Jakub Wierciak Zagadnienia jakości i niezawodności w projektowaniu. Zagadnienia niezawodności w procesie projektowania

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Zagadnienia jakości i niezawodności w projektowaniu Zagadnienia niezawodności w procesie projektowania

2 Produkty tradycyjne i nowoczesne

3 Środki pomocnicze w projektowaniu pomoc specjalistów przy gromadzeniu i analizie danych przeglądy projektu przez różnych specjalistów, pozwalające na wczesne wykrywanie potencjalnych problemów nowe dyscypliny projektowania, wymagające zastąpienia metod empirycznych przez sformalizowane (ilościowe) podejścia rozszerzone udogodnienia - laboratoria, zakłady doświadczalne, serie próbne

4 Kosztowa efektywność wyrobu Kosztowa efektywność wyrobu P SE P A P R P C Całkowity koszt Efektywność Gotowość Zdolność PA PR PC P SE P A P R P C efektywność systemu prawdopodobieństwo gotowości wyrobu niezawodność prawdopodobieństwo, że projekt zapewnia realizację funkcji

5 Cykl życia wyrobu (Niziński 2002) Określenie potrzeb Projektowanie Wytwarzanie Eksploatacja to ogół wszystkich zdarzeń, zjawisk i procesów zachodzących w danym obiekcie od chwili zakończenia jego procesu wytwarzania do chwili likwidacji. Eksploatacja Eksploatacja

6 Czynne obsługiwanie PODATNOŚĆ NA OBSŁUGIWANIE Oczekiwanie na części Oczekiwanie na formalności Fazy eksploatacji wyrobu i odpowiadające im charakterystyki (Juran, Gryna 1980, Wierciak 2007) Użytkowanie Obsługiwanie Oczekiwanie Aktywne użytkowanie Czuwanie Gotowość (stan gotowości operacyjnej) NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO Przestój GOTOWOŚĆ Eksploatacja

7 prawdopodobieństwo, że w danych warunkach, w określonym okresie czasu produkt będzie spełniał bez uszkodzeń określoną funkcję.

8 (wynikająca z definicji) wyrażana jest prawdopodobieństwem określa pomyślne działanie wyrobu określa środowisko, w którym wyrób musi działać określa czas pracy

9 Pełne wymagania dotyczące niezawodności (przykład) (Priest 1988) System lądowania samolotu ma mieć niezawodność nie mniejszą niż 0,99 dla działania bez uszkodzeń podczas 100 startów i lądowań, po spełnieniu wbudowanego testu i wizualnym sprawdzeniu przed każdym startem Prawdopodobieństwo: 0,99 Działanie: brak uszkodzeń Okres pracy: 100 startów i lądowań Użycie: środowisko lotnicze Warunki: spełnienie wbudowanego testu i wizualne sprawdzenie przed każdym startem

10 Działania objęte typowym programem niezawodności ustalenie ogólnych celów niezawodnościowych dokonanie podziału celów analiza narażeń zidentyfikowanie części (podzespołów) krytycznych analiza rodzajów i skutków uszkodzeń (FMEA) przegląd projektu dobór dostawców sterowanie niezawodnością w procesie wytwarzania badanie niezawodności rejestrowanie uszkodzeń i system działań korygujących przewidywanie niezawodności

11 Fazy kwantyfikowania niezawodności Rozdzielanie Przewidywanie Analiza

12 Ustanawianie celów niezawodnościowych - przykład rakiety bojowej

13 prawdopodobieństwo, że w danych warunkach, w określonym okresie czasu produkt będzie spełniał bez uszkodzeń określoną funkcję.

14 Uszkodzenie (Muhlemann, Oakland, Lockyer 2001) Uszkodzenie niezdolność wyrobu do prawidłowego wykonywania określonej funkcji.

15 Rodzaje uszkodzeń (Żółtowski 2004) Uszkodzenia Naturalne Przypadkowe Uszkodzenie naturalne uszkodzenie w wyniku stałych, powolnych nieodwracalnych procesów zużyciowostarzeniowych, zachodzących w elementach obiektu. Uszkodzenie przypadkowe uszkodzenie w wyniku nagłych gwałtownych zmian cech obiektu.

16 Uszkodzenia obiektów złożonych (Żółtowski 2004) Uszkodzenie pierwotne uszkodzenie określonego elementu obiektu. Uszkodzenie wtórne uszkodzenie innego elementu obiektu jako skutek uszkodzenia pierwotnego.

17 Rodzaje obiektów i systemów (Żółtowski 2004) Obiekty pracujące do pierwszego uszkodzenia (nienaprawialne). Obiekty odnawialne (naprawialne).

18 Strategie eksploatacyjne (Legutko 2004) według resursu według stanu technicznego mieszana według efektywności ekonomicznej według niezawodności autoryzowana Eksploatacja

19 Rodzaje uszkodzeń - przypomnienie (Żółtowski 2004) Uszkodzenia Naturalne Przypadkowe Uszkodzenie naturalne uszkodzenie w wyniku stałych, powolnych nieodwracalnych procesów zużyciowostarzeniowych, zachodzących w elementach obiektu. Uszkodzenie przypadkowe uszkodzenie w wyniku nagłych gwałtownych zmian cech obiektu.

20 Trwałość obiektu (Legutko 2004) Trwałość obiektu to jego zdolność do zachowania w czasie wymaganych właściwości (charakterystyk), umożliwiających jego prawidłowe użytkowanie w określonych warunkach, przy założeniu, że pewne właściwości ulegają w miarę upływu czasu zmianom o znanym, zwykle jednostajnym charakterze i po pewnym czasie mogą osiągnąć założoną wcześniej graniczną (dopuszczalną) wartość. Czas odpowiadający osiągnięciu takiej wartości zużycia (uszkodzenia) nazywamy okresem trwałości użytkowej obiektu, okresem trwałości lub krótko trwałością obiektu.

21 Wskaźniki niezawodności

22 Ćwiczenie 9 Wskaźniki niezawodności (Wierciak 2006) Zdefiniować możliwie najdokładniej niezawodność projektowanego wyrobu uwzględniając: - propozycję wskaźników niezawodności, - określenie prawidłowego działania, - środowisko pracy, - przewidywany czas pracy (liczbę cykli).

23 Rozdzielanie niezawodności - przykład pojazdu

24 Przegląd projektu Przegląd projektu jest techniką oceny projektu, mającą zapewnić, że: zaprojektowany wyrób (usługa) będzie pomyślnie działać podczas użytkowania, koszty wytwarzania wyrobu mogą być dostatecznie niskie, konserwacja wyrobu będzie łatwa i tania.

25 Przegląd projektu W stosunku do współczesnych wyrobów przeglądy projektu są: obowiązkowe, prowadzone przez zespół specjalistów nie związanych bezpośrednio z projektem, formalne, obejmujące wszystkie parametry jakościowe i inne, oparte o określone kryteria, prowadzone na kolejnych etapach rozwoju projektu.

26 Analiza rodzajów i skutków uszkodzeń (FMEA) - przykład zraszacza do trawy

27 Ćwiczenie 10 Analiza FMEA (Juran, Gryna 1980, Wierciak 2006) Przeprowadzić analizę rodzajów i skutków uszkodzeń rozszywacza biurowego podczas jego użytkowania. Ćwiczenia

28 Dobór części (podzespołów) 1. Badania (analiza) zastosowania części 2. Wykaz kwalifikowanych podzespołów 3. Wykaz części krytycznych 4. Stosowanie podzespołów o większej obciążalności

29 Przegląd wykazu kwalifikowanych części sprawdzenie, że kwalifikowane części będą wykorzystane wszędzie tam, gdzie jest to możliwe sprawdzenie, że części niesprawdzone lub wątpliwe są zdolne do spełnienia wymogów niezawodnościowych lub środowiskowych porównanie udokumentowanych danych niezawodnościowych (np. wyników badań) z przewidywanymi narażeniami środowiskowymi

30 Wykaz części krytycznych Część uważa się za krytyczną, gdy zachodzi co najmniej jeden spośród poniższych warunków część ta użyta jest w urządzeniu wielokrotnie istnieje tylko jedno źródło zaopatrzenia w daną część część ta musi funkcjonować w szczególnie wąskich tolerancjach części nie sprawdzono niezawodnościowo (brak wyników badań, niewystarczające dane eksploatacyjne)

31 Ocena projektu na podstawie badań

32 Dobór tolerancji Tolerancje wpływają na: przydatność użytkową, a tym samym sprzedawalność wyrobu koszty wytwarzania i koszty jakości Techniki określania tolerancji: badania regresji tolerowanie "wymiarów" wzajemnie zależnych (np. analiza wymiarowa)

33 Podejście do tolerowania funkcjonalnego

34 Metody zwiększania niezawodności w procesie projektowania Przegląd potrzeb użytkownika Użycie redundancji Przegląd doboru części Stosowanie części o większej obciążalności Wpływanie na środowisko pracy Opracowanie planów wymiany części Stosowanie badań "odsiewających" Prowadzenie badań naukowych i prac rozwojowych

35 Czynne obsługiwanie Oczekiwanie na części Oczekiwanie na formalności Fazy eksploatacji wyrobu i odpowiadające im charakterystyki (Juran, Gryna 1980, Wierciak 2007) Użytkowanie Obsługiwanie Oczekiwanie Aktywne użytkowanie Czuwanie Gotowość (stan gotowości operacyjnej) NIEZAWODNOŚĆ Przestój Eksploatacja

36 Działania objęte typowym programem niezawodności - przypomnienie ustalenie ogólnych celów niezawodnościowych dokonanie podziału celów analiza narażeń zidentyfikowanie części (podzespołów) krytycznych analiza rodzajów i skutków uszkodzeń (FMEA) przegląd projektu dobór dostawców sterowanie niezawodnością w procesie wytwarzania badanie niezawodności rejestrowanie uszkodzeń i system działań korygujących przewidywanie niezawodności

37 Intensywność uszkodzeń (1/h) w 10. godzinnych przedziałach pracy Intensywność uszkodzeń w funkcji czasu (krzywa wannowa) (Juran 1980) Okres uszkodzeń początkowych (docierania) Okres normalnej pracy Okres intensywnego zużywania się Czas pracy (h) (skala logarytmiczna)

38 Histogram czasu pomiędzy uszkodzeniami (przykład) (Juran 1980)

39 Skumulowany histogram czasu pomiędzy uszkodzeniami (przykład)

40 Funkcje opisujące rozkład wykładniczy (Żółtowski 2004) λ(t) dystrybuanta rozkładu f ( t) e F ( t) λt P t 1 e λt gęstość rozkładu prawdopodobieństwa średni czas pracy do uszkodzenia funkcja niezawodności R ( t) e λt λt T0 R t dt e dt 0 0 1

41 Wykładniczy wzór na niezawodność P s R e t/μ e tλ P s = R - prawdopodobieństwo pracy bez uszkodzenia przez okres równy lub większy niż t t - założony okres pracy μ - średni czas pomiędzy uszkodzeniami, lub MTBF (średnia rozkładu TBF) λ - intensywność uszkodzeń

42 Dwuparametrowy rozkład Weibulla (Maksymiuk 2003) F t 1 e t η β F(t) - dystrybuanta rozkładu η - parametr skali β - parametr kształtu rozkładu

43 Skumulowany procentowy udział uszkodzeń Intensywność uszkodzeń w funkcji czasu (Juran 1980) Malejąca intensywność uszkodzeń Stała intensywność uszkodzeń Rosnąca intensywność uszkodzeń β = 0,5 β = 1,0 β = 6,0 Czas pracy (h) (skala logarytmiczna)

44 Funkcje opisujące rozkład normalny (Żółtowski 2004) y t -T 0 dystrybuanta rozkładu F ( t) gęstość rozkładu prawdopodobieństwa f ( t) t e e t 2 t T 2 T

45 Przewidywanie niezawodności na etapie projektowania (Priest 1988) 1. Określenie produktu i jego funkcji (funkcjonalny schemat blokowy) 2. Przygotowanie niezawodnościowego schematu blokowego 3. Opracowanie modelu niezawodności urządzenia 4. Zebranie informacji na temat niezawodności części 5. Wybranie danych niezawodnościowych 6. Obliczenie niezawodności układu

46 Modele niezawodności (Priest 1988) Z pojedynczym elementem 1 R R 1

47 Modele niezawodności (Priest 1988) Szeregowy m m R R... 1 R2 Rm

48 Modele niezawodności (Priest 1988) Równoległy RA 3 RB R R A R B R A R B

49 Redundancja równoległa Ps 1 1 P 1 n P s - niezawodność systemu P 1 - niezawodność pojedynczego elementu n - liczba jednakowych elementów redundancyjnych

50 Modele niezawodnościowe (Priest 1988) Kombinowany (system lądowania samolotu) TX RA RX P D TX RB T - nadajnik R R A R B R - odbiornik P - procesor D - wyświetlacz

51 Techniki przewidywania niezawodności (Juran 1980, Priest 1988) 1. Ze zliczaniem części każdego typu 2. Analiza narażeń 3. Z wykorzystaniem podobieństwa projektu

52 Zależność pomiędzy niezawodnością części i systemu

53 Analiza narażeń Gęstość prawdopodobieństwa Największe przewidywane narażenie Średnia wytrzymałość Analizowana charakterystyka

54 Analiza narażeń SM ASh - WSs Sh SM ASh WSs σ Sh margines bezpieczeństwa średnia wytrzymałość największe narażenie standardowe odchylenie wytrzymałości

55 Model niezawodności układu lądowania samolotu (Priest 1988) W yświetlacz pilota Nadajnik Procesor Odbiornik Nadajnik (T) Odbiornik (R) Procesor (P) Wyświetlacz (D) 714 h MTBF 1538 h MTBF 1818 h MTBF 1111 h MTBF

56 Czynne obsługiwanie Oczekiwanie na części Oczekiwanie na formalności Gotowość wyrobu... prawdopodobieństwo, że wyrób używany w określonych warunkach zadziała poprawnie w chwili uruchomienia... prawdopodobieństwo, Użytkowanie że wyrób używany w określonych warunkach zadziała poprawnie w chwili uruchomienia Obsługiwanie Oczekiwanie Aktywne użytkowanie Czuwanie Gotowość (stan gotowości operacyjnej) Przestój Gotowość

57 Gotowość wyrobu Gotowość operacyjna A o MTBF MTBF MDT Gotowość wewnętrzna A i MTBF MTBF MTTR MTBF - średni czas między uszkodzeniami MDT - średni czas przestoju MTTR - średni czas naprawy Gotowość

58 Czynne obsługiwanie Oczekiwanie na części Oczekiwanie na formalności Obsługiwanie wyrobu (Juran, Gryna 1980, Wierciak 2007) Użytkowanie Obsługiwanie Oczekiwanie Aktywne użytkowanie Czuwanie Gotowość (stan gotowości operacyjnej) Przestój Eksploatacja

59 Obsługa wyrobu (Legutko 2004) Obsługa to czynności związane z podtrzymywaniem lub przywracaniem obiektowi technicznemu jego zdatności użytkowej. Gotowość

60 Wskaźniki procesu obsługiwania Podatność na obsługiwanie

61 Ogólne podejścia do poprawiania podatności na obsługiwanie Rola niezawodności Modułowość budowy Naprawa, czy likwidacja Wbudowane wewnętrzne testowanie Czynności proste, czy specjalizowane Podatność na obsługiwanie

62 Kosztowa efektywność wyrobu Kosztowa efektywność wyrobu P SE P A P R P C Całkowity koszt Efektywność Gotowość Zdolność PA PR PC P SE P A P R P C efektywność systemu prawdopodobieństwo gotowości wyrobu niezawodność prawdopodobieństwo, że projekt zapewnia realizację funkcji

63 Przewidywanie niezawodności - przykładowe zadanie (Wierciak 2006) Zasilacz komputera może być wyłączony z poziomu systemu operacyjnego przez wywołanie odpowiedniej instrukcji. Można tego dokonać za pomocą myszy lub z użyciem klawiatury. Narysować model niezawodnościowy komputera dla opisanej funkcji. Wyznaczyć prawdopodobieństwo prawidłowego wyłączenia komputera w dwu sytuacjach: gdy ktoś zabrał nam mysz, gdy mamy podłączoną zarówno mysz, jak i klawiaturę, jeśli komputer przepracował już 2000 godzin, a średnie czasy między uszkodzeniami (MTBF) w typowych warunkach użytkowania wynoszą odpowiednio: godzin dla zasilacza, godzin dla płyty głównej, godzin dla myszy i godzin dla klawiatury. Prawdopodobieństwo prawidłowego zadziałania systemu operacyjnego wynosi 90 %.