3.2 Elementos de Falla en Equipos Mecanicos Electricos y Electronicos

INSTITUTO INSTITUTO TECNOLOGICO TECNOLOGICO DE TLAL TL ALNEPANTLA NEPANTLA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA INDUSTRIAL INGENIERIA MECATRONICA MANTENIMIENTO UNIDAD 3 3.2 ELEMENTOS DE FALLA FAL LA EN EQUIPOS, MECANICOS, ELECTRICOS Y ELECTRONICOS 1.-ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO. TAREAS Y PLANES Tareas Tareas de Mantenimi ento : Son aquellas que nos ayudan a decidir qué hacer para prevenir una consecuencia de falla. El que una tarea sea técnicamen técnicamente te factible factible depende depende de de las características características de la falla y de la operación. E stas se clasifican en: Tareas a Condición : consisten en verificar si los equipos electromecánicos están fallando, de manera que se puedan tomar tomar medidas medidas,, ya sea para prevenir la falla funcional o para evitar consecuencias de los mismos. Están basadas en el hecho de que un gran número de fallas no ocurren instantáneamente (fallas potenciales), sino que se desarrollan a partir de un período de tiempo. Los equipos se dejan funcionando a condición de que continúen satisfaciendo los estándares de funcionamiento deseado. El tiempo transcurrido entre la falla potencial y su empeoramiento hasta que se convierte en una falla funcional está determ determinado inado por el intervalo intervalo P-F P -F,, tal como como se muestra muestra en la Figura Figura 1. 1. •

Figura 1 Elementos de la Falla Funcional en el Tiempo en equipos mecánicos, eléctricos y electrónicos.

. Tareas Cíclicas de Reacondicionamiento: consiste en revisar a intervalos fijos un elemento o componente, independientemente de su estado original. La frecuencia de una tarea de reacondicionamiento cíclico está determinada por la edad en que el elemento o componente exhibe un incremento rápido de la probabilidad condicional de falla. Tareas de Sustitución Cíclicas: consisten en reemplazar un equipo o sus componentes a frecuencias determinadas, independientemente de su estado en ese momento. La frecuencia de una tarea de sustitución cíclica está gobernada por la “vida útil” de los elementos. •

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Tareas “a falta de”: son las acciones “a falta de” que deben tomarse si no se pueden encontrar tareas preventivas apropiadas. Estas incluyen las tareas “a falta de”: la búsqueda de fallas, el no realizar ningún tipo de mantenimiento y el rediseño. Las tareas “a falta de” están regidas por las consecuencias de la falla. •

2.-ELEMENTOS BÁSICOS DE CONFIABILIDAD Los análisis de confiabilidad están conformados por una serie de elementos intrínsecos en las estructuras de los procesos, así como una serie de herramientas y filosofías, los cuales al ser interrelacionados proporcionan la información referencial para la toma de decisiones en cuanto al direccionamiento de los planes de mantenimiento. Los elementos de confiabilidad intrínsecos en el comportam comportamient iento o de los procesos y las instalaciones son s on los siguient siguientes: es: FALLA : Disminución ó pérdida de la función del componente con respecto a las necesidades de operación que se requieren para un momento determinado. Es la incapacidad de cualquier elemento físico de satisfacer un criterio de funcionamiento deseado. Esta condición puede interrumpir la continuidad o secuencia ordenada de un proceso, donde ocurren una serie de eventos que tienen más de una causa. E xisten dos tipos tipos de falla, las cuales son son explicadas explicadas a continuación: continuación: Falla funcional : Es la capacidad de cualquier elemento físico de satisfacer un criterio de funcionamiento deseado. Por ejemplo, un equipo deja de funcionar totalmente. •

Fallas Parciales (Potenciales): Se definen como las condiciones físicas identificables que indican que va a ocurrir una falla funcional. Estas fallas están por encima o por debajo de los parámetros identificados para cada función. Por ejemplo, el elemento no cumple un estándar o parámetro establecido de su servicio. Las causas de cualquier falla pueden ubicarse en una de estas siete categorías: Defectos de diseño Defectos de materiales Manufactura o procesos de fabricación defectuosos Ensamblaje o instalación defectuosos Imprevisiones en las condiciones de servicio Mantenimiento deficiente Malas prácticas de operación Para identificar y analizar las fallas, se requiere de un profundo conocimiento del sistema, las operaciones, el personal y los métodos métodos de trabajo, trabajo, por lo tanto tanto es el resultad resultado o de un trabajo trabajo en equipo. equipo. P robabilid robabilidad ad de Falla: Posibilidad de ocurrencia de un evento en función del número de veces que ha ocurrido para un equipo o familia de equipo en un periodo especifico. La representación gráfica de la probabilidad condicional de falla contra la vida útil de los equipos da origen a diferentes modelos de fallas que serán representativos para una gran variedad de equipos eléctricos,electronicos y mecánicos, tal como se observa en la Figura 2. •

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figura 2 Elementos de Fallas de Equipos El modelo A es conocido como la curva de la bañera. Comienza con un período de mortalidad infantil (falla de infancia) que tiene una incidencia de falla alta que va decreciendo a medida que transcurre el tiempo, la frecuencia de falla disminuye hasta llegar a estabilizarse en un índice aproximadamente constante. Luego comienza el período de operación normal (falla aleatoria) donde el índice de fallas permanece aproximadamente constante y éstas pueden ocurrir en cualquier edad. Por último ocurre el período de desgaste (falla por edad) que se caracteriza porque el índice de fallas aumenta a medida que transcurre el tiempo.

El modelo B es la llamada curva de la falla tradicional, donde el índice de fallas aumenta a medida que transcurre el tiempo. El modelo C se diferencia de los modelos A y B en que registra un deterioro constante desde el principio, con una probabilidad de falla que aumenta con el uso. El modelo D corresponde a un elemento cuya probabilidad de falla es baja cuando es nuevo, luego ocurre un incremento rápido de falla seguido de un comportamiento aleatorio. El modelo E representa un elemento que tiene la misma probabilidad de falla en cualquier momento y muestra que no hay relación entre la edad funcional de los equipos y la probabilidad de que fallen. 3

E l modelo F es la la llamada curva de la “J “J invertida”, invertida”, y combina la mortalidad mortalidad infantil muy alta con nivel constante de falla luego de esta dificultad inicial. Los modelos A, B y C están asociados al envejecimiento y en el punto de desgaste definitivo se produce un incremento rápido de la probabilidad de fallas. Las características de desgaste definitivo ocurren más a menudo en los equipos que están en contacto directo con el producto; en general estos modelos son aplicados a equipos sencillos. Los modelos D, E y F no están asociados al envejecimiento y se caracterizan porque después de un período inicial, la relación entre confiabilidad y la edad operacional es mínima o nula; estos modelos son típicos de los equipos de electrónica, hidráulica y neumática.

3.- Mantenimient Mantenimient o Centrado en Confiabi lidad lid ad (M.C.C (M.C.C.): .): Es una metodología que procura determinar los requerimientos de mantenimiento de los activos en su contexto de operación. Consiste en analizar las funciones de los activos, ver cuales son sus posibles fallas, y detectar los modos de fallas o causas de fallas, estudiar sus efectos y analizar sus consecuencias. A partir de la evaluación evaluación de las consecuencias es que se determ determinan inan las estrategias estrategias más adecuadas al contexto de operación, siendo exigido que no sólo sean técnicamente factibles, sino económicamente viables Las Siete Preguntas Básicas del M.C.C. El M.C.C centra su atención en la relación existente entre la organización y los elementos físicos que la componen. Por lo tanto es importante de que antes de comenzar a explorar esta relación detalladamente, se conozca el tipo de elementos físicos existentes y decidir cuál de ellos debe estar sujeto a una revisión de Mantenimiento Centrado en Confiabilidad. Posteriormente debe hacerse énfasis en la resolución de siete preguntas, las cuales nos permiten consolidar los objetivos de esta filosofía (aumentar la confiabilidad y disponibilidad de los activos por medio del empleo óptimo de recursos). Estas preguntas se presentan en la Figura 3 a continuación.

Figura 3 Siete Preguntas del Mantenimiento Centrado en Confiabilidad (M.C.C.) Fuente: CIED. (1995 1)

¿Cuáles son las funciones que debe desempeñar el activo?

* A

2) ¿De que manera puede fallar?

M E

3)

¿Qué origina la falla? falla?

4)

¿Qué sucede cuando falla?

5)

¿Importa si falla?

F

* 6)

¿Qué podemos realizar para prevenir las fallas?

7)

¿Qué ocurre si no podemos prevenir la falla?

A L D

Se cuenta con técnicas de confiabilidad claves en la aplicación del M.C.C como el *Análisis de los Modos y Efectos de las Fallas y el Árbol Lógico de Decisión. La primera nos ayuda a determinar las consecuencias de los modos de falla de cada activo en su contexto operacional, mientras que la segunda nos permite decidir cuales son las actividades de mantenimiento más optimas. La primera técnica nos ayuda a responder las cuatro primeras preguntas, mientras que la segunda nos ayuda a responder las restantes. Establecer respuestas a las siete preguntas del M.C.C., requiere se analicen los siguientes aspectos: 4

Funciones y Estándares de Funcionamiento : El inicio de la aplicación conceptual del M.C.C consiste en determinar las funciones específicas y los estándares de comportamiento funcional asociado a cada uno de los elementos de los equipos objeto de estudio, en su contexto operacional, con lo cual logramos responder la primera pregunta. Fallos Funcionales: Luego de determinar las funciones y los estándares de comportamiento funcional de cada uno de los elementos que componen el equipo al que vamos aplicarle el M.C.C, debemos definir la forma en que puede fallar cada elemento en el cumplimiento de sus deberes. Esto nos arrastra al término de fallo funcional, el cual se define como la incapacidad de un elemento o componente de un equipo para cumplir con los estándares de funcionamiento deseado. Modos de Fallo: El paso siguiente que debemos concretar es el de conocer cuál de los modos de fallo tienen mayor posibilidad de causar la pérdida de una función y determinar de una vez, cuál es la causa origen de cada falla así como procurar que cada modo de fallo sea considerado en el nivel más apropiado. Efectos de los Fallos: Consiste en determinar los efectos o lo que pasa cuando ocurre una falla. •

Consecuencia de los Fallos : El objetivo primordial de este paso es determinar cómo y cuanto importa cada falla, para tener un claro consentimiento consentimiento si una falla requiere requiere o no prevenirse. prevenirse. El E l M.C.C M.C .C clasific clasifica a las consecuencias de los fallos de la siguiente forma: Consecuencia de Fallos no Evidentes: Son aquellos fallos que no tienen un impacto directo, pero que pueden originar otros fallos con mayores consecuencias a la organización. Por lo general este tipo de fallas es generada por dispositivos de protección, los cuales no poseen seguridad inherente. El M.C.C le da a este grupo de fallos una alta relevancia, adoptando un acceso sencillo, práctico y coherente con relación a su mantenimiento. Consecuencia en el Medio Ambiente Ambiente y la Seguridad: E l M.C.C M.C .C presta mucha mucha atención atención al impacto impacto que que genera en el ambiente la ocurrencia de una falla, así como las repercusiones en la seguridad (tomando en consideración los artíc artículos ulos y disposiciones de leyes y reglamentos reglamentos hechas hechas para legislar en este campo) haciéndolo antes de considerar la cuestión del funcionamiento. Consecuencias Operacionales: Son aquellas que afectan la producción, por lo que repercuten considerablemente en la organización (calidad del producto, capacidad, servicio al cliente o costos industriales además de los costos de reparación). Consecuencias no Operacionales: Son aquellas ocasionadas por cierta clase de fallos que no generan efectos sobre la producción ni la seguridad, por lo que el único gasto presente es el de la reparación. •

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TAREAS PREVENTIVAS: En la segunda generación del mantenimiento se suponía que la mejor forma de aumentar la disponibilidad de una planta era mediante la aplicación de acciones preventivas a intervalos fijos, es decir, que debía hacerse la reparación del equipo o cambios de sus componentes una vez transcurrido cierto período de tiempo, y esperar que pasara la misma cantidad para repetir el procedimiento. Objetivo del Mant M antenim enimient iento o Cent C entrado rado en Confiabilidad. C onfiabilidad. El objetivo del M.C.C es mejorar la confiabilidad, disponibilidad y productividad de la unidad de procesos, a través de la optimización del esfuerzo y los costos de mantenimiento, disminuyendo las tareas de mantenimiento correctivo y aumentando las tareas de mantenimiento preventivo y predictivo. Aplicaciones del Mantenimiento Centrado en Confiabilidad. E l M.C.C M.C .C se aplica en áreas donde donde hay equipos que que presenten presenten las siguientes características: Que sean indispensables para la producción, y que al fallar generen un impacto considerable sobre la seguridad y el ambiente. Generan gran cantidad de costos por acciones de mantenimiento preventivo o correctivo. Si no es confiable el mantenimiento que se las ha aplicado Sean genéricos con un alto costo colectivo de mantenimiento. Beneficios del Mantenimiento Centrado en Confiabilidad: Cuando se aplica correctamente el M.C.C obtenemos los siguientes beneficios: Mayor protección y seguridad en el entorno. Se logran aumentar los rendimientos operativos. Optimización de los costos de mantenimiento. Se extiende el período de vida útil de los equipos. Se genera una amplia base de datos de mantenimiento. •

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Motivación en el personal. Mayor eficiencia en el trabajo de grupo. Limitaciones del Mantenimiento Mantenimiento Cent Centrado rado en Confiabilidad: C onfiabilidad: Básicamen Básicamente te el M.C.C M.C.C presenta dos barreras, las cuales deben considerarse detalladament detalladamente e a la hora de aplicar los planes que el mismo genera, previo a un estudio. Ellas son: El tiempo requerido para obtener resultados es relativamente largo. Si bien es cierto que a largo plazo aumenta la relación costo / beneficio, en un principio, requiere una alta inversión de recursos. • •

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4. Análisi s de Modos y Efectos de Falla Falla (A.M.E.F) (A.M.E.F) El A.M.E.F es un método que nos permite determinar los modos de fallas de los componentes de un sistem sistema, a, el impacto impacto y la frecuencia con q que ue se presentan. De esta forma forma se podrán clasificar las fallas por orden de importancia, permitiéndonos directamente establecer tareas de mantenimiento en aquellas áreas que están generando un mayor impacto económico, con el fin de mitigarlas o eliminarlas por completo. Método del Análisis de Modos y Efectos de Fallas Este proceso necesita de cierto período de tiempo para aplicarlo en el estudio de un sistema, un análisis detallado y una documentación acertada para poder generar una jerarquía clara y bien relacionada. Su procedimiento como tal implica las siguientes actividades: Definir el sistema: Se refiere a que se debe definir claramente el sistema a ser evaluado, las relaciones funcionales entre los componentes del sistema y el nivel de análisis que debe ser realizado. El análisis de los modos de fracaso: Consiste en definir todos los modos de falla potenciales a ser evaluados en el nivel más bajo. Por ejemplo, la pérdida del rendimiento, funcionamiento intermitente, etc. Análisis de los efectos de fallas: Define el efecto de cada modo de falla en la función inmediata, los niveles más altos de riegos en el sistema, y la función misión a ser realizada. Esto podría incluir una definición de síntomas disponible al operador. La rectificación (Opcional): (Opcional): Determina Determina la acción inmediata inmediata que que debe ejecutar ejecutar el operador para limitar los efectos de las fallas o para restaurar la capacidad operacional inmediatamente, además de las acciones de mantenimiento requeridas para rectificar la falla. Cuantificación uantificación de la Rata de de Fallas (Opcional): (O pcional): Si existe suficiente información, información, la rata de falla, la proporción de la rata, o la probabilidad de falla de cada modo de fallo deberían ser definidas. De esta forma puede cuantificarse la proporción de fracaso total ola probabilidad de falla asociada con un efecto de un modo de fallo. Análisis crítico (Opcional): Nos permite determinar una medida que combina la severidad o impacto de la falla con la probabilidad de que ocurra. Este análisis puede ser cuantitativo o cualitativo. Acción correctiva (Opcional): Define cambios en el diseño operando procedimientos o planes de prueba que mitigan o reducen las probabilidades críticas de falla. Análisis de Modos y Efectos de Fallas Funcionales Un A.M.E A.M.E.F .F.. funcional se basa en la estructura estructura funcional funcional del sistema sistema en lugar lugar de los componen componente te físicos que lo componen. Un A.M.E.F. de este tipo debe utilizarse sí cualquiera de los componentes no tienen identificación física o si el sistema es muy complejo. Es idéntico al A.M.E.F normal, solo que los modos de fallas son expresados como fallas para desarrollar las funciones particulares de un sub-sistema. Igualmente el análisis funcional debe considerar las funciones primarias y secundarias, que quieren decir, las funciones para que el sub-s sub-sistem istema a está provisto provisto y las funciones que son solamente solamente una una consecuencia de la presencia del sub-sistema respectivamente. •

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5.-Análisis de Árbol de Falla (A.A.F) La técnic técnica a del diagrama diagrama del árbol de de falla es un método método que nos permite identificar identificar todas todas las posibles posibles causas de un modo de falla 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. Mediante un A.A.F podemos observar en forma gráfica la relación lógica entre un modo de fallo de un sistem sistema a en particular particular y la causa básica de fracaso. Esta técnica técnica usa una compuert compuerta a “y” que se refiere 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 forma utiliza utiliza una compuerta compuerta “o” que denota que al ocurrir cualquier 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. Con una acertada aplicación esta técnica se puede determinar los elementos potencialmente críticos durante la temprana etapa de diseño, mientras que cuando se requiere un análisis más profundo del sistema en la etapa de detalle del diseño, aplicamos un Análisis de Modo y Efecto de Falla. Los A.A.F nos proveen de una base objetiva para analizar el diseño de un sistema, desempeñando estudios de comercio / fuera, analizando casos comunes o modos de fallas comunes, evaluando la complacencia en los requisitos de seguridad las justificaciones de diseño de mejoras. Método: El Análisis de Árbol de Falla consta de seis pasos fundamentales, los cuales son: Definición del sistema, es decir, los elementos que componen el sistema, sus relaciones funcionales y las funciones requeridas. La definición del evento cima debe ser analizado, así como el límite de su análisis. La construcción del A.A.F por rastreo de los eventos debajo de la cima y progresivamente eventos debajo por categorías y niveles con sus especificados funcionales. Estimación de la probabilidad de ocurrencia de cada uno de las causas de fracaso. Identificació Identificación n de cualquier fracaso fracaso de la causa causa común potencial que afecta las compuertas compuertas “y” “y”.. Calcular la probabilidad de ocurrencia del evento de cima de falla. Beneficios del Análisis del Árbol de Fallas: Lleva al analista a descubrir la falla de una forma deductiva. Indica las partes del sistema que son sumamente importantes debido a que en las mismas se localizan las fallas de interés. Proporciona medios claros, precisos y concisos de impartir información de confiabilidad a la gerencia. P rovee un significado cualitativo cualitativo y cuantit cuantitativo ativo de análisis de confiabilidad. Permite no mal gastar esfuerzos, al concentrarse en un modo de falla del sistema o los efectos que genera al tiempo. Provee al analista y al diseñador de un claro entendimiento de las características de confiabilidad y rasgos del diseño. Permite identificar posibles problemas de confiabilidad. Habilita fallas que pueden ser evaluadas. Limitaciones del A.A.F Las limitaciones prácticas de esta técnica se deben a la cantidad de tiempo y de esfuerzo que debe invertirse. De la misma forma requiere de una metodología muy estricta, una documentación sin errores, una acertada acertada elección de los eventos eventos de la cima más más apropiados y niveles niveles de análisis análisis para no mal mal gastar esfuerzos. •

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