UD 6. ANÁLISIS DE LA FIABILIDAD DE LOS EQUIPOS
INTRODUCCIÓN
El análisis técnico de las averías producidas es una de las fases importante en la gestión del Mantenimiento. Sin ella, el servicio se justifica limitándose a devolver los equipos a su estado de buen funcionamiento. Se trata de una cultura muy generalizada con la que hay que acabar.
Se trata de no conformarse con mantener las máquinas funcionando, sino que hay que buscar la mejora continua: mejorar la fiabilidad, aumentar la disponibilidad y reducir los costos de mantenimiento.
Es la fase de reflexión sobre los resultados del sistema y en la que han de participar todas las entidades que forman el servicio de mantenimiento, aportando su contribución. Por su importancia se le dedicará un capitulo completo al asunto.
Se utiliza entonces la teoría de la fiabilidad. Esta técnica no es mas que un conjunto de teorías y métodos matemáticos y estadísticos, procedimientos y prácticas operativas que, mediante el estudio de las leyes de ocurrencia de fallos, están dirigidos a resolver problemas de previsión, estimación y optimización de la probabilidad de supervivencia, duración de vida media y porcentaje de tiempo de buen funcionamiento de un sistema.
Tiene sus orígenes en la aeronáutica (seguridad de funcionamiento). Un paso significativo se dio en Alemania cuando se trabajó con el misil V1. Von Braun consideraba erróneamente que en una cadena de componentes, cuyo buen funcionamiento era esencial para el correcto funcionamiento del conjunto, la probabilidad de fracaso dependía exclusivamente del funcionamiento del componente más débil. Erich Pieruschka (matemático del equipo) dió vida a la fórmula de la fiabilidad del sistema a partir de la fiabilidad de los componentes, que permite afirmar que la fiabilidad del conjunto es siempre inferior a la de sus componentes individuales.
Posteriormente en el sector militar en EEUU, para garantizar el funcionamiento de sistemas electrónicos y finalmente en el industrial, para garantizar la calidad de los productos y eliminar riesgos de pérdidas valiosas, dieron el impulso definitivo para su paulatina implantación en otros campos.
INDICES DE MEDIDA DEL MANTENIMIENTO. DEFINICIONES BÁSICAS -Fallo: Es toda alteración o interrupción en el cumplimiento de la función requerida.
-Fiabilidad (de un elemento): Es la probabilidad de que funcione sin fallos durante un tiempo (t) determinado, en unas condiciones ambientales dadas.
-Mantenibilidad: Es la probabilidad de que, después del fallo, sea reparado en un tiempo dado.
-Disponibilidad: Es la probabilidad de que esté en estado de funcionar (ni averiado ni en revisión) en un tiempo dado.
Si adoptamos, para simplificar, que el esquema de vida de una máquina consiste en una alternancia de "tiempos de buen funcionamiento" (TBF) y "tiempos de averías" (TA):
en los que cada segmento tiene los siguientes significados:
TBF: Tiempo entre fallos TA: Tiempo de parada TTR: Tiempo de reparación TO: Tiempo de operación
n : Número de fallos en el periodo considerado
Podemos, además, definir los siguientes parámetros como medidas características de dichas probabilidades:
a) El tiempo medio entre fallos (MTBF) Está ligado a la FIABILIDAD o probabilidad de buen funcionamiento. Un parámetro derivado del anterior:
n TBF
= MTBF
i n
0 [días]
y su inversa ( ) conocida como la tasa de fallos SUCESIVOS:
Esta tasa depende del tipo de tecnología, ya que hay tecnologías cuyos equipos tendrán una tasa de fallos mas alta que otra simplemente por el tipo de trabajo que realizan.
Por otra parte la tasa de fallos es un parámetro utilizado a nivel general en las empresas para dar una idea del comportamiento de los equipos de lamisca.
b) El tiempo medio de reparación (MTTR) Está ligado a la MANTENIBILIDAD o facilidad con que puede hacerse una intervención de mantenimiento. Un parámetro derivado del anterior:
n TTRi
= MTTR
n
0 [días]
y su inversa ( ) conocida como la tasa de reparación:
c) La disponibilidad (D) Está ligado a la FIABILIDAD o probabilidad de buen funcionamiento. Un parámetro derivado del anterior:
Es decir, la disponibilidad es función de la fiabilidad y de la mantenibilidad.
Otra medida de la fiabilidad es el factor de fiabilidad:
Y otra medida de la disponibilidad es el factor de disponibilidad:
HT
HMP HMC
FD HT donde:
HT: Horas totales del periodo
HMC: Horas de Mantenimiento Correctivo (Averías) HMP: Horas de Mantenimiento Preventivo (programado)
donde se pone claramente de manifiesto que la disponibilidad es menor que la fiabilidad, puesto que al contabilizar el tiempo de buen funcionamiento, en la disponibilidad se prescinde de todo tipo de causas posibles (se incluye el tiempo de mantenimiento preventivo programado):
Sin embargo en el cálculo de la fiabilidad, al contabilizar el tiempo de buen funcionamiento, no se incluye el tiempo de mantenimiento preventivo programado.
fallos/Año de
MTBF1 Nº
=
es/Año Reparacion de
º MTTR N
= 1
MTTR MTBFMTBF n
/ TAi n
/ TBFi
n / TBFi TAi
TBFi TBFi TO
TBFi D
n 1
HT HMC FF HT
TO TA TO D
n
o i
TEORÍA DE LA FIABILIDAD
Hemos definido antes la FIABILIDAD como la probabilidad de que un elemento, conjunto ó sistema, funcione sin fallos, durante un tiempo dado, en unas condiciones ambientales dadas. Ello supone:
a) Definir de forma inequívoca el criterio que determina si el elemento funciona ó nó.
b) Que se definan claramente las condiciones ambientales y de utilización y se mantengan constantes.
c) Que se defina el intervalo t durante el cual se requiere que el elemento funcione.
Para evaluar la fiabilidad se usan dos procedimientos:
a. Usar datos históricos. Si se dispone de muchos datos históricos de aparatos iguales durante un largo período no se necesita elaboración estadística. Si son pocos aparatos y poco tiempo hay que estimar el grado de confianza, entonces si se requiere del uso de la estadística.
b. Usar la fiabilidad conocida de partes para calcular la fiabilidad del conjunto. Se usa para hacer evaluaciones de fiabilidad antes de conocer los resultados reales.
Análisis de la función tasa de fallos (t)
Tiene la dimensión inversa de un tiempo, por lo que puede interpretarse como "Número de fallos en la unidad de tiempo".
Como ya se vio al representarla gráficamente para una población homogénea de componentes, a medida que crece su edad t: (t) resulta ser la llamada curva de la bañera, en la que se distinguen claramente tres períodos:
A: .Período de Mortalidad Infantil Fallos de rodaje, ajuste o montaje .La tasa de fallos es decreciente
.Propio de componentes de Tecnología Mecánica.
B: .Período de Fallos por azar (o aleatorios) .Tasa de fallos constante
.Propio de materiales de Tecnología eléctrica/electrónica.
C: Período de Fallos por Desgaste ó Vejez Tasa de fallos creciente
.Propio de materiales de Tecnología mecánica ó electromecánica (desgaste progresivo).
En realidad, la curva (t) resulta de la superposición de la curva (a) asociada a los defectos iniciales tras la puesta en servicio y la curva (b) que marca los fenómenos de desgaste o deterioro de la función. (t)
VIDA DEL EQUIPO
TASA DE REPARACIÓN ( )
Probabilidad de duración de la reparación
MANTENIBILIDAD {M (t)}
DISPONIBILIDAD {D (t)}
Probabilidad de desarrollar la función requerida TIEMPO MEDIO ENTRE
FALLOS (MTBF)
TIEMPO MEDIO DE REPARACIÓN (MTTR) TASA DE FALLOS ( )
FIABILIDAD {R (t)}
Probabilidad de buen funcionamiento
(b) (a)
t
(t)
De manera que, dependiendo de la influencia de cada uno de los fenómenos mencionados, la tasa de fallo tendrá una forma distinta. Así en los equipos mecánicos predominan los fenómenos asociados al desgaste y su tasa de fallo crece con el tiempo:
ANÁLISIS DE MODOS DE FALLOS Y EFECTOS (AMFE)
¿Qué es un AMEF?
El Análisis de modos y efectos de fallos potenciales, AMEF, es un proceso sistemático para la identificación de las fallos potenciales del diseño de una maquina o equipo antes de que éstas ocurran, con el propósito de eliminarlas o de minimizar el riesgo asociado a las mismas.
Por lo tanto, el AMEF puede ser considerado como un método analítico estandarizado para detectar y eliminar problemas de forma sistemática y total, cuyos objetivos principales son:
• Reconocer y evaluar los modos de fallos potenciales y las causas asociadas con el diseño y y funcionamiento de la maquina o equipo.
• Determinar los efectos de los fallos potenciales en el desempeño de la función.
• Identificar las acciones que podrán eliminar o reducir la ocurrencia de un fallo potencial.
• Analizar la confiabilidad del sistema.
• Documentar el proceso.
Su objetivo es, por tanto, identificar las causas de fallos aún no producidos, evaluando su criticidad (es decir, teniendo en cuenta su frecuencia de aparición y su gravedad). Permite definir preventivamente los fallos potenciales, lo que orienta sobre las políticas de mantenimiento a adoptar y las políticas de repuestos. En definitiva es una búsqueda sistemática de tipos de fallos, sus causas y sus efectos. Precisa un tratamiento de grupo multidisciplinar, lo cual constituye una ventaja adicional por el enriquecimiento mutuo que se produce.
Aunque el método del AMEF generalmente ha sido utilizado por las industrias de automoción, éste es aplicable para la detección y bloqueo de las causas de fallos potenciales de una maquina o equipo de cualquier clase de empresa, ya sea que estos se encuentren en operación o en fase de proyecto.
Método riguroso de análisis que utiliza todas las experiencias y competencias disponibles de los estudios, métodos, mantenimiento, fabricación, calidad. Es un método inductivo y cualitativo que permite pasar revista al conjunto de los órganos de un sistema ó instalación, definiendo:
-Los tipos de fallos reales ó potenciales -Causas posibles
-Consecuencias
-Medios para evitar sus consecuencias Requerimientos del AMEF.
Para hacer un AMEF se requiere lo siguiente:
Un equipo de personas con el compromiso de mejorar la capacidad de diseño para satisfacer las necesidades del cliente.
Diagramas esquemáticos y de bloque de cada nivel del sistema, desde subensambles hasta el sistema completo.
Especificaciones de los componentes, lista de piezas y datos del diseño.
Especificaciones funcionales de módulos, subensambles, etc.
Requerimientos de la fabricación y detalles de los procesos que se van a utilizar.
Formas de AMEF (en papel o electrónicas) y una lista de consideraciones especiales que se apliquen al equipo o maquina.
Beneficios del AMFE.
La eliminación de los modos de fallos potenciales tiene beneficios tanto a corto como a largo plazo. A corto plazo, representa ahorros de los costos de reparaciones, las pruebas repetitivas y el tiempo de paro.
t (b)
(a) t
t
El beneficio a largo plazo es mucho más difícil medir puesto que se relaciona con la satisfacción del cliente con el producto y con su percepción de la calidad; esta percepción afecta las futuras compras de los productos y es decisiva para crear una buena imagen de los mismos.
Realización.
Se realiza mediante una hoja estructurada que guía el análisis.
a) Funciones
Se describen las especificaciones (características) y expectativas de desempeño que se le exigen al activo físico que se está analizando. Cubren por tanto no solo el volumen de producción (v. gr 350 l/min. a 7 kg/cm2) sino las expectativas relacionadas con cuestiones como calidad del producto, control, contención, protección, cumplimiento de normas medioambientales, integridad estructural e incluso aspecto físico del activo.
b) Fallo Funcional
Se refiere a la falta o incumplimiento de la función. El fallo funcional se define como la incapacidad de un ítem para satisfacer un parámetro de desempeño deseado.
c) Modo de Fallo
Forma en que el dispositivo ó el sistema puede dejar de funcionar ó funcionar anormalmente. El tipo de fallo es relativo a cada función de cada elemento. Se expresa en términos físicos: rotura, aflojamiento, atascamiento, fuga, agarrotamiento, cortocircuito, etc.
d) Causa Raíz
Anomalía inicial que puede conducir al fallo. Un mismo tipo de fallo puede conducir a varias causas: Falta de lubricante, lubricante en mal estado, suciedad, etc.
e) Consecuencia
Efecto del fallo sobre la máquina, la producción, el producto, sobre el entorno inmediato.
La valoración proporciona una estimación numérica de los respectivos parámetros:
F: Frecuencia. Estimación subjetiva de la ocurrencia del modo de fallo.
G: Gravedad. Estimación subjetiva de las consecuencias.
D: Detección. Estimación subjetiva de la probabilidad de ser detectado el fallo potencial.
NPR: Número de Prioridad de Riesgos. Producto de F, G y D.
Una posible escala de valoración sería:
F: Frecuencia (1-10)
Imposible (1-2) .Remoto (3-4) .Ocasional (5-6) .Frecuente (7-8) .Muy Frecuente (9-10) G: Gravedad (1-10)
Insignificante (1-2) .Moderado (3-4) .Importante (5-6) .Crítico (7-8) .Catastrófico (9-10) D: Detección (1-10)
Probabilidad de detección muy elevada (1-2) Probabilidad de detección elevada (3-4) Probabilidad de detección moderada (5-6) Probabilidad de detección escasa (7-8) Probabilidad de detección muy escasa (9-10).
El número de prioridad de riesgos (NPR) permite priorizar las acciones a tomar.
Especial hincapié debe hacerse en la detección de fallos ocultos. Se presentan normalmente en dispositivos de protección. La recomendación en tales casos se conoce como verificación funcional ó tareas de búsqueda de fallos. Hasta un 40% de los modos de fallo suelen ser fallos ocultos en los sistemas complejos.
F G D NPR VALORACIÓN
FUNCIÓN FALLO FUNCIONAL MODO DE FALLO CAUSA RAÍZ EFECTO RECOMENDACIÓN HOJA DE TRABAJO AMFEC
SECCIÓN:
EOUIPO:
REALIZADO POR:
FFCHA:
HOJA N°:
NOMRRF FICHA:
FIABILIDAD DE LOS SISTEMAS
Tratamos ahora de establecer la relación que liga la fiabilidad de un sistema complejo con la de sus componentes individuales.
La fiabilidad de un sistema no es otra que la probabilidad de ocurrencia del acontecimiento "NO HAY FALLOS", lo cual es, a su vez, resultado de una serie de acontecimientos más simples.
Las partes componentes del sistema se pueden comportar, desde el punto de vista de la fiabilidad de forma independiente ó nó.
El funcionamiento, desde el punto de vista de la fiabilidad, de un sistema se representa mediante esquemas de bloques adecuadamente conectados, de forma que cada bloque representa un elemento ó subsistema.
Estos esquemas no corresponden con los esquemas funcionales de la instalación (No hay correspondencia con el despiece físico), sino que representan la dependencia lógica del acontecimiento "fallo del sistema".
a) Si los sistemas son en serie.
El fallo de uno cualquiera de sus componentes determina el fallo del sistema completo
R(t)=R1(t). R2 (t)....Rn (t) =
Si = cte. entonces i
n
1 s s i
i 1 =
= MTBF
= 1 MTBF b) Si los sistemas son en paralelo.
Basta que funcione un elemento para que funcione todo el sistema. Se llaman también sistemas redundantes.
En este caso se simplifican los cálculos usando la función infiabilidad F(t)=1-R(t) de manera que F(t)=F1(t) x F2(t) x...x Fn(t) con lo que
1-R(t)=(1-R1(t))x(1-R2(t))x...x(1-Rn(t)) R t 1 n 1 Ri t
1
Cuantos más elementos hay en paralelo, mejor es la fiabilidad. s n i
1
SISTEMAS COMPLEJOS. MÉTODO DEL ÁRBOL DE FALLOS
Normalmente, en los equipos, los componentes forman un sistema complejo que en parte son subsistemas en serie y en parte subsistemas en paralelo.
De los diversos métodos existentes para estudiar la fiabilidad de sistemas complejos el que mejor se adapta a un tratamiento )
t ( R
= ) t Ri(
n 1
1 2 3 n
FIG.8 1
2
n
Análisis de Árbol de Fallo (A.A.F).
La técnica del diagrama del árbol de fallo es un método que nos permite identificar todas las posibles causas de un modo de fallo en un sistema en particular. Además nos proporciona una base para calcular la probabilidad de ocurrencia por cada modo de falla del sistema. Esta técnica es conveniente aplicarla en sistemas que contengan redundancia.
Consiste en descomponer, escalonadamente, la ocurrencia de un suceso en un sistema lógico secuencial integrado por unidades (elementos) operativos independientes, hasta alcanzar los sucesos tomados como iniciales (primarios). Cada unidad queda identificada por su denominación y la función (operación-fallo) que se espera de ella.
Mediante un A.A.F podemos observar en forma gráfica la relación lógica entre un modo de fallo de un sistema en particular y la causa básica de fracaso. Esta técnica usa una compuerta "y" que se refiere a que todos los eventos debajo de la compuerta deben ocurrir para que el evento superior a la misma pueda ocurrir. De la misma forma utiliza una compuerta "o" que denota que al ocurrir cualquier evento situado debajo de la compuerta, el evento situado arriba ocurrirá.
Luego de realizado el A.A.F se procede a calcular por medio de los métodos de sistemas en serie, sistemas en paralelo, sistemas paralelos activos con redundancia parcial y sistemas con unidades de reserva, la probabilidad de falla del sistema o del evento de cima.
Los estados en que pueden encontrarse las unidades son dos:
Operativo ó Fallo.
A partir del suceso en estudio se debe responder a la pregunta:
¿qué se necesita para funcionar? R (t) Según lo que se busque.
¿qué se necesita para que falle? (t)
Se utilizan entonces los símbolos expuestos con el siguiente significado
Se comienza eligiendo el suceso final objeto del análisis. A partir de aquí se van determinando los sucesos previos inmediatos que, por combinación lógica, pueden ser su causa. El proceso se repite hasta llegar a un nivel de sucesos básicos que no requieren mayor análisis.
Una vez desarrollado para cada suceso preestablecido, es posible determinar cualitativa y cuantitativamente la fiabilidad del sistema.
El análisis cualitativo permite determinar los sucesos (fallos mínimos) que deban presentarse (condición necesaria y suficiente) para que ocurra el suceso principal.
El análisis cuantitativo (mediante el álgebra de Boole) determina la fiabilidad del sistema si se conocen la de los distintos elementos o sucesos primarios.
Ejemplo: Fallos de una linterna eléctrica de mano para que no funcione.
Si Fi representa la tasa de fallo de cada evento:
F0 = F1 . F2
F2 = F3 + F4 F0 = F1 . (F3 + F5 + F6) = F1 . F3 + F1 . F5 + F1 . F6
F4 = F5 + F6
Cuando es conocida la probabilidad de cada suceso primario, es posible calcular la del fallo principal. (Datos históricos/Datos de fabricantes).
De esta forma se determina si es aceptable ó no el fallo principal, y nos ayuda a:
- Determinar la fiabilidad de elementos, subsistemas y sistemas.
-Analizar la fiabilidad de distintos diseños (análisis comparativo).
-Identificar componentes críticos, que pueden ser causa de sucesos indeseables.
Linterna no funciona
No hay
repuestos No alumbra
Lámpara fundida
Sin corriente eléctrica
Y
O
O F F
F F
F F
0
2
3
4
5
F
1
6
SIGNIFICADO SÍMBOLO
SUCESO PRIMARIO
No requiere desarrollo posterior o no es posible desarrollarse, por alguna razón.
SUCESO SECUNDARIO
Resulta la combinación lógica de sucesos previos., CADENA REPETIDA
Resume una cadena, idéntica, ya analizada.
PUERTA O
Operador lógico que permite el suceso siguiente cuando se presente cualquiera de los precedentes.
Existe redundancia.
PUERTA Y
Operador lógico que permite el suceso siguiente cuando se presentan todos los precedentes. Existe coincidencia.
Y
- Analizar fallos críticos que previamente han sido identificados por un análisis AMFE.
Como consecuencia de estos análisis podemos decir que el método del árbol de fallos se podría utilizar para:
-Evidenciar la fiabilidad de un sistema -Comparar con la de otros sistemas -Proponer modificaciones en el diseño
e incluso para establecer el plan de su mantenimiento preventivo (gamas y frecuencia).
Para facilitar el análisis cuantitativo, la tasa de fallos de cada suceso se asigna, a falta de datos precisos, utilizando valores relativos arbitrarios como la tabla de probabilidades relativas
Muy probable 10 2
Probable 10 3
No probable 10 4
Improbable 10 5
Muy improbable 10 6
Extremadamente improbable 10 7
En las puertas Y la probabilidad es igual al producto de las probabilidades. Como están expresadas en forma de potencias de 10, sólo habrá que sumar exponentes:
10 3·10 4=10 7
En las puertas O la probabilidad es igual a la suma de probabilidades. Por la misma razón (potencias de 10) se puede simplificar tomando la mayor y despreciando el resto:
10 4+10 3+10 6 10 3 Ejemplo de arbol
Preguntas:
2ª) ¿De que formas es posible la fiabilidad de un sistema?
3ª) Explicar brevemente en que consiste el A.A.F 4ª) ¿A que se llaman sistemas redundantes?
5ª) ¿Qué entendemos por Fiabilidad?
6ª) ¿Qué significa(MTBF)? ¿Cómo se llama el parámetro inverso?
7ª) Rellénese el siguiente texto:
Tasa de Fallos, disponibilidad, mantenibilidad, fiabilidad, Tasa de reparación, MTTR, MTBF.
La vida de un equipos depende de la ………..y de la ………lo que nos permite conocer la ……….. y la………..que a través de los …………..…y ……….. obtendremos unos parámetros con los que estamos en condiciones de hacernos a una idea de la ……… de los equipos o maquinas que hayamos analizado,.
Ejemplo de AMFE:
FFCHA: Dic 2013
F G D NPR Que se pueda poner
5 3 5 75
Que se rompa la
punta 2 7 5 70
Mala calidad material
3 10 5 150
Deficiencias en
proceso 3 7 5 105
Deficiencias en
proceso 9 10 5 450
Mala calidad de la
tinta 3 7 5 105
Que este roto Deficiencias en
proceso 5 2 5 50
Mala calidad del
material 3 7 4 84
Mal diseño 2 10 5 100
Que este roto Mala calidad del
material 3 8 5 120 Evaluacion de Porveedores. Compras
Que no se inderte
en la punta Mal diseño 3 8 5 120
Autocontrol. Prodccuión Tubo de
tinta
Contener la titna sin derramarse
Mala certificacion Proveedor No haber aplicado muestreo Tapón
superior
Cubrir la parte superior del mango para evitar derramar
titna
Muestreo Que no cumpla con
las especificaciones Punta Dosificar la tinta Rota
Obturada
Mala certificacion Proveedor
No haber aplicado muestreo Mango Soporte para punta y
tubo de tinta
Que este roto Que no cumpla con las especificaciones
Mala certificacion Proveedor
No haber aplicado muestreo Tapón Cubrir la punta del
boligrafo
Que no se pueda instalar en el mango
Mal diseño
Anomalias en el Porceso
EQUIPO: NOMBRE : BOLIGRAFO
FUNCION FALLO FUNCIONAL MODO DE FALLO EFECTO CAUSA RAIZ VALORACIÓN
RECOMENDACIÓN
REALIZACION DE UN AMFE
SECCION: REALIZADO POR: C de Miguel HOJA N°: 1ª
FGDNPR REALIZACION DE UNA AMFE
SECCION:REALIZADO POR: C de MiguelHOJA N°: 1ªEQUIPO:FFCHA: Dic 2013NOMBRE : BOLIGRAFO
FUNCIONFALLO FUNCIONALMODO DE FALLOEFECTOCUASA RAIZ VALORACIÓNRECOMENDACIÓN