¿Qué es la confiabilidad?

Conceptos clave y terminología

Por Stephen N. Luko

P. ¿Qué implica el campo de la confiabilidad?

R. El comité de ASTM Internacional sobre Calidad y Estadísticas (E11) creó recientemente un nuevo subcomité de confiabilidad, E11.40. Este subcomité tiene la tarea de elaborar normas sobre temas de confiabilidad, que incluyen temas como:

• Confiabilidad en general,
• Confiabilidad de los sistemas,
• Sistemas reparables,
• Planificación de las pruebas,
• Análisis de riesgos y
• Pronóstico de fallas, entre otros temas.

El subcomité trabaja ahora en el documento base, una guía a la confiabilidad en general, y espera someter el documento a votación a principios de 2018. En este documentos se cubren algunos de los conceptos esenciales de la confiabilidad, que son útiles para los ingenieros, científicos y gerentes, en lo que se respecta a los materiales, componentes, sistemas y procesos.

Concepto de confiabilidad

La confiabilidad se define como la probabilidad de que un componente, dispositivo, producto, proceso o sistema funcione o cumpla con una función después de un tiempo específico de duración o uso, en condiciones especificadas.

Los conceptos relacionados incluyen: seguridad, disponibilidad y riesgo.

La confiabilidad se puede aplicar a situaciones en donde se utiliza un simple material, por ejemplo un material para la superficie de rodamiento, o un material complejo, como un motor de avión. Existen muchos tipos de procesos, esto incluye los procesos de manufactura y los procesos comerciales. En un nivel superior de interpretación, un proceso es simplemente una secuencia de pasos diseñados para obtener un producto o un servicio. Un proceso confiable es el que presenta los mismos resultados una y otra vez.

Ya sea un material, un componente fabricado, a simple dispositivo, un gran sistema o proceso, la forma en que cada uno falla se denomina modo de fallo. En muchos casos hay más de un modo de fallo, y estos pueden competir o ser una mezcla o combinación de los mismos.

La tarea de la confiabilidad es definir y estudiar los modos de fallo y calcular la probabilidad de la “vida” continua como una función de alguna unidad de uso, como tiempo de operación, ciclos de uso, tiempo de calendario, ciclos de demanda o una función de estos. Las personas encargadas de tomar decisiones pueden utilizar los resultados en elementos clave, como programación de mantenimiento, intervalos de reemplazo, garantías, costos de ciclo de vida y planificación del inventario.

La confiabilidad es una dimensión clave de la calidad de un bien o servicio.

Cuando se piensa en forma generalizada sobre la ciencia de la confiabilidad, existen tres áreas secundarias importantes. Primero está la confiabilidad matemática que estudia los aspectos teóricos de la confiabilidad y depende enormemente de las probabilidades y las estadísticas para la mayoría de sus resultados. Esto permite que existan las partes aplicadas de la segunda rama: la ingeniería de la confiabilidad. La ingeniería de la confiabilidad intenta crear productos sólidos y confiables por medio de métodos de ingeniería. Por lo general, este enfoque se aplica a sistemas y procesos complejos en donde podrían existir oportunidades de diseño que se enfoquen en la confiabilidad a largo plazo del sistema o proceso. Finalmente está la administración de la confiabilidad que intenta orientar la ingeniería de la confiabilidad, además de manejar las opiniones de los clientes y desarrollar parámetros para medir el desempeño de la confiabilidad.

Modos de fallo y cálculos de confiabilidad

Varios de los parámetros que utilizan los ingenieros y los administradores están asociados con la confiabilidad; estos ayudan a llevar un control y a medir el desempeño de la confiabilidad. El “indice de fallos” es un parámetro clave. Cuando un producto falla, normalmente podemos asociar la tasa de fallo con algún modo específico de fallo, que se representa en unidades de “eventos de fallo” por unidad de tiempo El modo de fallo es solamente una forma de fallo del producto. Los modos específicos de fallo dependen del tipo de producto o servicio que se estudia, pero, en general, la falla está dentro de una de tres categorías:

• Aleatoria,
• Desgaste y
• Fallos prematuros.

La última clasificación es conocida en la industria como fallos del tipo “mortalidad infantil”- un término copiado de las ciencias biológicas.

Las tres principales clases de modos de fallo se pueden ejemplificar como el ciclo total de la vida del producto, desde su desarrollo hasta su jubilación/finalización. En el desarrollo o etapa introductoria inicial de un producto pueden ocurrir algunas fallas debido a problemas imprevistos de diseño o desarrollo. Estos modos de fallo pueden ser graves en algunas unidades o leves en otras, ocasionando que las primeras fallen prematuramente. Este es un caso clásico de mortalidad de elemento infante IM (por sus siglas en inglés); algunas unidades fallan de forma prematura y otras duran esencialmente toda la vida de diseño.

Durante las mejoras continuas, se detectan los modos de fallo, se corrigen y se eliminan con el tiempo, mejorando las tasas de fallo con el tiempo. Normalmente la tasa de fallos desciende durante este período y, eventualmente, el ciclo de vida del producto se encuentra en el período de fallo aleatorio. En este período, las unidades fallan por causas aleatorias a una tasa constante. Dichos fallos podrían estar relacionados con diversas causas externas e internas y son, con frecuencia, escasos.

Figura 1. Curva de bañera.

A medida que la población envejece, las unidades acumulan daños por la edad y comienzan a mostrar señales de desgaste. Los fallos tienden a ocurrir más rápidamente a medida que aumenta el uso. En este período de desgaste, los fallos pueden ser propiciados por acciones de tipo químico, térmico, eléctrico o mecánico que causan daño al producto con el tiempo. Todo esto se ilustra en la llamada curva de bañera que se muestra en la Figura 1.

La figura ilustra la tendencia general del ciclo de vida de un producto. Su forma no representa necesariamente a todos los tipos de productos y no todos los productos experimentan un período de mortalidad infantil y probablemente ni siquiera un período de desgaste. Un período importante de este ciclo de vida es el período aleatorio en el cual hay una tasa de fallo constante. La función de la confiabilidad en el tiempo t durante este período sigue una distribución exponencial con una tasa de fallo λ. Esa función es la Ecuación 1.

(1)

Por otro lado, la probabilidad de fallo en el tiempo t es la Ecuación 2.

(2)

A menudo, aunque esto dependerá de la industria, se utiliza el inverso de la tasa de fallo. Esto es θ = 1/λ, donde θ se conoce como el tiempo medio entre el fallo o MTBF. Este parámetro es útil para los sistemas que se reparan (sistemas reparables) o para los sistemas de un solo uso que fallan aleatoriamente durante su ciclo de vida. Las tasas de fallo aleatorio no dependen de la edad. Los fallos dependen únicamente del tiempo que tiene la unidad y no del tiempo de inicio. Supongamos, por ejemplo, que una flotilla de muchas unidades tiene un tiempo de operación de 15,000 horas en total y que esta flotilla ya experimentó 17 fallos. Para el caso de fallos aleatorios, no importa si los fallos se dieron en unidades reparadas o en unidades nuevas. En estas condiciones, la tasa de fallos se calcula como: 17/15,000 = 1.133E-3 fallos por hora; el MTBF es 15,000/17 = 882.4 horas. La confiabilidad en t = 50 horas, utilizando la Ecuación 1, es 0.945.

Para los fallos del tipo aleatorio, podemos ejemplificar el tiempo entre fallos utilizando la distribución exponencial o bien, el número de fallos en un intervalo t, utilizando la distribución de Poisson. También podemos calcular los límites de confianza con los parámetros λ y θ o con valores o cantidades de confiabilidad específica. También podemos predecir qué frecuencia de ocurrencia se espera que suceda, si se tienen condiciones estables de tasa de fallo. Este tipo de análisis es bastante contundente.

Cuando el modo de fallo es de mortalidad de elemento infante (IM) o de desgaste (WO, por sus siglas en inglés), a menudo el modelo adecuado es la distribución de Weibull. De hecho, la distribución exponencial es un caso especial de modelo de Weibull más versátil. En el caso de IM, la tasa de fallo realmente es una función decreciente con respecto al tiempo. Para un WO, la tasa de fallo aumenta con el tiempo. Para estos dos tipos de fallos también se pueden utilizar otros modelos estadísticos, como el modelo lognormal.

Regularmente, para los cálculos de confiabilidad en el diseño, se asume generalmente el modelo aleatorio. El WO y el IM son generalmente casos especiales de una conducta problemática cuando se aplican al funcionamiento en el campo o a la actividad del desarrollo. El modelo aleatorio en la confiabilidad puede ser útil en muchos frentes y debe ser un aspecto básico en la caja de herramientas generales del ingeniero.
Para obtener más información sobre estos temas, consulte cualquier de las obras que se presentan en las referencias.

Referencias
1. Ireson, W.G., Coombs, C.F., Jr., and Moss, R.Y., Handbook of Reliability Engineering and Management (Manual de Ingeniería y Administración de la Confiabilidad), 2.° ed., New York, N.Y., McGraw Hill, 1996.
2. Lewis, E.E., Introduction to Reliability Engineering (Introducción a la Ingeniería de la Confiabilidad), Hoboken, N.J., John Wiley & Sons, 1987.
3. Kapur, K.C., and Lamberson, L.R., Reliability in Engineering Design (Confiabilidad en el Diseño de Ingeniería), Hoboken, N.J., John Wiley & Sons, 1977.

Stephen N. Luko, United Technologies Aerospace Systems, Terryville, Connecticut, fue presidente del comité de Calidad y Estadística (E11), es el presidente actual del subcomité sobre confiabilidad (E11.40), y es miembro de ASTM International.