Reliability analysis of valves for vacuum applications

Reliability engineering applies systematic engineering practices and techniques to a product, system, or process in order to ensure that it performs its intended function, without failure, for a required time duration in a specified environment. Out of the ample set of fields to which reliability engineering can be applied, in this thesis work, the focus is on the reliability study of valves for vacuum applications. The work has been carried out at VAT; leading global developer, manufacturer and supplier of high-performance high-end vacuum valves, multi-valve modules, edge-welded bellows and related value-added services. Specifically, the thesis has been developed at VAT test lab during a six months internship; where lifecycle tests are performed on valves in order to guarantee the development and validation of new products. The thesis work presents the methodology used for estimating the reliability of transfer valves, a specific product family among the ones tested in the laboratory. The study is based on the application of statistical knowledge to a set of failure data. After the application of different statistical distributions to the database, the Weibull has been found to be the best distribution able to describe the data. Therefore, the reliability analysis is based on the statistical forulae which characterize the Weibull distribution. In the second part of the work, the analysis of the transfer valve has been focused on its components, considering the valve as a series system, and trying to assess the contribution that each component gives to the final reliability estimation. An algorithm based on the Maximum Likelihood method has been developed through the software Matlab, with the aim of estimating the parameters of the Weibull distribution for each component. The algorithm is able to consider both the failures data and the interrupted tests data (samples that survived until a specified number of cycles). The final reliability estimation of the transfer valve is then calculated. In the final part of the work, a methodology for validating the results is presented and left to the company for future works.

L'ingegneria dell'affidabilità è un campo dell'ingegneria che applica lo studio dell'affidabilità ad un prodotto, un sistema o un processo con lo scopo di assicurare che svolga la sua funzione richiesta per un determinato tempo in determinate condizioni. Tra le varie discipline a cui l'ingegneria dell'affidabilità può essere applicata, in questo lavoro di tesi l'attenzione è posta sullo studio dell'affidabilità di valvole per vuoto. Il lavoro di tesi è stato svolto presso l'azienda VAT, leader mondiale in sviluppo, produzione e fornitura di valvole per alto vuoto, moduli multivalvole e servizi annessi. Nello specifico, la tesi è stata sviluppata presso il VAT test lab durante uno stage di sei mesi; dove test sui cicli di vita delle valvole vengono effettuati per garantire lo sviluppo e la validazione di nuovi prodotti. Il lavoro di tesi presenta il metodo usato per stimare l'affidabilità delle valvole di trasferimento, una specifica categoria di prodotti tra le diverse trattate in laboratorio. Lo studio si basa sull'uso di conoscenze statistiche applicate ad un set di dati di rotture. Dopo l'impiego di diverse distribuzioni statistiche al set di dati, la distribuzione Weibull è stata identificata come quella che meglio descrive i dati di rottura. L'analisi di affidabilità si basa dunque sulle formule statistiche che contraddistinguono la distribuzione Weibull. Nella seconda parte del lavoro, l'analisi della valvola di trasferimento è incentrata sui suoi componenti, considerando essa come un sistema a serie, si cerca di attribuire il contributo di ogni componente alla stima finale del valore di affidabilità della valvola. Un algoritmo basato sul metodo statistico di massima verosimiglianza è stato sviluppato tramite il software Matlab, con lo scopo di stimare i parametri della Weibull per ogni componente. L'algoritmo considera sia i dati relativi alle rotture sia i dati relativi ai test interrotti (valvole testate per un certo numero di cicli che però non hanno riscontrato rotture). La stima finale dell'affidabilità della valvola di trasferimento è in fine calcolata. Nella parte finale del lavoro, un metodo per dimostrare i risultati ottenuti è presentato e lasciato all'azienda per futuri scopi.