The certified reliability engineer handbook

Table of Contents CD-ROM Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix List of Figures and Tables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Part I Reliability Management Chapter 1 A. Strategic Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. Benefits of Reliability Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2. Interrelationship of Quality and Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3. Role of the Reliability Function in the Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4. Reliability in Product and Process Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5. Failure Consequence and Liability Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6. Life-Cycle Cost Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7. Customer Needs Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8. Project Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Chapter 2 B. Reliability Program Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1. Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. Elements of a Reliability Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3. Product Life-Cycle and Costs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4. Design Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5. Requirements Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6. Reliability Training Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Chapter 3 C. Product Safety and Liability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1. Roles and Responsibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2. Ethical Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3. System Safety Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Part II Probability and Statistics for Reliability Chapter 4 A. Basic Concepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1. Statistical Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2. Basic Probability Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3. Discrete and Continuous Probability Distributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4. Statistical Process Control (SPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Chapter 5 B. Statistical Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 1. Point and Interval Estimates of Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 vi Table of Contents 2. Statistical Interval Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3. Hypothesis Testing (Parametric and Non-Parametric) . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4. Bayesian Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Part III Reliability in Design and Development Chapter 6 A. Reliability Design Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 1. Use Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2. Stress-Strength Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3. Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) in Design . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4. Failure Mode Effects and Criticality Analysis (FMECA) in Design. . . . . . . 100 5. Fault Tree Analysis (FTA) in Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6. Tolerance and Worst-Case Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 7. Robust Design Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8. Human Factors Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9. Design for X (DFX). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Chapter 7 B. Parts and Systems Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 1. Parts Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2. Material Selection and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3. Derating Methods and Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4. Establishing Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Part IV Reliability Modeling and Predictions Chapter 8 A. Reliability Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 1. Sources of Reliability Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 2. Reliability Block Diagrams and Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3. Simulation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Chapter 9 B. Reliability Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 1. Part Count Prediction and Part Stress Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 2. Advantages and Limitations of Reliability Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 3. Reliability Prediction Methods for Repairable and Non-Repairable Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4. Reliability Apportionment/Allocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Part V Reliability Testing Chapter 10 A. Reliability Test Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 1. Elements of a Reliability Test Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 2. Types and Applications of Reliability Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3. Test Environment Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Chapter 11 B. Development Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 1. Accelerated Life Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 2. Step-Stress Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 3. Reliability Growth Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Table of Contents vii 4. Software Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Chapter 12 C. Product Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 1. Qualification/Demonstration Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 2. Product Reliability Acceptance Testing (PRAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 3. Stress Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4. Attribute Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5. Degradation Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6. Software Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Part VI Maintainability and Availability Chapter 13 A. Management Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 1. Maintainability and Availability Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 2. Maintenance Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 3. Maintainability Apportionment/Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 4. Availability Tradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Chapter 14 B. Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 1. Maintenance Time Distributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 2. Preventive Maintenance (PM) Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 3. Corrective Maintenance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 4. Testability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 5. Spare Parts Strategy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Part VII Data Collection and Use Chapter 15 A. Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 1. Types of Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 2. Data Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 3. Collection Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 4. Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Chapter 16 B. Data Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 1. Data Summarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 2. Preventive and Corrective Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 3. Measures of Effectiveness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapter 17 C. Data and Failure Analysis Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 1. Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 2. Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis (FMECA). . . . . . . . . . . . . . . 225 3. Fault Tree Analysis (FTA) and Success Tree Analysis (STA) . . . . . . . . . . . . . 226 4. Failure Reporting, Analysis, and Corrective Action System (FRACAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Part VIII Appendices Appendix A Reliability Engineer Certification Body of Knowledge . . . . . . 232 viii Table of Contents Appendix B ASQ Code of Ethics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Appendix C Control Limit Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Appendix D Constants for Control Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Appendix E Areas under Standard Normal Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Appendix F F Distribution F0.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Appendix G F Distribution F0.05 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Appendix H F Distribution F0.01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Appendix I Chi Square Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Appendix J Values of the t Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Appendix K Statistical Tolerance Factors for at Least 99 Percent of the Population (“k-Values”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Appendix L Critical Values for the Mann-Whitney Test . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Appendix M Critical Values for Wilcoxon Signed Rank Test . . . . . . . . . . . . . 265 Appendix N Poisson Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Appendix O Binomial Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Appendix P Exponential Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Appendix Q Median Ranks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299