Design för en säkrare värld

Hur tillförlitlighet hjälper ingenjörerna att balansera konkurrerande krav.

Troligtvis kommer naturkatastrofer att ses som definierande företeelser under det 20:e århundradet. Från värmeböljor i Australien till skogsbränder i västra USA, orkaner i Västindien och översvämningar i Sydostasien, samtliga med en hemsk påverkan på människor. Potentiellt kan det bli värre på grund av osäkra byggnader, installationer och infrastruktur.

Byggnads- och maskiningenjörer måste planera för den här typen av oväntade händelser, men samtidigt möta kraven på billigare, lättare och tystare produkter. Är det realistiskt att förvänta sig att ingenjörerna ska finna utrymme för tillförlitlighet i allt detta?

Det är viktigt att ta ett steg tillbaka och förstå att det inte är något nytt att ingenjörer ställs inför motstridiga krav. Behovet kan visa sig vara betydligt större än någonsin, men det är inte nödvändigtvis en dramatisk förändring.

Bättre, snabbare, billigare

Fred Schenkelberg är tillförlitlighetsingenjör och konsult och han har under mer än 20 år arbetat med och undervisat i tillförlitlighet. Som han förklarar situationen så är det inte någon radikal avvikelse. ”’Jag vill ha det bättre, snabbare, billigare!’ Det har inte förändrats. Man skulle dock kunna säga att det har accelererat.”

”Men det är själva grunden i ingenjörskonsten: att göra kompromisser och möta motstridiga behov.”

”Det är ganska troligt att ett designteam har ett kostnadsmål, datum då man vill lansera produkten och olika funktionsmål. Detta genomgår många olika mätningar och prioriteringar under själva designprocessen. Som fackman inom tillförlitlighet vill jag säkerställa att överväganden som rör tillförlitlighetsprestanda synliggörs i de olika designstegen.”

Ett sätt att synliggöra detta har uppmuntrats genom design för tillförlitlighet, som förenar många av verktygen och metoderna som utvecklats inom tillförlitlighetsteknik.

Tillförlitlighet under hela livscykeln

Design för tillförlitlighet (Design for Reliability) är en stegbaserad process som stödjer tillförlitlighet under produktens hela livscykel, från design till utslitning.
Detta innebär att DfR inte är ett exklusivt beredningsområde för fackfolk inom tillförlitlighet. Planerat och tillämpat på organisationsnivå kan det vägleda design, produkttillverkning och underhåll av produkten och kan alltså potentiellt involvera alla delar inom företaget.

Om det finns någon grundläggande princip som stödjer DfR, så är det att tillförlitlighet inträffar när beslut om det fattas. Med detta i åtanke så måste tillförlitligheten beaktas långt innan den fysiska produktionen sker.

För att göra detta krävs en god förståelse för vad tillförlitlighet är. Inom maskinteknik är tillförlitlighet sannolikheten att föremålet ska fungera som det är tänkt, under en specifik tidsrymd och under specifika förhållanden.

Har man denna grundläggande förståelse för tillförlitlighet så kan man identifiera och definiera produktens tillförlitlighetskrav – dessa påminner troligen om eller är identiska med era kunders förväntningar. Det är först när kraven är
tydliga som man bör påbörja designen av en produkt som uppfyller dem.

Det finns ingen standardlösning

Det finns ingen universellt accepterad modell för DfR, men alla beskrivningar involverar troligen följande grundläggande steg, som illustreras i tabellen här intill. Det är dock ingen enkelriktad process. De olika stegen för design, analys och verifiering bör upprepas återkommande innan man har en produkt som är lämplig för marknaden. Inom dessa steg kan det finnas flera olika verktyg, tester och processer som kan upptäcka produktens sårbarhet, tolerans
och robusthet. Fred Schenkelberg ger en kortfattad sammanfattning
av DfR:

”Det är en uppsättning regler, riktlinjer och åtgärder som ger personerna möjlighet att fatta beslut – tekniker, ingenjörer, chefer – för att fullt ut förstå
följdverkningarna av tillförlitlighet.”

”Men det är inte en uppsättning fasta verktyg eller åtgärder. Alla situationer, produkter och tillämpningar är olika.”

Ta steg tillbaka för att skapa mervärde

Dessa skillnader är viktiga, det kan innebära problem om man behandlar DfR som en checklista att pricka av. ”En fallgrop uppstår om organisationen säger, ’Vår senaste produkt var riktigt bra. Den uppfyllde förväntningarna på tillförlitlighet och våra kunders förväntningar, låt oss göra som vi gjorde förra gången.’ Då är man ute på en farlig väg, eftersom nästa produkt kanske har andra användningsområden, andra målsättningar och riktar sig till andra kunder”, förklarar Fred.

”Det är lätt att man får en checklistmentalitet: Vi gör dessa två tester, vi vibrerar den i två timmar och därefter är vi färdiga. Men skapar man rent faktiskt mervärde genom att göra så? Man måste ta ett steg tillbaka och fundera över vilka tester som kan avslöja eventuella problem som kan inträffa i framtiden. För att kunna upptäcka framtida problem måste man kanske göra något som konstruktörer ofta undviker – omfamna misslyckanden.

Fördelarna med misslyckanden

Att testa en produkt till bristningsgränsen kan vara ett användbart verktyg för att undersöka tillförlitlighet. Det är dock ett förfarande som kan kollidera med vanliga designprinciper.

”Vanligtvis designar konstruktörer och ingenjörer för att komma bort från fel – det är ofta något man tänker på när man skapar ett föremål.” säger Fred Schenkelberg och tillägger:

”Det som tillförlitlighetsteknik kan bidra med är att göra misslyckanden synligare.”

”Det är viktigt att man har förmågan att lära av sina misslyckanden. Det är alltför många som vill göra ett test för att visa att produkten fungerar. Man kör tester under förhållanden där man förväntar sig ett lyckat resultat, men om man ska försöka ta reda på något man inte redan vet så måste man faktiskt köra till bristningsgränsen.”

”På så sätt får man reda på felets art, hur det har uppkommit och vilka belastningar som kombinerats för att skapa misslyckandet. Det finns olika sätt att göra detta på, men man måste vilja leta efter bristerna.”

Ett sätt att locka fram potentiella brister är genom accelererad livslängdsprovning (HALT). Du kan använda detta som en del av verifierings- och valideringssteget i DfR.

Att förstå den verkliga tillförlitligheten

”Jag ser HALT som ett sätt att upptäcka saker”, säger Fred. Man använder olika belastningar som är meningsfulla för din applikation och belastningen ökas tills man har forcerat fram ett fel. Då får man information om produktens brister vid förväntad belastningsnivå och man kan fatta beslut om marginalerna det baseras på. Precis lika viktigt är det att man lär sig om felets art: hur såg misslyckandet ut?”

Akademiker och yrkesutövare har skapat listor över potentiella belastningar som byggnader, installationer och infrastruktur kan utsättas för, som ett resultat av klimatförändringar och andra katastrofala händelser. Även om dessa händelser ställer nya krav på ingenjörerna så är det som ändras omfattningen och kombinationen av belastningar som dessa kan råka ut för.

Genom att leta efter fel och brister, så som Fed Schenkelberg föreslår, kan man få förståelse för produktens verkliga tillförlitlighet och robusthet, samt få en mer omfattande förståelse för dess kapacitet att motstå oväntade händelser.

Utformning av tillförlitliga skruvförband med Nord-Lock Group

Att upptäcka potentiella felkällor är bara en av många testförfaranden som Nord-Lock Group använder sig av, berättar Cyril Cadoux, teknikchef för Europa.
”När det gäller skruvförband kör vi sällan testerna tills ett misslyckande sker, eftersom vi har kunskapen att avgöra felorsaker från skadade delar. Bara genom att studera de första tusentalen cykler ger oss rätt indikation av trenderna. Det ger oss tillräcklig kunskap om och förtroende för våra produkters tillförlitlighet att vi vågar erbjuda livstids garanti”, berättar han.

”Men för oss räcker det inte enbart att studera våra produkter fristående och bekräfta att dessa är robusta och tillförlitliga. Vi testar även våra skruvar och brickor i de miljöer där de används.”

”Vi pratar med våra kunder för att få information om användningsområden och baserat på detta utför vi mer djupgående analyser. Vi hämtar in så mycket data vi kan från dem, därefter återskapar vi olika scenarier. Ibland kan man inte få all information från 3D-ritningar eller planer, så vid behov besöker vi personligen våra kunders arbetsplatser.”

”Detta innebär att vi inte bara testar produkterna från Nord-Lock, utan att vi faktiskt testar deras skruvförband. Vi kan ta med våra analyser och simuleringar, våra interna verktyg, för att på så sätt ge kunderna korrekt rådgivning”, sammanfattar Cyril.

Vill du få mer information? Läs vår vitbok om designprinciperna bakom säkra skruvförband, den finns på engelska på www.nord-lock.com/safe-bolts.