background image

część 2

1

Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ram ach Europejskiego Funduszu Społecznego

Eksploatacja urządzeń 

mechatronicznych

Część 2: Modele matematyczne

niezawodności  wyrobów

Matematyczne ujecie 

niezawodności

Charakterystyki  funkcyjne

Charakterystyki  liczbowe

Charakterystyki funkcyjne

Funkcja niezawodności wyrobu
Dystrybuanta rozkładu zmiennej losowej t
Gęstość prawdopodobieństwa  zmiennej losowej t
Intensywność uszkodzeń  wyrobu
Funkcja wiodąca

Charakterystyki  funkcyjne

Charakterystyki  liczbowe

Niezawodność  a prawdopodobieństwo

Niezawodność obiektu = prawdopodobieństwo 

spełnienia przez obiekt 
stawianych  mu 

wymagań

Spełnienie wymagań = „sukces”

Niezawodność obiektu = prawdopodobieństwo 

sukcesu

Niezawodność  a prawdopodobieństwo

„sukces” = obiekt sprawny w przedziale  (t

1

;t

2

)

Miarą przedziału (t

1

;t

2

) może być:

• Czas,
• Ilość wykonanej  pracy,
• Liczba wykonywanych  czynności,
• Długość przebytej  drogi, itp. 

Niezawodność obiektu = prawdopodobieństwo, 

ż

e obiekt będzie  sprawny

w przedziale  (t

1

;t

2

Matematyczne ujecie 

niezawodności

Niezawodność  jest mierzalną  własnością obiektu

Miarą niezawodności  jest prawdopodobieństwo  zajścia 
zdarzenia  (losowego)  polegającego  na tym, że obiekt 
będzie  funkcjonował poprawnie  przez  wymagany  czas w 
określonych  warunkach

Prawdopodobieństwo  to jest nazywane 

funkcją 

niezawodności wyrobu

background image

część 2

2

T   – zmienna  losowa opisująca czas do 

uszkodzenia  się wyrobu, 
tzw. 

czas zdatności

lub

trwałość

R(t) – funkcyjna charakterystyka  niezawodności

tzw. 

niezawodność

Funkcja niezawodności R(t)

( )

{

}

t

T

P

t

R

=

Funkcja niezawodności wyrobu

( )

{

}

t

T

P

t

R

=

( )

t

R

0

,

1

0

t

czas

Funkcja zawodności  F(t)

prawdopodobieństwo  uszkodzenia

( )

{

}

( )

t

R

t

T

P

t

F

=

<

=

1

0

,

1

0

t

czas

( )

t

F

F(t)

R(t)

Gęstość prawdopodobieństwa

Często stosowana  w matematycznym 
opisie czasu funkcjonowania  do 
uszkodzenia  się wyrobu 

( )

( )

dt

t

dR

dt

t

dF

t

f

)

(

=

=

Intensywność uszkodzeń

Funkcja ryzyka

Korzystając z wzoru Taylora mamy przybliżenie:

( )

[

]

( )

t

R

t

f

t

R

dt

d

t

)

(

)

(

ln

=

=

λ

( )

t

t

t

R

t

R

t

f

+

)

(

)

(

Stąd:

( )

t

t

R

t

t

R

t

R

t

+

)

(

)

(

)

(

λ

Niezawodność  a intensywność  uszkodzeń

R(0) – początkowa niezawodność  wyrobu

(w chwili  rozpoczęcia  użytkowania)

Funkcję niezawodności  wyrobu możemy 
uzależnić  od funkcji intensywności  uszkodzeń 

( )

( )

( )

=

t

dx

x

R

t

R

0

exp

0

λ

background image

część 2

3

Przebieg funkcji intensywności 

uszkodzeń

I.

Okres starzenia  wstępnego  lub docierania

II.

Okres tzw. normalnego  użytkowania

III.

Okres tzw. katastroficznego  zużycia 

0

t

( )

t

λ

I

II

III

Przebieg funkcji intensywności 

uszkodzeń cd.

I.

Okres starzenia  wstępnego  lub docierania

Ujawniają się wady produkcyjne nie wykryte przez 
kontrolę odbiorczą

Okres dużej i malejącej intensywności uszkodzeń

II.

Okres tzw. normalnego  użytkowania

Intensywność uszkodzeń w przybliżeniu stała co do 
wartości

III.

Okres tzw. katastroficznego  zużycia 

Uszkadzają się pozostałe egzemplarze wyrobu

Wykładnicze prawo 

niezawodności

Okres I jest zazwyczaj  obejmowany  gwarancją  i w 
rozważaniach  dotyczących  niezawodności  bywa 
pomijany

W takim przypadku  czas do uszkodzenia  się wyrobu ma 
rozkład  wykładniczy 

Jest to tzw. 

wykładnicze prawo niezawodności zwane 

wzorem Wienera

( )

1

0

=

R

( )

(

)

t

t

R

λ

= exp

Intensywność uszkodzeń -

przykład

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Funkcja wiodąca 

Informuje o wyczerpaniu  się „zapasu 
niezawodności”  obiektu 

( )

[

]

( )

0

)

(

ln

0

=

=

Λ

t

du

u

t

R

t

t

λ

Funkcja wiodąca 

( )

[

]

( )

du

u

t

R

t

t

=

=

Λ

0

)

(

ln

λ

0

t

czas

( )

t

Λ

background image

część 2

4

Charakterystyki liczbowe

Funkcja niezawodności wyrobu
Dystrybuanta rozkładu zmiennej losowej  t
Gęstość prawdopodobieństwa  zmiennej losowej  t
Intensywność uszkodzeń wyrobu
Funkcja wiodąca

Charakterystyki  funkcyjne

Charakterystyki  liczbowe

Charakterystyki liczbowe

Funkcja niezawodności wyrobu
Dystrybuanta rozkładu zmiennej losowej  t
Gęstość prawdopodobieństwa  zmiennej losowej  t
Intensywność uszkodzeń wyrobu
Funkcja wiodąca

Charakterystyki  funkcyjne

Oczekiwany czas zdatności
Wariancja czasu zdatności
Ś

rednia intensywność uszkodzeń

Resurs gamma-procentowy

Charakterystyki  liczbowe

Oczekiwany  czas zdatności

Wartość oczekiwana  czasu zdatności

lub

( )

dt

t

tf

ET

=

0

( )

=

0

dt

t

R

ET

Oczekiwany  czas zdatności

( )

t

R

0

,

1

0

t

czas

ET

Wariancja czasu zdatności

• Wariancja czasu zdatności

• Odchylenie  standardowe

Odchylenie  standardowe  charakteryzuje  rozrzut 
wartości czasu do uszkodzenia  wokół jej 
wartości oczekiwanej  ET

2

2

)

(ET

ET

VT

=

VT

T

=

σ

Opis rozkładu zmiennej losowej przy 

pomocy kwantyli

- poziom ( liczba z przedziału [0, 1] )

t

p

- kwantyl na poziomie  p

Kwantyl t

p

jest rozwiązaniem  równania  F(t)=p 

Rozkład zmiennej losowej  można w przybliżeniu  opisać podając pewn

liczbę kwantyli.

background image

część 2

5

Kwantyl  rzędu p

• Kwantyl rzędu p czasu zdatności  jest to 

pierwiastek  t

p

równania:

F(t

p

=p

• p=0,5        mediana
• p=0,25      kwantyl dolny
• p=0,75      kwantyl górny

Ś

rednia intensywność 

uszkodzeń

( )

( )

du

u

t

t

t

ś

r

=

0

1

λ

λ

Resurs gamma-procentowy

Zasób poprawnego  funkcjonowania wyrobu przez  czas     
w którym ulegnie uszkodzeniu  γ% egzemplarzy

Rozpatruje  się zasoby  95%, 90%, 75% i 50% tzn. czasy 
w których uszkodzi  się mniej niż odpowiednio  5%, 10%, 
25% i 50% wyrobów

( )

%

100

γ

γ

=

t

R

γ

t

Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ram ach Europejskiego Funduszu Społecznego

Eksploatacja urządzeń 

mechatronicznych

Rozkłady  czasu zdatności

Rozkłady  w niezawodności

Rozkłady  o jednym parametrze

Rozkłady  dwuparametrowe

Rozkłady  w niezawodności

wykładniczy

Rozkłady o jednym parametrze

Rozkłady dwuparametrowe

background image

część 2

6

Rozkład wykładniczy

Zależy  tylko  od jednego parametru,  którym jest 
stała intensywność  uszkodzeń

Za jej pomocą można wyrazić  postacie 
charakterystyk  funkcyjnych oraz liczbowych

( )

const

t

=

=

λ

λ

Rozkład wykładniczy

Charakterystyki  funkcyjne:

( )

t

t

e

t

f

e

t

F

e

t

R

t

t

t

λ

λ

λ

λ

λ

=

Λ

=

=

=

)

(

)

(

1

)

(

Rozkład wykładniczy

Charakterystyki  liczbowe:

λ

λ

λ

)

1

ln(

2

1

p

t

oraz

VT

ET

p

=

=

=

Charakterystyka rozkładu 

wykładniczego

Stała intensywność uszkodzeń

Tzw. brak pamięci 

Przewidywany czas zdatności obiektu użytkowego przez 
dowolnie długi czas, jeśli tylko obiekt się w tym czasie nie 
uszkodził, jest taki sam jak czas zdatności nowego obiektu

Uwzględnia  przypadkowe  uszkodzenia  pojawiające  się 
ze stałym natężeniem

Nie uwzględnia  zjawisk o charakterze  zmęczenia

Powody szerokiego stosowania

1) Prostota obliczeń  przy  wystarczającej  dokładności 

2) Istnienie poważnej  grupy obiektów,  których czas 

zdatności  ma rozkład  wykładniczy  lub nieistotnie 
różniący  się od wykładniczego

3) Możliwość  zastosowania  informacji o rozkładzie  czasu 

zdatności  elementu  do określenia  stanu systemu na 
podstawie  procesów  losowych  Markowa

Zadanie 1

Ustalono, że czas życia żarówek w rzutniku komputerowym ma 
rozkład wykładniczy.

Zaobserwowano, że na 200 pracujących żarówek 30 uszkodziło się 
w ci
ągu 800h.

Obliczyć oczekiwany czas zdatności.

Obliczyć jaka część żarówek zostanie uszkodzona w czasie 1000h.

Obliczyć jaka część żarówek zostanie uszkodzona w przedziale 
czasowym od 1000h do 2000h

P1.3

background image

część 2

7

Zadanie 2

Zaobserwowano, żśredni czas użytkowania pomp głębinowych 
pewnego typu wynosi 12 lat.

Czas zdatności tego typu pomp ma rozkład wykładniczy.

Ocenić niezawodność pomp w ciągu 5 lat użytkowania.

W jakim okresie czasu osiągniemy 90% zapas zdatności pomp?

P1.4

Rozkłady  w niezawodności

wykładniczy

Rozkłady o jednym parametrze

Rozkłady dwuparametrowe

Rozkłady  w niezawodności

wykładniczy

Rozkłady o jednym parametrze

Weibulla

gamma

Rayleigha
normalny

Rozkłady dwuparametrowe

Rozkład Weibulla

( )

1

=

α

αλ

λ

t

t

0

,

0

,

>

>

t

λ

α

Parametr kształtu

Parametr skali

Rozkład Weibulla

( )

3

10

×

t

λ

[ ]

h

1

[ ]

h

t

3

2

1

0

200

400

600

800

1000

1

<

α

)

(

1

y

wykłykładn

=

α

2

>

α

)

(

Rayleigha

=

α

2

1

<

<

α

Rozkład Weibulla

Charakterystyki  funkcyjne:

( )

α

λ

α

λ

λ

λ

αλ

α

α

α

t

t

e

t

t

f

e

t

F

e

t

R

t

t

t

=

Λ

=

=

=

)

(

)

(

1

)

(

1

background image

część 2

8

Rozkład Weibulla

Charakterystyki  liczbowe:

(

)

α

α

α

λ

λ

α

α

λ

α

p

t

oraz

VT

ET

p

=

+

Γ

+

Γ

=

+

Γ

=

1

ln

1

1

2

1

1

1

1

2

2

1

Zadanie 3

Czas pracy narzędzia jest zmienną losową o rozkładzie Rayleigha z 
parametrem 
γ=2,5*10

-3

.Osiągnięcie przez narzędzie stanu 

granicznego jest dopuszczalne lecz pociąga straty.

Należy ustalić czas pracy narzędzia aby ryzyko osiągnięcia stanu 
granicznego było mniejsze niż 0,99.

P1.5

Rozkłady  w niezawodności

wykładniczy

Rozkłady o jednym parametrze

Weibulla

gamma

Rayleigha
normalny

Rozkłady dwuparametrowe

Rozkład gamma

Rozkład  gamma o 
parametrach  (

α

λ

) ma 

gęstość:

gdzie:

oraz

( )

( )

(

)

t

t

t

f

λ

α

λ

α

α

Γ

=

exp

1

0

t

0

,

>

λ

α

( )

=

Γ

0

1

du

u

e

u

α

α

Rozkład gamma

( )

( )

(

)

t

t

t

f

λ

α

λ

α

α

Γ

=

exp

1

0

t

0

,

>

λ

α

25

,

0

5

,

0

75

,

0

0

,

1

25

,

1

5

,

1

75

,

1

5

,

2

5

5

,

7

10

5

,

12

15

Rozkład gamma

Charakterystyki  liczbowe:

2

1

=

=

αλ

αλ

VT

ET

background image

część 2

9

Rozkłady  w niezawodności

wykładniczy

Rozkłady o jednym parametrze

Weibulla

gamma

Rayleigha
normalny

Rozkłady dwuparametrowe

Rozkład normalny

Dotychczasowe  rozkłady  uwzględniały  jedynie  warunek 
R(0)=1

Gdy prawdopodobieństwa  P(T<0) nie można zaniedbać, 
rozkład  normalny daje możliwość  stosowania  rozkładu 
uciętego,  gdy µ<3σ

( )

(

)

=

2

2

2

exp

2

1

σ

µ

π

σ

t

t

f

Rozkład normalny

( )

(

)

=

2

2

2

exp

2

1

σ

µ

π

σ

t

t

f

1

,

0

2

,

0

3

,

0

4

,

0

1

2

3

1

2

3

Intensywność uszkodzeń 

rozkładu normalnego

t

λ

ET

( )

t

λ

(

)

µ

σ

λ

=

t

2

1

Rozkład normalny

(

)

dx

x

t

F

t

=

2

2

2

exp

2

1

)

(

σ

µ

π

σ

Charakterystyki  funkcyjne:

(

)

dx

x

t

R

t

=

2

2

2

exp

2

1

)

(

σ

µ

π

σ

( )

(

)

=

2

2

2

exp

2

1

σ

µ

π

σ

t

t

f

( )

 −

 −

=

σ

µ

σ

σ

µ

λ

t

R

t

f

t

Rozkład normalny

Charakterystyki  liczbowe:

2

σ

µ

=

=

VT

ET

background image

część 2

10

Zadanie 4

Czas zdatności diod  laserowych jest zmienną losową o rozkładzie 
normalnym. 
Badaniu poddano 10 losowo wybranych laserów. 
Zaobserwowano następujące realizacje czasu życia t[h]:1020; 990; 
1030; 970; 1010; 1000; 990; 1000; 1010; 980.

Należy oszacować intensywność uszkodzeń dla t=2000h

P4

Rozkłady  w niezawodności

wykładniczy

Rozkłady o jednym parametrze

Weibulla

gamma

Rayleigha
normalny

Rozkłady dwuparametrowe

potęgowy

Rozkład potęgowy

Wszystkie dotychczas omówione rozkłady czasy zdatności dobrze 
przedstawiają intensywność uszkodzeń w jednym bądź dwóch 
okresach użytkowych

Rozkład potęgowy najlepiej przybliża cały rzeczywisty przebieg 

intensywności uszkodzeń



=

1

0

)

(

α

b

t

t

F

Dla t    0

Dla 0< t   b;    α

α

α

α>0, b>0

Dla t>b

Rozkład potęgowy

Charakterystyki  funkcyjne:

( )

(

)

α

α

α

α

α

α

α

λ

α

t

b

t

t

t

b

t

f

b

t

t

R

=

=

=

1

1

)

(

)

(

/

1

Rozkład potęgowy

Charakterystyki  liczbowe:

(

) (

)

2

1

1

2

2

+

+

=

+

=

α

α

α

α

α

b

VT

b

ET

Zadanie 5

Czas zdatności pewnego urządzenia jest zmienną losową o 
rozkładzie pot
ęgowym z parametrami: α=0,2 i b=100h.

Należy znaleźć charakterystyki funkcyjne i liczbowe czasu 
zdatności dla t z przedziału [0,100)

P1.70

background image

część 2

11

Zadanie 6

Czas zdatności pewnego urządzenia jest zmienną losową o 
rozkładzie pot
ęgowym z parametrami: α=0,7 i b=5000h.

Należy wyznaczyć intensywność uszkodzeń i podać jej 
wartości dla t = 100, 200, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 4500 h.

Naszkicować wykres intensywności uszkodzeń

P1.71