Topicos de Calidad 6. cap3 CONFIABILIDAD

CONFIABILIDAD.
CAPITULO 3
CONFIABILIDAD
ING. PLUTARCO SÁNCHEZ DE GANTE TÓPICOS DE CALIDAD
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CONFIABILIDAD.
CAPÌTULO 3
CONFIABILIDAD.
3.1 INTRODUCCION.
La confiabilidad es una característica que representa una de las demandas
principales del comprador. El cliente de hoy, además de exigir productos novedosos e
innovadores, solicita productos que funcionen en el momento que lo requiere y en forma
confiable, por lo tanto, cumplir con los requisitos de confiabilidad es una de las exigencias
principales sobre la tecnología del nuevo producto.
La alta confiabilidad ha sido una de las estrategias de venta de muchos productos,
y es por eso que los departamentos de ingeniería y de producción tienen como objetivo
primario la obtención de este valor, por ejemplo, las turbinas de vapor de combustible
orgánico y las locomotoras diesel; en cuanto a productos de consumo encontramos los
frigoríficos que son adquiridos por sus altos niveles de confiabilidad mostrados en
registros de operación del equipo mostrado durante un cierto número de años. Algunas
marcas de productos de consumo electrónicos han llegado a dominar el mercado gracias
a la información publicada y la transmitida de boca en boca en lo referente a su
desempeño confiable respecto a otros productos de la competencia.
En los últimos años la atención hacia la confiabilidad ha sido mayor a través de
una alta gama de productos y una mayor formalización de las actividades encaminadas a
la obtención de la confiabilidad. La formalización ha sido beneficiada por el desarrollo de
equipos complejos y multicomponentes sobre todo en el área espacial y electrónica,
donde se ha institucionalizado la confiabilidad.
La importancia de la confiabilidad se ha reconocido en una gran variedad de
productos, tanto a nivel industrial como de consumo y se ha puesto especial énfasis en
las medidas cuantitativas que ayudan a hacer de la confiabilidad un número (una
probabilidad), que pueda expresarse en forma específica. Estas mediciones permiten
evaluar la confiabilidad del producto; predecirla; balancearla objetivamente con otros
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CONFIABILIDAD.
parámetros de la calidad del producto, como el mantenimiento; y controlarla. También
permiten establecer programas para asegurar la confiabilidad del producto.
En este capítulo se estudiarán algunas técnicas para establecer la confiabilidad de
los productos, pero es importante, también visualizar la confiabilidad como parte de un
tema más extenso que es el análisis de riesgo. Debido a esto dentro de éste capítulo se
hará referencia a un breve estudio del análisis de riesgo presentado en el apéndice B con
la intención de visualizar su importancia dentro del desarrollo de la confiabilidad.
3.2 HISTORIA DE LA CONFIABILIDAD.
Existen antecedentes de que los primeros esfuerzos para la cuantificación de la
confiabilidad provienen de la industria de la aviación. Después de la primera guerra
mundial, debido al incremento del tráfico aéreo y los accidentes aéreos, emergieron los
criterios de confiabilidad y los niveles de seguridad necesarios para el desempeño aéreo.
Se llevaron a cabo comparaciones de aviones de uno y varios motores desde el punto de
vista de vuelos exitosos y se desarrollaron los requerimientos en términos de promedio
de accidentes por horas de vuelo. De esto, en 1960 se dedujo que los accidentes fatales
por aterrizajes ocurrieron aproximadamente uno en un millón. Por lo tanto, para sistemas
automáticos de aterrizaje los criterios de diseño para un riesgo de aterrizaje fatal deberán
ser menor a uno por 107
.(Green A. E. And A. J. Bourne, Reliability Technology. John
Wiley & Sons, Inc. New York 1972).
R. H. Jennings nos presenta en su libro “Historic and Modern Practices in
Reliability Engineering” una crónica del desarrollo de la Ingeniería de Confiabilidad
durante las décadas de los 40’s, 50’s, 60’s y 70’s.
3.2.1 LOS AÑOS 40’s.
El desarrollo inicial de los modelos matemáticos de confiabilidad empieza durante
la Segunda Guerra Mundial en Alemania, donde un grupo lidereado por Wernher Von
Braun desarrolló el misil V-1. Las primeras series de diez misiles fallaron, todos golpearon
sobre las plataformas de lanzamiento o cayeron en el canal Inglés. El matemático Robert
Lusser fue llamado como consultor quien determinó que el viejo refrán “Una cadena no es
mas fuerte que su eslabón mas débil" no era aplicable a un sistema de series desde que
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falló al parecer por la falla aleatoria. Lusser produjo la ley de producto de componentes
de series que menciona que la confiabilidad de un sistema de series es igual al producto
de la confiabilidad de sus componentes:
Rt = R1 R2 R3 . . . Rn
Así, en un sistema de series, la confiabilidad de los componentes individuales
deberá ser mayor que la confiabilidad del sistema para un desempeño satisfactorio del
sistema.
En los Estados Unidos los esfuerzos para implementar la confiabilidad durante los
años 40’s fueron enfocados sobre una extensión de la calidad. Mejores diseños,
materiales mas duros, superficies más duras y suaves, instrumentos de inspección
avanzados, etc., todos enfatizaron en la ampliación de la vida útil de una parte o de un
ensamble. La división Electro-Motive de General Motors Corporation amplió la vida útil
de un motor de tracción usado en locomotoras, de 250,000 millas a 1 millón de millas,
utilizando mejores aislantes, probando a altas temperaturas e implementando
rodamientos de rodillos esféricos. La vida del motor diesel se amplió mejorando en la
dureza de las superficies de los rodamientos de los cigüeñales y árboles de levas. Otro
progreso notable fue el interés y entusiasmo que mostraron los administradores por los
planes muestrales para la inspección, el uso de las Gráficas de Control para alta
producción de maquinas herramientas, niveles de evaluación e incentivos de compras
para productos de calidad. Esto es lo que marcó la entrada de los ingenieros industriales
en el campo y como resultado la mayoría de los textos y cursos de confiabilidad tratan
con gráficas de control e inspección y técnicas estadísticas asociadas.
Se incrementó la importancia sobre la seguridad, mas prominentemente en las
áreas aeroespaciales y nucleares. Esta década vio el inicio del uso de la confiabilidad de
componentes en términos de fallas promedio, esperanza de vida, adecuación de diseño y
predicción de éxito.
Durante la guerra de Corea el departamento de defensa encontró que el equipo
inseguro requirió una tremenda cantidad para mantenimiento. Encontró que el costo de
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los servicios armados fue de 2 dólares anuales de mantenimiento por cada dólar invertido
en equipo electrónico; para un equipo cuya vida era de 10 años costaba veinte millones
de dólares mantener cada millón de dólares de costo de compra del equipo. Se le
demostró al gobierno que era más prudente diseñar utilizando conceptos de confiabilidad
que esperar a reparar el equipo después de haber fallado.
A principios de los 50’s los esfuerzos se enfocaron a entender y corregir los
errores humanos que contribuyen al sistema de fallas Uno de los primeros estimadores
cuantitativos del desempeño humano fue hecho en los Laboratorios Sandia en 1952. Un
estudio clasificado de un avión con sistema de armas nucleares se llevó a cabo usando
como enfoque la recopilación de estimadores de promedios de error humano por tarea.
Las tareas asignadas además fueron subdivididas en ambientales; se asigno un error de
0.01 como error promedio para operación “en tierra”, y 0.02 como promedio de error “en
aire”. Esas figuras se incorporaron dentro de la ecuación de confiabilidad operacional de
la misma manera que en otros eventos del sistema.
Durante los 60’s surgieron nuevas técnicas de confiabilidad y una amplia variedad
de aplicaciones especializadas. Pasando, desde la concentración más temprana de las
formas, cómo se comportaron los componentes, mecánicos, eléctricos o hidráulicos; el
énfasis ampliado para estudiar los efectos de las fallas que los componentes tuvieron en
el sistema del cual eran parte. La era de los misiles balísticos intercontinentales y los
subsecuentes cohetes guiados desarrollados por los programas Mercurio y Géminis
aceleraron la demanda de éxito. Esto fue impulsado por los requerimientos de “un
disparo”, culminando con la cuenta regresiva de los motores de cohete y los sistemas
sobre la plataforma de lanzamiento.
Un esfuerzo considerable se aplicó a las pruebas funcionales de componentes y
sistemas durante los “años aeroespaciales”. Se mantuvieron los registros de cada falla,
su análisis, y los registros de inspección de las deficiencias que aparecieron en las
investigaciones. Cada modo de falla del componente, mecanismo, causa, y su efecto de
falla en el sistema, fue evaluado por la aplicación de acciones correctivas para evitar la
recurrencia. Se analizaron los sistemas utilizando diagramas de block de confiabilidad,
los cuales llegarán a ser altamente desarrollados y utilizados en forma extensiva como
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modelos de éxito para ayudar a alcanzar la seguridad y las metas de confiabilidad.
Con el crecimiento en complejidad de la mayoría de los sofisticados diagramas de
block fue necesario otro enfoque. En 1961 el concepto de Análisis de Árbol de Fallas fue
creado por H. A. Watson, de los Laboratorios de Bell Telephone, como un plan para
evaluar la seguridad de los Sistemas Milicianos de Control de Lanzamientos.
Posteriormente la Compañía Boeing modificó el concepto utilizando la computadora. En
1965, D. F. Haasl desarrollo una técnica de construcción de Árbol de Fallas y su
aplicación a una amplia variedad de problemas de seguridad industrial y confiabilidad.
El surgimiento de un sistema de estudio de seguridad como una actividad
independiente y separada fue ordenada por la Fuerza Aérea en 1962, debido a los
accidentes desastrosos de cuatro silos complejos de misiles ICBM. En 1966 el
Departamento de Defensa adoptó los estándares de la Fuerza Aérea y empezó a solicitar
estudios de los sistemas de seguridad en todas las fases del desarrollo del sistema, en
todos los contratos de Defensa. Esos estándares fueron continuamente desarrollados y
revisados y en 1969 el Departamento de Defensa adoptó las MIL-STD-882 “Programas
de Sistema de Seguridad para Sistemas, Subsistemas Asociados y Equipos”.
Paralelamente, se desarrollaron los requerimientos del Departamento de Defensa con
relación a la confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad de aparatos individuales. Los
estándares como MIL-STD 471, “Mantenibilidad/Verificación/ Demostración/Evaluación”,
y MIL-STD 781, “Pruebas de Confiabilidad: Distribución Exponencial”, son documentos
que sirven para mantener un promedio alto de empleo entre ingenieros de confiabilidad y
consultores tan buenos como empleados civiles. En esta década, se publicaron al menos
15 libros de confiabilidad. Durante este periodo nació el IEEE “Transacciones en
Confiabilidad”, que bajo el liderazgo del Dr. Ralph Evans llego a ser una revista muy
importante en el campo. Algunos matemáticos distinguidos como Z. W. Birnbaum, R.
Barlow, F. Proschan, J. Esary, y W. Weibull desarrollaron técnicas estadísticas genéricas
para problemas de Confiabilidad y Mantenibilidad.
3.2.4 LOS AÑOS 70’S.
La evaluación de riesgo extensivo de plantas nucleares patrocinada por la
Comisión de Energía Atómica de Los Estados Unidos y terminada en 1974, “WASH
1400, Estudio de Seguridad de un Reactor”, ha sido literalmente memorable. El profesor
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N. Rasmussen y su multimillonario equipo analizaron un vasto espectro de accidentes
nucleares, promediándolo numéricamente con relación a su probabilidad de ocurrencia, y
entonces se evaluaron sus consecuencias potenciales hacia el público. El árbol de
eventos, el árbol de fallas, y las técnicas de consecuencias de riesgo utilizados en este
estudio están siendo ampliamente adoptadas por la industria química y otras. Estudios
similares a los de Rasmussen proliferan en Europa, Asia y los Estados Unidos.
El crecimiento del clamor público respecto a los daños industriales, emparejados
con el ruidoso movimiento de protección al consumidor y el ambientalismo, tiene un
impacto profundo en esta década. En Europa, debido a los accidentes industriales de
Flixborough, Inglaterra y Cerveza, Italia, se ha precipitado una nueva legislación que
exige mayores estudios de riesgo antes de construir una nueva planta. En Inglaterra las
nuevas substancias toxicas podrían actuar similarmente afectando cada planta tanto
como un simple cilindro de gas comprimido. En los Estados Unidos surge la OSHA y los
juicios de productos confiables. El costo por daños de la industria química en 1977 fue de
7 millones de dólares.
Como hemos visto el concepto de Confiabilidad se ha venido desarrollando desde
varias décadas atrás. El concepto se ha fortalecido en las décadas de los 80’s y los 90’s;
y el nuevo milenio es recibido con criterios más estrictos de confiabilidad en todos los
equipos. El desarrollo de la industria espacial, el lanzamiento de cohetes inicialmente y
transbordadores espaciales en años más recientes, la utilización de equipos de
comunicación más sofisticados nos pueden dar una idea de los parámetros de
confiabilidad necesarios.
3.3 EVOLUCION DE LA CONFIABILIDAD FORMAL DEL PRODUCTO.
En la evolución de confiabilidad del producto, según Feigenbuam, se consideran
cuatro pasos básicos:
1.- El primer paso, que data de varias décadas, ha tenido como objetivo la
predicción de la confiabilidad del producto y la demostración de que ésta confiabilidad se
ha logrado. Una técnica en este paso, particularmente en la industria electrónica y
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CONFIABILIDAD.
posteriormente en los productos mecánicos y de otros tipos, fue la determinación de las
tasas de fallas en las partes. Cuando se generalizaron estos datos, mostraron que
muchos tipos de partes tenían una tasa de fallas inicial alta; una tasa de fallas constante
durante un periodo significativo de tiempo que podía expresarse matemáticamente; y otra
tasa de fallas elevada al irse desgastando la parte.
Los modelos matemáticos y estadísticos directos se habían desarrollado de forma
tal que las tasas de fallas en las partes establecidas pudieran traducirse en tasas de
fallas para los productos y equipos en las que se ensamblaran las partes. La suposición
para estos modelos ha sido una tasa de fallas relativamente constante para componentes
y productos, con una tasa inicial de fallas alta, eliminados por la tarea del material
adquirido del control total de la calidad; la inspección y las fallas debidas al desgaste,
evitadas por mantenimiento preventivo proporcionado por la tarea del control del producto
como parte del control total de calidad. Se han desarrollados modelos más complicados
matemáticamente que se aplican a productos muy complejos con diversas formas de
operación que pueden mantenerse y repararse durante su funcionamiento y que tienen
muchos patrones de degradación distintos a los constantes.
Con estas técnicas aplicadas a algunos diseños de producto bien establecidos,
cuyo tiempo aceptable en su totalidad predicha para fallar era un número relativamente
limitado de horas, cada vez ha sido más factible proporcionar con rapidez el
aseguramiento necesario de confiabilidad a través de programas de pruebas de producto,
apoyados por evaluaciones estadísticas, para demostrar el logro continuo y el
mantenimiento de la confiabilidad del producto.
2 .- Sin embargo, en el caso de productos cuyo diseño, manufactura y uso son
complejos, o donde pueda requerirse tener periodos largos confiables y de operación
libre de problemas, ha evolucionado el segundo paso en la confiabilidad del producto; es
decir, la mejoría de la confiabilidad de éste. Varias técnicas de gran importancia se han
desarrollado en el diseño del producto, en la manufactura de éste y en el servicio y
mantenimiento del mismo.
Algunas de las técnicas principales de diseño del producto son: margen en el
diseño, disminución de las condiciones de empleo, redundancia, control del impacto
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CONFIABILIDAD.
ambiental, análisis del modo de fallo y efecto de criticalidad ( MFEAC), investigación en
la física de fallo, ingeniería de diseño humana, diseño de empaque y transporte y muchos
otros. En manufactura, muchas áreas de control de material adquirido y de control de
producto son esenciales para asegurar la confiabilidad. En el servicio y mantenimiento del
producto, son importantes el área completa de mantenimiento junto con la política de
reparación del producto y la documentación de mantenimiento.
3 .- Debido al crecimiento de estas diversas técnicas, el tercer paso en la
evolución de la confiabilidad del producto fue necesario. Este ha sido el reunir en una
forma coordinada la serie de actividades cuyo objetivo es el establecimiento, logro y
mantenimiento continuo de la confiabilidad. Lo que ha venido a llamarse “programa“ de
confiabilidad, es básicamente un grupo de actividades de confiabilidad junto con sus
requisitos de desempeño.
4 .- El cuarto paso de la evolución en la confiabilidad del producto, ha sido el
asegurar una operación totalmente efectiva y económica y el uso de estas técnicas
matemáticas y estadísticas y de estas actividades de confiabilidad, no como fines en sí
mismas, sino como partes integrales del programa completo de la compañía para la
calidad. Estas actividades de confiabilidad son, por tanto, componentes importantes de
los sistemas modernos de calidad total que aseguran todos los aspectos de la
satisfacción del cliente con la calidad de una compañía.
3.4 REQUISITOS DEL CLIENTE. CONFIABILIDAD Y COSTOS.
Las condiciones de confiabilidad de un producto son determinadas por los
requisitos impuestos por el comprador durante el uso de dicho producto. Si la norma de
confiabilidad se establece a un nivel muy bajo, el costo total efectivo para el comprador
puede ser muy alto, debido a un exceso de reparaciones, mantenimiento y costos
imprevistos. Si se especifica una norma indebidamente alta, los costos totales también
resultarán elevados, debido a una mayor cantidad de requisitos en relación con las piezas
o los montajes. La importancia en la determinación del nivel o norma se refleja en la
“disponibilidad” del producto o servicio la cual se analizará mas adelante.
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CONFIABILIDAD.
Existe un punto para el valor óptimo de la confiabilidad, determinada como costos
totales, tanto para el comprador como para el fabricante. Los compradores han recalcado
que esperan esta norma de confiabilidad del producto, sin aumentos indebidos en el
precio que pagan a los fabricantes. Por lo que respecta a los costos de calidad de los
elementos de la confiabilidad, ya se han considerado varios de los segmentos de los
costos de confiabilidad.
• Se debe incurrir en ciertos costos relacionados con la confiabilidad al programar un
sistema de calidad y supervisarlos para estar seguros de que se puede lograr la
confiabilidad deseada: estos se pueden considerar como costos de prevención y de
apreciación.
• Estos costos se deben de compensar con los costos de los fracasos para el logro
de la confiabilidad del producto que se haya especificado.
• Los costos totales de la calidad dentro del sistema de calidad de la compañía se
deben de considerar en su punto de vista más favorable, a fin de cumplir con la
meta de la calidad de la compañía, incluyendo el elemento de confiabilidad.
3.5 DEFINICION Y MEDICION DE LA CONFIABILIDAD.
Un producto confiable es aquel que desempeñará la función que tiene designada
cuando se requiera que lo haga durante su periodo de uso. La confiabilidad es una
cualidad que mide la probabilidad de que el producto o aparato funcione y se puede
definir como:
“ La confiabilidad del producto es la habilidad de una unidad de desempeñar una
función requerida en condiciones establecidas durante un periodo establecido”
En forma correspondiente, la confiabilidad cuantitativa es por definición:
“ La confiabilidad Cuantitativa es la probabilidad de que una unidad desempeñe
una función requerida en condiciones establecidas para un periodo establecido”
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CONFIABILIDAD.
Los elementos importantes de la definición de confiabilidad cuantitativa son:
1 .- Probabilidad.- Aquí, se toma en cuenta la variación que transforma la
confiabilidad en una probabilidad. Cada unidad aislada presenta variaciones respecto a
las demás en su duración. Más aun, determinado número de unidades puede tener cierto
promedio de duración, por lo tanto, será posible identificar distribuciones de frecuencias
en las fallas del producto, que permitan predecir la duración de la vida de las unidades
del mismo.
2 .- Rendimiento.- La confiabilidad es una característica de la calidad del
rendimiento. Para que un producto ofrezca seguridad, debe satisfacer cierta función o
desempeñar un trabajo en el momento que se le reclame. “Que desempeñe las funciones
para las que haya sido proyectado”.
3 .- Tiempo.- Tercer elemento en la definición de la confiabilidad. La confiabilidad
establecida como una probabilidad de que el producto desempeñe una función, debe de
identificarse con un determinado periodo de tiempo.
4 .- Condiciones.- La cuarta consideración dentro de la definición, se refiere a las
condiciones donde se incluye la aplicación y las circunstancias de operación bajo las
cuales se emplea el producto. Estos factores establecen la fatiga que habrá de
imponérsele al producto, y son considerados para tomar en cuenta las condiciones de
almacenamiento y transporte, puesto que éstas también influyen significativamente en la
confiabilidad. Las condiciones de operación que soporta un producto pueden afectar en
alto grado su margen de empleo y su rendimiento.
Otros dos enfoques de la definición de confiabilidad son los referentes a la
confiabilidad inherente y la confiabilidad lograda.
La Confiabilidad Inherente identifica la confiabilidad potencial que es capaz de crear
un diseñador en su proyecto. Este puede ser el valor más alto que un diseño en particular
puede proporcionar. Cuando se pasa de un proyecto a su transformación en un “artículo“
se logrará un valor de confiabilidad que normalmente es inferior al de la confiabilidad
inherente, a este valor se le denomina la confiabilidad lograda.
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CONFIABILIDAD.
La confiabilidad lograda en un aparato, es el valor de la confiabilidad demostrada
por el producto. Los efectos de la manufactura se incluyen en este tipo de confiabilidad, la
cual siempre estará presente en todo producto físico.
Si se desean mejoras en la confiabilidad, un producto real debe ser medido y
analizado, a fin de determinar los efectos que dan lugar a que la confiabilidad lograda sea
inferior a la inherente, lo cual exige un estudio del mecanismo de falla.
Mecanismo de falla se puede definir como la serie de acontecimientos cronológicos
que lógicamente conducen a una falla del producto. El conocimiento de estos sucesos y
las causas que los originan permitirán eliminar los factores responsables de la baja
confiabilidad lograda.
3.5.1 MEDICION DE LA CONFIABILIDAD.
La mayor parte de los análisis de confiabilidad se han basado en estudios
estadísticos para identificar producto por producto y componente por componente,
diversos patrones de fallas en función del tiempo, durante el ciclo de vida de los
productos o componentes. Un artículo se considera como componente cuando no puede
ser reparado en forma económica o práctica; los artículos que se pueden reparar se
consideran como, productos multicomponentes o sistemas de equipo.
Un modelo que parece ser básico para la mayoría de los sistemas de productos
electrónicos presenta su ciclo de vida en tres periodos distintos. Fig. 3.1.
1 .- Periodo inicial de fallas.- Debido a las fallas prematuras (“mortalidad Infantil”),
por “causas asignables” de naturaleza no imputable al azar. En este periodo se presenta
una elevada intensidad de fallas las cuales decrecen con rapidez en el caso de algunos
productos.
2 .- Periodo Normal de Operación. Se distingue por una intensidad casi constante
de fallas que ocurren en forma casual, asociadas a un sistema constante de causas.
3 .- Periodo final de servicio. La intensidad de fallas crece muy rápidamente, el
número de los elementos que aún sobreviven se acerca a cero, hasta que todas las
unidades fallan y no queda ninguna.
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CONFIABILIDAD.
Una vez que se identifica un patrón, al graficar las distribuciones de frecuencias, es
posible llevar a cabo su aplicación a algunas de las distribuciones de probabilidad
matemática más conocidas a fin de poder medir o predecir la intensidad de las fallas de
determinados productos o componentes con los datos suministrados por las muestras.
Proporción de
falla λ
Incremento
Periodo Periodo normal Período de fin
Inicial de de operación. De Servicio
Fallas
Tiempo
Fig. 3.1 Curva general de la característica de vida.
Ejemplo de Medición de la Confiabilidad:
“ Distribución de frecuencias de vida de 200 interruptores”
(Fuente: Control Total de la Calidad Armand V. Feigenbaum CECSA 1994).
Se presenta la siguiente distribución de frecuencias de la figura 3.2. Mostremos
cómo es posible medir la confiabilidad de un producto. La distribución representa el
número de veces de operación de 200 interruptores durante su periodo de operación
normal de vida.
Note que durante las primeras 1000 operaciones han fallado veinte interruptores,
18 entre las 1000 y 2000, y así sucesivamente. Cuando los interruptores se han
accionado unas 8000 veces, han fallado en total 114, o sea un 57% del total al iniciarse la
prueba.
136

CONFIABILIDAD.
20
Numero
De Fallas Periodo de vida 200 interruptores.
15
20
10 18
16 14
13 12
11 10
5 9 8 7 6 6
5 5 4 4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Número de operaciones (millares)
Fig. 3.2 Fallas por numero de operaciones.
Cuando la experiencia con un nuevo diseño está limitada, como normalmente
sucede, será necesario confiar en muestras representativas para obtener la base lógica
sobre la cual se puedan predecir las fallas que se presenten. Entonces, en las
observaciones de una muestra de N componentes tomados al azar de un gran número de
componentes similares, si n t de estos componentes presentan periodos de operación
que terminan durante el periodo del tiempo t, la probabilidad estadística de que obtengan
idénticos resultados con el resto de los elementos (elementos no probados) del grupo, se
define como la frecuencia relativa:
n t
Pt =
N
Donde: P t = Probabilidad de fallas durante el periodo t.
n t = Número de unidades que han fallado durante el período t.
N = Número total de elementos en la muestra.
Entonces, si aplicamos la ecuación anterior a los datos del ejemplo, la probabilidad
de que un interruptor falle después de 5000 y antes de 6000 veces de operación será:
12/200 = 0.06
137

CONFIABILIDAD.
La confianza aumentará si el tamaño de muestra es mayor, si el tamaño se
aproxima al total de los elementos producidos, entonces estaremos más cerca de la
certeza. Por lo tanto, existe una mayor oportunidad de que la relación n t /N, para cada
una de dos muestras del mismo tamaño y tomadas del mismo lote, concuerde más
estrechamente en sí, cuando ese tamaño de muestras es más grande, que cuando son
de tamaño más pequeño. La relación n t/N se puede considerar como un valor
experimental de la constante Pt con relación al período de tiempo t y considerada como
la probabilidad de ocurrencia para el período t.
La duración prevista o requerida T se puede medir en diferentes formas, ya sea
como tiempo total transcurrido, lapso de actividad, número de ciclos de operación, etc. A
fin de obtener una medida para la confiabilidad, la duración efectiva t se debe comparar
con la duración requerida T.
La relación entre la confiabilidad de un componente y el diagrama de frecuencias
del número de veces de operación se puede visualizar empleando los datos de la Fig.
3.2. Si se suman las áreas de todos los rectángulos, considerando que los 200
interruptores se han operado hasta su destrucción, y se hace igual a 1 esa área total,
entonces la probabilidad o frecuencia relativa de una clase en particular de veces de
operación, digamos, 5000-6000 operaciones, es igual al área del rectángulo que
representa esta serie de operaciones; para el caso del ejemplo, corresponde al
rectángulo con el número 12. Nótese que esto equivale a tomar la frecuencia relativa
n t /N , más bien que el valor de la ordenada n t en la figura 3.6. También, la frecuencia
relativa de las fallas en el intervalo 0 ≤ t ≤ T es:
(20 +18+16+14+13+12)/200 = 93/200 = 0.465
cuando t es igual a 6000 operaciones. Por lo tanto, la probabilidad de que un interruptor
falle durante las primeras 6000 operaciones es Pt = T = 0.465. Inversamente, la
probabilidad de que un interruptor sobreviva a las primeras 6000 operaciones (es decir,
su confiabilidad RT será 1.00 – 0.465 = 0.535 o simbólicamente,
1
RT = 1.00 – Pt=T = 1.00 - Σ T0n t
N
138

CONFIABILIDAD.
El signo Σ (letra griega sigma mayúscula) significa la suma aritmética. Por lo tanto,
el término ΣT0n t en la fórmula anterior se debe leer “la suma del número de elementos
que han dejado de operar durante el período t, (n t ), comprendiendo t desde cero hasta el
intervalo de duración requerido T”.
Ahora, si se tomaran los datos para 1000 interruptores en vez de los 200
considerados, y si la abscisa se subdividiera en cientos de operaciones, resultarían 170
rectángulos angostos, y su extremo superior se aproximaría a una curva suave Fig. 3.3.
El límite de la forma hacia la cual tiende el diagrama de frecuencias, cuando el número de
observaciones y el número de las subdivisiones aumenta indefinidamente, es en general
una curva suave. La frecuencia relativa se aproxima a una función de tiempo f(t) de tal
manera que:
T
Rt = 1.0 - ∫ f(t) dt
0
Cuando el número de observaciones aumenta indefinidamente, la suma integral
de un área en particular bajo la curva, para este caso de 0 a T, se calcula por medio de la
función de densidad de probabilidades, que es una integral definida para un intervalo
específico sobre el eje de la variable independiente, dando el área bajo la curva de
distribución de frecuencias.
Por lo general, es más fácil medir la intensidad de las fallas de una clase de
unidades, que medir la confiabilidad directamente, construyendo diagramas de
frecuencias como el de la Fig. 3.2, se requiere menos tiempo y además se destruyen
menos muestras. Sin embargo los datos de la intensidad de fallas serán de muy poco
valor en tanto no se completen con consideraciones de juicio o teóricas, para indicar la
forma general del diagrama de frecuencias que resultaría si se dispusiera de datos
suficientes.
139

CONFIABILIDAD.
.100
.075
.050
nt/n
.025
0 Tiempo de las fallas
Fig. 3.3 Función exponencial de la densidad de probabilidad.
3.5.5.1 INTENSIDAD CONSTANTE DE FALLAS DE UNA FUNCIÓN
EXPONENCIAL.
La intensidad constante de fallas resulta de una función de densidad de
probabilidad exponencial. Una intensidad de fallas constante puede identificarse bajo
ciertas condiciones durante el periodo de vida de una unidad. Algunas unidades que son
complejas pueden ofrecer mecanismos de falla con intensidades diferentes. Si
aproximadamente igual porcentaje de piezas que continua con vida al iniciarse cada
intervalo de tiempo fallan, durante ese intervalo, la intensidad de las fallas será constante.
Para el ejemplo que estamos tratando, la intensidad constante de fallas será de
aproximadamente 10 % debido a que en la primera celda se calcula 20/200 = .10 o 10 %;
en la segunda celda 18/180 = .10 o 10 %, en la tercera celda 16/162 = 0.099 ó 9.9 %; etc.
La función exponencial de la densidad de probabilidad que representa la situación
de una intensidad constante de fallas, da como resultado una curva de frecuencias como
la de la figura 3.3, y se representa por la fórmula:
f(t) = 1 e-t/θ
θ
140

CONFIABILIDAD.
Si esta función se sustituye en la ecuación del cálculo de confiabilidad se tiene:
T
Rt = 1.0 - ∫ 1 e-t/θ
dt = e-T/θ
0 θ
donde: T = Vida requerida
θ = Tiempo medio de fallas (TMDF), algunas veces expresado como
tiempo medio para la primera falla.(TMPF).
e= Una constante = 2.7183.
3.5.1.2 DETERMINACIÓN DIRECTA DE LA CONFIABILIDAD A PARTIR DE LA
INTENSIDAD DE FALLAS.
La intensidad de fallas “λ” por definición, es la recíproca del TMDF y se puede
sustituir en la ecuación de confiabilidad resultando:
λ = 1/θ entonces: RT = e-λT
En este ejemplo la intensidad de fallas “λ” se aproxima al 10 %, o sea que
λ ≅ 0.10. De la ecuación final para el cálculo de confiabilidad, la probabilidad de que un
interruptor de la clase que se estudia sobreviva 6 millares de operaciones es:
RT ≅ e - (0.10) (6.0)
≅ 0.55
valor que está muy próximo al de 0.535 obtenido de la frecuencia relativa de los datos
iniciales.
Nótese que en este caso, la duración de operación requerida T está expresada en
millares de operaciones, porque los datos están en función de las fallas por millares de
operaciones.
141

CONFIABILIDAD.
3.6 OTROS PATRONES DE CONFIABILIDAD; DISPONIBILIDAD
(Intensidad de fallas no constante simbolizadas por otras funciones de densidad.)
El ejemplo anterior comprende una intensidad constante de fallas que se originan
a partir de una función exponencial de la densidad de probabilidad.
A pesar de que ésta forma de fallas se encuentra con mucha frecuencia, existen
otras funciones de densidad que son más adaptables a las formas que se han encontrado
en la práctica. Entre éstas se consideran la Normal, la Gamma y la Weibull. Sus figuras
se presentan en la Fig. 3.4.
f(t) ∆<1 λ ∆<1 ∆>1 R(t) ∆<1
WEIBULL ∆>1 1.0 ∆=1
∆=1 ∆=1 ∆>1
t t 0 t
f(t) k<1 λ k<1 R(t) k<1
GAMMA k>1 k>1 1.0 k=1
k=1 k=1 k>1
t t 0 t
f(t) R(t)
EXPO- λ 1.0
NEN-
CIAL t t 0 t
F(t) λ R(t)
NORMAL
t t t
TIPO FORMA DE DISTRIBU- INTENSIDAD DE FALLAS FUNCION DE CONFIA-
CIÓN ASOCIADA BILIDAD ASOCIADA
FIG. 3.4 DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD Y SUS CORRESPONDIENTES
INTENSIDADES DE FALLA Y FUNCIONES DE CONFIABILIDAD.
142

CONFIABILIDAD.
3.7 MEDIDAS DE CONFIABILIDAD.
Además de las medidas abordadas en párrafos anteriores a continuación se
presentan algunas medidas de confiabilidad regularmente usadas:
Tiempo Medio de Fallas (TMDF) e intensidad o tasa de fallas (λ lambda).- una de
las medidas básicas de la probabilidad de la confiabilidad de una unidad, lo que podría
considerarse como su probabilidad de supervivencia.
Tasa de fallas.- Número de fallas por unidad de tiempo.
Tiempo Medio Hasta la Falla (TMHF). Tiempo medio hasta la falla de un producto
no reparable o tiempo hasta la primera falla de un producto reparable.
Tiempo Medio Entre Fallas (TMEF).- Empleado con frecuencia como un indicador
del tiempo medio entre las fallas.
Tiempo para el Desgaste (L).- Periodo de Longevidad. Representa el tiempo de
desgaste en la curva característica de intensidad de fallas. La longevidad termina cuando
la curva característica de intensidad de fallas se convierte en dos veces el valor del
recíproco del TMEF aceptable. Más allá de éste tiempo el TMEF será diferente.
Tiempo para uniformar el reemplazo. (LR). En equipos complejos, las partes con
características de vida distintas pueden exhibir una serie múltiple de niveles de intensidad
de fallas siguiendo al periodo de longevidad. Las revisiones consecutivas del equipo
revelarán patrones de distribuciones de vida que pueden exhibir colectivamente una
característica de intensidad de falla constante. El tiempo en un ciclo de vida completo que
se requiere para establecer esta nueva intensidad de fallas constante se conoce como
LR.
Tiempo Medio Entre Reemplazos (TMER).- Es el recíproco de la intensidad de
fallas promedio para un equipo durante el período siguiente a su LR.
143

CONFIABILIDAD.
Tiempo Medio Entre Mantenimiento (TMEM).- Es el tiempo promedio operativo de
un sistema o equipo entre mantenimientos para corregir o prevenir el malfuncionamiento.
Tiempo Medio Para Reparaciones (TMPR).- Es el tiempo promedio de un sistema
o equipo para restaurarse a un estado específico en el que puede desempeñar su función
requerida.
Vida Media.- Valor medio de la vida (la “vida” se puede relacionar con una
reparación general, tiempo hasta el desgaste, etc.)
Tiempo Medio Hasta la Primera Falla (TMPF).- Es el tiempo medio hasta la
primera falla de un producto reparable.
Disponibilidad.- Tiempo de operación expresado como porcentaje del tiempo de
operación y el tiempo de reparación.
Efectividad del sistema.- Grado en el que un producto logra los requerimientos del
usuario.
Probabilidad de éxito.- Lo mismo que confiabilidad (pero con frecuencia usado
para productos de “una sola vez” o no orientados al tiempo).
Vida b10 .- Vida durante la cual el 10 % de la población podría haber fallado.
Vida b50.- Vida media o vida durante la cual el 50 % de la población podría haber
fallado.
Reparaciones/100.- Número de reparaciones por cada 100 hrs. de operación.
La elección de la medida apropiada de supervivencia dependerá del diseño, el
proceso de manufactura y el ambiente de uso final del producto o componente particular.
Como ejemplo, para aquel producto del que se espera requerir niveles definidos
de mantenimiento y que normalmente pueda reparase o ajustarse rápidamente cuando
144

CONFIABILIDAD.
se necesite, TMPF puede ser la medida seleccionada.
TMDF ha sido útil en muchos casos, incluyendo aquellos en los que un equipo o
subensamble se instala donde no se pueda acceder fácilmente para realizar el
mantenimiento. A nivel de componente, TMDF se usa frecuentemente para medir la
supervivencia del componente empleado en un ambiente extremadamente severo.
3.8 COMBINACIÓN DE LA CONFIABILIDAD DE LOS COMPONENTES PARA
OBTENER LA CONFIABILIDAD DEL PRODUCTO.
3.8.1 COMBINACIÓN DE SERIES.
Si un producto está formado por m componentes cada uno con su propia
confiabilidad, RT 1, la sola falla de un componente puede causar la falla de un producto,
entonces la confiabilidad del producto se puede predecir como sigue:
RT = RT1 x RT2 x RT3 x ....x RTm
1 2 3 m
Producto
Componentes
3.5 Arreglo en serie de componentes
Si los componentes de la figura 3.5 concuerdan con la función exponencial de la
densidad de probabilidad, entonces la ecuación anterior se puede expresa en la siguiente
forma:
RT = (e-λ1T
)(e-λ2T
)(e-λ3T
) ...(e-λmT
)
O sea:
RT = e-T( λ1+ λ2+ λ3 +...+ λm )
Las intensidades de fallas de los M componentes se pueden determinar por:
1.- Comprobación de componentes.
145

CONFIABILIDAD.
2.- Por datos del catálogo.
3.- Por consideraciones teóricas.
Ejemplo:
Se pretende predecir la confiabilidad de un producto por un lapso de 10 hrs. si el
producto tiene los siguientes componentes:
Componente o pieza Cantidad en el Intensidad de fa- Intensidad combi-
Producto “m” llas por hora “λ” nada de fallas (λ)(m)
Diodo 52 120 x 10 –6
6.240 x 10 -3
Motor 3 100 “ 0.300
Relevador 18 145 “ 2.610
Resistencia 213 10 “ 2.130
Potenciómetro 26 70 “ 1.820
Interruptor 82 25 “ 2.050
Transformador 21 20 “ 0.420
Soldadura de juntas 341 18 “ 6.138
∑λ = 21.708 x 10 -3
La suma de las intensidades de fallas de los componentes dará la intensidad
prevista de fallas para el producto en función de las fallas por hora del producto. La
intensidad de fallas del producto es 21.708 x 10 –3
y la confiabilidad del producto en 10
hrs. será:
R 10 = e –(10)(0.0217)
= e –0.217
= 0.805
3.9 DISPONIBILIDAD.
146

CONFIABILIDAD.
Una de las consideraciones importantes en la determinación del patrón de
confiabilidad para un producto se encuentra la capacidad de ese producto para ser
repuesto, dentro de un período dado, al estado especificado en que puede desempeñar
su función esperada. De esta manera, un producto que puede ser rápida y
económicamente reparado puede tener requisitos de confiabilidad muy diferentes a un
producto sin instalaciones de reparación fácilmente accesibles o económicas. Por
ejemplo en un satélite de comunicaciones las exigencias son una muy alta confiabilidad y
una redundancia apropiada, sin embargo para un producto que puede repararse
rápidamente puede diseñarse y fabricarse con objetivos de confiabilidad menos
exigentes.
Disponibilidad del producto.- La disponibilidad del producto es la capacidad de
un producto para desempeñar una función requerida en cualquier punto del tiempo
cuando es utilizado bajo condiciones establecidas, donde el tiempo considerado es
tiempo operativo y tiempo de reparación activo.
Disponibilidad Cuantitativa.- La disponibilidad cuantitativa es la probabilidad de
que una unidad desempeñe una función requerida en cualquier punto del tiempo, cuando
es usado bajo condiciones establecidas, donde el tiempo considerado es tiempo
operativo y tiempo de reparación activo. Se excluyen los tiempos muertos, durante los
cuales no se necesita el producto. Entonces:
Tiempo Medio Entre Fallas (TMEF)
Disponibilidad =
TMDF + Tiempo Medio Para Reparaciones (TMPR)
Cuando en un producto el TMDF es grande y el TMPR es pequeño, la
disponibilidad es casi del 100 %. La cuantificación tanto de la disponibilidad como de la
no-disponibilidad agudiza el grado de los problemas y las áreas de mejoramiento
potencial.
La Disponibilidad se calcula como la razón del tiempo de operación entre el
tiempo de operación mas el tiempo de descomposturas, pero este puede verse de dos
maneras:
147

CONFIABILIDAD.
1.- Tiempo total de descomposturas. Esto incluye la reparación activa (tiempo de
diagnóstico y reparación), el tiempo de mantenimiento preventivo y el tiempo de logística
(el que se espera al personal, a las partes, etc). Cuando se usa el tiempo total de
descompostura, la razón que resulta se llama Disponibilidad Operacional (A 0)
2.- Tiempo de reparación activa. La razón resultante se llama Disponibilidad
Intrínseca (A i), Bajo ciertas condiciones, la disponibilidad se puede calcular como
TMEF TMEF
A 0 = y A i =
TMEF + TMDF TMDF + TMPR
donde: TMEF = Tiempo medio entre fallas.
TMDF = Tiempo medio de descompostura. (=Tiempo Medio de Falla)
TMPR = Tiempo medio de reparación. (=Tiempo Medio Para Reparación)
J.M.Juran & F.M. Gryna en su libro “Análisis y Planeación de la calidad” (1994)
nos presentan una tabla de Garrick y Mulvihill (1974) donde se muestran datos de
disponibilidad de ciertos subsistemas de un sistema mecanizado de bultos, la cual
presento a continuación.
Equipo TMEF (h) TMPR (h) Disponibilidad (%)
Sorteadora de sacos 90 1.620 98.2
Sorteadora de paquetes 160 0.8867 99.4
Transportadora, Inducción 17900 1.920 100.0
Direccionador, envíos 3516 3.070 99.9
Suposiciones de la fórmula:
- El producto opera durante un periodo para el cual la tasa de fallas es constante
en su vida completa. La distribución del tiempo entre fallas es exponencial.
- La distribución del tiempo de descomposturas o del tiempo de reparación es
exponencial.
148

CONFIABILIDAD.
- Los intentos de localizar las fallas del sistema no cambian la tasa global de fallas
del sistema.
- No ocurre un crecimiento en la confiabilidad.
- El mantenimiento preventivo se programa fuera del tiempo incluido en los
cálculos de la disponibilidad
3.10 CONFIABILIDAD DEL SOFTWARE.
El incremento del uso de computadoras y microcomputadoras en los productos,
los procesos y los sistemas administrativos ha provocado un creciente énfasis en la
medición cuantitativa de la confiabilidad de la lógica programada, o software. La
confiabilidad en el software se puede definir como:
“La probabilidad de que un sistema o componente de software opere sin fallas
durante un período especificado de tiempo en un ambiente específico”.
La falla del software puede considerarse como una separación inaceptable de la
operación del programa de los requisitos. La confiabilidad en el software se asemeja
mucho a la confiabilidad del hardware, siendo la diferencia que en la confiabilidad del
software la fuente de fallas es primordialmente el diseño, mientras que la fuente de las
fallas en el hardware también puede ser física, de manufactura, servicio u otras
degradaciones.
Si R(t) representa la probabilidad de que no ocurra una falla en un tiempo t,
entonces la probabilidad de que ocurra una fallas es:
f(t) = 1 – R(t), R(t) = 1 - f(t)
El índice de peligro z(t), se define como el índice de falla instantáneo o el índice
de fallo dado que un sistema o componente ha sobrevivido hasta ahora.
Entonces:
149

CONFIABILIDAD.
f(t)
z(t) =
R(t)
t
R(t) = exp [ - ∫ z(x) dx ]
0
El TMDF es el valor esperado que f (t) o:
∞
TMDF = ∫ tf(t) dt
0
∞
= ∫ R(t) dt
0
Si el índice de peligro es constante, el TMDF será su recíproco.
Se han desarrollado varios modelos de confiabilidad del software, dos de los
cuales son los modelos de tiempo de ejecución de J. D. Musa en su libro “A Theory of
Software Reliability and its Aplications” y los modelos de Littlewood “How to Measure
Software Reliability and Engineering “. Los objetivos principales de estos modelos son
prevenir el comportamiento del software en operación. La confiabilidad o TMDF suele
aumentar como función del tiempo de ejecución acumulado, y ya que el comportamiento
esperado cambia rápidamente, puede ser seguido durante la prueba del programa y los
datos acumulados a usarse para predecir el comportamiento esperado en el campo.
3.11 PROGRAMA DE CONFIABILIDAD.
150

CONFIABILIDAD.
Entre más complejo es un producto, el número de fallas aumenta con el tiempo de
operación. Para prevenir estas descomposturas los especialistas han creado una
colección de herramientas llamada ingeniería de confiabilidad.
Para lograr una confiabilidad alta, es necesario definir las tareas específicas que
se requieren. Esta definición de tareas se llama programa de confiabilidad. Los primeros
desarrollos de programas de confiabilidad hacían hincapié en la etapa de diseño del ciclo
de vida del producto. Sin embargo, pronto se hizo evidente que las etapas de fabricación
y uso no podían manejarse por separado. Esto dio surgimiento a los programas de
confiabilidad que cubrían el ciclo de vida completo del producto, es decir, “de la cuna a la
tumba”. Un programa de confiabilidad por lo general incluye las siguientes actividades:
1.- Establecer las metas globales de confiabilidad.
2.- Separación de las metas de confiabilidad
3.- Análisis de esfuerzo
4,- Identificación de las partes críticas
5.- Análisis del Modo y Efecto de Falla.
6.- Pronóstico de confiabilidad
7.- Revisión del diseño.
8.- Selección de proveedores
9.- Control de confiabilidad durante la fabricación
10.- Pruebas de confiabilidad
11.- Reporte de Fallas
12.- Sistema de acciones correctivas.
El hecho de cuantificar la confiabilidad, la convierte en un parámetro de diseño
igual que el peso y la fuerza de tensión, por lo tanto, la confiabilidad se puede someter a
especificación y verificación. La cuantificación ayuda a refinar ciertas tareas de diseño
tradicionales como el análisis de esfuerzo y la selección de partes.
Las tareas presentadas, no son necesarias para productos simples, sin embargo
algunos productos que al principio eran simples, se han convertido en complejos. Si esto
ocurre se deben justificar las tareas de confiabilidad.
151

CONFIABILIDAD.
Las técnicas de confiabilidad se han adaptado desde sus orígenes en productos
electrónicos hasta su aplicación en productos mecánicos. Su aplicación también se ha
diversificado desde los productos que una compañía comercializa hasta los bienes de
capital que una compañía adquiere, por ejemplo la maquinaria de control numérico.
3.11.1 ESTABLECIMIENTO DE METAS DE CONFIABILIDAD GLOBALES.
El desarrollo original de la cuantificación de la confiabilidad consiste en una
probabilidad y un tiempo, junto con una definición del desempeño y las condiciones de
uso. Este índice se abrevió al tiempo medio entre fallas y como hemos visto antes este no
es el único índice.
Conforme adquieren experiencia en la cuantificación de la confiabilidad muchas
compañías han aprendido que es mejor crear un índice que cumpla de manera única con
las necesidades de quienes las usarán, que serán el personal técnico interno, el de
mercadotecnia y los usuarios del producto. Algunos ejemplos son:
Para un sistema de teléfonos. El tiempo de descomposturas de cada centro de
conmutación debe ser un máximo de 24 horas por cada 40 años.
Para un fabricante de motores. El 70 % de los motores producidos debe pasar por
el periodo de garantía sin generar reclamaciones, el número de fallas por motor
descompuesto no debe exceder a una.
Ambos ejemplos cuantifican la confiabilidad. El establecimiento de metas globales
requiere que en la mente se reúnan los conceptos de:
1.- Confiabilidad como un número
2.- Las condiciones ambientales a las que se aplica el número.
3.- Una definición del desempeño exitoso del producto.
3.11.2 DESGLOSE PREDICCION Y ANÁLISIS DE LA CONFIABILIDAD.
El proceso de cuantificación de la confiabilidad contempla tres etapas:
152

CONFIABILIDAD.
1.- Desglose (o presupuestación): El proceso de asignar objetivos de confiabilidad
entre los distintos elementos que en conjunto hacen un producto de mejor nivel.
2.- Predicción: El uso de datos anteriores sobre el desempeño con la teoría de
probabilidades para calcular las tasas esperadas de fallas de los distintos circuitos,
configuraciones, etc.
3.- Análisis: La identificación de las partes fuertes y débiles del diseño para servir
de base al mejoramiento, a los trueques y acciones similares.
EJEMPLO. Objetivos de confiabilidad de la Boeing Company.
Fuente: Adaptado por F:M: Gryna Jr., tomado de J.M. Juran & F.M.Gryna(1995 p.264).
En el ejemplo, en la parte superior de la tabla 3.6 se asigna un requerimiento
global del 95% para 1.45 hrs. a los seis subsistemas de un misil. La segunda sección
desglosa el presupuesto para el subsistema de explosivos a tres unidades dentro del
sistema. La asignación de este circuito de explosivos es 0.995 que en términos de tiempo
medio entre fallas (TMEF) es de 725 hrs. En la parte final se analiza el diseño propuesto
para el circuito y se hace una predicción de confiabilidad usando el método de agregar
tasas de fallas. Como lo indica la predicción el TMEF es de 1398 hrs. que comparado con
un presupuesto de 725 hrs. hace que el diseño propuesto sea aceptable. La técnica de
predicción no solo proporciona una evaluación cuantitativa de un diseño, o de un cambio
de diseño, sino que también puede identificar las áreas que tienen el mayor potencial
para el mejoramiento de la confiabilidad e identificar aquellos “focos vitales” observando
los componentes con tasa de falla más altas. Para el caso del ejemplo, los transistores,
diodos y capacitores de Tantalio son responsables de cerca del 70 % de toda la
confiabilidad.
Descomposturas del sistema
Tipo de Falla de Tasa de fallas objetivo de
153

CONFIABILIDAD.
Subsistema operación Confiabilidad confiabilidad por hora confiabilidad
Paso de aire Continuo 0.997 0.003 0.0021 483
Motor del cohete De una sola vez 0.995 0.005 1/200 operaciones
Transmisor Continuo 0.982 0.018 0.0126 80.5 h.
Receptor Continuo 0.988 0.012 0.0084 121 h.
Sistema de control Continuo 0.993 0.007 0.0049 207 h.
Sistema de explosivos De una sola vez 0.995 0.005 1/200 operaciones
Sistema 0.95 0.05
Fallas del subsistema de explosivos
Unidad Modo de operación Confiabilidad Falta de confiabilidad Objetivo de confiabilidad
Circuitos de fusibles Continuo 0.998 0.002 725 h.
Seguridad y meca-
nismo de armado De una sola vez 0.999 0.001 1/1000 operaciones
Carga De una sola vez 0.998 0.002 2/1000 operaciones
Subsistema de
Explosivos 0.995 0.005
Fallas de la Unidad
Clasificación de compo- Número Tasa de fallas Tasa total de fallas
nentes de circuitos usado por parte, λ de la parte, λm
de fusibles m (%/1000 h.) (%/1000 h.)
Transistores 93 0.30 27.90
Diodos 87 0.15 13.05
Resistores peliculares 112 0.04 4.48
Resistores de bobina 29 0.20 5.80
Capacitores de papel 63 0.04 2.52
Capacitores de Tantalio 17 0.50 8.50
Transformadores 13 0.20 2.60
Inductores 11 0.14 1.54
Uniones soldadas y
Alambres 512 0.01 5.12
71.51
1 1 1
TMEF = = = = 1398 h.
Tasa d Fallas ∑ λm 0.0007151
3.6 Establecimiento de objetivos de confiabilidad (para un tiempo de misión de 1.45 h.)
La predicción de confiabilidad es un proceso continuo que comienza con las
predicciones en el papel, basadas en un análisis del diseño y en la información histórica
154

CONFIABILIDAD.
de la tasas de fallas. La evaluación termina con la medición de la confiabilidad basada en
los datos de los clientes que usan el producto. Las etapas para llevar a cabo la predicción
y medición de confiabilidad son:
1.- Inicio del diseño. Predicción basada en conteo de partes, tasas de fallas, existe
poco conocimiento de esfuerzo, redundancia etc. Evaluación de factibilidad y
establecimiento de metas de confiabilidad.
2.- Durante el diseño detallado. Predicción basada en cantidades y tipos de partes,
redundancias, niveles de esfuerzo, etc. Evaluación de la confiabilidad global y
definición de áreas de problema.
3.- Al final del diseño. Predicción basada en tipos y cantidades de tasa de fallas
de partes para los niveles de esfuerzo, redundancia, ambientes externos,
practicas de mantenimiento, efectos cíclicos, efectos de la complejidad del
sistema etc. Evaluación de la confiabilidad global y definición de áreas de
problema.
4.- De las pruebas del sistema. Mediciones basadas en los resultados de las
pruebas del sistema completo, se realizan cálculos de los índices de
confiabilidad a partir del número de fallas y del tiempo de operación.
5.- Del uso por el cliente. Lo mismo que el punto 4 excepto que los cálculos se
basan en los datos de uso por los clientes. Se mide la confiabilidad lograda,
definición de áreas problema. Obtención de datos para diseños futuros.
Mientras que el resultado visible del procedimiento de predicción es cuantificar los
números de confiabilidad, el proceso de predicción es, por lo general, tan importante
como los números que resultan. Esto se debe a que la predicción no puede hacerse sin
obtener información bastante detallada sobre las misiones del producto, los ambientes de
trabajo, los registro de componentes críticos, etc.
3.11.3 METODO PARA PREDICCION DE CONFIABILIDAD
155

CONFIABILIDAD.
1.- Definición del producto y su operación funcional.- Se deben definir el sistema y
los subsistemas en términos de su configuración y límites funcionales. Para
definirlo se prepara un diagrama de bloques funcional que muestre los
subsistemas y los productos del nivel más bajo, sus interrelaciones y sus
interfases con otros sistemas. Dado un diagrama de bloques funcional y una
buena definición de los requerimientos funcionales del producto se pueden
definir las condiciones que constituyen una falla o un desempeño no
satisfactorio.
2.- Preparación de un diagrama de confiabilidad.- Es útil un diagrama de bloque
de confiabilidad para sistemas en los que existen redundancias u otras
interrelaciones especiales entre las partes. Este diagrama es similar al
diagrama de bloques funcional pero el de confiabilidad representa con
exactitud lo que debe funcionar para que el sistema opere con éxito. El
diagrama contiene las redundancias y los modos alternativos de operación. El
diagrama de bloques de confiabilidad es el fundamento del desarrollo del
modelo de probabilidad para la confiabilidad.
3.- Desarrollo del modelo de probabilidad para predecir la confiabilidad.- Este
puede ser simplemente la suma de las tasas de falla o un modelo complejo
que tome en cuenta las redundancias y otras condiciones.
4.- Recolección de información relevante a la confiabilidad de las partes.- Incluye
información sobre función de la parte, clasificación de la parte, esfuerzo,
medios ambientales internos y externos y tiempo de operación. Muchas
fuentes de información sobre tasas de fallas establecen las tasas de fallas
como una función de los parámetros de operación por ejemplo MIL-HDBK-217.
5.-Selección de datos sobre la confiabilidad de partes.- Los datos de partes
requeridos consisten en información sobre fallas catastróficas y sobre la
variación de la tolerancia respecto al tiempo, bajo condiciones ambientales y
de operación conocidos. Esto puede ser un problema para el diseñador ya que
no se cuenta con un solo banco de datos que se pueda comparar con los
manuales que existen sobre las propiedades físicas de los materiales. Para
156

CONFIABILIDAD.
suplir esto, el diseñador debe construir un banco de datos sobre confiabilidad a
partir de varias fuentes:
• Estudios de desempeño en el campo realizados bajo condiciones
controladas.
• Pruebas de vida específicas
• Datos de asociaciones de industriales o fabricantes de partes.
• Calificación de las partes por los clientes y pruebas de inspección.
• Publicaciones de gobierno como MIL-HDBK-217 (1986), que contienen
grandes cantidades de datos sobre tasa de fallas junto con procedimiento
de análisis de esfuerzo esenciales de uso.
• Datos de oficinas gubernamentales como el programa gubernamental de
intercambio de datos industriales (GIDEP-Government Industry Data
Exchange Program en E.U.)
6.- Combinación de todo lo anterior para obtener una predicción de confiabilidad
numérica.- Los métodos de predicción se basan en distintas predicciones
estadísticas como se explicó anteriormente.
3.11.4 SELECCIÓN Y CONTROL DE PARTES.
La importancia de las partes o componentes en la confiabilidad, ha dado
surgimiento a programas exhaustivos para su selección, evaluación y control.
Lista de componentes críticas. Una parte o componente se considera “crítica” si se
ajusta a cualquiera de las siguientes condiciones:
• Tiene una alta población en el equipo.
• Tiene una sola fuente de suministro.
• Debe funcionar dentro de límites estrechos especiales.
• No ha sido probada contra el estándar de confiabilidad, por lo que no se
cuenta con datos de pruebas o los datos de uso son insuficientes.
157

CONFIABILIDAD.
La elaboración de la lista de partes críticas debe ser una de las primeras
actividades de diseño. Esta lista debe mostrar para cada componente crítico: la
naturaleza de las características críticas, el plan para cuantificar la confiabilidad, el plan
para mejorar la confiabilidad, etc. Esta lista es la base para elaborar el documento de
planeación para:
1).- Los programas de pruebas para calificar las partes.
2).- Diseñar una guía en los estudios y técnicas de aplicación.
3).- Diseñar una guía para la aplicación de partes, circuitos o subsistemas
redundantes.
Prácticas de Reducción. Reducción es la asignación de un producto para que
opere a niveles de esfuerzo menores de los normales planteados en su diseño. Por
ejemplo, un capacitor clasificado en 300 V, es utilizado en una aplicación de 200V, o si la
carga calculada de una estructura es de 30 toneladas, puede ser que los ingenieros
diseñen la estructura para soportar 100 toneladas como protección para cargas no
previstas, mal uso, fallas ocultas, deterioro, etc.
Para muchos componentes, existen datos que muestran la tasa de falla como una
función de los niveles de esfuerzo los cuales pueden ser utilizados por los diseñadores.
Algunas empresas han establecido también políticas internas de reducción. La práctica
de la reducción es también una forma de cuantificar el factor de seguridad y por lo tanto
conduce a establecer guías respecto a los márgenes que se deben usar.
Redundancia.- Se puede incrementar la confiabilidad de los productos colocando
un componente de repuesto que pueda entrar en acción en caso de que fallara el original,
(un ejemplo muy sencillo es la llanta de repuesto de un automóvil). Por supuesto, en el
diseño de sistemas electrónicos se toman providencias para que automáticamente el
componente de repuesto se conecte con el circuito, en caso de falla original. Por lo tanto
la “redundancia es la existencia de más de un elemento para lograr una tarea dada,
donde todos los elementos deben fallar antes de que halla una falla global de todo el
sistema”.
En la redundancia paralela (uno de los varios tipos de redundancia) dos o más
elementos operan al mismo tiempo con el fin de lograr la tarea, y cualquier elemento es
158

CONFIABILIDAD.
capaz de manejar el trabajo por sí solo en caso de que los otros elementos fallen.
Cuando se usa la redundancia paralela, la confiabilidad del sistema se calcula de la
siguiente manera:
Ps = 1 – (1-P1 ) n
Donde : Ps = Confiabilidad del sistema.
P1 = Confiabilidad de los elementos individuales en la redundancia.
n = Número de elementos redundantes idénticos.
Ejemplo: Cálculo de Confiabilidad con Redundancia.
Fuente: J.M. Juran & F.M. Gryna “Análisis y Planeación de la calidad”.
Suponga que una unidad tiene una confiabilidad de 99.0 % para una misión que
debe realizarse en un tiempo específico. Si se usan dos unidades idénticas en
redundancia paralela, ¿Qué confiabilidad global se obtendrá?
R = 1 – ( 1 – 0.99 )(1 – 0.99) = 0.9999, o esa, 99.99 %
Se supone que:
1).- La falla de cualquiera de las partes causa la falla del sistema.
2.- Las partes son independientes.
3).- Cada parte sigue una distribución exponencial.
Entonces:
Ps = e-t
1
λ
1 , e-t
2
λ
2 .... e-t
n
λ
n
Más aun, si t es la misma para cada parte,
Ps = e-t ∑ λ
Así, cuando la tasa de fallas es constante (y por lo tanto se puede aplicar la
distribución exponencial), se puede hacer una predicción de la confiabilidad del sistema
con base en la suma de las tasas de fallas de las partes.
159

CONFIABILIDAD.
3.11.5 ANÁLISIS CRÍTICO DEL MODO Y EFECTO DE FALLA.
En el análisis critico del modo y efecto de falla (ACMEF), se examinan todas las
formas en que un producto puede fallar a nivel de sistema o a niveles más bajos. Para
cada falla potencial se hace una estimación del efecto en el sistema completo y de su
seriedad, luego se hace una revisión de la acción que se toma (o se planea) para
minimizar la probabilidad de falla o minimizar el efecto de la misma (Este tema es tratado
de manera más profunda en el capitulo cuatro, aquí solo se presentara una idea general
para cubrir el análisis del programa de confiabilidad). El análisis se puede llevar a cabo
de manera que incluya aspectos como:
• Seguridad.- Una lesión es el efecto más serio de las fallas. Por lo tanto la
seguridad se maneja mediante programas especiales.
• Efecto del tiempo de descompostura.- Se debe definir si es necesario parar
el sistema para realizar las reparaciones o si se pueden realizar durante el
tiempo que normalmente no opera..
• Acceso.- Identificar los componentes que deberán retirarse para llegar al
componente de falla.
• Plan de reparación.- Definir qué tiempo es necesario para llevar a cabo la
reparación y además qué herramientas especiales son necesarias.
• Recomendaciones.- Plantear los cambios en los diseños o
especificaciones que se deben hacer, las pruebas que deben agregarse y
las instrucciones a incluir en los manuales de inspección, operación o
mantenimiento.
3.11.6 EVALUACIÓN DEL DISEÑO MEDIANTE PRUEBAS.
Los programas de confiabilidad, ya sean para productos, procesos o diseños de
empaques, deben ser probados en ciertas etapas apropiadas del programa de
confiabilidad. Sin embargo aunque la predicción de la confiabilidad, la revisión del diseño,
el AMEF y otras técnicas son valiosas como advertencias tempranas, no pueden sustituir
la última prueba: el uso del cliente.
Las pruebas de desempeño, ambientales, de esfuerzo, y de vida, se han llevado a
cabo desde antes de desarrollarse la tecnología de confiabilidad para evaluar un diseño.
Después, con la llegada de la confiabilidad y otros parámetros, surgieron otros tipos de
160

CONFIABILIDAD.
pruebas. Los tipos de pruebas más comunes que se utilizan actualmente para evaluar un
diseño son:
1.- Desempeño.- Determinar la habilidad de un producto para cumplir con los
requerimientos básicos de desempeño.
2.- Ambientales.- Evaluar la habilidad del producto para soportar los niveles
ambientales definidos; determinar los intervalos ambientales generados por la operación
del producto; verificar niveles ambientales específicos.
3.- Esfuerzo.- Determinar los niveles de esfuerzo que debe soportar un producto
con el fin de determinar el margen de seguridad inherente al diseño; determinar los
modos de falla que no están asociados con el tiempo.
4.- Confiabilidad.- Determinar la confiabilidad del producto y compararla con los
requerimientos; controlar las tendencias.
5.- Mantenibilidad.- Determinar el tiempo requerido para hacer reparaciones y
comparar los requerimientos.
6.- Vida.- Determinar el tiempo de desgaste de un producto y los modos de falla
asociados en el tiempo.
7.- Corrida Piloto.- Determinar si la fabricación y los procesos de ensamble son
capaces de cumplir con los requerimientos del diseño; determinar si la confiabilidad se
degradará.
Las pruebas proporcionan cierto grado de aseguramiento, pero también incluyen
cierto grado de riesgo de llegar a conclusiones equivocadas. Las fuentes principales de
riesgo son:
Intención de uso contra uso real.- El diseñador se dedica a lograr la adecuación
para un cierto uso previsto. Sin embargo, el uso real puede diferir debido a variaciones
ambientales y otras condiciones de trabajo o algunos usuarios pueden aplicar o usar mal
el producto.
161

CONFIABILIDAD.
Construcción de modelo contra producción subsecuente.- Casi Siempre son
especialistas experimentados quienes construyen los modelos bajo la supervisión de los
diseñadores. La producción subsecuente se lleva a cabo con trabajadores de la fábrica
menos hábiles bajo las órdenes de supervisores que deben cumplir estándares de
productividad al igual que de calidad.
Variabilidad debida a números pequeños. El número de modelos construidos es
por lo general bajo. (con frecuencia es solo uno). Pero se realizan pruebas en ellos para
juzgar la adecuación del diseño para hacer muchas unidades de producción, algunas
veces miles y aún millones de unidades.
Evaluación de los resultados de las pruebas.- Las presiones para mandar el
diseño a producción pueden dar como resultado planes de prueba y evaluaciones poco
objetivas de la conformancia con los requerimientos de desempeño, y a veces no se
llevan a cabo las pruebas completas de adecuación para el uso.
3.11.6.1 METODOS PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DURANTE EL
DISEÑO.
El enfoque general para el mejoramiento de la calidad es aplicable ampliamente al
mejoramiento de la confiabilidad en lo que se refiere a análisis económico y herramientas
administrativas. Las diferencias se encuentran en las herramientas tecnológicas que se
usan para el diagnóstico y el remedio. Se pueden utilizar varias técnicas para determinar
la confiabilidad entre ellas:
• “Análisis Crítico del Modo y Efecto de Falla”.
• “Física de la Investigación de Fallas”.
• “Mantenimiento”
• Diseño de Ingeniería Humana.
El diseñador toma las mejores acciones para mejorar la confiabilidad; entiende
mejor los principios de ingeniería incluidos en el diseño. El ingeniero en confiabilidad
puede ayudar a definir áreas que requieren mejoramiento y asistir en el desarrollo de
alternativas. Algunos enfoques para mejorar el diseño son:
162

CONFIABILIDAD.
1.- Revisar las necesidades del usuario para visualizar si la función de las partes
poco confiables es realmente necesaria para el usuario, si no lo es, eliminar esa parte de
diseño. De lo contrario ver si el índice de confiabilidad refleja correctamente las
necesidades reales del usuario. Por ejemplo en ocasiones la disponibilidad es más
importante que la confiabilidad, entonces un buen programa de mantenimiento puede
mejorar la disponibilidad y con eso aliviar el programa de confiabilidad.
2.- Considerar trueques de confiabilidad por otros parámetros como desempeño
funcional o peso. De esta manera se puede encontrar que las necesidades reales de los
clientes pueden satisfacerse mejor por un trueque de este tipo.
3.- Usar la Redundancia para proporcionar más de un medio para lograr una tarea
dada de forma tal que todos los medios deban fallar antes que falle el sistema.
4.- Revisar la selección de cualquiera de las partes que sea relativamente nueva y
no se haya probado. Usar partes estándar cuya confiabilidad esté probada por uso real
en el campo de trabajo. (De todas formas debe asegurarse que las condiciones de uso
anteriores sean aplicables al nuevo producto).
5.- Usar prácticas de Reducción para asegurar que los esfuerzos aplicados a las
partes sean menores que los esfuerzos que normalmente pueden soportar.
6.- Usar métodos de diseño “robustos” que permitan que un producto maneje
medios ambientales inesperados.
7.- Controlar el ambiente de operación para proporcionar condiciones que lleven a
tasas de falla más bajas. Por ejemplo encapsular o cubrir los componentes electrónicos
para protegerlos contra el clima y los golpes; usar sistemas de enfriamiento para
mantener temperaturas ambientales bajas.
8.- Especificar programas de reemplazo para quitar y sustituir las partes poco
confiables antes de que lleguen a su etapa de deterioro. En muchos casos, el reemplazo
se hace dependiendo de los resultados de verificaciones o pruebas que determinan si la
degradación ha llegado a un límite preescrito.
163

CONFIABILIDAD.
9.- Prescribir pruebas completas para detectar fallas de “Mortalidad infantil” y
eliminar componentes subestándar. Las pruebas son de varias formas: pruebas de
banco, quemado, pruebas de vida acelerada.
10.- Llevar a cabo investigación y desarrollo para lograr un mejoramiento en la
confiabilidad básica de aquellos componentes que contribuyen más a la falta de
confiabilidad. Al mismo tiempo que el mejoramiento de esos componentes evita la
necesidad de trueques subsecuentes, puede requerir de adelantos tecnológicos y por lo
tanto de que se haga una inversión de monto impredecible.
Aunque ninguna de las acciones anteriores proporciona una solución perfecta, las
posibilidades de elección son amplias. En algunos casos el diseñador puede llegar a la
solución por sí solo, pero a veces es necesaria la colaboración de otros especialistas de
la compañía. Hay otros casos en los que el cliente o la administración de la compañía
tendrán que ser adaptables debido a la amplitud de lo que está bajo consideración.
3.11.7 DISEÑO PARA MANTENIBILIDAD.
Otro aspecto importante de la confiabilidad del producto es el grado en que el
producto, durante su uso, puede ser mantenido económica y rápidamente. El
mantenimiento, programado o no, puede expresarse como función de las características
de diseño e instalación que influyen en el mantenimiento, bajo condiciones operativas
ambientales. Una de las medidas básicas de la probabilidad de confiabilidad es el TMEM
también conocida como TMPR.
“El mantenimiento, es la capacidad de una unidad, bajo condiciones establecidas
de uso, para mantenerse durante un tiempo dado en un estado específico (o bien,
restituirse a este) en el que pueda desempeñar sus funciones requeridas, cuando se lleve
a cabo el mantenimiento bajo condiciones establecidas y mientras que se usen
procedimientos y recursos prescritos”. (A. V. Feigenbaum “Control total de la Calidad”.
1994).
Algunos de los factores considerados para la cuantificación del mantenimiento
son: la fuerza de trabajo, habilidades, datos técnicos, equipos de pruebas e instalaciones
164

CONFIABILIDAD.
de apoyo requeridos para mantener operando una unidad.
La proporción del tiempo que un producto esta disponible para el uso depende de:
1.- Falta de fallas, esto es su confiabilidad
2.- Facilidad con que el servicio se puede reestablecer después de una falla. Este
último factor nos lleva al estudio de la mantenibilidad.
Así como en la confiabilidad, existen herramientas para asegurar la
mantenibilidad, es decir que hay herramientas para predecir, analizar y medir la
mantenibilidad. La mantenibilidad, con frecuencia se especifica en forma cuantitativa
como el tiempo medio para reparaciones (TMPR), que es el tiempo medio necesario para
realizar el trabajo suponiendo que se dispone de refacciones y técnicos. Hay otros
índices como: porcentaje de tiempo muerto debido a fallas de hardware, porcentaje de
tiempo muerto debido a errores de software, el tiempo medio entre acciones de
mantenimiento preventivo, etc.
3.11.7.1 MANTENIMIENTO; DISEÑO DE INGENIERÍA HUMANA.
El diseño de Ingeniería Humana, enfoca puntos similares hacia la técnica
conocida como mantenimiento pero desde otro punto de vista. Esta técnica trata de
eliminar del ciclo diseño-fabricación-entrega-cliente-uso-servicio las fuentes potenciales
de fallas inducidas por humanos.
Las consideraciones del diseño de ingeniería humana incluyen las siguientes
características del producto:
• La facilidad de desensamble y ensamble para pruebas.
• Revisión e inspección
• Uso conveniente y seguro de hardware y software
• Grado en el que el sistema se fabrica, mantiene, y opera con facilidad con
un mínimo de riesgos tanto para la seguridad humana como para la
integridad del equipo.
165

CONFIABILIDAD.
3.11.8 ENFOQUES GENERALES PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DE UN
DISEÑO
Estos enfoques incluyen:
1.- Confiabilidad contra mantenibilidad. Dado un requerimiento de disponibilidad,
¿debe ser la respuesta una mejora en la confiabilidad o en la mantenibilidad?
2.- Construcción modular contra no modular. El diseño modular requiere más
tiempo de diseño pero reduce el tiempo requerido para el diagnóstico y la
reparación en el campo de trabajo, solo se localiza el modulo y se reemplaza.
3.- Reparar contra desechar. Para algunos productos o módulos el costo de
reparación excede al costo de hacer nuevas unidades en la fábrica. En estos
casos el diseño para desechar es un mejoramiento económico a la
mantenibilidad.
4.- Equipo de pruebas inter-construido contra externo. Los dispositivos de prueba
inter-construidos reducen el tiempo de diagnóstico pero, en general, la
inversión es mayor.
5.- Personas contra máquinas. ¿Debe la función de operación-mantenimiento
tener una alta ingeniería con instrumentación especial e instalaciones de
reparación, o debe dejarse a la habilidad de técnicos con equipo de uso
general?.
3.11.9 DISEÑO PARA LA SEGURIDAD
Las herramientas de análisis de seguridad incluyen: cuantificación del peligro, la
designación de características y componentes orientados a la seguridad, análisis de árbol
de fallas, los conceptos de a salvo de fallas, las pruebas en el laboratorio y en el campo
de trabajo y la publicación de clasificación de productos (En el apéndice B se presenta un
estudio breve del análisis de riesgo como complemento de este estudio).
CUANTIFICACION DE LA SEGURIDAD.
La cuantificación de la seguridad ha estado relacionada con el tiempo. Las tasas
de lesiones industriales se cuantifican con base en el tiempo perdido por accidentes por
millón de horas laborales de exposición. Las tasas de lesiones en vehículos automotores
166

CONFIABILIDAD.
se miden en lesiones por cada 100 millones de millas. Las tasas de lesiones escolares se
dan en lesiones por cada 100 000 estudiantes por día.
Los diseñadores de productos tienden a cuantificar la seguridad de dos maneras:
1.- Frecuencia de riesgo.- Un riesgo es cualquier combinación de partes,
componentes, condiciones o cambios en el conjunto de circunstancias que representan
una lesión potencial. Toma la forma de frecuencia de ocurrencia de un evento poco
seguro y/o de lesiones por unidad de tiempo.
2.- Severidad de riesgo.- Hay cuatro niveles de riesgo (MIL-STD-882A).
Categoría I.- Catastrófica. Puede causar la muerte o la pérdida del sistema.
Categoría II.-Crítica. Puede causar lesiones severas, enfermedades ocupacionales
severas o daños importantes al sistema.
Categoría III.- Marginal. Puede causar lesiones menores, enfermedades ocupacionales
menores o daños menores al sistema
Categoría IV.- Insignificante. No ocasiona lesiones, enfermedades ocupacionales o
cambios en el sistema.
3.11.9.1 ANÁLISIS DE RIESGO.
Es similar al AMEF pero el evento de fallas es aquel que causa lesiones. Se
pueden preparar tres formas para el análisis de riesgo: concepto de diseño, procedimiento
de operación y fallas de hardware.
ANÁLISIS DE ÁRBOL DE FALLAS.
Comienza por suponer que ocurre un accidente, después considera las causas
directas posibles que pueden conducir a este accidente, se buscan los orígenes de estas
causas y por último se busca la forma de evitar los orígenes y causas. El enfoque es
inverso al del AMEF, que comienza por los orígenes y causas y busca cualquier efecto
malo que se pueda producir.
167

CONFIABILIDAD.
3.11.9.2 CONFIABILIDAD, RIESGO Y SEGURIDAD.
Hay parecidos considerables entre los términos Confiabilidad, Seguridad, Peligro y
Riesgo. Muy a menudo el término seguridad o análisis de riesgo se utilizan en forma
intercambiable, y tanto esos términos como el análisis de confiabilidad se refieren a los
estudios de fallas de procesos u operabilidad. Si el propósito del estudio es determinar
los parámetros de seguridad, es necesario considerar además del equipo y la
operabilidad, la posibilidad de Peligro del (o por) el sistema. Si esta fase del estudio de
seguridad sugiere que habrá fallas en el sistema, entonces se llevará cabo un estudio de
riesgo para determinar las consecuencias de la falla en términos de un posible daño a la
propiedad o a las personas.
Un ejemplo de un estudio de confiabilidad podría ser un análisis de con que
frecuencia un reactor químico podría sobrecalentarse debido a la falla de las bombas,
intercambiadores de calor, operadores humanos, sistemas de control y otros equipos de
planta. Si el estudio fuera ampliado para incluir una evaluación de con que frecuencia una
liberación de temperatura puede convertirse en una explosión podríamos estar tratando
con un problema de seguridad (Peligro). Para concluir el estudio de seguridad deberemos
verificar que el reactor químico no se sobrecaliente evitando fallas en los aparatos y
equipos debido a factores no considerados en el diseño.
Ahora, si ampliamos el análisis de la explosión del reactor químico para incluir la
matriz de consecuencias y su frecuencia asociada y el peligro en términos de pérdidas
humanas y en propiedad, entonces se habrá completado un análisis de riesgo. Por
ejemplo, las consecuencias de una explosión debidas a una liberación de temperatura
podrían ser daños menores debidas a los fragmentos lanzados o un desastre mayor
debido al fuego. Uno de los propósitos de un análisis de riesgo será asignar una
frecuencia (probabilidad) a las consecuencias posibles de la falla del sistema.
El resultado de un estudio de riesgo será una declaración o serie de declaraciones
como: “El número de personas que se espera mueran por año debido a una explosión de
168

CONFIABILIDAD.
un reactor es de 10 -4
” Por lo tanto cada 10,000 hrs. podría esperarse una muerte
(Apéndice B ).
3.11.10 DISEÑO PARA LA MANUFACTURABILIDAD.
Un conjunto esencial de decisiones es la selección de tolerancias para las
características de un producto que deben controlarse durante la producción. Las
tolerancias son los valores permisibles de variabilidad, “limites de tolerancia”, arriba y
abajo del valor nominal del conjunto establecido por el diseñador. La selección de las
tolerancias tiene un efecto dual sobre la economía de la calidad que afecta a:
-La adecuación para el uso y por lo tanto la estabilidad del producto
-Los costos de manufactura (instalaciones, herramental, productividad) y la
calidad (equipo, inspección, desperdicio, retrabajo, material revisado, etc.)
El diseño para la manufacturabilidad está centrada en la simplificación de un
diseño para hacerlo producible. Se pone especial énfasis en la reducción total del número
de partes, el número de partes diferentes y el número total de operaciones de
manufactura. Para esta actividad existe actualmente software de computadora que
permite a los diseñadores aprender los principios de manufactura sencilla en forma
análoga a los análisis de confiabilidad, mantenibilidad y seguridad.
Otro aspecto importante a considerar en el área de diseño es la planificación del
empaque y transportación. No tiene caso ofrecer un aparato con un diseño muy eficaz,
que se ha manufacturado cuidadosamente, pero que su confiabilidad se ve afectada a
causa de una mala protección y de un tosco manejo durante su embarque.
Los empaques una vez diseñados deberán evaluarse con pruebas simuladas
mediante aparatos de resistencia al impacto, compresión, en mesas vibratorias, etc. para
conocer los parámetros de los esfuerzos a los que el empaque va a estar sometido
durante su embarque. Si las pruebas de embarque son reales, deberán ser
representativas de la variación que se pueda presentar de un embarque a otro.
3.12 DESEMPEÑO DE COSTO Y PRODUCTO.
169

CONFIABILIDAD.
El diseño para confiabilidad, mantenibilidad, seguridad y otros parámetros debe
hacerse con el objetivo simultáneo de minimizar el costo. Las técnicas formales utilizadas
para lograr un balance óptimo entre el desempeño y el costo incluyen tanto enfoques
cualitativos como cuantitativos.
El enfoque cuantitativo utiliza la razón “lo que se obtiene por cada peso que se
gasta”. Esta razón relaciona el desempeño y el costo, y es útil para comparar enfoques
alternativos de diseño para lograr la función deseada.
Ejemplo:
La siguiente tabla muestra una comparación entre costo y efectividad para cuatro
diseños diferentes.
Diseño
1 2 3 4
Tiempo medio entre fallas TMEF 100 200 500 500
Tiempo medio de descompostura TMDF 18 18 15 6
Disponibilidad* 0.847 0.917 0.971 0.988
Costo del ciclo de vida(‡) 51,000 49,000 50,000 52,000
Número de horas efectivas(‡) 8,470 9170 9710 9880
Costo/horas efectivas ($) 6.02 5.34 5.15 5.26
TMEF
Disponibilidad =
TMEF + TMDF
‡ Número de horas efectivas = 10,000 Hrs. de vida x disponibilidad
Observe que el diseño 3 es el óptimo aunque el diseño 4 tiene una disponibilidad
más alta.
Otro enfoque es la ingeniería de valor que es una técnica para evaluar el diseño
de un producto para asegurar que proporcione las funciones esenciales a un costo
mínimo global para el fabricante o el usuario. Otra técnica complementaria es el enfoque
del diseño para el costo, que incluye una definición del costo meta para el producto y la
función deseada, después se desarrollan y evalúan conceptos de diseños alternativos.
170

CONFIABILIDAD.
3.12.1 REVISIÓN DEL DISEÑO. COSTO-PRODUCTO
La revisión del diseño es un examen formal, documentado, comprensivo y
sistemático de un diseño para evaluar sus requerimientos y su capacidad para cumplir
con ellos y para identificar problemas y proponer soluciones. Una revisión formal
reconoce que muchos diseñadores individuales no tienen conocimientos especializados
en confiabilidad, mantenibilidad, seguridad y manufacturabilidad, y otros parámetros que
son importantes para lograr un diseño óptimo.
La revisión del diseño se basa en los siguientes conceptos:
1.- Revisiones de diseño obligatorias debido a las demandas del cliente o a las
políticas de la alta administración.
2.- Las revisiones de diseño se llevan a cabo con equipos formados por
especialistas con experiencia y reputación de ser objetivos, que no estén asociados de
forma directa con el desarrollo del diseño.
3.- Las revisiones de diseño son formales, se planean y se programan. Se
preparan minutas de las juntas y se hacen circular. También se formaliza la acción para
el seguimiento.
4.- Las revisiones de diseño cubren todos los parámetros relacionados con la
calidad además de otros. Los parámetros pueden incluir confiabilidad, mantenibilidad,
seguridad, manufacturabilidad, peso, empaque, apariencia, costo, etc.
5.- Los diseños deben basarse en criterios definidos tanto como sea posible.
Estos criterios pueden incluir: requerimientos de los clientes, metas internas y experiencia
con productos anteriores.
171

CONFIABILIDAD.
6.- Las revisiones del diseño se llevan a cabo en varias etapas de la progresión
del diseño, como son: concepto de diseño, diseño y prueba del prototipo y diseño final.
Además las revisiones se llevan a cabo en varios niveles de la jerarquía del producto,
como sistema y subsistema.
7.- La última decisión sobre los insumos de la revisión del diseño la toma el
diseñador. Él escuchará los informes, pero en cuestiones de integridad estructural y
aspectos creativos de diseño retiene el monopolio sobre las decisiones.
Es conocida la resistencia del departamento de diseño a las revisiones de diseño,
a modificar sus propuestas y que ha sido una práctica común en este departamento
mantener el monopolio virtual sobre las decisiones del diseño las cuales han sido
inmunes a ser puestas en tela de juicio, a menos que se encuentren problemas reales en
el producto. La resistencia es más grave cuando las compañías solicitan a ingenieros en
confiabilidad la elaboración de diseños alternativos. Este obstáculo cultural puede ser
eliminado utilizando el concepto de ingeniería concurrente.
3.13 INGENIERIA CONCURRENTE.
Llamada también ingeniería simultanea, es el proceso de diseñar un producto
usando todos los insumos y evaluaciones simultáneamente y al principio durante el
diseño, para asegurar que se cumplan las necesidades de los clientes internos y
externos. El objetivo es reducir el tiempo entre la concepción del producto y su puesta en
el mercado, prevenir problemas de calidad y confiabilidad y reducir costos.
Tradicionalmente las actividades del desarrollo de un producto se manejan en
forma secuencial, no concurrente, esto provoca que los conceptos del producto cambien
entre los departamentos involucrados como mercadotecnia, ingeniería de diseño,
compras, manufactura, etc.
La ingeniería concurrente no es un conjunto de técnicas, es un concepto que
permite a todos los que afectan un diseño: 1).- tener acceso temprano a la información
del diseño y 2).- tener la habilidad de influir en el diseño final para identificar y prevenir
problemas.
172

CONFIABILIDAD.
Todos los parámetros de diseño estudiados como son: requerimientos funcionales
básicos, confiabilidad, mantenibilidad, seguridad, factores humanos, manufacturabilidad,
inspección, empaque, transporte y almacenamiento, se pueden analizar mediante los
conceptos de la ingeniería concurrente.
3.14 CONTINUACION DEL ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD
Un proceso controlado es un proceso predecible; en tanto que un proceso no
controlado no se puede predecir; por tanto, es esencial un proceso controlado para lograr
un producto con confiabilidad específica.
Rara vez la confiabilidad de un producto es un esfuerzo aislado. Se deben realizar
continuamente estudios intensivos y extensas pruebas de confiabilidad, a fin de obtener
conocimientos que pueden servir para generaciones posteriores de productos similares.
El esfuerzo constante del control del nuevo diseño se hace para aumentar la
confiabilidad en la mayoría de los casos porque:
1.- La tecnología no ha avanzado a un grado tal que la confiabilidad pueda
concretarse en el producto en cuestión.
2.- Los costos resultantes de una baja confiabilidad pueden llegar a ser excesivos
dado que muchos productos fallarán prematuramente.
3.- Los costos de mantenimiento y reparación durante el tiempo de vida previsto
para el producto pueden ser excesivamente altos.
4.- Las consecuencias de las fallas del producto pueden ser muy serias, ya sea
por la pérdida de vidas, deterioro de propiedades, pérdidas en la entrada de
dinero o por las inconveniencias.
5.- La competencia de productos semejantes obliga a lograr mayores valores de
confiabilidad.
6.- El consumidor puede no estar satisfecho y exigir mayores valores de
confiabilidad.
173

Topicos de Calidad 6. cap3 CONFIABILIDAD

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