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ENSAYOS DE FIABILIDAD
TEMA 6: ENSAYOS DE FIABILIDAD.
6.1.
INTRODUCCIÓN. A lo largo de las etapas de definición, diseño, fabricación de prototipos, producción y uso de un componente, equipo o sistema, se ha realizado siempre gran cantidad de ensayos conocidos tradicionalmente como ensayos de factibilidad. Básicamente son ensayos de actuaciones, simples pruebas funcionales o ensayos ambientales que sirven para determinar si un dispositivo funciona correctamente y es capaz de soportar determinados esfuerzos internos y ambientales. En general, tales ensayos no bastan para establecer conclusiones cuantitativas o cualitativas sobre la fiabilidad del dispositivo. Por ello, a los ensayos tradicionales se han añadido los ensayos de fiabilidad, encaminados específicamente a la obtención de datos cuantitativos y cualitativos de fiabilidad.
6.2
CLASES DE ENSAYOS DE FIABILIDAD. Los ensayos de fiabilidad pueden clasificarse en: 1. Ensayos de medición y demostración de la fiabilidad. 2. Ensayos de medición de la variación de los parámetros. 3. Ensayos de investigación de los modos y mecanismos de fallo. 4. Ensayos de cribado de componentes. componentes. 6.2.1 ENSAYOS FIABILIDAD
DE
MEDICIÓN
Y
DEMOSTRACIÓN
DE
LA
Por la medición de la fiabilidad se entiende la estimación estadística de la misma o de los parámetros que la determinan. Cuando existe un requisito previo de fiabilidad, una contrastación estadística puede demostrar, con determinado nivel de confianza, que el dispositivo lo cumple. Los dispositivos a ensayar para medir o demostrar su fiabilidad pueden ser del tipo que sólo ha de usarse una vez (dispositivos one-shot ). ). Dentro de este tipo hay dispositivos que pueden ensayarse antes de su utilización, como el sistema de desplegado de los mástiles de un satélite, el sistema de guiado de misiles, etc, y dispositivos cuya utilización implica su destrucción (fusibles, elementos pirotécnicos, etc.), de forma que no pueden someterse a un ensayo previo a su utilización. En este caso es necesario un muestreo por atributos (éxito-fracaso), o por variables (medidas). Las piezas piezas cuya fiabilidad puede puede estudiarse mediante mediante un
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modelo esfuerzo-resistencia pueden ensayarse a rotura para determinar la distribución de su resistencia utilizando un plan de muestreo por variables, que exige un tamaño muestral menor. Otras veces se ensayan hasta un nivel de esfuerzo de prueba mediante un plan por atributos. Los dispositivos cuya fiabilidad depende del tiempo se someten a ensayos de duración de vida. Cuando se conoce la forma de la distribución del tiempo hasta el fallo, los ensayos de duración de vida tienen por objeto la determinación de los parámetros que definen tal distribución. En cualquier caso, los datos utilizados en los ensayos de medición y demostración deben ser analizados cuidadosamente, a fin de asegurarse de que son resultado de un muestreo aleatorio, es decir, si son una buena representación de la población de dispositivos, o si son de esperar sesgos indeseables.
6.2.2. ENSAYOS DE VARIACIÓN DE PARÁMETROS. Para la predicción de la fiabilidad respecto de fallos por deriva de parámetros, es preciso conocer cómo varían los parámetros de los componentes por efecto del envejecimiento, que es función de los esfuerzos y del tiempo. Los ensayos de variación de parámetros de los componentes consisten en mediciones sucesivas de los parámetros a lo largo de extensos periodos de funcionamiento. La variación que se observe entre los valores de los parámetros de las unidades de una muestra se traducirán en distribuciones estadísticas. 6.2.3 ENSAYOS DE INVESTIGACIÓN DE MODOS Y MECANISMOS DE FALLO. Con estos ensayos se pretende conocer mejor las causas físicas de fallo de los componentes para mejorar su diseño. Es frecuente aprovechar para estos análisis los fallos ocurridos en ensayos realizados con otros fines, así como los fallos en funcionamiento real. Cuando se aplican factores de aceleración para obtener mayor número de fallos en menor tiempo, es preciso tener en cuenta que la elevación del nivel de esfuerzos puede hacer aparecer averías que no se observan en utilización normal, e incluso eliminar otras que se producen a niveles normales de esfuerzos. 6.2.4 ENSAYOS DE CRIBADO. La criba tiene por objeto eliminar las unidades con taras infantiles y aquellas que presentan síntomas indicativos de vida corta. Se efectúan sometiendo a toda la población a una serie de pruebas e inspecciones, con lo que se espera retener a los individuos más aptos para el servicio. La extensión del cribado puede
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reducirse a un solo ensayo o abarcar una serie de pruebas e inspecciones, cada uno de cuyos pasos es eliminatorio. El ensayo de cribado más típico es la purga, que consiste en someter al lote a un funcionamiento de envejecimiento para inducir fallos infantiles. Los componentes que no acusen inicialmente una tasa de fallo decreciente no deben someterse a purga. La duración de la purga para componentes electrónicos suele ser de una semana (168 horas) o más. En general, si la misión del dispositivo debe durar h horas, el tiempo óptimo de purga t o debe ser tal que la fiabilidad de misión sea máxima: ⎛ ⎡ t 0 + h ⎤ ⎞ ⎜ Máx( R ) = Máx exp⎢− ∫ z (t ) dt ⎥ ⎟ , ⎜ ⎟ ⎦⎥ ⎠ ⎝ ⎣⎢ t o
lo que equivale a encontrar el valor de t 0 que hace mínimo el valor absoluto del exponente: ⎛ t 0 + h ⎞ Min⎜ ∫ z (t ) dt ⎟ ⎜ t ⎟ ⎝ 0 ⎠
Aparte de eliminar las unidades falladas en las pruebas, la criba desecha aquellas que en las inspecciones y mediciones de parámetros revelan condiciones inadecuadas o indicaciones de bajo potencial de tiempo de funcionamiento correcto. Finalmente, señalar que la criba proporciona un conjunto de unidades mucho más estable y homogéneo. 6.3
ENSAYOS DE DURACIÓN DE VIDA. Como ya se ha dicho, los dispositivos cuya fiabilidad depende del tiempo se someten a ensayos de vida para medir o demostrar su fiabilidad. Este tipo de ensayos suele ser largo y costoso, pues exige mantener en funcionamiento, en condiciones ambientales específicas, una muestra hasta que fallen todas o parte de las unidades. Si se puede aceptar razonablemente una hipótesis sobre la forma de la distribución de tiempos hasta el fallo, o entre fallos, para el dispositivo en cuestión, la finalidad del ensayo sería estimar los parámetros dela distribución. En caso de no poder admitir una hipótesis de distribución, los ensayos no paramétricos resultan todavía más costosos. Por otra parte, los ensayos de fiabilidad, que suelen ser los más largos de todos, exigen condiciones ambientales similares a las esperadas en utilización real. 6.3.1.HIPÓTESIS DE DISTRIBUCIÓN.
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Las distribuciones que suelen representar más comúnmente el tiempo hasta el fallo o el tiempo entre fallos son: la exponencial, la normal, la de Weibull y la gamma o de Erlang. La validez de los resultados obtenidos en los ensayos basados en una hipótesis de distribución, depende, claro está, de una buena elección de dicha hipótesis. Tal elección puede apoyarse en experiencias anteriores con el mismo tipo de dispositivo, o bien en métodos analíticos, como los contrastes de bondad de ajuste, o también en procedimientos gráficos, como el papel probabilístico. 6.3.2. ESFUERZOS Y CONDICIONES AMBIENTALES. Para conocer la fiabilidad de un dispositivo sometido a determinados esfuerzos y condiciones ambientales es necesario ensayarlo con esos esfuerzos y en ese ambiente precisamente. Por ello, parece necesario realizar el ensayo en campo de utilización real. No obstante, suele ser más práctico realizar los ensayos en laboratorio, aplicando los esfuerzos internos especificados y simulando el ambiente de aplicación real. Cuando no sea posible tal simulación, el ensayo deberá realizarse necesariamente en ambiente operativo, como ocurre en el caso de los ensayos de fiabilidad de un avión completo. Las especificaciones de demostración de la fiabilidad deben contener detalles completos sobre los esfuerzos y niveles ambientales a aplicar durante los ensayos. 6.3.3. ENSAYOS ACELERADOS. Se entiende por aceleración de un ensayo de vida al aumento de la exposición al fallo por unidad de tiempo. Este aumento se puede conseguir elevando el nivel de esfuerzos internos, la severidad ambiental o la frecuencia de aplicación de estas solicitaciones. Por ejemplo, en ingeniería aeronáutica es familiar el proceso de ensayo de fatiga de cabinas a presión mediante agua. Este método permite simular en un tiempo razonable la vida de servicio de un avión aplicando ciclos de presurización y despresurización. Se consigue así envejecer el material de forma acelerada. En los ensayos acelerados es necesario mantener los esfuerzos y parámetros ambientales dentro de ciertos límites para no cambiar los mecanismos de fallo. Se pretende que todo ocurra igual que en condiciones normales, pero en menos tiempo, algo que realmente es difícil de conseguir. 6.4
PROGRAMAS DE ENSAYOS DE FIABILIDAD. Los diversos ensayos de fiabilidad especificados para el desarrollo y producción de un dispositivo deben programarse cuidadosamente para acercarse lo más posible a la obtención de un máximo de información con un mínimo de costo.
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Los ensayos de fiabilidad suelen realizarse desde las fases iniciales de desarrollo de un producto. Para establecer un programa de ensayos de demostración de fiabilidad, que son los más frecuentes, es necesario determinar por completo una serie de aspectos: 1. Definición del dispositivo a ensayar. Descripción de su funcionamiento y manejo. Definir lo que constituye un fallo. 2. Requisitos de fiabilidad. Valores especificados para la medida de fiabilidad (porcentaje de éxitos, vida media, tasa de fallos, etc.) 3. Condiciones ambientales de ensayo. Factores ambientales y sus niveles. 4. Procedimientos operativos. Instrucciones y especificaciones de manejo del dispositivo y del equipo de ensayo. Mantenimiento preventivo a aplicar, si corresponde, al dispositivo. 5. Métodos estadísticos. Hipótesis de distribución. Diseño estadístico del experimento. Selección de un plan de muestreo ya existente o diseño de uno especial. 6. Registro, análisis y explotación de datos. Cálculos necesarios para la estimación de parámetros o contrastación de hipótesis. 7. Análisis de fallos. Determinación de modos, mecanismos, causas de fallos. Informes de fallos. 8. Informes de ensayo. 9. Costos de ensayo. Muestra, equipos, personal.
