La fiabilité
La fiabilité. I ? Introduction : La fiabilité est l'une des composantes essentielles de
la qualité d'un produit et elle est retenue en tant que critère fondamental pour ...
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La fiabilité
I Introduction :
La fiabilité est lune des composantes essentielles de la qualité dun produit et elle est retenue en tant que critère fondamental pour leur élaboration. Elle est prise en considération dés le stade de la conception.
La fiabilité est la caractéristique dun dispositif exprimée par la probabilité que ce dispositif accomplisse une fonction requise dans des conditions dutilisation et pour une période de temps déterminées.
II Généralités :
La fiabilité est la science des défaillances basée sur lexpérience. Elle est indissociable de la qualité.
Plus une machine est constituée dun nombre important de composants plus la fiabilité de cette dernière à tendance à diminuer. Lorsque les composants sont trop nombreux ou trop complexes, il arrive fréquemment un moment où la maîtrise de la fiabilité nest plus possible et lhypothèse dune défaillance très probable.
Un ensemble composé de pièces de très haute qualité ne garantie pas nécessairement une grande fiabilité après assemblage ( les interactions qui se produisent entre les composants diminuent la capacité de lensemble ).
De même, une grande fiabilité sous certaines conditions ne garantie pas forcément une grande fiabilité sous dautres conditions.
La meilleure connaissance de la fiabilité provient de lanalyse des défaillances lorsque les produits sont en service. Cest le service de maintenance qui est chargé de collecter les données qui permettront détablir des lois statistiques sur une population importante et sur un temps long.
Remarques : La non-fiabilité dun produit ou dun bien augmente les coûts de laprès vente
( application des garanties, frais judiciaires, etc
). Construire plus fiable augmente les coûts de conception et de production. Le coût total du produit prendra en compte ces deux tendances.
La courbe ci-dessous illustre ces remarques.
III Définition de la fiabilité R :
Comme nous lavons vu précédemment, la fiabilité " R " est la probabilité qua un bien ( produit ou système ) à accomplir, de manière satisfaisante, une fonction requise, sous des conditions données et pendant une période de temps donné.
Exemple : La fiabilité dun roulement de broche pendant 20 000 heures de fonctionnemnt est égale à 0.9 signifie :
Quil y a 90 chance sur 100 PROBABILITE
pour que le roulement fonctionne sans signe dusure FONCTION REQUISE
pendant 20000 heures TEMPS DONNE
à une fréquence de rotation moyenne de 1500 tr/min CONDITIONS DONNEES
Rappel :
Probabilité : Cest une quantité indiquant, sous forme de fraction ou de pourcentage, le nombre de fois ou de chances quun événement à a ce produire sur un nombre total dessais ou de tentative.
Remarque 1 : R est toujours compris entre 0 et 1.
Par exemple, une fiabilité R = 0.92 après 1000 heures signifie que le produit a 92 chances sur 100 ( 92 % de chances ) de fonctionner correctement pendant les 1000 premières heures.
Remarque 2 : Pour des produits identiques, fonctionnant dans les mêmes conditions, les défaillances peuvent se produirent à des moments différents. La répartition des défaillances au cours du temps est le plus souvent décrite à partir de lois statistiques ( loi normale, loi log normale, loi de Poisson, loi exponentielle, loi de Weibull).
De manière satisfaisante : Cette propriété suppose que des critères précis ( fonctions de service, etc
) et spécifiques soient établis pour définir et décrire ce qui peut être considéré comme satisfaisant.
En un temps donné : Dans les études de fiabilité, le temps est la mesure ou la variable de référence permettant dévaluer les performances et destimer les probabilités : probabilités ou chance de survie sans défaillance pendant une période de temps donnée.
Sous des conditions données : Regroupe lensemble des paramètres décrivant lenvironnement du produit et ses conditions dutilisation : mode opératoire, procédures de stockage et de transport, lieux géographiques, cycles des températures, humidité, vibrations, chocs, etc
IV Indicateurs de fiabilité ( et MTBF :
( et la MTBF sont les deux principaux indicateurs de la fiabilité utilisés industriellement.
A ) Taux de défaillance ( :
Définition : ( représente le taux de défaillance ou le taux davarie.
Il caractérise la vitesse de variation de la fiabilité au cours du temps.
Pour une période de travail donnée, durée totale en service actif :
Remarque :
La durée de bon fonctionnement = la durée totale en service la durée des défaillances
Les unités utilisées sont : le nombre de défaillances par heures, le pourcentage de défaillances pour 1000 heures, etc
Par exemple, un produit ayant 10-7 ( ( ( 10-5 pour 1000 heures ( ou 10-4 ( ( ( 10-2 par heure ) présente un bon niveau commercial de fiabilité.
La durée de bon fonctionnement, cest la période de temps pendant laquelle le dispositif, en activité ou en service, est exposé à des défaillances.
Exercice 1 :
Supposons 8 composants identiques testés sur une durée de 550 heures dans les mêmes conditions. Le 1er composant tombe en panne, de manière irréparable, après 65 heures de fonctionnement, le 2ème après 115 heures, le 3 ème après 135 heures, le 4 ème après 340 heures le 5 ème après 535 heures, les trois autres composants continuent de fonctionner normalement.
Calculer ( :
( = = =
Exercice 2 :
Considérons une machine automatisée fonctionnant pendant un cycle opératoire de 155 heures. Pendant cette période, le système subit 5 défaillances à des moments différents, suivies dune réparation, puis dune remise en activité. Les durées respectives des défaillances sont 2,5 heures ; 8,3 heures ; 3,7 heures ; 1,8 heure et 7,5 heures.
Calculer ( :
( = = =
Allures typiques du graphe ((t) en fonction du temps t
En pratique, le taux de pannes ( peut être constant, mais aussi croissant ou décroissant au cours du temps, avec changement graduel, sans discontinuités.
Pour la majorité des produits industriels, les variations de ((t) au cours du temps ( courbes dites en baignoire (figures ci-dessous ) présentent trois zones typiques.
Zone 1 : Période de défaillance précoce ( ou période de jeunesse ) : cest le début de la vie du produit et les défaillances sont dites " de jeunesse " ( composant neufs présentant des défauts de fabrication
). Le taux de défaillance ( décroît rapidement au cours du temps. Prévention possible : déverminage, rodage, contrôles et tests renforcés avant livraison, etc. Ce type de défaillance peut être décrite par la loi de Weibull.
Zone 2 : Période de défaillance à taux constant ( ou sensiblement constant ) : cest la zone de maturité ou de pleine activité du produit pour laquelle le taux de défaillance ( est sensiblement constant. Cest également le domaine des défaillances imprévisibles se produisant de façon aléatoire. En étude de probabilité, la loi de fiabilité adaptée à cette zone est la distribution exponentielle, forme R = e -(.t . Le phénomène darrivée des pannes dans le temps est dit " poissonnien " ou encore appelé " processus de Poisson ".
Zone 3 : Période de défaillance par vieillissement : Cest la période de fin de vie du produit caractérisée par des défaillances dues à lâge ou à lusure des composants.
Le taux de défaillance ( croît rapidement avec le temps, du fait de la dégradation du matériel
( usures mécaniques, phénomènes de fatigue, dérive des composants électroniques,
)
Les lois de fiabilité adaptées à cette zone sont : loi normale, gamma, log normal, Weibull.
B ) La MTBF ou moyenne des temps de bon fonctionnement :
Définition : La MTBF ( qui vient de langlais Mean Time Before Failure ) représente la moyenne des temps de bon fonctionnement entre deux défaillances dun système réparable ou le temps moyen entre défaillances.
Remarques :
Si ( est constant la MTBF = 1 / ( ( ( taux de défaillance ramené à lunité de temps )
Exemple : Un compresseur industriel a fonctionné pendant 8000 heures en service continu avec 5 pannes dont les durées respectives sont : 7 ; 22 ; 8.5 ; 3.5 et 9 heures. Déterminer sa MTBF.
MTBF = = = =
Si ( est supposé constant :
( = = =
Conclusion :
V La fiabilité dun système constitué de plusieurs composants montés en série :
R(s) représente la fiabilité dun ensemble de "n" composants montés en série.
La fiabilité R(s) dun ensemble de "n" composants A, B, C ,
, n montés ou connectés en série est égale au produit des fiabilités respectives RA, RB, RC,
, Rn de chacun des composants.
On a donc :
Nota 1 : Si les "n" composants sont identiques avec une même fiabilité R la formule sera la suivante :
Nota 2 : Si les taux de défaillances sont constants au cours du temps la fiabilité sera calculée suivant la formule :
Avec :
Si en plus, les composants sont identiques : (A = (B = (C =
= (n = (
Alors :
VII La fiabilité dun système constitué de composants montés en parallèle :
La fiabilité dun système peut être augmentée en plaçant des composants ( identiques ou non ) en parallèle. Un dispositif, constitué de "n" composants en parallèle, ne peut tomber en panne que si les "n" composants tombent tous en panne au même moment.
Soit les "n" composants de la figure ci-dessous montés en parallèle. Si la probabilité de panne pour chaque composant repéré (i) est notée Fi , alors :
La probabilité de pannes F(s) de lensemble des "n" composants en parallèle est égal au produit des Fi entre eux :
La fiabilité R(s) de lensemble est donnée par la relation :
Nota : Si les "n" composants sont identiques ( R = R1 = R2 =
= Rn ) et ont tous la même fiabilité R, lexpression devient :
Fiabilité R
Coûts
Coût total
Coûts de conception et de production
Coûts après vente
Nombre total de défaillances pendant le service
Durée total de bon fonctionnement
( =
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MTBF =
Somme des temps de bon fonctionnement entre les n défaillances
Nombre des temps de bon fonctionnement
0
( ( t ) : taux de défaillance
Zone 1
Zone 2
Zone 3
Défaillance
de jeunesse
Défaillance de maturité = ( constant
Défaillance
dusure
Temps ( t )
Temps ( t )
Cette courbe est typique des équipements mécaniques ou électromécaniques
Cette courbe est typique des équipements électroniques
A
RA et (A
Zone 3
Zone 2
Zone 1
( ( t ) : taux de défaillance
0
B
RB et (B
C
RC et (C
n
Rn et (n
Entrée
Sortie
R(s) = RA x RB x RC x
x Rn
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R(s) = Rn
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R(s) = ( e-(A. t ) x ( e-(B. t ) x ( e-(C. t ) x
x ( e-(n. t )
MTBFs = 1
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(A + (B + (C +
+ (n
MTBFs = 1
n . (
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R(s) = e- n( x t
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A
B
i
n
Entrée
Sortie
Fi représentant la fiabilité associée.
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Fi = 1 -Ri
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F(s) = F1 X F2 X Fn = ( 1 R1 ) x ( 1-R2 ) x
x ( 1-Rn )
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R(s) = 1 ( 1 R1 ) x ( 1 - R2 ) x
x ( 1 Rn )
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R(s) = 1 ( 1 R )n
