Luotettavuustekniikka on suunnittelumenetelmä, jolla pyritään varmistamaan suunniteltavan koneen ja järjestelmän luotettavuus (toimintavarmuus), kun konetta käytetään määritetyllä tavalla. Luottavuustekniikan menetelmillä käsitellään järjestelmän koko käyttöikää sisältäen kehityksen, testauksen, valmistuksen ja käytön. Kiteytettynä luotettavuus voidaan nähdä tuotteen/asian koko elinkaaren aikaisena laatuna.
Luotettavuustekniikka on alkanut kehittyä jo 1930-luvulla tilastollisen laadunvalvonnan myötä. 1940-luvulla Robert Lusser on esittänyt luotettavuuslaskennan perusväittämän:
Useista osista koostuvan järjestelmän luotettavuus on osien luotettavuuksien tulo,
mistä seuraa, että järjestelmän luotettavuus on pienempi kuin sen heikoimman osan luotettavuus.
Suomessa luotettavuustekniikka sai alkunsa ydinvoimalaitosten suunnittelun alkaessa. Voimayhtiöt ovat vieläkin luotettavuustekniikan suurimpia käyttäjiä. Tarve luotettavuustekniikan soveltamiseen tulee usein viranomaisvaatimuksista, tuoteturvallisuusvaatimuksista tai keskeytysvakuutusten ehdoista.
Luotettavuuden perusteita Luotettavuus voidaan määrittää monella tavalla: Toimintaidean kantavuus ajan suhteen Koneen, tuotteen tai järjestelmän kapasiteetti toimia kuten suunniteltu Koneen tai tuotteen vikautumattomuus Koneen tai tuotteen kyky suoriutua vaadituista toiminnoista määrätyissä olosuhteissa suunnitellun ajanjakson Todennäköisyys että toiminnallinen yksikkö suoriutuu vaadituista toiminnoista määrätyissä olosuhteissa suunnitellun ajanjakson
Luotettavuustekniikka perustuu tilastotieteeseen, todennäköisyysteoriaan ja luotettavuusteoriaan. Luotettavuustekniikassa käytetään useita suunnittelumenetelmiä, kuten laskennallinen luotettavuus, Weibull-jakauma, lämpöoppi, luotettavuustestaus ja nopeutettu käyttöikätestaus. Menetelmien kirjon ja kalleuden vuoksi suunnitteluprojekteissa määritetään usein etukäteen menettely, miten luotettavuus kyseisessä tapauksessa varmistetaan ja todennetaan.
Luotettavuustekniikan soveltamisen tavoitteena on kehittää vaatimukset suunniteltavan järjestelmän luotettavuudelle, käynnistää niitä vastaava luotettavuussuunnittelu, suorittaa siinä vaadittavat analyysit, jotta varmistetaan koneen tai tuotteen vaatimusten mukainen luotettavuus. Luotettavuustekniikka on läheisessä suhteessa huollettavuussuunnitteluun ja logistiikkaan. Myös muiden alojen, kuten turvatekniikan ongelmia voidaan lähestyä luotettavuustekniikan keinoin.
Luotettavuusteoria Luotettavuusteoria on luotettavuustekniikan perusta. Suunnittelua varten luotettavuus määritellään seuraavasti:
Todennäköisyys, että järjestelmä suoriutuu suunnitelluista toiminnoista halutun ajan määritellyissä olosuhteissa.
Matemaattisesti tämä ilmaistaan:
,
Missä on vikaantumisen todennäköisyysjakauma.
Luotettavuustekniikassa keskitytään tämän määrittelyn neljään tärkeimpään kohtaan:
Ensimmäiseksi, luotettavuus on todennäköisyys. Tämä tarkoittaa, että aina on jonkinlainen vikaantumisen mahdollisuus. Luotettavuustekniikassa yritetään saavuttaa haluttu todennäköisyys onnistumiselle määrätyllä tilastollisella luotettavuustasolla. Toiseksi, luotettavuus määräytyy "tavoitefunktiosta". Yleisesti, tätä käytetään keskimääräisenä vikaantumattomana käyttöaikana. Kuitenkin, vaikka mikään yksittäinen järjestelmän osa ei vikaantuisikaan, mutta järjestelmä kokonaisuudessa ei pysty haluttuun toimintaan, niin tämäkin sisältyy järjestelmän luotettavuuteen. Järjestelmälle asetetut vaatimukset toimii vertailukohtana, johon mitattua luottavuutta verrataan. Kolmanneksi, luotettavuutta tarkastellaan suunnitellulla ajanjaksolla. Käytännössä tämä tarkoittaa, että järjestelmällä määrätty todennäköisyys toimia vikaantumatta ajan . Luotettavuusteknisellä tarkastelulla varmistetaan, että komponenttien ja materiaalien ominaisuudet pysyvät määritellyissä arvoissa suunnitellun ajan. Muitakin käyttöiän laskentatapoja käytetään. Autoteollisuus voi määrittää luotettavuuden ajokilometreissä ja tuliaseen käyttöikä voidaan määrittää ampumakertoina. Mekaanisen laitteen luotettavuutta voidaan arvioida käyttökerroissa. Neljänneksi, luotettavuus rajoittuu käyttöön määrätyissä olosuhteissa. Tämä rajoitus on välttämätön, koska on mahdotonta suunnitella järjestelmä kaikkiin mahdollisiin olosuhteisiin. Mars-ajoneuvolle on määritelty eri olosuhteet kuin perheautolle. Käyttöympäristö valitaan suunnittelun ja testauksen aikana.
Luotettavuussuunnitelma ja sen laajuuden valinta Luotettavuuden saavuttamiseksi voidaan hyödyntää useita toimenpiteitä, menetelmiä ja työkaluja. Jokainen järjestelmä edellyttää erilaista luotettavuuden tasoa. Matkustajalentokonetta käytetään hyvin erilaisissa olosuhteissa ja kaikki onnettomuudet ovat vakavia, mutta vastaavasti sen suunnitteluun varataan suurempi budjetti. Kynänteroitin voi olla luotettavampi kuin matkustajalentokone, mutta kynänteroittimen käyttöolosuhteet ovat hyvin erilaiset ja ongelmat sen toimimattomuudesta ovat vähäisiä, joten sen suunnitteluun tarvitsee panostaa vähemmän.
Luotettavuussuunnitelmaa käytetään määrittämään tarkasti, mitä toimenpiteitä, menetelmiä, työkaluja, analyysejä ja testejä vaaditaan tietylle järjestelmälle. Monimutkaiselle järjestelmälle se on erillinen dokumentti. Yksinkertaisille järjestelmille se voidaan yhdistää tuotekehityssuunnitelman määrittelyyn. Luotettavuussuunnitelma on oleellinen onnistuneelle luotettavuuden kehitysohjelmalle ja se on laadittava tuotekehityksen alkuvaiheessa. Se ei määritä ainoastaan, mitä luotettavuudesta vastaava suunnittelija tekee, vaan myös muiden suunnittelijoiden työtä.
Vaatimukset toimintavarmuudelle Yksi ensimmäisistä tehtävistä luotettavuuden suunnittelussa mille tahansa järjestelmälle on riittävän tarkasti yksilöidä luotettavuudelle asetetut vaatimukset. Luotettavuussuunnitelma koskee itse järjestelmää, sen testauksen ja arvioinnin vaatimuksia ja näihin liittyviä tehtäviä ja dokumentteja. Luotettavuussuunnitelma ja -vaatimukset sisällytetään koko järjestelmän ja sen osakokoonpanojen määrityksiin, testaussuunnitelmiin ja alihankintasopimuksiin.
Järjestelmän luotettavuuden muuttujat Vaatimukset eritellään käyttämällä luotettavuutta kuvaavia muuttujia. Yleisin luotettavuutta kuvaava muuttuja on MTBF (Mean Time Between Failure), mikä voidaan määrittää vikataajuudeksi tai vikojen määräksi annetussa ajassa. Nämä muuttujat ovat hyvin käyttökelpoisia järjestelmille, joita käytetään säännöllisesti, kuten ajoneuvot, koneistot ja elektroniset laitteet. Luotettavuus kasvaa kun MTBF kasvaa. MTBF voidaan ajan sijasta kuvata myös työsyklien määrällä tai ajokilometreillä.
Joissakin tapauksissa luotettavuus määritetään toiminnon onnistumisen todennäköisyydellä. Esimerkiksi aikataulutetun liikelennon luotettavuus voidaan määrittää todennäköisyyden vertailulukuna tai prosentteina.
Erikoistapaus toimintavarmuudelle on kertakäyttöiset laitteet tai järjestelmät, jotka ovat olemassa varalla ja joita käytetään vain kerran. Esimerkkeinä ovat autojen turvatyynyt, paristot ja ohjukset. Kertakäyttöisten laitteiden luotettavuus määritetään toiminnan onnistumisen todennäköisyytenä tai liitetään läheisiin muuttujiin. Kertakäyttöisen ohjuksen luotettavuus voidaan liittää vaatimuksiin todennäköisestä osumasta.
Järjestelmätason vaatimusten lisäksi luotettavuussuunnitelma voidaan laatia käytön kannalta kriittisille osille. Kaikissa tapauksissa luotettavuuden muuttujat kuvaavat vastaavaa tilastollista luottavuusväliä.
Luotettavuuden mallintaminen Luotettavuuden mallintaminen prosessi, jolla pyritään ennustamaan tai ymmärtämään osan luotettavuus. Tähän tutkimukseen käytetään yleisesti kahta erillistä menettelyä:
Vauriomekanismin mukainen lähestymistapa johon sisältyy esimerkiksi säröjen kasvu tai kemiallinen korroosio. Jännitysten mallintaminen on empiirinen menetelmä, jossa luetteloidaan ja luokitellaan järjestelmän osat ja jännitykset, jotka näihin osiin kohdistuu käytön aikana.
Järjestelmille, joilla on selkeästi määritetty vikaantumisväli (tätä tietoa ei aina anneta järjestelmille, joiden muuttujat eivät ole vakioita), empiirinen tiheysfunktio vikaantumisväli voidaan näistä laskea. Tämä tehdään yleisesti nopeutetussa käyttökokeessa lisäämällä kuormitusta. Nämä kokeet voidaan jakaa kahteen ryhmään:
Varhaisessa vikaantumisasteen tutkimuksessa määritetään laskeva vikaantumisaste S-käyrän alkuosalla. Tässä tarvitaan yleensä vain kohtuullisia kuormituksia. Osaa kuormitetaan vain rajoitetun ajan. Tämän vuoksi vain osa varhaisten vaurioiden esiintymisestä voidaan mitata.
Niin sanotussa ainetta rikkomattomassa testissä saadaan selville vain rajoitetusti tietoa vikojen esiintymisestä. Tässä kokeessa kuormitus, kuormitusaika tai otoksen suuruus on niin alhainen, että yksittäistä vikaantumista ei esiinny. Riittämättömän otoksen koon vuoksi vain yläraja varhaiselle vikaantumisella saadaan määritettyä. Kaikki arvot, jotka eivät johda vikaantumiseen näyttävät asiakkaista hyviltä.
Kun halutaan selvittää materiaalin luontainen murtumisherkkyys, mikä on usein materiaaliominaisuus, suuremmat kuormitukset ovat tarpeen, jotta saadaan aikaan murtuma järkevässä ajassa. Sopivasti nopeutetun koemallin löytämiseksi joudutaan testaamaan useilla kuormituksilla. Empiirinen vikajakautuma kuvataan usein Weibull-jakautumalla tai logaritmisella normaalijakautumalla.
On yleinen käytäntö kuvata varhainen vikaantumisaste eksponentiaalisella jakaumalla. Tällä yksinkertaisella mallilla on vain yksi parametri: kiinteä vikaantumisaste. Näissä tapauksissa voidaan käyttää khii toiseen -jakaumaa vikaantumisasteen sovitukseen. Verrattuna malliin laskevasta vikaantumisasteesta, tämä laskenta on varsin pessimistinen. Yhdistettynä nollavirhe kokeeseen tästä tulee vielä pessimistisempi. Tämän mallin käyttö laskee suuresti työmääriä, koska ei tarvitse määrittää mallille toista parametria (esimerkiksi Weibull-jakautuman muotoparametria tai sen luotettavuusväliä vaikka käyttämällä suurimman uskottavuuden estimointia - ja otoksen suuruus on paljon pienempi.
Vaatimukset luotettavuuden testaamiselle Koska luotettavuus on todennäköisyys, niin hyvin luotettavatkin järjestelmät voivat vikaantua. Kuitenkin luotettavuuden testaus on useista syistä ongelmallista. Yksittäinen koe on riittämätön tuottamaan riittävää tilastollista tietoa. Kokeiden toistaminen tai pitkäaikaiset testit ovat tavallisesti hyvin kalliita. Jotkut testit ovat yksinkertaisesti toteutuskelvottomia. Luotettavuustekniikan avulla suunnitellaan realistinen ja kohtuuhintainen testiohjelma, joka tuottaa riittävästi aineistoa osoittamaan laitteiston saavuttavan luotettavuudelle asetut tavoitteet. Tilastollinen vikaantumisväli on yksi keino tähän. Esimerkiksi, jos MTBF-vaatimuksena 1000 tuntia 90% varmuustasolla, niin tämän määrittelyn pohjalta luotettavuustekniikan avulla voidaan suunnitella testi, jolla on yksiselitteiset kriteerit testausajalle ja vikojen määrälle kunnes vaatimus on täytetty tai järjestelmä ei saavuta niitä.
Luotettavuuden muuttujien arvojen ja varmuustason yhdistäminen vaikuttaa suuresti kehityskustannuksiin ja riskiin niin järjestelmien käyttäjille kuin valmistajille. Vaatimusten kokoamisessa täytyy olla huolellinen parhaan tuloksen saavuttamiseksi. Luotettavuutta voidaan testata järjestelmän, osakokoonpanojen ja osien tasolla. Myös monia testiin vaikuttavia tekijöitä, kuten äärimmäiset lämpötilat, kosteus, iskut, tärinät ja kuumuus ovat käytettävissä. Luotettavuustekniikalla määritetään tehokas testausmenetelmä siten, että kaikki osat kokevat tarkoituksenmukaiset olosuhteet. Järjestelmille, joiden täytyy kestää useita vuosia, luotettavuuden testauksessa voidaan käyttää nopeutettuja käyttöikätestejä.
Luotettavuussuunnitelman tehtäväsisältö