Fiabilitatea sistemelor mecanice. Noţiuni de bază (II)

Problemele de siguranţă în exploatare se pun atât pentru sistemele mecanice, cât şi pentru fiecare element component. Prin sistem mecanic se înţelege maşina, aparatul, dispozitivul destinat să realizeze anumite funcţii. Exemple: compresorul, maşinaunealtă, reductorul cu roţi dinţate etc. Prin element se înţelege o parte componentă a sistemului mecanic, care îndeplineşte o anumită funcţie în cadrul acestuia. Exemple: roata dinţată, rulmentul, ambreiajul, arborele, pompa hidraulică etc.

3. Fiabilitatea sistemelor mecanice

În general, orice sistem mecanic poate să aibă în componența sa, pe lângă elementele mecanice și elemente electrice, hidraulice sau pneumatice.

Realizarea de sisteme mecanice cu fiabilitate ridicată este posibilă numai în cadrul unui sistem coerent de asigurare a fiabilității.

Fiabilitatea se poate prezenta în mai multe moduri sau categorii. Diversele categorii de fiabilitate pot fi considerate ca niște estimatori ai aceleiași fiabilități reale dar necunoscute. Specialiștii și, în special, proiectanții trebuie să urmărească stabilirea unor relații între acești estimatori în scopul precizării datelor de proiectare. Astfel, în fiecare etapă a ciclului de viață se efectuează evaluări succesive ale nivelului de fiabilitate (vezi figura 10) și, dacă este cazul, se iau măsuri pentru mărirea acestuia.

FIGURA 10. Evoluția nivelului de fiabilitate atins în diferite etape ale ciclului de viața al unui sistem mecanic [3]

Conform diagramei rezultă că fiecărei etape a ciclului de viață i se poate asocia câte o categorie de fiabilitate.

• În etapa de planificare a produsului se efectuează studii de marketing și de prognoze, privind nivelul fiabilității produselor similare, realizate de firmele concurente, la data când noul produs va fi lansat pe piață. În urma acestora se stabilește un nivel al fiabilității cerut de piață.
• Fiabilitatea nominală, stabilită prin temă, este cea pe care viitorul produs trebuie să o evidențieze în funcționare și este inclusă în lista de cerințe care trebuie îndeplinite (în numeroase cazuri fiind specificată în contracte). Factorii de care trebuie să se țină cont la stabilirea acesteia sunt:

- normele și standardele de siguranță ale oamenilor și ale mediului ambiant;

- fiabilitatea cerută de piață;

- costurile implicate de perioada de garanție acordată;

- optimizarea costurilor suportate de beneficia

• Fiabilitatea previzională se estimează prin calcul, în faza de proiectare, pe baza structurii sistemului și fiabilităților elementelor constructive componente care, la rândul lor, pot fi determinateexperimental sau prin calcul. Nivelulfiabilității previzionale trebuie să fie mai ridicat,decât cel stabilit prin temă, pentru a compensaerorile inerente de estimare a acestuia.

Trebuie precizat că valorile fiabilităților componentelor sunt aproximative, chiar dacă sunt stabilite experimental, pe componente similare. În acest caz, determinările inexacte sunt cauzate, în principal, de diferența dintre modelul încărcării, adoptat pe baza analizei sistemelor de același tip, și încărcarea reală a viitorului produs.

• Fiabilitatea experimentală este cea estimată prin prelucrarea observațiilor defectărilor, obținute prin testări efectuate în laborator pe prototip, seria zero și/sau pe piese-epruvetă.

Condițiile create în laborator, inclusiv solicitările, trebuie să fie similare cu cele din exploatare, să producă ,,același mod sau mecanism de defectare și aceeași structură a defectelor".

Încercările pot fi executate:

- la solicitări normale, dacă acestea au nivele apropiate de cele din exploatare

- la solicitări accelerate, dacă au nivele șI frecvențe mai mari decât în exploatare.

Fiabilitatea experimentală trebuie, de asemenea, să aibă un nivel mai ridicat decât cel stabilit prin temă, deoarece condițiile simulate în laborator diferă inerent de cele reale. Pe de altă parte, aceasta reprezintă o estimație mai precisă decât fiabilitatea previzională cu care se compară. Dacă diferențele sunt prea mari, atunci se modifică soluția constructivă sau cea tehnologică.

Stabilirea fiabilității experimentale ridică probleme deosebite, deoarece componentele sistemelor mecanice sunt produse în serie mică sau sunt unicate (cu unele excepții, ca de exemplu rulmenții) și au costuri mari. Din acest motiv, dacă este neapărat necesară, aceasta se efectuează, în principal, pe eșantioane mici formate din epruvete cu concentrator și, mai puțin, din piese - epruvetă, subansambluri sau chiar ansambluri (prototipul și seria zero). Pe prototip se determină, în special, solicitările reale, iar pe seria zero, modurile tipice de deteriorare și, uneori, media timpului de bună funcționare.

Deoarece durabilitățile sistemelor mecanice și costurile aferente încercărilor sunt foarte mari, se utilizează preponderent testările la solicitări accelerate care reduc în mod considerabil duratele experimentelor.

La încărcări mici, încercările sunt trunchiate la un număr de cicluri suficient de mare pentru a nu se perturba rezultatul, iar duratele și costurile experimentelor să nu fie exagerat de mari. Eșantioanele experimentale mici și trunchierea testărilor creează dificultăți la prelucrarea șI valorificarea rezultatelor. Impedimentele legate de determinarea experimentală a fiabilităților elementelor constructive care compun sistemul impun frecvent limitarea la metodele teoretice de estimare ale fiabilității previzionale, chiar dacă, în prezent, acestea au o precizie scăzută.

• Fiabilitatea potențială este cea evaluată la punerea în funcțiune a produsului. Aceasta se hotărăște încă din faza de proiectare (prin soluția constructivă adoptată), iar fabricația nu face decât să o realizeze la parametrii concepuți sau să o coboare prin abaterile tehnologice sau a derogărilor obținute. Fiabilitatea potențială poate fi stabilită experimental pe componente, extrase din fabricația de serie. În general, nu se pot face determinări experimentale și de aceea se utilizează fiabilitatea previzională. Dacă producția este în serie suficient de mare, se efectuează încercări de laborator, în care se urmărește testarea omogenității fabricației și verificarea nivelului fiabilității produselor de serie.
• Fiabilitatea operațională este cea valorificată pe baza rezultatelor privind comportarea în exploatare, pe o anumită perioadă de timp, a unui număr mare de exemplare identice, utilizate efectiv de beneficiar. Aceasta reprezintă estimarea cea mai precisă a fiabilității produsului și se compară cu valorile determinate în fazele anterioare, în scopul corectării și ameliorării procedeelor utilizate. Datorită duratei mari pe care o necesită, prezintă interes doar pentru dezvoltările ulterioare de produse de același tip, deoarece generația de produse studiată ajunge să se perimeze fizic și moral. Observațiile din exploatare sunt efectuate, în principal, de societățile de asigurare și de serviciile de service ale producătorului. În practica inginerească se mai utilizează noțiunile de fiabilitate intrinsecă - determinată pe baza legăturii dintre solicitarea aplicată și rezistența elementului consideratși extrinsecă - stabilită pe baza prelucrării datelor eșantionate sau analitic cu ajutorul indicatorilor de fiabilitate.

4. Implicaţiile economice ale fiabilităţii

Criteriul economic stă la baza proiectării sistemelor și subsistemelor a căror defectare nu intră sub incidența legii. În acest caz, fiabilitatea necesară se stabilește din analize de piață, prin comparații cu sisteme deja existente sau optimizări ale costurilor.

FIGURA 11. Variația costurilor în raport de nivelul de fiabilitate [3] (Ca - costuri de  achiziție; Cm - costuri de mentenanța; Ct – costuri totale)

Pentru echipamentele complexe, reparabile, paralel cu fiabilitatea trebuie să se ia în considerație și mentenanța. Din punctul de vedere al costurilor, o îmbunătățire a fiabilității unui sistem determină, pe de o parte reducerea costurilor de mentenanță, însă, pe de altă parte, presupune costuri de achiziție cu atât mai mari cu cât se dorește o depășire mai înaltă a nivelului uzual de fiabilitate. Există o zonă de optim economic (cost minim) căreia îi corespunde fiabilitatea optimă Ropt. În figura 11 se observă că suma costurilor de achiziție Ca și cele de mentenanță Cm atinge o valoare minimă la o fiabilitate care poate fi considerată optimă din punct de vedere economic.

Pentru o fiabilitate R> Ropt, costul investiției (Ca) este mare în raport cu scopul propus. În anumite cazuri, trebuie să se țină seama de cheltuielile (pagubele) provocate de lipsa de fiabilitate. În general, valoarea Ropt este inferioară fiabilității tehnic posibile. Trebuie deci să ne așteptăm la un număr de defectări, neneglijabile, pentru a garanta cel mai economic preț al disponibilității și, în consecință, este necesar ca mentenanța să fie definită judicios. În final, fiabilitatea adoptată prin soluția de proiectare reprezintă un compromise între costul fiabilității și mentenanței. În figura 12 se prezintă principiul care stă la baza optimizării duratei de exploatare a sistemului după criteriul eficienței economice.

În figura de mai sus s-au folosit notațiile:

• E - eficiența economică; CP - câștigul (venituri);
• Ca - costul de achiziție al sistemului;
• Ce – costul de exploatare; T0 - momentul când exploatarea devine profitabilă;
• Tlim - momentul limită când utilizarea sistemului devine nerentabilă;
• Tmax - momentul profitului maxim;
• Tc - momentul optim al casării (scoaterii din uz).

Folosind notațiile de mai sus, eficiența economică a utilizării sistemului se poate calcula cu relația: (13)

Se observă că, începând cu momentul T0, veniturile ajung mai mari decât cheltuielile efectuate șI exploatarea sistemului devine profitabilă. Aceasta este posibilă până în momentul Tlim, când veniturile încep să fie depășite de costuri și utilizarea sistemului devine nerentabilă. Momentul optim al casării Tc întrece momentul profitului maxim Tmax, deoarece acest moment poate fi decalat după ce se produce o scădere vizibilă a eficienței economice.

Un factor care influențează nivelul fiabilității este perioada de garanție pe care producătorul o stabilește din considerente concurențiale, cu asumarea riscului unor cheltuieli de reparație gratuită, limitate de un nivel de fiabilitate sufficient de ridicat.

Bibliografie

1. Cătuneanu V.M., Mihalache A. Bazele teoretice ale fiabilităţii Ed.Academiei RSR, Bucuresti 1983

2. Korka Z., Fiabilitate şi diagnoză, Notiţe de curs, 2015.

3. Tudor A., Mirică R.F., Fiabilitate şi mentenanţă, Notiţe de curs, disponibile pe: http://www.omtr.pub.ro/didactic/fsm.html

ZOLTAN KORKA este dr. ing., Lector Universitatea „Eftimie Murgu” din Reşiţa