszystkie próbki zostały powtórnie zważone. Wyniki badań zestawiono w tabelach 3 i 4. W tabeli 3, przedstawiono wyniki pomiarów, grupy bijaków, przeznaczonych do naniesienia powłoki WC-Co. W kolumnie I przedstawiono masę bijaków przed nałożeniem powłoki, w kolumnie II przedstawiono masę bijaków z powłoką WC-Co, naniesioną elektroiskrowo, natomiast w kolumnie III masę bijaków po 250 h pracy w młynie. Tabela 4 zawiera wyniki pomiarów masy bijaków bez powłoki WC-Co (kolumna I), natomiast kolumna II zawiera wyniki pomiarów masy tych samych bijaków po 250 h pracy w młynie. Table 3 presents measurement results for the specimens with WC-Co coatings. Column I shows the mass of the beaters before electrospark alloying; in column II we have the mass of the beaters with electrospark deposited WC-Co coatings, and in column III the mass of the beaters after 250h of operation in the mill. Table 4 contains results for the uncoated specimens before use (column I), and after 250 hours of operation in the mill (column II). Tables 3 and 4 omit results for specimens numbered 7, because their mass was difficult to distribute along the mill shaft, i.e. impossible to counterbalance. The mass loss analysis showed that the beaters with the WC-Co coatings had a lower wear rate than the uncoated be- 14 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

15 SCIENCE AND TECHNOLOGY Rys. 5. Widok wnętrza młyna do mielenia makulatury: 1- sito, 2- wał główny, 3- sworznie mocujące, 4- bijaki Fig. 5. A view of the inside of the mill for waste paper grinding: 1- sieve, 2- main shaft, 3- fixing pivots, 4- beaters W tabeli 3 i 4 nie uwzględniono próbek oznaczonych numerem 7, ze względu na problem, z rozmieszczeniem masy na wale młyna (były one nie do zrównoważenia). Analizując uzyskane wartości ubytku masy poszczególnych bijaków możemy zauważyć, że bijaki z naniesioną powłoką WC-Co, wykazują mniejsze zużycie, w odniesieniu do bijaków bez tej powłoki. Normalny cykl pracy bijaków wynosi około 2-3 lata. We wstępnym etapie badań, nie można wyciągać pochopnych wniosków, co do poprawy odporności na zużycie bijaków (poprzez nałożenie powłoki WC-Co) w tak krótkim okresie eksploatacyjnym. Badania nad zużyciem bijaków z powłoką WC-Co są nadal kontynuowane. 5. Wnioski - Analizując mikrostrukturę stwierdzono, że grubość powłok wyniosła od μm, natomiast zasięg strefy wpływu ciepła, w głąb materiału podłoża, ok μm. Ponadto powłoki posiadały mikropęknięcia oraz pory. - Powłoki WC-Co naniesione elektroiskrowo charakteryzowały się znacznym wzrostem chropowatości Ra, w stosunku do chropowatości materiału podłoża. Wzrost chropowatości nie zawsze jest wadą, w pewnych przypadkach chropowata powierzchnia może być wykorzystana jako zasobnik smaru, do intensyfikacji wymiany ciepła oraz katalizy. - W wyniku obróbki elektroiskrowej otrzymano powłokę WC-Co o średniej mikrotwardościwardości 617 HV 0,04, podczas gdy mikrotwardość materiału podłoża (stali C45) wynosiła 350 HV 0,04. - Przeprowadzone w rzeczywistych warunkach pracy badania odporności na zużycie bijaków stalowych wykazały wzrost ich odporności na zużycie, z naniesioną powłoką WC-Co, w odniesieniu do bijaków bez powłoki. - Dalszy etap badań będzie ukierunkowany na wytworzeniu elektrod typu WC-Co-Al 2 O 3 oraz WC-Co-SiC, a następnie na naniesieniu nimi powłok obróbką elektroiskrową na bijaki oraz sprawdzeniu ich odporności na zużycie w dłuższym okresie eksploatacyjnym. aters. The latter are predicted to operate for approximately 2-3 years. The investigations will be continued as there is not enough data confirming that the application of WC-Co coatings improves the long-term wear resistance of beaters. 4. Conclusions - The microstructure analysis revealed that the coating thickness was μm, whereas the heat affected zone ranged approximately μm. The coatings possessed microcracks and pores. - A significant increase in roughness Ra was reported for specimens with WC-Co coatings. Higher roughness, however, is not always considered a disadvantage. Under certain circumstances, valleys in the roughness profile act as lubricant reservoirs, which increases the rate of heat transfer and that of catalysis. - The microhardness of the WC-Co coating produced by electrospark alloying was 617HV0.04, while that of the base material - C45 steel - was 350HV The durability of beaters was studied under real conditions; the specimens with WC-Co coatings were reported to be more wear resistant than the uncoated ones. - Further research will be targeted at determining the longterm wear resistance of beaters with WC-Co-Al 2 O 3 and WC-Co-SiC coatings produced by electrospark alloying. MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/

16 NAUKA I TECHNIKA 6. References 1. Agarwal A, Dahotre N. Pulse electrode deposition of superhard boride coatings on ferrous alloy. Surface & Coatings Technology1988; 106: Kaczmarek J. O wpływie obróbki ściernej i niektórych innych technologii na magazynowanie energii w materiale obrobionym. Postępy Technologii 1998; 22: Miernikiewicz A. Doświadczalno-teoretyczne podstawy obróbki elektroerozyjnej (EDM). Kraków: Politechnika Krakowska, Rozprawy, nr 274, Radek N. Tworzenie powłok o zróżnicowanych własnościach wybranymi technologiami: elektroiskrową i laserową. Kielce: Politechnika Świętokrzyska, Praca doktorska, Radek N. Obróbka elektroiskrowa - urządzenia i zastosowania przemysłowe. Mechanik 2008; 7: Radek N, Wajs E, Luchka M. The WC-Co electrospark alloying coatings modified by laser treatment. Powder Metallurgy and Metal Ceramics 2008; 47 (3-4): Radek N. Experimental investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electro-spark coatings modyfied by laser beam. Advances in Manufacturing Science and Technology 2008; 32(2): Ribalko A V, Sahin O. The use of bipolar current pulses in electro spark alloying of metal surfaces. Surface & Coatings Technology 2003; 168: Dr inż. Norbert RADEK Centrum Laserowych Technologii Metali Politechnika Świętokrzyska Aleja 1000-lecia P.P Kielce, Polska norrad@tu.kielce.pl 16 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

17 Ruiying LI Rui KANG Ning HUANG Weiwei CHEN Yang CHEN PRAKTYCZNE PODEJŚCIE DO OCENY NIEZAWODNOŚCI APLIKACJI SIECIOWYCH A PRACTICAL APPROACH FOR NETWORK APPLICATION RELIABILITY ASSESSMENT Wiele różnych aplikacji może być obsługiwanych przez tę samą sieć. Wymagania użytkowników i kryteria uszkodzeń mogą być odmienne dla różnych aplikacji. Ocena sieci winna być przeprowadzana z punktu widzenia aplikacji. W niniejszym artykule, zaproponowano metodologię oceny niezawodności aplikacji sieciowych opartą na indeksach warstwowych (layered indices). Pierwszym krokiem w omawianej metodzie jest osobne obliczenie niezawodności poszczególnych aplikacji w sieci. Następnie ocenia się niezawodność sieci biorąc pod uwagę związki pomiędzy różnymi aplikacjami. Jako swój wkład niniejszy artykuł (1) przedstawia naukową i praktyczną metodę oceny niezawodności aplikacji sieciowych; (2) tworzy hierarchiczną strukturę do oceny niezawodności aplikacji sieciowych; (3) proponuje i analizuje cztery kluczowe technologie doboru komponentów, upraszczania sieci, modelowania profi lu aplikacji oraz oceny niezawodności aplikacji; (4) ilustruje proponowany proces oceny na przykładzie sieci komputerowej. Słowa kluczowe: sieci, niezawodność, ocena, aplikacje. Many different applications may be handled by the same network. For different applications, the user requirements and failure criterions may be different. The network reliability assessment needs to be conducted from the application point of view. In this paper, a methodology for network application reliability assessment based on layered indices is proposed. Firstly, the individual application reliability is calculated for each application on the network. Then the network reliability is evaluated considering the relationships among different applications. The contributions of this paper are: (1) a scientifi c and practical network application reliability assessment method is proposed based on network applications; (2) a hierarchical structure for network application reliability assessment is constructed; (3) four key technologies, component selection, network simplifi cation, application profi le modeling, and application reliability assessment, are proposed and analyzed; (4) a computer network is used to illustrate the proposed assessment process. Keywords: networks, reliability, assessment, applications. Acronmy BER bit error rate FTP file transfer protocol PC personal computer PLR packet loss rate Notation and Definitions P i P T i I i C i B i T i r c r b r t n m TMT probability of selecting component i fraction of components to be selected average traffic handled by component i importance of component i buffer capacity of component i bandwidth of component i traffic of component i similarity coefficient of buffer capacity similarity coefficient of bandwidth similarity coefficient of traffic number of the measured components number of the measured parameters total measuring time δt FC(j) Num(i, t) PFNum(j) PV(j) CRI(i, t) IARI(t) AppGroup Sequence Leaf(i, j) MotherGroup MotherSeq AppNum(i) ARI(i, j, t) RI(t) measuring time interval failure criterion for parameter j number of transmissions on component i by time t number of failures for parameter j parameter value for parameter j reliability index for component i by time t reliability index for an individual application by time t sequence number of the application group sequence number of the application in a group son group sequence number of application j in group i sequence number of the mother group sequence number of the mother application in the mother group number of applications in group i reliability index for application j in group i by time t network application reliability index by time t MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/

18 NAUKA I TECHNIKA RI ij (t) reliability index of component j for application i by time t CLRN ij (t) number of packets of component j that the parameter connection loss rate exceeds its threshold for application i by time t DN ij (t) number of packets of component j that the parameter delay time exceeds its threshold for application i by time t PLRN ij (t) number of packets of component j that the parameter packet loss rate exceeds its threshold for application i by time t BERN ij (t) number of packets of component j that the parameter bit error rate exceeds its threshold for application i by time t N ij (t) number of packets of application i that flow through component j by time t RI i (t) reliability index for application i by time t 1. Introduction Networks are used in both civil and military applications. Network reliability analysis and assessment has posed various challenges for both researchers and practioners. Network reliability assessment methods can be divided into three categories, namely, analytical, simulation, and testing methods. In the 1950 s, Lee [3] and Moore & Shannon [21] studied network connection reliability for the first time. In the past 50 years, many researchers have developed advanced network reliability assessment algorithms [1, 4, 6, 7, 24, 25]. Most of these reported algorithms are based on the topology only, while measures from the application point of view are neglected. Since the 1980s, as networks become larger in scale and network load increases rapidly, network congestion and traffic delay have become key issues attracting major attention in network reliability research. Barberis and Park [16] investigated network performability considering both delay and throughput. Their research marked a new era of network reliability analysis as they examined networks from the service point of view. However, their study was still centering on network topology as they did not distinguish the difference among various applications. Though some network simulation software packages for computer networks, communication networks, power distribution networks, and transportation networks have appeared in the market [11, 15], they usually focus on the network performance assessment only and neglect network reliability. There is a need for new methodology which can guide network reliability design, analysis and assessment from a global point of view. Existing network reliability assessment systems have the following pitfalls: - Network failures are not well defined; - It is difficult to evaluate large scale networks; - Topology is focused while the application point of view is ignored; - Network reliability indices are seldom expressed as a function of time. That is, the network reliability is often expressed as a fixed value, while the network dynamic characteristics are not addressed. 2. Conceptual Analysis Let s first visit the definition of network. Network is the basic facility composed of several components connected together, and is used to perform certain applications. A component may be a software module or a physical device. Application refers to a group of activities which may be related to one another. The connection among components may be physical or non-physical and is dependent on the specific application. According to the definition of system reliability [8, 9, 10], network reliability is defined as the capability that the network will accomplish its designated mission in a satisfactory manner for a given period of time when used under specified operating conditions. The specified operating conditions include the network use mode (namely, applications running on the network), as well as its external environment (including the natural environment and the literature environment). The given period means the time interval for the assessment. The designated mission includes network functions and technical indicators. The network function can be summarized as transmitting material, energy or information timely, completely and correctly. Its technical indicators are the performance indicators such as delay, loss rate, error rate, etc. Using the definitions given above, if the applications are not distinguished, it is hard to define the designated mission. Take an aviation enterprise network as an example. The function of a security software module is to disconnect the link if the client has not accessed the database server for half an hour. On the other hand, a service software module needs to access the database server through the client, but it can t ensure that there is at least one access every half an hour. This operation mechanism often causes the failure of the service software. In this example, it is hard to define whether a failure occurs in the situation of network connection loss. For the security software, the network is normal, but for the service software, the network is failed. In other words, because the network reliability analysis is not conducted from the application point of view, the definition of the network failure is unclear, and the traditional reliability parameters are not suitable in this case. In order to evaluate the network reliability, individual applications should be analyzed first. Then, the traditional reliability analysis methods can be used for each unique application. Otherwise, it is impossible and/or useless to discuss the failure for a network with multiple applications. Hence, the concept of network application reliability is proposed here. It is defined as the probability that a network will support multiple applications in a satisfactory manner. Here, an application is a usage mode under specific conditions for specific purposes. For example, network applications include the railway application in a transportation network, the application in a computer network, etc. 3. The Assessment Methodology A complex network has three features: dynamic, random, and large in scale. It is easy to understand component reliability in network, but it is hard to evaluate the reliability of the network with multiple components under multiple applications. The layered indices method (refer to Figure 1) is proposed here to assess the network reliability. The index here is a comprehensive value varying with time, like stock indices in a stock market. In this method, the comprehensive reliability 18 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009

19 SCIENCE AND TECHNOLOGY is determined by the reliabilities of all applications handled by the network and the application relationships. For each application, the components involved comprise a sub-network. The reliability for this application is determined by the components of this sub-network and the component relationships The Layered Method The application in this paper is a general reference to the use of the network. Therefore, a network application may be expressed in a hierarchy structure. The parameter system mentioned in this paper may also be represented by a layered structure. Here, the application reliability of each layer is decided by its son layer application reliabilities and their relationships. Take the city transportation network as an example (refer in Figure 3). The following parameters may be considered: the reliability index of motor vehicle application (application 1), that of bicycle application (application 2), that of railway application (application 3), etc. For motor vehicle application, its reliability index can be broken down into: the reliability index of private car application (application 1.1), that of bus application (application 1.2), that of taxi application (application 1.3), etc. Fig. 1. The layered indices method for network reliability assessment The reliability of a component is determined by whether the material, energy or information can be handled by this component timely, completely and correctly. The reliability index for a component is shown in Figure 2. For example, the parameter connection rate reflects the probability that the component is accessible, delay describes the time delay if any in completing the transmission, loss rate expresses the probability that the transmission is lost, and error rate indicates the probability that an erroneous transmission is received. Fig. 3. The layed parameter system of city transportation network reliability Fig. 2. The component reliability index For different applications on the same network, the components involved may be different. The role of the same component may vary as it handles different applications. As a result, the parameters used to measure the reliability of the component may change Relationships The relationships among applications and the relationships among components (refer to these blocks in Figure 1) are determined by network topology, operation mechanism, and service requirements. The relationship can be very complex, such as the application conflict example of the aviation enterprise network mentioned in Section 2. It can also be simple, for example, the common series parallel relationships, the connection between a client and a server in computer networks, the fault tolerance architecture in computer networks, and the connection between the main road and a feeder road in a transportation network. 4. The Assessment for an Individual Application According to the descriptions above, network reliability assessment can be divided into two levels: for an individual application and for multiple applications. The latter is the comprehensive assessment of the results obtained in the former (refer to Section 5). This section will focus on the assessment of an individual application. The analytical method is difficult to apply for large scale networks [17]. This study focuses on the testing and the simulation methods. Each of the two assessment method needs to solve the following common problems (as shown in Figure 4): - Component selection: For a large scale network, it is time consuming to measure all its components. To simplify the measurement process, we may follow certain rules to select representative components. This procedure will reduce the computation time needed to evaluate the network reliability. The measures obtained on the selected components will provide very good approximations of those of the global network. These selected components will be called the measured components. The detailed description of this procedure will be provided in Section Network simplification: For complex networks, we can utilize well known network simplification methods to simplify the network. These simplification methods include the utilization of the series structure, the parallel structure, the k-out-of-n structure, the delta-star transformation, and the star-delta transformation (see [31] for details on these simplification methods). Without these simplifications, it MAINTENANCE AND RELIABILITY NR 4/

20 NAUKA I TECHNIKA will be too time consuming to evaluate the network using testing or simulation. This network simplification can be interpreted using similarity theory [26]. The reliability of the large scale network can be inferred by assessing the small scale one. The detailed content of this topic will be covered in Section Application profile modeling: The profile refers to the description of the current application condition for the purpose of assessment [18]. Similar to the mission profile in the hardware assessment and the operation profile in software assessment, applications on the network form a corresponding application profile. For different application profile, the reliability of the same network may be different. Therefore, it is very important to construct the application profile accurately according to the use mode of the network. The detailed content of this topic will be provided in Section Application reliability assessment: After the testing or simulation results are available, a feasible reliability computation model is needed to get a quantitative assessment of the network reliability for this application. The algorithm will be discussed in Section Component Selection It is impossible and sometimes unnecessary to monitor all components in large scale networks. Therefore, a reasonable component selection method should be used to choose some representative components on behalf of the global network. The component selection problem can be described as follows. For a network with N components, use an appropriate approach to select k components which can provide good representation of the characteristics of the whole network. Random sampling is the first method used for this purpose. However, components selected by this method are lack of representation. Olston and Widom [19] proposed the adaptive sampling method based on unequal probability sampling according to node priority for a sensor network. Lin et al [14] developed the continuous adaptive sampling method for the sensor network, and provided geographical partition, bottom-up partition, and optimal partition methods to conduct stratified sampling. Duffield [2] points out that the effectiveness of the selected sampling method is closely related to the purpose of sampling. Our purpose is assessment of the network reliability. Hence, we have selected the unequal probability sampling method here. The probability of selecting component i is determined by the component importance and its traffic. For components which are more important and/or handles more traffic, the probability of selection is higher. The probability of selecting component i can be defined as P = P i N i= 1 T I i ( T I ) where, P i is the probability of selecting component i; P is the fraction of network components to be selected; T i is the average traffic handled by component i; and I i is the importance of component i Network Simplification There is a need to simplify the network topology and network flow in order to reduce the computational load during testing or simulation. Random sampling [5] may also be used for this purpose. However, researchers have found that this method cannot provide a good representation of the original network characteristics [23]. Yang et al [27] put forward the hub strategy, which uses degree as an important criterion for node simplification. In the following, we describe network simplification using similarity theory [26]. Using the results of component selection as described in Section 4.1, the components are divided into two categories: measured components and non-measured components. The performance of the measured components will be monitored and evaluated while the non-measured components will participate in the functioning of the network but their performance will not be monitored. In a communication network, the parameters which have influence on network transmission include bandwidth, buffer capacity and traffic. The steps of network simplification for a communication network are given below: 1) Topological simplification. In a communication network, there are some special topologies, such as series structure, parallel structure, leaf structure, etc. The simplification principles for these special structures are given in Table 1. In this table, B is used to represent link bandwidth, C is for node buffer capacity, and T is for node traffic. 2) Network flow incorporation. The network flow should be incorporated as the topology is changed. There are three ways of incorporation: summation, choosing the minimum, and deleting both. The network flow incorporation methods of special topologies are shown in the last column of Table 1. 3) Network flow reduction. As described earlier, we will focus a smaller network through topological simplification. After i i i (1) Fig. 4. Reliability assessment process for an individual application 20 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 4/2009