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Serie Azul > Fiabilidad

Joel A. Nachlas

La ingeniería de fiabilidad es el estudio de la longevidad y el fallo de los equipos. Para la investigación de las causas por las que los dispositivos envejecen y fallan se aplican principios científicos y matemáticos. El objetivo estriba en que una mayor comprensión de los fallos de los dispositivos ayudará en la identificación de las mejoras que pueden introducirse en los diseños de los productos para aumentar su vida o por lo menos para limitar las consecuencias adversas de los fallos. Por tanto, se concede mucha importancia al diseño de los productos o a su rediseño, con anterioridad a la fabricación o a la venta.

La mayoría de la gente reconoce que los artículos manufacturados tienen vidas finitas, y que un mejor diseño de los productos implica con frecuencia unas vidas funcionales más largas. Asimismo, mucha gente es consciente de algunos de los ejemplos catastróficos de fallos de equipos. Fallos de fatiga en el fuselaje de un avión, la pérdida del motor de un avión comercial, los accidentes de los reactores nucleares de Three Mile Island y Chernobil, y los accidentes de los transbordadores espaciales Challenger, son algunos ejemplos muy conocidos de fallos catastróficos de sistemas. Casi todo el mundo ha experimentado fallos de sistemas a menor escala, como el de un electrodoméstico, el desgaste de una batería, o el fallo de una bombilla. Muchos han experimentado ejemplos potencialmente graves, como el fallo de los neumáticos de un coche.

Todos estos ejemplos tienen algunas características comunes. También presentan diferencias que utilizamos para dar énfasis a los conceptos y los análisis presentados. Las características comunes son: (1) los fallos de los sistemas son lo suficientemente importantes como para requerir un esfuerzo de ingeniería con el fin de intentar comprenderlos y controlarlos; y (2) el diseño de los sistemas es complicado por lo que las causas y las consecuencias de los fallos no son obvias.

Pero existen algunas diferencias importantes entre los ejemplos mencionados anteriormente. Eligiendo dos casos extremos, el fallo de una bombilla y el accidente de Three Mile Island nos ofrecen un contraste aclaratorio. El accidente de Three Mile Island fue causado por un fallo de un componente físico del equipo. El accidente también estuvo influenciado por la respuesta humana al fallo del componente y por las políticas de decisión establecidas. Por el contrario, el fallo de una bombilla y sus consecuencias normalmente no están relacionados con decisiones y rendimientos humanos. Lo que es significativo es que existen muchos productos y sistemas modernos cuyo funcionamiento operativo depende de la efectividad conjunta de algunos de los factores siguientes: (1) el equipo físico; (2) los operadores humanos; (3) el software; y (4) los protocolos de gestión. Es razonable y prudente intentar incluir la evaluación de todos estos factores en el estudio del comportamiento de los sistemas. Sin embargo, el enfoque de esta monografía es analítico y las descripciones están limitadas por tanto al comportamiento del equipo físico.

Varios autores han definido métodos analíticos para construir modelos de los efectos de las personas y del software sobre la fiabilidad de los sistemas. Se hace esto porque se cree que los individuos causan más fallos de sistemas que los equipos. Este punto de vista parece bastante acertado. No obstante, la implementación de los modelos matemáticos existentes de la fiabilidad humana y del software requiere aceptar que la variabilidad de procesos elementales estables determina la dispersión observada en el rendimiento. Si este punto de vista es adecuado o no para las personas y el software es un tema de debate, por lo cual no se aplica en este trabajo. Aquí damos énfasis a la utilización de modelos matemáticos para representar el comportamiento de equipos, e intentamos utilizar el análisis de los modelos para modificar y mejorar el diseño de productos.

Para precisar más, hay que notar que los cuatro ingredientes enumerados son importantes. En el estudio de los fallos, puede pensarse que el equipo físico es el menos importante de los cuatro. No obstante, aquí se considera que los operadores humanos de un sistema no constituyen una población homogénea, cuyo rendimiento pueda ser representado de forma adecuada utilizando una distribución de probabilidades. Análogamente, el software y los protocolos operativos no evolucionan de tal manera que puedan ser representados por funciones de probabilidad. Puesto que el énfasis de este trabajo se centra en la definición de modelos representativos de probabilidad y en su análisis el tratamiento se limita a los dispositivos físicos.

La duración de un dispositivo está determinada por su diseño. Los métodos modernos de diseño están basados generalmente en descripciones científicas y sobre todo matemáticas de los requerimientos y del rendimiento. La fiabilidad es una de las características del rendimiento de un sistema que se trata analíticamente en el proceso de diseño. La precisión en la evaluación de la fiabilidad de un diseño propuesto depende del conocimiento relativo al proceso de los fallos del producto.

La precisión en la predicción de la fiabilidad es también crucial desde el punto de vista económico. La fiabilidad de un producto determina la productividad operativa del mismo, así como los gastos de reparación y mantenimiento. Puede asimismo determinar el intervalo en que se distribuyen los costes operativos, y en el que se obtienen ingresos o servicios. Por tanto, la fiabilidad es un factor central para determinar el coste del ciclo de vida de un producto.

Además de las consideraciones relativas al coste del ciclo de vida, la prevención de accidentes es generalmente muy importante. La fiabilidad es claramente un factor esencial en la seguridad de un producto. Para lograr los objetivos de un rendimiento funcional adecuado, limitación de los costes del ciclo de vida, y seguridad, la fase del diseño es el momento en que puede lograrse una influencia importante sobre los mismos. Por consiguiente, la mayoría de los estudios de fiabilidad y de los métodos desarrollados en este trabajo se centran en el diseño de productos.

Este punto de vista no se aplica aquí. En cambio, aquí el énfasis recae en el uso de modelos matemáticos para representar el comportamiento de equipos, y se intenta usar el análisis de los modelos para modificar y mejorar el diseño de los sistemas.

Con esta motivación, los métodos desarrollados para el análisis de fiabilidad son bastante amplios y han probado su gran eficacia en muchos casos a la hora de asegurar una longevidad adecuada de los sistemas. Aquí acometemos un estudio de las bases de muchos de los conceptos y de las técnicas analíticas más útiles de la ingeniería de fiabilidad.

Los temas se organizan en tres bloques principales. Los Capítulos 2 a 5 incluyen una explicación cada vez más minuciosa de los modelos de fiabilidad de sistemas y componentes. Al presentar este material se definen una notación extensa y métodos analíticos de apoyo. También se incluyen ideas fundamentales relativas a los aspectos físicos de los fallos en los dispositivos. En los Capítulos 6 y 7 se describen las implicaciones de los aspectos físicos de los fallos en los dispositivos, en relación con la estrategia de las pruebas de fiabilidad y con los métodos estadísticos para la estimación de fiabilidad. Finalmente, en los Capítulos 8 y 9 se describen cuestiones de mantenimiento y garantía dentro del contexto de las prestaciones a nivel del sistema.

CONTENIDOS:

1. Introducción

1.1 Definición básica

1.2 Funciones de estado

1.3 Coherencia

2. Estructuras de Sistemas

2.1 Estructuras básicas

2.2 Equivalencia estructural

2.3 Módulos de sistemas

3. Fiabilidad Básica

3.1 Una medida de fiabilidad

3.2 Acotaciones de fiabilidad

3.3 Importancia de fiabilidad

3.4 Asignación de fiabilidad

3.5 Forma de la función de fiabilidad

4. La Fiabilidad en función del tiempo

4.1 Medidas de fiabilidad

4.2 Distribuciones de vida

5. Procesos de Fallo

5.1 Modelos de fallos mecánicos

5.2 Modelos de fallos electrónicos

5.3 Riesgos proporcionales

5.4 Aceleración de edad

5.5 Cribado

5.6 Crecimiento de la fiabilidad

6. Métodos estadísticos de estimación de fiabilidad

6.1 Estimación no paramétrica

6.2 Censurado de datos

6.3 Estimación paramétrica

7. Predicción de Fiabilidad

7.1 Formulación general

7.2 Método de solicitaciones de partes

7.3 Método de recuento de partes

8. Mantenimiento y Fiabilidad

8.1 Procesos de renovación y sustitución de dispositivos

8.2 Mantenimiento preventivo

8.3 Disponibilidad

8.4 Optimización de repuestos y de la capacidad de reparación

9. Garantías

9.1 Garantías de sustitución completa

9.2 Garantías prorrateadas

ApéndiceA: Aproximaciones numéricas

A.1 Funciones gamma

A.2 Función de la distribución normal

Apéndice B: Transformada de Laplace y convoluciones

B.1 Convoluciones

B.2 Transformadas de Laplace

Apéndice C: Funciones de renovación de Weibull

Referencias

Bibliografía

Glosario

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TEXTO COMPLETO B/N (1.214 KB)