Influencia del diseño del material rodante en los costes de mantenimiento Aplicación a un caso práctico José Luis Arques Doctor Ingeniero Industrial Director de Mantenimiento y Tecnología Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya
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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 El diseño influye en el mantenimiento a través de dos factores intermedios DISEÑO Diagnosis Accesibilidad Fallo/km Fiabilidad Mantenibilidad Frecuencia de averías Tiempo reparación Tiempo revisión Ciclos de revisión MANTENIMIENTO
Impacto del diseño en los costes del producto FUENTE: Centro Análisis Fiabilidad (1985)
Impacto del diseño en el coste y en la fiabilidad FUENTE: Centro Análisis Fiabilidad (1985)
Aplicación a un caso práctico 14 trenes 50 coches 1.085.000 km/año 16 trenes 64 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 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
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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 Vcc Baterías Iluminación Emergencia General 380 Vca Motores equipos Compresor neumático: 1,5 kVcc Compresor aa: 380 Vca Ventiladores: 220 Vca Faros, pilotos, limpia, etc. 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 TREN SUBSISTEMAS RBD Potencia Freno Rodadura Caja e interiorismo Alimentación equipos auxiliares Seguridad Información al viajero Mando y control Comunicaciones SUBSISTEMAS RBD Captación 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) Constructor Suministrador Valor teórico RBD en base a componentes Fiabilidad subsistemas (9) RBD en base a subsistemas Fiabilidad del sistema tren
Relación 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 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 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. SI NO ¿El parque tiene una F135.000 c*km? SI NO ¿El tren tiene una F90.000 c*km? SI El tren puede salir de garantía
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Tasas de fallo (x10-6) obtenidas
Variación 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.
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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 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
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 Factores generales a tener en cuenta: tamaño, peso, accesibilidad, identificación, fijación, seguridad, simplicidad, autodiagnóstico, puntos para ensayo, etc. Evaluación general de 125 elementos agrupados en 16 criterios Definir para cada equipo los 25 elementos más representativos y puntuarlos de 0 a 4. Calificación Puntuación bueno de 70 a 100 regular de 40 a 69 malo de 0 a 39 FUENTE: Blanchard (1969)
Criterio de aplicabilidad MATRIZ DE CRITICIDAD MANT. CORRECTIVO m.alto alto medio bajo Dia 1 2 3 Sem. Mes Trim. 4 Anual Bian. INDICE DE MANTENIBILIDAD bueno medio malo MANT. PREVENTIVO MATRIZ DE MANTENIBILIDAD CRITICIDAD 1 2 3 4 malo M baja M inter M suf medio M sopt bueno INDICE DE MANTENIB. FUENTE: Adaptado de Lopetegi (2003)
Flujo de evaluación de la mantenibilidad Evaluación del subsistema Propuestas mejora cliente NO SI Respuesta suministrador SI Aprobación del cliente NO SI Evaluación definitiva
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
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+ Resultados obtenidos TTR obtenido de sólo el 15% EQUIPO VALOR CONTRACTUAL Minutos/operarios VALOR REAL Optica faro superior 10 / 1 9 / 1 Fluorescente plataforma 4 / 1 Compresor aire 30 / 2 25 / 2 Módulo ATP Separación bogie – caja 135 / 3 209 /2 Ventana pasaje 32 /2 + incremento de la fiabilidad TTR obtenido de sólo el 15% del valor indicado en contrato
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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 518 c*km/incidencia Tiempo de inmovilización del tren 4 Horas/100.000 coches*km Coste unitario: Mant. Preventivo Mant. correctivo 21 24 17 €/c*km Coste total: 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