• No results found

PARTICULAR RELIABILITY CHARACTERISTICS OF TWO ELEMENT PARALLEL TECHNICAL (MECHATRONIC) SYSTEMS

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "PARTICULAR RELIABILITY CHARACTERISTICS OF TWO ELEMENT PARALLEL TECHNICAL (MECHATRONIC) SYSTEMS"

Copied!
6
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

in

Production Engineering

2012, No 3 (7), pp 3‐8 

    

Abstract

The paper characterizes the basic distribu ons of failure of elements that cons tute the technical (mechatronical) sys‐ tems: exponen al, Weibull, normal, log‐normal distribu on. The descrip on of two‐element parallel technical systems  with reliability characteris cs has been made. Specific cases are studied where up  me of the technical system elements  have exponen al, Weibull, normal, log‐normal distribu ons and where the system consists of two parts with parallel  reliability structure and of different types of distribu ons of elements up  mes. The order of elements in the analysis  does not ma er. The relevant characteris cs of reliability for a system with two parallel elements are presented: up  me distribu on func on of the system, system reliability, up  me probability density of the system, the system failure  intensity. 

PARTICULAR

 

RELIABILITY

 

CHARACTERISTICS

 

OF

 

TWO

ELEMENT

 

PARALLEL

 

TECHNICAL

  

(MECHATRONIC)

 

SYSTEMS

 

INTRODUCTION 

The combina on of mechanical, electrical, electronic,  pneuma c elements into one opera ng technical system  has  been  called  in  recent  years  a  mechatronic  device  (system). Each of these elements has a specific character of  durability, damage suscep bility and reliability. Reliability  of devices and mechatronic device components is described  by mathema cal models – distribu ons of random varia‐ bles, and par cularly, the characteris cs of reliability, which  directly affect the reliability characteris cs of mechatronic  devices, into which they are included. 

The most commonly used mathema cal models of stu‐ dying the reliability of technical devices are distribu ons of  random variables: exponen al, Weibull, normal, logarithmo ‐normal,  normal  truncated  at  zero,  gamma,  binomial  (Bernoulli), Poisson, hypergeometric, geometric, and pro‐ cesses: Poisson, normal, Markov and semi‐Markov. Distri‐ bu ons are probabilis c models, and processes are stocha‐ s c models [1, 2, 3, 4, 5].  

In complex, responsible technical and mechatronic sys‐ tems (a combina on of mechanical, electrical, electronic,  pneuma c opera ng components into a coherent technical  system) reserving components are o en used. The simplest  reserving consists in a parallel inclusion of the same compo‐ nent into the system, which replaces the damaged compo‐

nent at the  me of the primary failure. In more complex  technical systems, the func ons of the defec ve part may  be taken by a different system component, with different  opera ng characteris cs, and thus with different reliability  characteris cs. Each of the components may have a diffe‐ rent durability, damage and reliability character, which is  described by the mathema cal models ‐ sta s cal distribu‐

ons,  and  par cularly  the  characteris cs  of  reliability,  which directly affect the reliability characteris cs of a tech‐ nical system they cons tute. 

The most commonly used mathema cal models of stu‐ dying the reliability of technical devices are distribu ons of  random variables: exponen al, Weibull, normal, logarithmo ‐normal,  normal  truncated  at  zero,  gamma,  binomial  (Bernoulli), Poisson, hypergeometric, geometric, and pro‐ cesses: Poisson, normal , Markov and semi‐Markov. Distri‐ bu ons are probabilis c models, and processes are stocha‐ s c models [1, 2, 3, 4, 5]. In further analysis the simplest  and the most common models are assumed: exponen al,  Weibull, normal, or logarytmo‐normal. 

Many years of field tests and databases available on  failure of components and technical equipment indicate  that specific distribu ons for their reliability characteris cs  can be a ributed to specific components and devices as  well as to the typical types of damage [6, 7, 8, 9] (Table 1).  Zbigniew MATUSZAK 

Mari me University of Szczecin  

Key words: technical (mechatronical) system, distribu ons of elements failure, distribu ons of failures of two‐element 

(2)

Z. MATUSZAK — Szczególne charakterystyki niezwodnościowe dwuelementowych równoległych systemów technicznych  

Up  me of the i‐th element is a random variable  with a  distribu on defined by the following characteris cs: 

reliability of the component 

probability density of the component up  me 

failure intensity of the component 

the expected up  me of the component 

In the next part the analysis of four distribu ons is given  as  an  example,  and  then  selected  characteris cs  of  reliability composi ons of elements of mechatronic devices  are presented. In the given examples, the presenta on is  limited to composi ons of distribu ons for two elements. 

CHARACTERISTICS OF THE ANALYZED RELIABILITY DISTRI‐

BUTIONS  

In the work below [10], par cular cases of distribu on  composi ons are analysed. 

Exponentialdistribution

Exponen al distribu on is useful for tes ng the reliabili‐ ty of such devices, which are the result of impact of shock  loads (so‐called discrete s muli). Exponen al distribu on  can be used to test the reliability of equipment and compo‐ nents if: 

 changes to the technical condi on and the resul ng  damage is irreversible, 

 the level of resistance (wear resistance) is constant,  which means no damage caused by aging (derived  from cumula ve extor on), 

 damage is the result of external or internal random  shock interac ons (discrete s muli). 

Up  me characteris cs (i=1,2,...,n) of a component are  as follows: 

 reliability of the component 

 failure intensity of the component 

the expected up  me of the component 

Weibulldistribution

Weibull distribu on describes the  me of normal opera‐ on of such devices, in which damage is independent, any  damage causes loss of equipment up  me, each unit con‐ sists of a sufficiently large number of homogeneous compo‐ nents. 

The element has a Weibull distribu on with the param‐ eters  (αi,βi)(i=1,2,…,n), when its characteris cs take  the 

form: 

reliability of the component 

probability density of the component up  me  

failure intensity of the component 

the expected up  me of the component 

A special case of Weibull distribu on is a Rayleigh distri‐ bu on in which the parameter αi=2. 

Normaldistribution

The normal distribu on is a model of reliability of any  technical object in which there are damages resul ng from  the aging process, including wear. This is to be used if a  described random variable depends on a number of phe‐ nomena and causes, none of which can be considered dom‐ inant. 

The component  τi up  me has a normal distribu on 

when the probability density has the form 

Table 1. 

Func ons of failure intensity of selected components and devices as well as typical types of damage 

Component, device  Distribu on of func ons 

of failure intensity  Type of damage 

Distribu on of func ons of 

failure intensity 

small rubber parts such as seals, diaphragms  Weibull  catastrophic  exponen al 

components and equipment damaged by external 

factors  exponen al  ageing  Weibull, gamma 

electronic elements  exponen al  very slow wear  exponen al 

devices with a dominant number of moving parts  Weibull  rapid wear  normal, logarithmo‐normal 

corrosive wear  gamma 

 

t

F(t),t ,i , ,...,n, P ) t ( Ri  i 1 i 0 12 (1)    , n ,..., , i , t , dt ) t ( dF ) t ( f i i  0 12 (2)   

,t ,i , ,...,n, ) t ( R ) t ( f ) t ( F ) t ( f ) t ( R ln dt d ) t ( i i i i i i 0 12 1        (3)   

 

R(t)dt,i , ,...,n. E Ti i i 12 0   

  (4)    , t, e ) t ( R t i i0   (5)    , t, e ) t ( f t i i i0  (6)    . const ) t ( i i    (7)   

 

. i E i T i    1  (8)   

t

,t , exp ) t ( R i i i   0   (9)   

t

,t , exp t ) t ( f i i i i i i 0 1   (10)    , t , t ) t ( i i i i 0 1     (11)   

 

,t . E T i i i i i 0 1 1  1                (12) 

(3)

Z. MATUSZAK — Szczególne charakterystyki niezwodnościowe dwuelementowych równoległych systemów technicznych  

and its distribu on func on 

where Ti is the expected up  me of a component and σi2 is 

its variance. 

The normal distribu on is defined for all tR, while the  random variable τi being the up  me of the element takes 

only nonnega ve values. One can put up with such an inad‐ equacy of the model, where the probabili es P{τi<0} are 

negligibly small, no larger than measurement errors.  In order to write simpler and more convenient up  me  characteris cs of the element with normal distribu on the  characteris cs of the normal distribu on N (0,1) probability  density has been used: 

and the distribu on func on 

One can then write the characteris cs of the system  components in the form: 

probability density of the component up  me  

reliability of the component  

failure intensity of the component  

In case one cannot accept the assump on that the  probabili es P{τi<0} are negligibly small, one should use the 

truncated normal distribu on, at which  me the fault‐free  opera on of the component takes only nonnega ve values  τi≥0 

In this case, the reliability characteris cs of elements has  the form: 

probability density of the component up me  

reliability of the component 

failure intensity of the component 

Logarithmo‐normaldistribution

Logarithmo‐normal distribu on in reliability theory on  the basis of the  empirical research characterizes metal  components safe fa gue life, the strength of metals sub‐ jected to prolonged opera on stress, as well as electronic  components up  me. 

The component τi up  me has logarithmo‐normal distri‐

bu on when the random variable Y=lnτi  is normally distrib‐

uted withthe parameters N(Ti,σi) . Using the probability 

density and distribu on func on of the normal distribu on  N(0,1) component reliability characteris cs of logaithmo‐ normal distribu on can be wri en as: 

probability density of the component up  me 

reliability of the component 

failure intensity of the component 

the expected up  me of the component 

CHARACTERISTICS OF THE DISTRIBUTIONS OF TWO‐

ELEMENT PARALLEL TECHNICAL SYSTEMS  

Here the analysis of n‐element system with a parallel  reliability structure is presented. The same designa ons,  which have been defined in the previous sec on, will be  used. Since the elements are independent, and the system   

, t , T t exp ) t ( f i i i i              2 2 2 2 1    (13)    , t , dx ) T x ( exp ) t ( F t i i i i           

  2 2 2 2 1    (14)    , R t , t exp ) t ( f          2 2 1 2 0  (15)   

           t exp x dx,t R. ) t ( F 2 2 1 2 0  (16)    , R t , T t f ) t ( f i i i i         

0 1 (17)             i i i T t F ) t ( R  0 1 (18)                            i i i i i i T t F T t f ) t (     0 0 1 (19)    , t , T F T t f T F T t f ) t ( f i i i i i i i i i i i 0 1 1 0 0 0 0                                      (20)                                                          i i i i i i i i i i i i i i i T F t T F T F T t F T F T F T t F ) t ( R        0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 (21)    . t , t T F T t f T t F T t f ) t ( i i i i i i i i i i i 0 1 0 0 0 0                                                (22)   

, t , T t ln f t T t ln exp t ) t ( f i i i i i i i 0 1 2 2 1 0 2 2                         (23)    , t ln T F T t ln F ) t ( R i i i i i                    0 0 1 (24)   

 

 

, F f ) t ( i t ln i T i i T t ln i t i       0 0 2 1 (25)   

 

2

2 i i i expT E   (26) 

(4)

Z. MATUSZAK — Szczególne charakterystyki niezwodnościowe dwuelementowych równoległych systemów technicznych   is working flawlessly un l the damage of all the compo‐

nents: 

 the up  me distribu on is 

   the system reliability 

   probability density of the system up  me  

  Failure intensity of the system has the form 

  The expected up  me of the system with parallel reliability  structure is 

  The equa on (31) shows that it is rarely possible to cal‐ culate the expected up  me of the system in the explicit  form. Even for simple distribu ons the expected up  me of  the system is quite complicated. In a par cular case, all  components of the system have the same up  me distribu‐

ons. This happens usually when several components per‐ form one and the same func on. 

To perform it one component is sufficient, therefore,  the remaining elements are hot reserving and in that case  o en Fi(t)=F1(t) for i=1,2,…,n. . Then for a system with a 

parallel structure consis ng of iden cal components relia‐ bility characteris cs have the form: 

the distribu on func on of the system up  me 

  the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

  the expected up  me of the system  

  The following reliability characteris cs of systems with a  parallel two‐element structure and different types of com‐ ponents up  me distribu ons have been determined. The  order of components is arbitrary, it does not ma er for the  dependence.  

The first component has the up  me of the exponen al  distribu on with the parameter λ, and the second – of the  Weibull distribu on with the parameters (α,β). Reliability  characteris cs of the system take the form: 

the distribu on func on of the system up  me 

  the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

  The first component has the up  me of the exponen al  distribu on with the parameter λ, and the second – of the  Weibull distribu on with the parameters (T,σ). Reliability  characteris cs of the system take the form: 

the distribu on func on of the system up  me    the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

  The first component has the up  me of the exponen al  distribu on with the parameter λ, and the second – of the  logarithmo‐normal distribu on with the parameters (T,σ).  Reliability characteris cs of the system take the form: 

the distribu on func on of the system up  me 

   

  

        n i i n t F(t), ,..., t , t P t P ) t ( F 1 2 1     (27)   

   n i i(t), F ) t ( R 1 1 (28)   

 

   n i i j j j i(t) F(t), f ) t ( f 1 1 (29)   

      n i i n i i j j j i ) t ( F ) t ( F ) t ( f ) t ( 1 1 1 1  (30)   

 

        0 1 1 F(t) dt E T n i i  (31)    , ) t ( F ) t ( F  1n (32)   

R(t)

, ) t ( F ) t ( R 1 1n 11 1 n (33)    , ) t ( F ) t ( nf ) t ( f 1 1n1   (34)    , ) t ( F ) t ( F ) t ( nf ) t ( n n 1 1 1 1 1    (35)   

 



 0 1 1 F (t)dt E Tn (36)   

e

e

t, , ) t ( F t t 0 1 1      (37)   

e

e

e e e , ) t ( R    t  t  t  t  (tt) 1 1 1 (38)   

t

e , e t e e e t e e ) t ( f ) t t ( t t t t t t                                          1 1 1 1 1 (39)   

, e e e e t e t e ) t ( ) t t ( t t ) t t ( t t                                   1 1 (40)   

 

 t t T F e ) t ( F 1  0  (41)   

e

F( ), ) t ( R t t T       1 1 0 (42)   

e

f ( ), ) ( F e ) t ( f t tT t tT     

     0 1 0 1 (43)   

e

F ( ) ) ( f e ) ( F e ) t ( T t t T t t T t t                  0 0 1 0 1 1 1 (44)   

e

F( )t, , ) t ( F t lntT 0 1 0       (45) 

(5)

Z. MATUSZAK — Szczególne charakterystyki niezwodnościowe dwuelementowych równoległych systemów technicznych   the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

  The first component has the up  me of the Weibull dis‐ tribu on with the parameter (α,β), and the second – of the  normal distribu on with the parameters (T,σ). Reliability  characteris cs of the system take the form: 

the distribu on func on of the system up  me 

  the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

  The first component has the up  me of the Weibull dis‐ tribu on with the parameter (α,β), and the second – of the  logarithmo‐normal distribu on with the parameters   (T,σ).  Reliability characteris cs of the system take the form: 

the distribu on func on of the system up  me 

  the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

  The first component has the up  me of the normal dis‐ tribu on with the parameter (T1,σ1), and the second – of 

the logarithmo‐normal  distribu on  with the parameters  (T2,σ2). Reliability characteris cs of the system take the 

form: 

the distribu on func on of the system up  me 

  the system reliability 

  probability density of the system up  me  

  failure intensity of the system  

 

CONCLUDING REMARKS 

In technical systems, par cularly in mechatronic sys‐ tems, reserving the system components is popular. In the  presented material specific examples of components re‐ serving are shown, when the components are not reserved  by the objects of the same type, with the same characteris‐

cs of reliability, but when the func onal reserving by a  different component with a different reliability characteris‐

cs is used. In case of reserving by the same components  with the same failure distribu ons, the analysis of reliability  characteris cs is rela vely simple and defined by the de‐ pendences (32)¸(35). In other cases it is complex. 

REFERENCES 

[1]  Prażewska M. (ed.): Niezawodność urządzeń elektro‐ nicznych. WKiŁ. Warszawa 1987. 

[2]  Rausand M., Høyland A.: System Reliability Theory:  Models, Sta s cal Methods, and Applica ons. Second  edi on. Interscience. New Jersey: Wiley 2004. 

[3]  Saleh  J.  H., Marais K.: Reliability: How much  is it  worth? Beyond its es ma on or predic on, the (net)  present value of reliability. Reliability Engineering and  System Safety. Vol. 91, 2006, pp. 665–673. 

[4]  Sotskow B.S.: Niezawodność elementów i urządzeń  automatyki. WNT. Warszawa 1973. 

[5]  Ważyńska‐Fiok K., Jaźwiński J.: Niezawodność syste‐ mów technicznych. PWN. Warszawa 1990. 

[6]  Matuszak Z.: Charakterystyki niezawodnościowe wie‐ loelementowych struktur mieszanych i odnawialnych.  Collec on of research papers of the Bal c Associa on  of Mechanical Engineering Experts No 4, Mechanical  Engineering of  the  Bal c Region. Kaliningrad State  Technical University. Kaliningrad 2004, pp. 146‐148.  [7]  Matuszak Z.: Charakterystyki niezawodnościowe kilku‐

elementowych systemów technicznych o strukturze  szeregowej i równoległej o różnych rozkładach czasów  zdatności. Collec on of research papers of the Bal c  Associa on of Mechanical Engineering Experts No 4,  Mechanical Engineering of the Bal c Region. Kalinin‐ grad State Technical University. Kaliningrad 2004, pp.  149‐153.   

e

F( ), ) t ( R t lntT       1 1 0 (46)   

e

f ( ), ) ( F e ) t ( f t lntT t T t ln t     

     0 1 0 1 (47)   

       T t ln t T t ln t t T t ln t F e ) ( f e ) ( F e ) t (          0 0 1 0 1 1 1 (48)   

e

F( ),t , ) t ( F t t T 0 1 0        (49)   

e

F ( ), ) t ( R t t T        1 1 0 (50)   

e

f ( ), ) ( F e t ) t ( f t t T t t T                1 0 0 1 1 (51)   

 

             T t t T t t T t t F e ) ( f e ) ( F e t ) t (             0 0 1 0 1 1 1 1 (52)   

e

F ( ),t , ) t ( F t lnt T 0 1 0        (53)   

e

F ( ),t , ) t ( R t lnt T 0 1 1  0        (54)   

e

f ( ), ) ( F e t ) t ( f t lnt T t T t ln t                0 1 0 1 1 (55)   

            T t ln t T t ln t t T t ln t F e ) ( f e ) ( F e t ) t (             0 0 1 0 1 1 1 1 (56)   

   

F

,

t

,

F

)

t

(

F

t T lnt2T2

0

0 1 1 0

    (57)   

   

F

,

t

,

F

)

t

(

R

1

t T lnt T

0

2 2 0 1 1 0

    (58)   

   

   

22 0 1 1 0 2 1 2 2 0 1 1 0 1 1       t t T lnt T T t ln T t

f

F

F

f

)

t

(

f

 

  (59)   

   

   

   

2 2 0 1 1 0 2 2 0 1 1 0 2 1 2 2 0 1 1 0 1 1 1      

tT lntT T t ln T t t T t ln T t F F f F F f ) t (        (60) 

(6)

Z. MATUSZAK — Szczególne charakterystyki niezwodnościowe dwuelementowych równoległych systemów technicznych   [8]  Matuszak Z.: Selected safety models of elements and 

systems in the engine room. Interna onal Scien fic  Journal „Problems Of Applied Mechanics”. Georgian  Commi ee of Interna onal Federa on for the Ma‐ chines and Mechanics. Tbilisi 2004, No 1(14), 2004, pp.  30‐39.  

[9]  Nowakowski T.: Bazy wiedzy w badaniach niezawod‐ ności  maszyn.  Materiały  Konferencji  Naukowej 

"Metody doświadczalne w budowie i eksploatacji ma‐ szyn roboczych, technologicznych oraz środków trans‐ portu". Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej. Wro‐ cław‐Szklarska Poręba 1993, s. 219‐225. 

[10]  Matuszak Z.: Szczególne charakterystyki niezawodno‐ ściowe  szeregowych  systemów  mechatronicznych.  Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządza‐ nia Wiedzą. Nr 45, 2011, s. 176‐190.  

dr hab. inż. Zbigniew Matuszak, prof AM  Mari me University of Szczecin 

Faculty of Mechanical Engineering   Ins tute of Ship Power Plant Opera on 

ul. Wały Chrobrego 1‐2, 70‐500 Szczecin, POLAND  e‐mail: [email protected] 

References

Related documents

(2007) start from the Euler equation and examine the pricing kernel when the intra- period utility function has a constant elasticity of substitution (CES) form, which is

Read the text and decide which word fits each space best.. Choose the correct answer, A, B, C,

Comparing both information model (Figure 5.1) and (Figure 5.2) shows that although produc- tion plant A uses different information systems in the manufacturing preparation of an

Defendants for violating the automatic stay and the Fair Debt Collection Practices Act, and seeks an order directing the Defendants to assert their claims and defenses against

For medical or personal situations lasting more than three calendar days, and/or for missed academic work worth 25% or more of the final grade, and/or for any request for

Skin Contact A single exposure may cause the following adverse effects: Pain.. Eye contact Irritating

[r]

The effect of assumed variation in spanwise wavelength, unit Reynolds number of the base flow, and the wall temperature on the maximum value of the optimal mean energy gain G opt..