Sobre el Libro
Teoría y Práctica de la Confiabilidad (Reliability Theory and Practice) es un libro ilustrado por Igor Bazovsky. Fue publicado por la editorial Dover en el año 2004, siendo una reedición íntegra de la edición publicada por Prentice-Hall en 1961.
Descripción del Libro
Información extraída y traducida de la contraportada del libro
La teoría de la confiabilidad emplea un diseño sólido y un mantenimiento programado para predecir y eliminar las fallas de los componentes. Escrito por un pionero en el desarrollo de métodos de confiabilidad cuantitativos para el análisis y diseño de sistemas de aeronaves, este texto abarca todo el campo de la ingeniería de confiabilidad. Aplica las matemáticas estadísticas para analizar y discutir los sistemas eléctricos, mecánicos y de otro tipo que se utilizan en equipos aerotransportados, de misiles y terrestres.
La naturaleza y las consecuencias de la confiabilidad de los componentes reciben un examen exhaustivo que incluye la derivación de todas las fórmulas necesarias para diseñar, construir y operar sistemas confiables. El texto aplica el análisis de confiabilidad cuantitativa al diseño de sistemas en serie, en paralelo y en espera de todos los órdenes de complejidad. También analiza el papel del teorema de Bayes en el análisis de sistemas complejos y examina las políticas de mantenimiento, reparación, revisión y reemplazo de piezas para sistemas complejos. El libro analiza más a fondo los principios del diseño de confiabilidad y los métodos de prueba, con especial énfasis en la función de vida de los componentes.
Reseña del Libro
Realizada por J. K. Williams. Información extraída y traducida de “The Aeronautical Journal , Volume 66 , Issue 619 , July 1962 , pp. 465”
En el prefacio de este libro, el autor afirma que ha escrito este trabajo para ingenieros en ejercicio y para estudiantes. Continúa diciendo que espera que el trabajo contribuya a un “mundo más confiable en el que la humanidad mejore a través de un esfuerzo concertado de la profesión de ingeniería”. Este es un sentimiento muy loable, pero sobre este tema el revisor se reserva su juicio.
Este es un muy buen libro que trata sobre un campo de investigación en rápido desarrollo. Los estudios de confiabilidad tendrán consecuencias muy importantes en la mayoría de las aplicaciones de ingeniería si los métodos descritos se aplican correctamente en el momento adecuado en el diseño, prueba y producción de componentes y sistemas. El autor no solo ha dominado el lado teórico del análisis de confiabilidad, sino que ha tenido la ventaja de trabajar en la industria de la aviación, donde ha podido aplicar, desarrollar y modificar sus ideas para su aplicación práctica.
Para los lectores de esta revisión, sería útil definir qué se entiende por confiabilidad de un componente. La definición del revisor es la siguiente: “Es la probabilidad de que el componente realice su función prevista de manera adecuada durante un período de tiempo específico en las condiciones operativas previstas”. El autor afirma que: “La confiabilidad es la capacidad de un equipo para no averiarse en funcionamiento”. Otras personas han dicho que se define simplemente como: “La probabilidad de éxito”.
Dado que el concepto de confiabilidad se basa en el enfoque de probabilidad estadística, el autor presenta su tema mediante la consideración de ejemplos en este campo. Esto conduce al caso de fallas fortuitas que pueden expresarse en forma de una curva de supervivencia exponencial. La teoría está desarrollada con bastante claridad y debería ser fácilmente entendida incluso por estudiantes que no conocen bien la teoría de la probabilidad. Luego, el autor considera la curva clásica de tasa de falla expresada en función de la edad, dividida en sus tres etapas separadas, es decir. las primeras fallas durante el período de quemado; luego la vida útil durante la cual pueden ocurrir fallas fortuitas; y el período de desgaste final.
Luego, el autor afirma su regla de oro para la confiabilidad: “Reemplazar los componentes que fallan dentro de la vida útil de los componentes y reemplazar cada componente de manera preventiva, incluso si no ha fallado, a más tardar cuando haya llegado al final de su vida útil. ” Sin embargo, esta regla de oro solo puede funcionar con éxito en el campo de los componentes, como la electrónica, por ejemplo, si ha habido un período de depuración o quemado de componentes de antemano. El autor es enfático en su opinión de que este período de combustión es esencial para los sistemas de misiles, pero lamenta que los proveedores de componentes a menudo no lo cumplan.
El tercer período que cubre el desgaste de los componentes sigue la conocida distribución gaussiana en el análisis de probabilidad. La experiencia del revisor con el análisis de probabilidad ha llevado a la conclusión de que se debe tener mucho cuidado con respecto al grado de extrapolación que se hace a partir de la cantidad limitada de datos que suelen estar disponibles para definir la distribución. ¡La desviación estándar debe ser pequeña! en comparación con la media, y la extrapolación más allá de tres desviaciones estándar de la media es muy cuestionable. La deducción del autor de que para un sistema electrónico con unos pocos miles de componentes similares sería necesario trabajar en términos de cinco o seis desviaciones estándar de la media para un sistema razonablemente confiable, hace que uno se pregunte si esto no está llevando las cosas más allá de los límites creíbles.
Un capítulo muy interesante trata sobre los efectos combinados del azar y los fracasos por desgaste en una exposición teórica clara. El autor ilustra la teoría con un ejemplo sumamente interesante sobre el fallo de las lámparas eléctricas, que hace comprender de inmediato el significado real de abordar estos problemas de manera racional.
Otro capítulo trata sobre el uso de la distribución de Poisson que es muy apropiada para cubrir el comportamiento de componentes y sistemas en el período de vida útil cuando la tasa de falla es aproximadamente constante.
A partir de la consideración de los componentes, el autor conduce a la confiabilidad de los sistemas de componentes utilizando los resultados de la confiabilidad de los componentes deducidas de las pruebas. Se cubren los sistemas en serie, en paralelo y en espera, lo que lleva a la estimación de los períodos de reemplazo y verificación. La teoría se da en cada capítulo, que debería ser capaz de ser entendida por cualquier persona que posea una habilidad matemática razonable. Esta teoría está intercalada con material explicativo adecuado y palabras de advertencia del autor sobre los posibles peligros de tratar de ser demasiado exactos al aplicar la teoría. El revisor siente, después de leer estos capítulos, que, aunque se pueden obtener datos suficientes para la extrapolación en base a los resultados de las pruebas de componentes bajo un conjunto asumido de condiciones de prueba, aún será necesario introducir un “factor de intuición del ingeniero” para cubrir las condiciones reales de funcionamiento.
Una de las secciones más útiles e importantes del libro está dedicada a ejemplos resueltos que cubren elementos tales como sistemas de comunicación por radio para aeronaves, sistemas de generación eléctrica, sistemas hidráulicos y la determinación de períodos de revisión. El autor ha intentado incluir toda la teoría estadística relevante para que no sea necesario que el lector tenga que consultar otras fuentes de información. A este respecto, una sección extremadamente útil trata de los cálculos de probabilidad que implican límites de confianza y el uso de técnicas estadísticas para los métodos de control de calidad utilizados en el análisis de fiabilidad.
Si hay una crítica que se puede hacer al libro de esta naturaleza es que se deberían dar ejemplos más trabajados del uso de las técnicas que el autor desarrolla tan admirablemente. Es muy recomendable para el estudio de ingenieros aeronáuticos y especialmente para los diseñadores de equipos para aeronaves y misiles. La confiabilidad de los componentes y sistemas de dichos vehículos afecta tan obviamente los aspectos de seguridad y costo de los vehículos y su operación.
Tabla de Contenido del Libro
Información extraída y traducida del libro
1 EL CONCEPTO DE CONFIABILIDAD 1
El significado de confiabilidad en ingeniería. Frecuencia de fallas: una medida de confiabilidad. Fallos tempranos, fortuitos y por desgaste. Distribución de fallas en el dominio del tiempo y probabilidad de fallas. Probabilidad y realidad. El lanzamiento de una moneda equilibrada. Verdadera probabilidad y estimaciones. La confiabilidad es la probabilidad de éxito.
2 LA DEFINICIÓN DE CONFIABILIDAD 11
La definición aceptada. Ejemplo de la moneda sesgada. Desempeño adecuado e inadecuado de una función. El factor tiempo en la confiabilidad. Tiempo medio entre fallos. Número medio de ciclos entre fallos. Correlación entre el tiempo de operación y otros parámetros de vida.
3 EL CASO EXPONENCIAL DE FALLAS OPORTUNIDADES 17
La fórmula de confiabilidad exponencial. Tasa de fallas y tiempo medio entre fallas. Vida util. La función de confiabilidad exponencial estandarizada. Confiabilidad del sistema frente a confiabilidad de los componentes. Conversión del número medio de ciclos entre fallos al tiempo medio entre fallos.
4 LA DERIVACIÓN DE LA FUNCIÓN DE CONFIABILIDAD 24
Una definición de probabilidad. Confiabilidad y falta de confiabilidad como fracciones de supervivientes y fracasos. Tasa de falla instantánea. La derivación de la fórmula de confiabilidad general. La función de densidad de fallas y su integración.
5 VIDA ÚTIL DE LOS COMPONENTES 32
Aleatoriedad de los fallos fortuitos. Su mecanismo físico. Tasa de falla constante y decaimiento exponencial. Ensayos de sustitución y no sustitución. Tasa de fracaso frente a vida. Periodos de quemado, vida útil y desgaste. Significa una vida desgastada. Depuración y sustitución preventiva.
6 DESGASTE Y CONFIABILIDAD 36
La distribución normal de fallas por desgaste. La función de densidad normal. Vida media de desgaste y desviación estándar. Probabilidad a priori, acumulativa y condicional de falla por desgaste. El uso de tablas normales. La tasa de fallas por desgaste y su estandarización. La distribución normal logarítmica. Elección del tiempo de reemplazo de componentes y confiabilidad del sistema. Oportunidad y desgaste.
7 EFECTOS COMBINADOS DE FALLAS POSIBLES Y DESGASTE 52
Fiabilidad condicional de los componentes y confiabilidad del sistema. Efectos de desgaste. ¿Qué sucede cuando los componentes de un sistema se reemplazan solo “cuando fallan”? La tasa de reemplazo por desgaste. El comportamiento exponencial de sistemas con tasas de falla por desgaste estabilizadas.
8 FALLAS TEMPRANAS Y FUNCIÓN DE POR VIDA DE LOS COMPONENTES 63
Componentes de calidad inferior. El mecanismo de probabilidad de fallos tempranos. El decaimiento exponencial de componentes deficientes en un sistema reparable. El tiempo medio de depuración. Reparación perfecta y no perfecta. Tasa de fallos incremental. Tasa general de fallas de componentes. La función vitalicia de los componentes.
9 LAS DISTRIBUCIONES EXPONENCIALES Y POISSON 76
La distribución exponencial de fallas fortuitas en sistemas depurados. La ecuación general para el tiempo medio entre fallas. La tasa de falla constante del caso exponencial. La suma de exponentes. Eventos en el dominio del tiempo. La distribución binomial. La distribución de Poisson. La probabilidad de un número exacto de fallas.
10 CONFIABILIDAD DE LOS SISTEMAS DE LA SERIE 85
Componentes y sistemas. Teoremas de probabilidad simples para cálculos de confiabilidad. La regla del producto de la confiabilidad de la serie. La adición de tasas de falla en serie. Niveles de estrés. Tasas de falla de componentes en la escala de tiempo del sistema. Componentes de funcionamiento continuo e intermitente. Componentes ciclados. Frecuencia de conmutación y confiabilidad del sistema.
11 CONFIABILIDAD DE LOS SISTEMAS PARALELOS 97
Redundancia paralela. La regla del producto de las fallas de confiabilidad paralelas. Confiiabilidad del sistema en paralelo y tiempo medio entre fallos. Ganancias de confiabilidad por redundancia paralela. Efectos de diversas políticas de mantenimiento en sistemas redundantes. El número esperado de reemplazos programados y no programados. La expansión binomial. Despidos parciales. Sistemas serie-paralelo. Probabilidad de que no se requiera mantenimiento.
12 CONFIABILIDAD DE LOS SISTEMAS STAND-BY 112
Componentes iguales en stand-by. El tiempo medio entre fallos de los sistemas de reserva. Detección de fallas y conmutación. Componentes desiguales en reposo.
13 TEOREMA DE BAYES SOBRE LA CONFIABILIDAD 121
Cálculo de confiabilidad de sistemas que no están en serie, en paralelo ni en espera. Teorema de probabilidad de Bayes. Su aplicación en confiabilidad.
14 MODOS DE FALLA DE LOS COMPONENTES Y CONFIABILIDAD DEL SISTEMA 127
Componentes con varios modos de falla. Extensión del teorema de Bayes a modos de falla. Confiabilidad del circuito de conmutación electrónica. Confiabilidad de los componentes de carga compartida. Conmutadores en funcionamiento en paralelo y en serie.
15 TASAS DE FALLA DE COMPONENTES A NIVELES DE ESTRÉS DEL SISTEMA 142
Parámetros de vida de los componentes. El factor tiempo común. Ciclos de trabajo de los componentes en la escala de tiempo de funcionamiento del sistema. Operación secuencial de sistemas. Los procesos físicos de falla de componentes. El espectro de estrés y la frecuencia de fallas. Interacción entre la resistencia de los componentes y las tensiones aplicadas. Estrés ambientales y operativos. La importancia de la temperatura. Curvas de reducción de la tasa de fallos y su uso en trabajos de diseño. Los efectos del almacenamiento. Una ecuación modelo para la transferencia de la tasa de fallas. Prueba en tres niveles de estrés. Análisis del nivel de estrés operativo.
16 SEGURIDAD Y CONFIABILIDAD DE LAS AERONAVES Y SISTEMAS AÉREOS 155
Fiabilidad operativa. La seguridad del sistema como concepto de probabilidad. Funciones de seguridad, funciones esenciales y funciones de conveniencia. Requisitos mínimos de seguridad y confiabilidad de las aeronaves. Probabilidades condicionales en los cálculos de confiabilidad del sistema. La confiabilidad del sistema como producto de la confiabilidad de las funciones. Coniabilidad de la aeronave para vuelos sin escalas y vuelos con escalas intermedias. Navegabilidad.
17 MANTENIMIENTO, DISPONIBILIDAD Y CONFIABILIDAD DEL SISTEMA 165
Mantenimiento regular y fuera de horario. Número esperado de fallas en servicio. Cálculos de horas hombre. Tiempo de mantenimiento y tiempo de inactividad. Factor de utilización del sistema. Sistemas redundantes. Reparación en servicio. Diseño de confiabilidad y mantenibilidad del sistema espacial. Confiabilidad del sistema independiente del tiempo de funcionamiento. Inspecciones periódicas. Estimación de los requisitos de horas-hombre de mantenimiento para sistemas redundantes. Ecuaciones para la disponibilidad y confiabilidad del sistema.
18 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE CONFIABILIDAD 176
Diseño de rendimiento y confiabilidad. El programa de control de confiabilidad del diseñador. Diseñar para requisitos de confiabilidad numérica. Análisis preliminar de confiabilidad del diseño. Elección del diseño más confiable. Análisis de circuitos y análisis de tensiones. Aplicación de técnicas de reducción de la tasa de fallos. Cuándo utilizar la redundancia. Pruebas de confiabilidad de prototipos. Actitud gerencial hacia la confiabilidad. Organización de soporte de confiabilidad. Colección de características de confiabilidad de componentes. Vida de los componentes y deriva de los parámetros. Diseño tolerante. Simplificación del diseño.
19 EJEMPLOS DE ANÁLISIS DE DISEÑO 186
El diagrama de bloques de confiabilidad y análisis de un sistema de radiocomunicación aerotransportado. Reducción de la tasa de fallas y efectos de la redundancia. Análisis de confiabilidad de tres configuraciones de aviones bimotores, sistemas de generación de velocidad variable y frecuencia constante. Uso del teorema de Bayes. Análisis de confiabilidad de un sistema de frenos hidráulicos de aeronave.
20 REVISIONES Y REEMPLAZO DE PIEZAS 195
Elección de tiempos de revisión regulares. Tiempo medio entre revisiones programadas y no programadas. Extensión del tiempo entre revisiones y probabilidad de fallas por desgaste. Vida del diseño del equipo. Programas de reemplazo de piezas. El tiempo medio entre fallas de sistemas inspeccionados y mantenidos regularmente. El concepto de tasa de falla promedio constante. Ecuaciones para sistemas en espera y en paralelo mantenidos regularmente. Mantenimiento preventivo y tiempo medio entre fallos por desgaste.
21 MEDIDAS DE CONFIABILIDAD DE COMPONENTES 208
Evaluación de datos estadísticos y estimaciones. Pruebas de entorno simulado. Pruebas de no sustitución, porcentaje de supervivencia y sustitución de componentes exponenciales. Censura. Tamaños de muestra. Mediciones de desviación estándar y vida útil media de los componentes. Pruebas normales truncadas. Pruebas de almacenamiento. Ensayos de degradación y tolerancia permanente a la deriva.
22 LÍMITES DE CONFIANZA 227
Niveles e intervalos de confianza para la vida media estimada de desgaste y la desviación estándar. Tablas para límites de confianza unilaterales y bilaterales. Tiempos de revisión y reemplazo basados en límites de confianza. Límites de confianza para pruebas normales truncadas. Los límites de confianza de chi cuadrado para tiempos medios exponenciales entre fallas. Límites de confianza más bajos en las estimaciones de confiabilidad. Gráfico para la evaluación de los límites de confianza. Confianza en la disponibilidad de repuestos.
23 MEDICIONES DE CONFIABILIDAD DEL SISTEMA 245
Sistemas reparables y no recuperables. Especificación de mantenimiento y prevención del desgaste del sistema. Pruebas para el tiempo medio entre fallas de sistemas exponenciales. Sistemas que contienen redundancia. Estimación no paramétrica de la función de confiabilidad.
24 PRUEBAS SECUENCIALES DE CONFIABILIDAD 254
La probabilidad de un número exacto de fallas. Razones de probabilidad. Riesgos del consumidor y del productor. Reglas para la toma de decisiones en pruebas secuenciales. Tiempos mínimos de prueba para aceptar y rechazar decisiones. Prueba de truncamiento. El procedimiento gráfico. Cálculos acumulados del tiempo de prueba. Definición de falla. Pruebas secuenciales para la vida media de desgaste y la desviación estándar. Pruebas de confiabilidad binomial. Pruebas aceleradas.
25 LA IMPLEMENTACIÓN DE LA CONFIABILIDAD 274
Una reseña histórica. La responsabilidad del diseñador en la confiabilidad. El estado de una organización de confiabilidad. El papel del control de calidad. Calidad y confiabilidad. Producción e inspección. Educación en confiabilidad. Los beneficios económicos de la confiabilidad.
26 EL ESTADO DE LA CONFIABILIDAD 283
Estadística matemática y teoría de la probabilidad. Aproximaciones a la realidad. El problema acuciante de las tasas de falla de los componentes. El papel de los físicos en la confiabilidad. ¿Qué tan confiables son los componentes de “alta confiabilidad”? Probando y sin adivinar. Un breve resumen.
ÍNDICE 287
El Concepto de Confiabilidad
Información extraída y traducida del libro
¿Qué es la CONFIABILIDAD? Los diccionarios y enciclopedias tienen diversas interpretaciones de esta palabra, ubicándola en la categoría de conceptos abstractos, como bondad, belleza, honestidad. Los conceptos abstractos pueden significar cosas diferentes para diferentes personas y son más difíciles de definir. Lo que a un hombre le parece hermoso puede parecerle extraño a otro. Los conceptos que son difíciles de definir se vuelven aún más difíciles de medir.
Sin embargo, en ingeniería y en estadística matemática, la confiabilidad tiene un significado exacto. No solo se puede definir con precisión, sino que también se puede calcular, evaluar objetivamente, medir, probar e incluso diseñar en un equipo de ingeniería. Por tanto, para nosotros, los ingenieros, la confiabilidad está lejos de ser un concepto abstracto. Por el contrario, la confiabilidad es una realidad muy dura. Está al mismo nivel que el rendimiento de un equipo y, con bastante frecuencia, es incluso más importante que el rendimiento.
Cuando un motor a reacción está diseñado para un cierto empuje o un equipo electrónico para una cierta ganancia, y sucede en funcionamiento que el empuje o la ganancia es menor que el requerido por la especificación, dicho rendimiento, aunque no es el mejor, puede bajo ciertas condiciones. Las circunstancias siguen siendo satisfactorias y el motor o el equipo electrónico pueden resultar muy fiables. Por otro lado, un motor de un diseño diferente puede suministrar con facilidad todo el empuje para que cumpla con todas las especificaciones de rendimiento, pero puede averiarse repentinamente durante el funcionamiento. Aquí es donde entra la confiabilidad.
La avería del equipo puede convertirse en una pesadilla para el ingeniero, ya sea que se dedique al diseño, la fabricación, el mantenimiento o la operación. Afecta no solo al ingeniero y al fabricante; muy a menudo, el usuario del equipo soporta las consecuencias más graves. El precio de la falta de confiabilidad es muy alto. La cura es la ingeniería de confiabilidad.
