Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Spoľahlivosť, bezporuchovosť a udržovateľnosť meracích zariadení

Petra Marková
 
Význam spoľahlivosti výrobkov a meracích zariadení je dnes už v dostatočnom povedomí odborníkov. Spoľahlivosť patrí k dôležitým hľadiskám užitnej hodnoty meradiel. Možno ju kvantifikovať s použitím jej jednotlivých ukazovateľov podľa konkrétnych požiadaviek. Z hľadiska kvalitatívneho je spoľahlivosť vlastnosť výrobku, ktorá závisí na bezporuchovosti, udržovateľnosti, pohotovosti a životnosti výrobkov a ich prvkov; tým zaručuje splnenie požiadavkov kladených na riadnu funkciu výrobkov.
 

1. Úloha teórie spoľahlivosti

Teória spoľahlivosti sa zaoberá všeobecnými metódami a postupmi, ktoré musia byť dodržiavané pri projektovaní, prijímaní, výrobe, doprave a používaní výrobkov tak, aby efektívnosť užívania výrobkov bola dosiahnutá maximálne.
Teória rozpracováva:
  • všeobecné metódy výpočtu spoľahlivosti zariadení na základe spoľahlivosti ich jednotlivých častí,
  • zákonitosti vzniku porúch zariadení a metódy ich určenia,
  • spôsoby zvýšenia spoľahlivosti pri konštrukčnom spracovaní, výrobe a skladovaní výrobkov,
  • metódy previerky spoľahlivosti výrobkov,
  • metódy kontroly spoľahlivosti pri prijímaní výrobkov v hromadnej výrobe,
  • kvalitatívne ukazovatele vo vzťahu k efektívnosti.
Spoľahlivosť je súčasťou akosti výrobkov (meracích zariadení), ak pod spoľahlivosťou sa bude chápať časť akostných vlastností, ktoré súvisia s možným výskytom porúch pri používaní. Je potrebné zdôrazniť, že vlastnosti, ktoré sú zahrňované do pojmu spoľahlivosť, sa uvažujú k určitým, niekedy i veľmi dlhým dobám činnosti výrobkov.
 

2. Definícia spoľahlivosti

Spoľahlivosť je všeobecná vlastnosť (schopnosť) výrobku plniť v stanovenom čase požadované funkcie, pri zachovaní provozných vlastností daných technickými podmienkami (podľa normy ČSN 01 0103; v súlade s normou ČSN 01 0102 sa technické podmienky rozumejú ako súhrn špecifikácií technických a prevozných vlastností zariadenia, spôsoby jeho prevozu, údržby a opravy, predpísané pre jeho požadovanú funkciu).
 
Zmienená schopnosť závisí na činiteľoch ako napr. akosti riešenia úloh v predvýrobnej etape (úlohy výskumu, vývoja, technickej prípravy výroby), na akosti výrobného prevedenia a montáži príslušného výrobku. V niektorých prípadoch hrá dôležitú úlohu aj ľudský faktor.
 
Ak sa táto platná definícia vzťahuje na meracie zariadenie, je možné ju vyjadriť nasledovne: spoľahlivosť meracieho zariadenia (prístroja, meracej sústavy) je schopnosť udávať nameranú hodnotu danej veličiny v medziach požadovanej presnosti za stanovených podmienok.
 
Definícia medzí požadovanej presnosti sa najlepšie vyjadrí s využitím neistoty merania. Neistota merania je výsledok hodnotenia merania charakterizujúci rozsah hodnôt, v ktorom leží pravá hodnota merania s danou vierohodnosťou. K tomuto vyhodnoteniu dôjde až potom, ak boli urobené všetky korekcie pre čiastočné odstránenie systematických chýb. Základná kvantitatívna charakteristika neistoty je štandardná neistota, ktorá sa označuje písmenom u.
 
Interval [–u, +u] so stredom v udávanej hodnote stanoví, že s pravdepodobnosťou 95 % sa pravá hodnota meranej veličiny nachádza vo vnútri tohto intervalu.
 

3. Hodnotenie spoľahlivosti meracieho zariadenia

 

3.1 Vlastnosti meracieho zariadenia z hľadiska spoľahlivosti

Meracie zariadenie ako objekt používaný k meraniu vykazuje určité špecifiká, ktorými sa líši z hľadiska hodnotenia spoľahlivosti od iných zariadení. Meracie zariadenia sú objekty rôzneho charakteru. Patria tu jednoduché meradlá (posuvné meradlá, koncové mierky), ale aj zložité meracie zariadenia (súradnicové meracie stroje).
 
Rovnaké zariadenia sa môžu používať buď ako etalóny, alebo ako pracovné meradlá. Preto výber ukazovateľov spoľahlivosti a ich určenie sa udáva pre konkrétne meradlo s daným určením.
 
Spoľahlivosť ako komplexná súčasť akosti meracieho zariadenia sa z kvalitatívneho hľadiska vyjadruje s využitím čiastkových vlastností, ako je napr. bezporuchovosť, životnosť, udržovatelnosť, skladovateľnosť. Tieto vlastnosti sú ďalej kvantifikované prostredníctvom ich jednotlivých ukazovateľov.
 

3.2 Bezporuchovosť meracieho zariadenia

Bezporuchovosť meracieho zariadenia je vlastnosť meracieho zariadenia, ktorá spočíva v nepretržitom plnení požadovanej funkcie v predpísaných režimoch a za stanovených podmienok. Porucha je ukončenie schopnosti objektu prevádzať požadovanú funkciu.
 
Z hľadiska opraviteľnosti po poruche sa výrobky delia na:
  • neopraviteľné výrobky (výrobky s jednorazovým použitím), čo sú objekty, ktoré sa po poruche neopravujú; pre každý pokus sa použije samostatná skúšobná vzorka; ich oprava je ekonomicky nevýhodná,
  • opraviteľné výrobky (viackrát použiteľné výrobky), čo sú objekty, ktoré sa po poruche skutočne opravujú; tieto výrobky môžu byť medzi jednotlivými za sebou nasledujúcimi pokusmi opravené za predpokladu, že ich stav a schopnosť funkcie na začiatku každého pokusu zostávajú rovnaké.
Pre výpočet ukazovateľov sa vychádza z dvoch vzájomne sa vylučujúcich stavov, t. j. zo stavu bezporuchovej prevádzky a stavu poruchového prostoja, ktoré sa v dobe užívania zariadenia náhodne striedajú.
 
Bezporuchovosť možno kvantifikovať týmito ukazovateľmi, popr. symbolmi:
  • pravdepodobnosť bezporuchovej prevádzky R(t),
  • stredná doba medzi poruchami t¯,
  • stredná doba do poruchy t1¯,
  • gama percentná (p = 100 – γ) doba medzi poruchami tp,
  • gama percentná doba do poruchy t1p,
  • intenzita porúch λ.
Pravdepodobnosť, že porucha nenastane v časovom intervale [0, t] (t. j. pravdepodobnosť bezporuchovej prevádzky R(t) ako pravdepodobnosť vzniku poruchy až po uplynutí doby t) je výhodným ukazovateľom spoľahlivosti.
 
U neopravovaných objektov je pravdepodobnosť bezporuchovej prevádzky R(t) = R(0, t) daná vzťahom
 
R(t) = –λt     (1)
 
Ak λ(t) = λ = konštanta, t. j. doba (prevádzky) do poruchy má exponenciálne rozdelenie. Príklad použitia: U objektu s konštantnou intenzitou porúch jeden výskyt za rok je požadovaná doba prevádzky šesť mesiacov. Pravdepodobnosť bezporuchovej prevádzky je daná vzorcom (1), odkiaľ po dosadení R (šesť mesiacov) = 0,606
 
Ukazovateľ intenzity porúch λ(t) je podiel hustoty pravdepodobnosti náhodnej veličiny f(t) a pravdepodobnosti bezporuchovej prevádzky R(t)
 
λ(t) = f(t)/ R(t)     (2)
 
kde f(t) sa interpretuje ako pomer výrobkov mimo funkciu v časovom intervale dt k súčinu počiatočného počtu výrobkov a časového intervalu dt za podmienky, že sa porúchané výrobky neopravujú ani nevymieňajú. Vyjadrené prostredníctvom distribúčnej funkcie F(t), t. j. funkcie popisujúcej rozdelenie pravdepodobnosti náhodnej veličiny (vzniku poruchy), platí
 
f(t) = d F(t)/dt     (3)
 
Ak sú známe dáta o poruchách pre n neopravovaných objektov s konštantnou intenzitou porúch, je λ daná vzorcom
 
(rovnice)
 
Príklad použitia: Pre pätnásť neopravovaných objektov s konštantnou intenzitou porúch je celková doba do poruchy meracieho zariadenia tri roky, teda
 
λ = 15/3 = 5 porúch za rok
 
Ak stredná doba do poruchy t1¯ má exponenciálne rozdelenie, platí
 
t1¯ = 1/ λ     (4)
 

3.3 Životnosť meracieho zariadenia

Životnosť meracieho zariadenia je vlastnosť meracieho zariadenia behom časového obdobia, s možnými prestávkami na opravu a údržbu, zachovať si schopnosť činnosti až do porušenia alebo do medzného stavu. Medzný stav možno určiť podľa rôznych hľadísk, napr. podľa bezpečnosti, efektívnosti a pod.
 
Medzný stav je stav skúmaného prvku, v ktorom musí byť ďalšie jeho používanie prerušené. V prípade meracieho zariadenia by k medznému stavu nemalo dochádzať, pretože časový interval, po ktorom sa prevádza justovanie, kalibrovanie atd., sa musí na základe prevádzkového režimu voliť tak, aby bolo zaistené používanie meradiel iba v prevádzkyschopnom stave.
 
Prevádzkyschopný stav výrobku je stav, keď meracie zariadenie vyhovuje všetkým požiadavkám základných parametrov, ktoré charakterizujú normálne plnenie určených funkcií.
 
Vlastnosť meracieho zariadenia sa odlišuje od predchádzajúceho (bezporuchovosť) v tom, že behom používania je daná možnosť k prevedeniu opráv a údržby. Pri ich používaní sa spravidla kontroluje správnosť funkcie, odstraňujú sa poruchy a robí sa pravidelná a preventívna údržba.
 
Životnosť možno kvantifikovať týmito ukazovateľmi:
  • stredný technický život tž¯,
  • gama percentný technický život tžp¯,
  • stredná doba používania t¯k,
  • gama percentná doba používania tkp,
  • stredná operatívna doba trvania údržby alebo opravy t¯, t¯po.
Technický život je celková dĺžka bezporuchovej činnosti meracieho zariadenia, za celú dobu používania, až do zničenia alebo dosiahnutia medzného stavu.
 

3.4 Skladovateľnosť meracieho zariadenia

Skladovateľnosť meracieho zariadenia je schopnosť zachovávať si prevádzkyschopný stav pri stanovených podmienkach skladovania a prepravy. Rozdiel medzi predchádzajúcimi vlastnosťami a skladovaním je v tom, že táto vlastnosť sa vzťahuje na obdobie, kedy je zariadenie skladované alebo prepravované, zatiaľ čo ostatné vlastnosti sa týkajú jeho používania.
 
Skladovateľnosť možno kvantifikovať pomocou ukazovateľa gama percentná doba skladovateľnosti (tsp).
 

3.5 Udržovateľnosť meracieho zariadenia

Udržovateľnosť meracieho zariadenia je jeho schopnosť, ktorá spočíva v spôsobilosti predchádzať poruchám formou predpísanej údržby (justovanie, kalibrácia, metrologická konfirmácia).
 
Udržovateľnosť možno kvantifikovať týmito ukazovateľmi:
  • pohotovosť meracieho zariadenia ku,
  • početnosť údržby KW.
Pohotovosť meracieho zariadenia (súčiniteľ pohotovosti) ku je pomer doby tu vyradenia zariadenia z prevádzky (údržba, oprava) k celkovej dobe tč bezporuchovej činnosti zariadenia za určité časové obdobie
 
ku = tu / tč     (5)
 
Súčiniteľ pohotovosti uvažuje nielen dobu bezporuchovej činnosti, ale aj dobu potrebnú na opravu a údržbu zariadenia, nedovoľuje však posúdiť veľkosť nepretržitej bezporuchovej činnosti.
 
Početnosť údržby KW je pomer počtu prehliadok a opráv zariadenia k dobe jeho nutného vyradenia z prevádzky a dobe bezporuchovej činnosti
 
KW = (no + mú) / (tu + tč)     (6)
 
kde no je počet opráv zariadenia, mú počet údržbových prehliadok.
 

4. Záver

Článok sa zaoberá teoretickými otázkami hodnotenia spoľahlivosti meracieho zariadenia. Rozoberá spoľahlivosť z hľadiska kvality, ako vlastnosť zariadenia a z hľadiska kvantitatívneho, ako aj matematické vyjadrenie ukazovateľov týchto vlastností.
 
Literatúra:
[1] DRÁB, V. – MOC, L.: Teorie spolehlivosti a řízení jakosti. Liberec, 1992, ISBN 80-7083-098-0.
[2] PERNIKÁŘ, J.: Kvalitivní a kvantitativní hodnocení jakosti měřicích prostředků. [Habilitační práce.] VUT v Brně. Brno, 1995.
[3] ČSN EN 61703 Matematické výrazy pro ukazatele bezporuchovosti, pohotovosti, udržovatelnosti a zajištenosti údržby. ČNI, 2002.
[4] ČSN IEC 1123 (01 0644) Zkoušení bezporuchovosti. Plány ověřovacích zkoušek pro podíl úspěšných pokusů. ČNI, 1994.
[5] ČSN EN 61124 (01 0644) Zkoušení bezporuchovosti – Ověřovací zkoušky pro konstantní intenzitu poruch a konstantní parametr proudu poruch. ČNI, 2007.
[6] ČSN IEC 60 300-3-5 (01 0690) Management spolehlivosti – část 3–5: Návod k použití – Podmínky při zkouškách bezporuchovosti a principy statistických testů. ČNI, 2002.
 
Ing. Petra Marková,
ústav metrologie a zkušebnictví,
Fakulta strojního inženýrství,
Vysoké učení technické v Brně
 
Lektorovala Ing. Hana Čermáková,
Technická univerzita v Liberci
 
Ing. Petra Marková je absolventkou oboru strojírenská technologie a průmyslový management na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně. Zde také v roce 2006 zahájila doktorské studium v oboru metrologie a řízení jakosti se zaměřením na hodnocení struktury neobvyklých geometrických profilů. Souběžně v roce 2006 pracovala jako kalibrační technik u společnosti obchodující s měřidly.