influencia del diseño del material rodante en los costes de mantenimiento aplicación a un caso...
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Influencia del diseño del material rodanteen los costes de mantenimiento
Aplicación a un caso práctico
José Luis ArquesDoctor Ingeniero Industrial
Director de Mantenimiento y TecnologíaFerrocarrils de la Generalitat de Catalunya
índice
• Introducción• Aseguramiento de la fiabilidad
– Resultados conseguidos
• Implementación de la mantenibilidad– Resultados conseguidos
• Conclusiones
El mantenimiento en FGC
• Definición:– Conjunto de trabajos llevados a cabo para garantizar que un equipo esté
disponible para el servicio requerido y funcione con la fiabilidad y seguridad establecidas, optimizando de forma continuada las necesidades de los recursos humanos y económicos.
• Tipología de los trabajos:– Correctivo: según necesidad– Preventivo: de ciclos definidos– De mejora: por campañas
Costes asociados al mantenimiento
DISEÑO
MANTENIMIENTO
Fiabilidad Mantenibilidad
El diseño influye en el mantenimiento a través de dos factores intermedios
Fallo/kmDiagnosisAccesibilidad
Tiempo reparaciónTiempo revisión
Frecuencia de averías
Ciclos de revisión
Impacto del diseño en los costes del producto
COSTE DE ADQUISICION
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40 50
coste del programa de fiabilidad (%)
un
idad
es d
e co
ste
(%)
c. diseño c. fabric. c. fijos c. adq.
COSTE ASOCIADO AL MANTENIMIENTO
0
20
40
60
80
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0 10 20 30 40 50
coste del programa de fiabilidad (%)
un
idad
es d
e co
ste
(%)
c. repuestos c. mantenimiento c. asoc. mant.
FUENTE: Centro Análisis Fiabilidad (1985)
Impacto del diseño en el coste y en la fiabilidad
FUENTE: Centro Análisis Fiabilidad (1985)
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50
coste del program a de fiabilidad (%)
cost
es
(%)
C. ASOC. M ANTENIM IENTO
COSTE TOTAL DEL PRODUCTO
C. ADQUISICION.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50
coste del programa de fiabilidad (%)
incre
men
to e
n f
iab
ilid
ad
(%)
0
5
10
15
20
25
co
ste
to
tal d
el p
rod
ucto
(%
)
Aplicación a un caso práctico
14 trenes50 coches
1.085.000 km/año
16 trenes64 coches
1.920.000 km/año (previsión)3.012.900 km/año (real)
Principales diferencias técnicas (i)
CONCEPTO UT-400 UT-112
SISTEMA DE POTENCIA Pantógrafo completo accionamiento manual
Resistencias tracción y frenado
Motores de cc de 143 kW, dispuestos transversalmente.
Pantógrafo de medio brazo accionamiento automático
Ondulador directo de tensión refrigerado por agua.
Motores trifásicos asíncronos de 180 kW.
SISTEMA DE FRENO Freno eléctrico reostático
Freno neumático de zapata accionado desde un solo cilindro por coche
Freno mecánico de volante para estacionamiento.
Motocompresor monobloque a 1,5 kV
Freno eléctrico de recuperación y reostático
Freno neumático de disco y zapata con regulación automática
Freno neumático de estacionamiento de acoplamiento automático
Compresor de husillo y motor trifásico.
SISTEMA DE RODADURA Bogie Pensylvania.
Primaria de muelles helicoidales
Secundaria de doble ballesta.
Reductor simple de engranajes rectos y ataque directo
Ruedas compuestas de centro y bandaje.
Bogie formado por dos largueros de chapa de acero soldada unidos por dos traveseros tubularesn.
Primaria de caucho-acero
Secundaria neumática con muelle interior para emergencia.
Reductor simple piñón-corona y acoplamiento elástico
Ruedas monobloc de acero R9T
Principales diferencias técnicas (ii)
CONCEPTO UT-400 UT-112
CAJA E INTERIORISMO Caja de chapa de acero soldada
Plafones interiores de Fantasit
Calefacción por resistencias.
Caja de perfiles de aluminio extrusionado soldados.
Testeras frontales de fibra de vidrio reforzado.
Acondicionamiento mediante bomba de calor
SISTEMA DE ALIMENTACION EQUIPOS AUXILIARES
Convertidores de 14 kVA para 1,5 kVcc/36 Vcc
Convertidores de 55 kVA para 1,5kVcc/380 Vca/24Vcc.
SISTEMA DE SEGURIDAD Lazo de tracción Lazo de tracción
Lazo de freno
Línea de freno de emergencia
Línea de freno de urgencia
ATP
Principales diferencias técnicas (y iii)
CONCEPTO UT-400 UT-112
SISTEMA INFORMACION AL VIAJERO Indicador manual destino tren Sistema automático integrado por: megafonía, música ambiental, anuncio próxima estación, indicadores externos de destino, paneles internos de información, gráficos de línea activos, indicadores de lado de apertura de puertas y tiradores de alarma.
SISTEMA DE MANDO Y CONTROL Manual mediante controlas distintas para la tracción y freno
Automático mediante microprocesadores.
Manipulador de velocidad impuesta
Supervisión y diagnosis
SISTEMA DE COMUNICACIONES Cable Bus de fibra óptica
Bus serie
Lógica cableada
índice
• Introducción• Aseguramiento de la fiabilidad
– Resultados conseguidos
• Implementación de la mantenibilidad– Resultados conseguidos
• Conclusiones
Técnicas para la evaluación de la fiabilidad
Requerimientos Especificaciones Diseño básico
Diseño detallado
Desarrollo
•Identificar las exigencias básicas
•Cuantificar las exigencias anteriores.•Identificar los condicionantes que puedan tener influencia en la solución.
•RBD para cada alternativa.•Predicción de la fiabilidad.•Identificar la mejor solución global.
•Desarrollo de la mejor solución global.•FMEA del sistema y de los subsistemas.
•Incorporar mejoras derivadas de los ensayos y de la puesta en servicio.•Demostración de la fiabilidad
•Pliego de Condiciones Técnicas•Contrato
•Proyecto•Elección de componentes•Determinación de los subsistemas.•Fabricación
•Puesta en servicio.•Garantía.
FUENTE: Adaptado de Moss (1988)
Pliego de condiciones técnicas
• Elegir componentes y subsistemas cuya fiabilidad esté probada.
• Aplicar los criterios más simples posibles.
• Establecer redundancias para asegurar el funcionamiento de los subsistemas básicos.
• Considerar las situaciones degradadas que se puedan dar, así como los automatismos asociados para solucionarlas.
• Definir la medidad de la fiabilidad.
• Cuantificar los valores deseados para la fiabilidad.
Ejemplo de simplificación en la alimentación de los equipos auxiliares
EQUIPO AUXILIAR Serie A Serie B
Control del tren
72 VccBaterías
Iluminación Emergencia
General 72 Vcc
380 VcaMotores equipos Compresor neumático: 1,5 kVcc
Compresor aa: 380 Vca
Ventiladores: 220 Vca
Faros, pilotos, limpia, etc. 72 Vcc 24 Vcc
Convertidores 1,5 kVcc/ 380 Vca 1,5 kVcc/ 380Vca/72 Vcc
1,5 kVcc/ 220 Vca/ 72 Vcc 72 Vcc/ 380 Vca/24 Vcc
La fiabilidad durante el proyecto
• La estructura de fiabilidad de un sistema se establece en función del concepto de fiabilidad del servicio establecido en el contrato.
• El RBD consiste en descomponer el sistema en subsistemas, de manera que la conexión entre ellos simbolice los modos de funcionamiento tal y como ha sido establecido en contrato.
• El RBD representa el esquema lógico para alcanzar el comportamiento elegido.– no representa el esquema propio de montaje– no indica necesariamente las conexiones físicas reales.
Subsistemas vs RDB
SUBSISTEMAS DE UN TRENPotencia
Freno
Rodadura
Caja e interiorismo
Alimentación equipos auxiliares
Seguridad
Información al viajero
Mando y control
Comunicaciones
SUBSISTEMAS RBDCaptación de corriente
Cadena de tracción
Generación BT
Equipamiento neumático
Instalaciones eléctricas
Mando y control
Señalización
Equipamientos auxiliares
Mecánica.
Diagrama de bloques de fiabilidad del nuevo tren ...
... en relación al tren anterior
Cálculo de la fiabilidad de un RBD
• Descomponer cada subsistema básico en componentes o conjuntos cuya fiabilidad pueda conocerse.
• Conocer la fiabilidad de los elementos a partir de:– Datos publicados por organismos conocidos internacionalmente,– Registros derivados de la experiencia propia o de empresas similares,
contrastados adecuadamente
• El cálculo de la fiabilidad de un RBD varía según la configuración que adopten los subsistemas; puede calcularse a partir de dos configuraciones básicas:– Configuración serie– Configuración paralelo
FUENTE: Moss (1988)
Cálculo de la fiabilidad del nuevo tren
Fiabilidad componentes (25)
Fiabilidad subsistemas (9)
Fiabilidad del sistema tren
RBD en base a componentes
RBD en base a subsistemas
•Constructor•Suministrador•Valor teórico
Relación subsistemas - componentes
subsistemas componentes
1 2 3 4 5 6 7 ... 22 23 24 25
A
B
C
...
F
...
I
Predicción de la fiabilidad
Concepto Tasa de fallo
(*10-6 incid./c*km)
MTBF (c*km/incidencia)
Observaciones
Captación corriente 0,40
NO CONTRACTUAL
Cadena tracción 0,01
Generación BT 0,03
Equip. Neumático 0,23
Instal. Eléctrica 0,65
Mando y control 1,11
Señalización 0,01
Equip. Auxiliar 4,64
Partes mecánicas 0,17
Sistema tren 7,25 137.837 CONTRACTUAL
135.000
Demostración de la fiabilidad
• Plan para confirmar que la fiabilidad contractual se ha conseguido.
• Características del plan para la demostración de la fiabilidad:
– Se realiza durante el período de garantía.
– Es conveniente distinguir el prototipo, cabeza de serie o preserie, del resto de la serie.
– Conviene determinar un período de gracia durante el cual no se tendrán en cuenta las averías producidas.
– Conviene reservar el período final de la garantía para el cálculo de demostración de la fiabilidad mediante el adecuado registro de los km y fallos producidos en cada tren.
– Deben aplicarse fielmente los criterios de aceptación y rechazo establecidos en el contrato
Criterios de aceptación o rechazo
Un tren determinado cumple el período de garantía
El tren puede salir de garantía
¿El parque tieneuna F135.000 c*km?
¿El tren tiene una F90.000 c*km?
SI
SI
SI
NO
NO
• La prueba de fiabilidad consiste en demostrar que en un período determinado T el número n de averías no será superior a un valor dado, resultado de la fiabilidad prefijada.
• Si el valor obtenido de n es superior, se alargará el período T hasta lograrlo.
• Los valores de fiabilidad exigidos a un tren o al conjunto del parque no tienen por qué ser los mismos.
índice
• Introducción• Aseguramiento de la fiabilidad
– Resultados conseguidos
• Implementación de la mantenibilidad– Resultados conseguidos
• Conclusiones
Tasas de fallo (x10-6) obtenidas
0,001 0,01 0,1 1 10
c. corriente
c. tracción
gen. BT
eq. neum ático
eq. eléctrico
control y m ando
señalización
eq. aux.
m ecánica
TREN
valor teórico valor obtenido
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
año
% s
ob
re e
l v
alo
r d
e c
on
tra
toVariación anual de la fiabilidad de los
nuevos trenes
Final del período de garantía
Otros resultados de la mejora de la fiabilidad
• Reducción del número de piezas de recambio necesarias– Previsto: 7,5 % del valor total de la serie– Real: 4,7 % del valor total de la serie
• Reducción a la mitad de la frecuencia del mantenimiento preventivo respecto de una serie de trenes anterior.
índice
• Introducción• Aseguramiento de la fiabilidad
– Resultados conseguidos
• Implementación de la mantenibilidad– Resultados conseguidos
• Conclusiones
Fases para la implementación de la mantenibilidad
Fase conceptual
Fase de propuestas
Fase de definición
Fase de desarrollo
Fase operativa
•Define los requerimientos
Detalla los requerimientos
•Implementa plan de Mantenibilidad
Implementa plan de Mantenibilidad
•Evalúa resultados•Modificación equipos
•Define los conceptos básicos del mantenimiento
•Define la medida de la Mantenibilidad•Define lols criterios y características a seguir en el diseño
•Define los criterios y características del equipo• Evalúa y predice la Mantenibilidad•Define la política de mantenimiento
•Ejecuta estudios detallados de M.•Actualiza la predicción de la M.•Actualiza las políticas de mant.•Elabora documentación•Ensayos subsistemas•Inicio acciones correctivas
•Ensayos de demostración de la Mantenibilidad
•Pliego de condiciones técnicas•Contrato
•Proyecto •Elección de componentes•Determinación subsistemas•Fabricación•Documentación
•Puesta en servicio•Garantía
FUENTE: Adaptado de Blanchard (1969)
Pliego de condiciones técnicas
• Ciclos de mantenimiento preventivo, duración y esfuerzo (en horas-hombre).
• Descripción de las acciones a realizar una vez se ha producido el fallo del equipo:– Fase de preparación y localización– Fase de desmontaje y montaje– Fase de ajuste y prueba final
• Tiempos máximos de montaje y desmontaje; número de operarios necesario.
• Tiempo máximo de inmovilización por averías durante un período determinado.
Actuación en caso de fallo
ACTIVIDAD FASE DE LA RESTAURACION
FACTORES DE DISEÑO
Aparición del fallo.
Retirada del tren del servicio.
Disponibilidad de personal.
Tiempo de demora Monitorización.
Localización del fallo. Tiempo de localización Ayuda al dianóstico.
Identificación componentes.
Agrupación componentes.
Reparación o sustitución del componente defectuoso.
Tiempo de sustitución Accesibilidad.
Modularidad.
Fijaciones empleadas.
Comprobación de funcionalidad correcta.
Tren disponible para el servicio.
Tiempo de ajuste y pruebas Facilidad del ensayo.
Puntos para el ensayo.
Tren en operación Tiempo de demora
Condiciones previas para la evaluación de la mantenibilidad
• Características de cada subsistema• Su ubicación en el sistema• Su ubicación respecto a otros subsistemas• Sus necesidades concretas de mantenimiento:
– Frecuencia– Operaciones– Componentes afectados
• Instrumentos de diagnosis y control que dispondrá• Nivel de formación exigido al personal• Modo esperado de utilización por parte del usuario• Documentación de soporte requerida
Aplicación al manipulador del tren
La evaluación de la mantenibilidad ...
Debe tener en cuenta los criterios siguientes ... ... que están relacionados con:
•Sistemas integrados de ayuda al diagnóstico•Empaquetamiento:
–Agrupación de funciones–Intercambiabilidad–Tamaño
•identificación
Fase de preparación
Fase de localización
•Accesibilidad:–Para el uso de herramientas–Para coger las piezas
•Sistemas y elementos de fijación•Simplicidad del montaje•Seguridad del equipo
Fase de desmontaje y montaje
•Puntos de ensayo:–Agrupación –Identificación
Fase de ajuste
Prueba final
Evaluación indirecta de la mantenibilidad
Evaluación general de 125 elementos agrupados en 16 criterios
Calificación Puntuaciónbueno de 70 a 100regular de 40 a 69malo de 0 a 39
FUENTE: Blanchard (1969)
Factores generales a tener en cuenta: tamaño, peso, accesibilidad, identificación, fijación, seguridad, simplicidad, autodiagnóstico, puntos para ensayo, etc.
Definir para cada equipo los 25 elementos más representativos y puntuarlos de 0 a 4.
Criterio de aplicabilidad
MATRIZ DE CRITICIDAD
MANT. CORRECTIVO
m.alto alto medio bajo
Dia 1 1 2 3
Sem. 1 1 2 3
Mes 2 2 3 3
Trim. 2 2 3 3
Sem. 3 3 3 4
Anual 3 3 4 4
Bian. 3 4 4 4
MATRIZ DE MANTENIBILIDAD
CRITICIDAD
1 2 3 4
malo M baja M baja M inter M suf
medio M baja M inter M suf M sopt
bueno M inter M suf M sopt M sopt
INDICE DE MANTENIBILIDAD
bueno medio maloIN
DIC
E D
E
MA
NT
EN
IB.
MA
NT
. P
RE
VE
NT
IVO
FUENTE: Adaptado de Lopetegi (2003)
Flujo de evaluación de la mantenibilidad
Evaluación del subsistema
Propuestas mejora cliente
Respuesta suministrador
Aprobación del cliente
Evaluación definitiva
NO
NO
SI
SI
SI
La documentación del mantenimiento
Demostración de la mantenibilidad
• Fase I:– En casa del fabricante y utilizando sus propios recursos– El cliente asume un rol de monitorización– Es una fase limitada. Sólo permite conocer los aspectos vinculados a los
subsistemas– Permite la aprobación del sistema para ser enviado al cliente
• Fase II:– En casa del cliente y en las condiciones más parecidas a las de utilización
del sistema– El cliente asume un papel más activo– Esta fase permite conocer el comportamiento del sistema y de los
subsistemas en las condiciones próximas de uso y durante un tiempo prefijado
– Corresponde al período de garantía
índice
• Introducción• Aseguramiento de la fiabilidad
– Resultados conseguidos
• Implementación de la mantenibilidad– Resultados conseguidos
• Conclusiones
Resultados obtenidos
EQUIPO VALOR CONTRACTUAL
Minutos/operarios
VALOR REAL
Minutos/operarios
Optica faro superior 10 / 1 9 / 1
Fluorescente plataforma 10 / 1 4 / 1
Compresor aire 30 / 2 25 / 2
Módulo ATP 10 / 1 10 / 1
Separación bogie – caja 135 / 3 209 /2
Ventana pasaje 30 / 2 32 /2
+
incremento de la fiabilidad TTR obtenido de sólo el 15% del valor indicado en contrato
índice
• Introducción• Aseguramiento de la fiabilidad
– Resultados conseguidos
• Implementación de la mantenibilidad– Resultados conseguidos
• Conclusiones
Comparación de las dos series de trenes
CONCEPTO Serie A Serie B UNIDADES
Año puesta en servicio 1985 1995
Recorrido medio por tren 100 256 Km/año
Fiabilidad 100 518 c*km/incidencia
Tiempo de inmovilización del tren
100 4 Horas/100.000 coches*km
Coste unitario:• Mant. Preventivo• Mant. correctivo
100• 100• 100
21• 24• 17
€/c*km
Coste total:• Mant. Preventivo• Mant. correctivo
100• 100• 100
56• 65• 47
€/año
Conclusiones finales
• Objetivo: Substitución de 14 trenes de 3 coches (Mc-Ri-Mc) por 16 trenes de 4 coches (Mc-Ri-Mi-Mc), más complejos, y mayor previsión de recorrido –hoy día ampliamente superado- sin incrementar la carga de trabajo ni los costes asociados al mantenimiento.
• Decisión: Aplicar técnicas de mejora de la fiabilidad y de la mantenibilidad en la fase de diseño de los nuevos trenes.
• Resultados: Ampliamente superiores a los previstos en contracto.
• Actuaciones posteriores:– Desarrollo de una serie de 20 trenes (Mc-Ri-Mc) para ancho métrico - 1999– Compra de 6 nuevos trenes Mc-Ri-Mi-Mc de la serie original – 2003– Compra de 13 nuevos trenes Mc-Ri-Mc de ancho métrico – 2006– En estudio, la compra de 10 trenes Mc-Ri-Mc de ancho métrico
Influencia del diseño en los costes de mantenimiento
FIN