5 - Confiabilidade e Mantenabilidade

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Manutenção Mecânica
5 –Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Conceituação moderna da Manutenção – 
A Missão da Manutenção é garantir a Disponibilidade da função dos equipamentos e instalações de modo a atender a um processo de produção ou de serviço com Confiabilidade, segurança, preservação do meio ambiente e custo adequado. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Confiabilidade é freqüentemente definido como a probabilidade que um sistema, veículo, máquina, dispositivo, ou outro produto realizará a função que se espera dele sob algumas condições de operação especificadas, para um especificado período de tempo .
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Aumentar a confiabilidade é uma parte importante para se aumentar a qualidade do produto .
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Existem muitas definições diferentes de qualidade, mas existe uma concordância geral de que um produto ou um equipamento não confiável não é de alta qualidade.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
PROBABILIDADE
Uma vez que confiabilidade é uma probabilidade, é uma variável que pode ser medida. A teoria das probabilidades fornece a base para descrever matematicamente as propriedades de um processo físico.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
PERFORMANCE COM SUCESSO 
Para calcular probabilidade, um produto (ou unidade) tem que existir em um dos dois estágios: performance com sucesso ou falha. As condições para uma unidade falhar tem que ser claramente definidas. Por exemplo, falha poderia significar inoperabilidade total, mas poderia também significar performance diminuída. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
 TEMPO 
Dentro do contexto de confiabilidade, tempo é um termo genérico. É freqüentemente medido em horas mas poderia também ser medido em milhas, ciclos, ou outras unidades de uso do produto. De qualquer modo, algum período de uso, tem que ser estabelecido para calcular confiabilidade. O tempo da missão poderia ser a vida total de uma unidade, tal como um motor de um foguete ou poderia ser uma pequena parte da vida, tal como 1.000 milhas de vôo de uma aeronave comercial.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
TAXA DE FALHA ( )
Mede a taxa na qual as unidades falham sobre um período de tempo estabelecido. É calculado como o número de falhas durante o intervalo dividido pelo número de unidades em operação no início do intervalo e pelo comprimento do intervalo de tempo (t).
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 Confiabilidade e Mantenabilidade
TEMPO MÉDIO PARA FALHAR (Mean Time to Failure – MTTF)
Um medida da confiabilidade de uma unidade não reparável enquanto sendo usada durante sua vida útil.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
TEMPO MÉDIO ENTRE FALHAS (Mean Time Between Failure – MTBF)
Uma medida de confiabilidade de uma unidade reparável enquanto sendo usada durante sua vida útil.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
MTTF e MTBF são simplesmente indicadores da confiabilidade de uma unidade enquanto sendo usada durante a vida útil. O símbolo padrão para MTTF e MTBF é . Matematicamente, MTTF e MTBF são iguais à média da distribuição exponencial usada para modelar os tempos de falha da unidade durante a vida útil. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade 
Ambos são calculados como o inverso da taxa de falha:
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Confiabilidade e Mantenabilidade 
 Quanto maior o MTTF ou MTBF, menor a probabilidade da unidade falhar para uma dada missão de tempo e maior a confiabilidade. Um decréscimo na taxa de falha resulta em um aumento da MTTF e MTBF e consequentemente, um aumento da confiabilidade.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
 DISPONIBILIDADE 
Disponibilidade é a probabilidade que uma unidade estará pronta para uso num instante de tempo determinado, ou sobre um período de tempo determinado, baseados em aspectos combinados de confiabilidade e mantenabilidade. Em outras palavras, a disponibilidade é uma função de sua taxa de falha (confiabilidade) e o tempo requerido para restaurar a unidade após uma falha (mantenabilidade).
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Durante um estudo mais profundo sobre a disponibilidade de uma unidade, o engenheiro de confiabilidade tem que considerar vários elementos além da confiabilidade e mantenabilidade, incluindo: 
Tipo do sistema
Uso do produto
Paradas para manutenção preventiva
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Mantenabilidade 
É a capacidade de um item ser mantido ou recolocado em condições de uso especificadas, quando a manutenção é executada sob condições determinadas e mediante procedimentos e meios prescritos.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Mantenabilidade é incorporada durante o projeto do sistema e antes do estágio de desenvolvimento do equipamento.
Ela mede a habilidade de uma unidade para ser mantida ou restabelecida, em condições especificadas. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
 Para o cálculo de mantenabilidade, as seguintes suposições são feitas:
 Manutenção é realizada por pessoal qualificado.
 Pessoal da manutenção tem acesso aos recursos requeridos para fazer manutenção e reparos.
 Manutenção é realizada de acordo com procedimentos prescritos.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Mantenabilidade é importante para a confiabilidade porque ela mede a quantidade de tempo que um sistema não está funcionando. As medidas são calculadas baseadas no tipo de manutenção realizada: corretiva ou preventiva.
Mantenabilidade é o estudo das paradas.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
TEMPO MÉDIO PARA REPARO (Mean Time to Repair – MTTR)
 Manutenção corretiva é quantificada pelo tempo médio requerido para completar a manutenção, conhecido como tempo médio para reparo (Mean Time to Repair).
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Confiabilidade e Mantenabilidade
MTTR – É a relação entre o tempo total gasto para repor o equipamento em condições de operar e o número de reparos ocorridos, dentro do período de tempo considerado.
Taxa de reparo (μ) – Nº de reparos/t
Mantenabilidade: M(t) = 1 – e -λt
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Confiabilidade e Mantenabilidade
CONCEITOS DE CARACTERÍSTICA DE VIDA
 É importante entender como o modo de falha de um produto pode mudar com o tempo (ou uso do produto). O modelo usado para descrever os modos de falha de uma população sobre a vida total de um produto é conhecido como curva da banheira (Bathtub Curve).
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A curva da banheira é um gráfico de taxa de falha versus tempo. Ela mostra quão rápido as falhas de um produto variam com o tempo, e se a taxa de falha está aumentando, diminuindo ou constante.
 A curva pode ser dividida em três regiões:		 Período de mortalidade Infantil (Também chamado Periodo Burn-In ou Debugging)
 Tem a taxa de falha decrescente.
 Período de vida útil (Também chamado Período de falhas aleatórias)
 Tem a taxa de falha constante.
 Período de envelhecimento ou degradação
 Tem a taxa de falha crescente.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A curva da banheira não é um modelo perfeito, mas é útil para descrever modelos de falha para uma população de produtos bem projetados. Além disso, ela determina qual distribuição é selecionada para análise da confiabilidade. Cada parte da curva da banheira tem um distribuição correspondente que indica como a taxa de falha muda.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Envelhecimento ou degradação: DISTRIBUIÇÃO NORMAL
 O lado direito da curva da banheira tem uma taxa de falha crescente, significando:
 Existe uma probabilidade crescente de falha.
 Idade é um fator na probabilidade de falha.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A distribuição normal pode ser usada para modelar as falhas de um produto no período de Degradação. Isto é porque a distribuição normal tem uma taxa de falha crescente, do mesmo modo que o período de Degradação.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A confiabilidade é encontrada na tabela de probabilidade normal. 
Para usar a tabela é necessário usar a equação:
 
 
Onde:
 t é tempo especificado.
  é a média da distribuição, referido como
 tempo médio de degradação.
 é o desvio padrão.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Período de vida útil: DISTRIBUIÇÃO EXPONENCIAL
 O período de vida útil é aquele no qual tem-se a intenção de usar o produto e o consumidor usa mais o produto. É também o período durante o qual os engenheiros de confiabilidade fazem a maioria dos cálculos e predições de confiabilidade.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A parte central da curva da banheira, chamada região de vida útil, mostra um taxa de falha constante. Isto significa que a idade do produto não afeta a probabilidade de falha. Nesta região a taxa de falha deve ser extremamente baixa se a confiabilidade é alta.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A distribuição exponencial pode ser usada para modelar as falhas de um produto no período de vida útil. Isto porque a distribuição exponencial tem uma taxa de falha constante, do mesmo modo que o período de vida útil.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Distribuição exponencial 
 Uma variável aleatória X é dita ter uma distribuição exponencial de parâmetro λ se: A função de distribuição é dada por: F(t) = 1 – e - λ t para t >= 0. F(t) = 0 para t < 0 
 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
E a respectiva função de densidade:
 f(t) = λe-λt para t >= 0. f(t) = 0 para t < 0. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Confiabilidade na região de vida útil:
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PERÍODO DE MORTALIDADE INFANTIL 
 O período de mortalidade infantil mostra uma taxa de falha decrescente. Eles são causados por não conformidades introduzidas no produto pelo processo de produção.
 O período de mortalidade infantil é também chamado de Burn-In Period. Burn-In é a prática de acumular tempo de operação sobre cada unidade antes de enviá-la ao consumidor.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
As falhas durante o período Burn-In podem ser reduzidas através de uma especificação correta do produto (por parte do consumidor e vendedor), inclusão de engenharia de qualidade e do processo durante a análise do projeto, uso de inspeção por amostragem, estudos de Capabilidade do processo e procedimentos de controle estatístico do processo incluindo cartas de controle, uso de estudos de FMEA, estudo da adequação do projeto para a manufatura.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Eliminar as falhas do produto durante o período Burn-In tem vários benefícios. Ajuda a melhorar a satisfação do cliente e a reduzir custos associados com a produção, incluindo custos de garantia, custos de falha interna/externa e custos de Burn-In.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Análise de Weibull - DISTRIBUIÇÃO DE WEIBULL
 A distribuição de Weibull pode ser usada para qualquer parte da curva da banheira sob certas condições. A distribuição de Weibull tem um número de formas possíveis. Ela pode assumir a forma das distribuições que tem taxas de falha crescente, decrescente ou constante.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
PARAMETROS DA DISTRIBUIÇÃO DE WEIBULL
 A distribuição tem 3 parâmetros:
 Característica inicial, 
 Vida(carga ou escala) característica, 
 Fator(parâmetro) de forma, 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Para a maioria das aplicações em engenharia de confiabilidade, o parâmetro característica inicial é igual a zero, reduzindo a distribuição de Weibull a dois parâmetros. O parâmetro vida característica  é um ponto comum entre todas as distribuições de Weibull. É o valor onde a função cumulativa é igual a 0,632.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Quando o valor de  muda, a distribuição de Weibull muda de forma. Por exemplo:
Quando  = 1 a distribuição de Weibull torna-se uma distribuição exponencial.
Quando  = 3,5 a distribuição de Weibull e a distribuição normal são essencialmente a mesma.
Quando 1    3, a distribuição de Weibull é desviada para a direita.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Como a forma da distribuição muda, a taxa de falha que descreve a falha do produto também muda. Por exemplo:
Se  < 1, a taxa de falha é decrescente. Neste caso, a distribuição de Weibull poderia ser usada para descrever a falha do produto durante o período de mortalidade infantil.
Se  = 1, a taxa de falha é constante. Neste caso a distribuição de Weibull poderia ser usada para descrever a falha de um produto durante o período de vida útil.
Se  > 1, a taxa de falha é crescente. Neste caso a distribuição de Weibull poderia ser usada para descrever a falha de um produto durante o período de degradação.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Se  e  são conhecidos, a seguinte fórmula pode ser usada para calcular a confiabilidade:
 é o parâmetro de forma 
  é o parâmetro de escala 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Métodos e ferramentas para o aumento da confiabilidade:
Sistema em série:
	
R1
R2
RR
R3
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Confiabilidade e Mantenabilidade
O diagrama de bloco de um sistema em série mostra que o sucesso da operação do sistema depende do sucesso da operação de cada subsistema, ou seja, a falha de qualquer subsistema resultará na falha do sistema.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
O diagrama de bloco de um sistema em série é caracterizado pelo seguinte:
 Cada caixa representa um subsistema.
 Existe somente um caminho para o sucesso do sistema.
 Se qualquer subsistema falha, o sistema inteiro falhará.
 As interfaces dos subsistemas tem que ser incluídas desde que elas possam ser fontes de falha.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A confiabilidade do sistema será menor que a confiabilidade de qualquer subsistema.
Se qualquer aumento significante na confiabilidade de um sistema em série é desejado, o subsistema com a confiabilidade mínima tem que ser aumentado. Aumentando a confiabilidade de qualquer outro subsistema resulta somente em um pequeno incremento na confiabilidade do sistema.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
VANTAGENS DO USO DE UM SISTEMA EM SÉRIE:
 Usa um número mínimo de partes.
 Consome potência mínima.
 Ocupa um mínimo de espaço e adiciona peso mínimo.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
MODELO DE CONFIGURAÇÃO EM SÉRIE DURANTE A VIDA ÚTIL
Numa configuração em série o sucesso da operação do sistema depende do sucesso da operação de cada subsistema. 
A confiabilidade de cada subsistema pode ser calculada usando-se a distribuição apropriada para aquele subsistema. 
Para determinar a distribuição apropriada, é necessário saber qual região da curva da banheira o subsistema está operando.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Sistema em paralelo:
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Confiabilidade e Mantenabilidade
O modelo paralelo fornece mais que um caminho para o sucesso do sistema por ter múltiplos subsistemas on-line que podem realizar individualmente as funções requeridas para o sucesso do sistema. 
Por esta razão, a configuração em paralelo é chamada redundância ativa. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Se um subsistema falha, os outros subsistemas em paralelo podem operar para fornecer o sucesso do sistema. 
No modelo paralelo todos os subsistemas tem que falhar para ocorrer a falha do sistema.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
No modelo paralelo ativo se um subsistema falha, os outros subsistemas em paralelo podem operar para fornecer o sucesso do sistema. 
No modelo paralelo ativo todos os subsistemas tem que falhar para ocorrer a falha do sistema.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Quando usando um
diagrama de bloco de um sistema em paralelo ativo, é necessário assumir o seguinte:
A falha de cada subsistema é completamente independente da falha de qualquer outro subsistema. Assim, a falha de um subsistema não causará a falha de qualquer outro subsistema.
Uma falha em um subsistema não afeta a confiabilidade de qualquer outro subsistema. 
Isto significa que não existe stress ou carga adicional sobre subsistemas remanescentes quando uma falha ocorre.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A função do sistema paralelo ativo é realizada com somente um subsistema operando tão bem quanto com todos os subsistemas operando.
Não existem novos modos de falha introduzidos no sistema por causa da interface entre subsistemas em paralelo ativo.
 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
CÁLCULO DA CONFIABILIDADE PARA SISTEMA EM PARALELO ATIVO.
O cálculo da confiabilidade para um sistema em paralelo ativo assume que o sistema terá sucesso (não falhará) se existir pelo menos um subsistema que não falha.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
DESVANTAGENS DE UM SISTEMA PARALELO
Existem algumas desvantagens em usar um sistema paralelo. Muitas vezes, a única maneira de ter redundância ativa e encontrar os requerimentos de um sistema paralelo é ter dois ou mais sistemas completos operando independentemente, cada um realizando a mesma função. Isto pode levar a aumento significativo de custo, potência consumida, peso e espaço.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
SISTEMAS SÉRIE-PARALELO
Um sistema pode ser modelado como uma combinação de subsistemas em série e paralelo.
A confiabilidade para um sistema série-paralelo pode ser encontrada convertendo-se o sistema combinado em um sistema série ou paralelo equivalente e então usando a fórmula para o cálculo da confiabilidade do sistema equivalente escolhido.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
m DE n SISTEMAS EM PARALELO
Uma forma muito utilizada de sistema em paralelo é o m de n sistemas (m < n ).
Este é um sistema de redundância ativa que funcionará se pelo menos m de n subsistemas redundantes continuam a operar (não falham).
Se a confiabilidade de cada subsistema é igual, a confiabilidade pode ser encontrada usando a distribuição binomial e a lei aditiva de eventos mutuamente exclusivos.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
 ANÁLISE FORÇA-ESTRESSE 
Na maioria das vezes, um componente falha quando o estresse aplicado excede a sua resistência. 
Em geral, projetistas projetam para uma resistência normal e um estresse nominal que será aplicado a um componente. 
O projetista tem também que conhecer a variabilidade do estresse e resistências nominais. 
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Confiabilidade e Mantenabilidade
As curvas de distribuição para estresse e resistência, mostradas na figura abaixo, são suficientemente separas de tal modo que exista pouca probabilidade que em alto nível de estresse interfira com um item que está sobre a parte baixa da distribuição de resistência, e como resultado nós não esperamos que uma falha ocorra por um estresse elevado.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Existe muito mais variabilidade para a proximidade das médias para estresse e resistência e existe um aumento na probabilidade de falha a qual é representada pela superposição da área sombreada.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Quando a distribuição do estresse e a distribuição da resistência são independentes entre si, a seguinte relação se aplica:
			x-y = x - y 
			
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Para calcular a probabilidade de uma falha causada pela interferência estresse e força, usa-se a distribuição normal padrão e z.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
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Confiabilidade e Mantenabilidade
FMEA – FAILURE MODE AND EFFECTS ANALYSIS 
Também chamada de FMECA é uma das ferramentas mais eficientes para melhorar a segurança e a confiabilidade usada durante o desenvolvimento de um produto.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A FMEA é uma técnica qualitativa.
É um grupo de atividades sistemáticas com o objetivo de:
Reconhecer e avaliar uma falha e os efeitos que a falha tem sobre o sistema.
Identificar ações que poderiam eliminar a falha, reduzir a probabilidade de ocorrência da falha, ou reduzir a criticidade da falha sobre o sistema ou usuários dele.
Documentar o processo.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
A FMEA ajuda a encontrar falhas críticas em potencial de um sistema e então eliminá-las ou controlá-las. Uma falha crítica é freqüentemente definida como uma falha que afeta a segurança do usuário ou causa um parada total do sistema, embora esta definição possa variar de sistema para sistema.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Como é impossível eliminar todas as falhas possíveis, a FMEA fornece uma oportunidade para considerar as falhas que são mais danosas para o sistema ou para a segurança dos usuários.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Existem dois tipos de FMEA:
DFMEA – Design Failure Mode And Effects Analysis(FMEA de Projeto)
É realizada para melhorar o projeto do sistema. É geralmente considerada uma tarefa de engenharia de confiabilidade com o apoio da engenharia da qualidade.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
PFMEA – Process Failure Mode and Effects Analysis(FMEA de Processo)
É realizada para melhorar o processo de manufatura. É geralmente considerada uma tarefa da engenharia da qualidade 
com o apoio da engenharia de confiabilidade.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
DFMEA
Documenta os pontos fracos no projeto de um produto que podem causar falhas no sistema enquanto o produto está em serviço. A DFMEA deve ser realizada por uma equipe multifuncional que exclui representação de todas as funções de engenharia necessárias para completar as seguintes tarefas:
Analisar o projeto do produto.
Recomendar as mudanças no projeto.
Seguir as ações recomendadas.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
As funções de engenharia podem incluir mas não estão limitadas a: confiabilidade, projeto de produto, qualidade, manufatura, testes, serviço de campo, logísticas.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
PFMEA
Identifica deficiências em potencial no processo precocemente ou seja, durante o ciclo de planejamento do processo. Isto habilita os engenheiros a focar sobre os controles que reduzem produtos não conforme e aumentam a detecção da Capabilidade bem antes de iniciar a produção. Ela também fornece um modelo organizado e sistemático para processar mudança e ajuda a priorizar ações de melhoramento do processo.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
NPR ou RPN(Número de risco prioritário)
Probabilidade (frequencia) – probabilidade da falha ocorrer.
Detecção – probabilidade que os controles do sistema detectarão e eliminarão o modo de falha antes que o produto esteja em serviço ou antes que a falha possa ocorrer enquanto o produto está em serviço.
Severidade – severidade do efeito da falha sobre o sistema ou seus usuários.
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Confiabilidade e Mantenabilidade
Calculo do (NPR) 				 
É o produto dos três valores designados. 
O NPR fornece um valor numérico para ranquear as várias falhas baseadas nos seus efeitos . As falhas com valores de NPR mais altos são consideradas para o melhoramento do sistema.