influencia del diseño del material rodante en los costes de mantenimiento aplicación a un caso...

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

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50


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


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)


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)


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




• 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




• 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




• 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




• 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




• 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

influencia del diseño del material rodante en los costes de mantenimiento aplicación a un caso...

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