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Cada dispositivo falla eventualmente. ¿Cómo puede anticipar cuándo y dónde ocurrirán los problemas? Aquí es donde entra la ingeniería de confiabilidad.

Los productos electrónicos no funcionarán para siempre. Si el producto se deja fuera de servicio intencionalmente por mantenimiento o deja de funcionar debido a una falla en los componentes, en algún momento, todo deja de funcionar como se diseñó y produjo inicialmente.

La ingeniería de confiabilidad utiliza métodos estadísticos para proporcionar a los ingenieros un enfoque estructurado para el diseño del sistema, estimar la vida útil de los componentes y los productos y las tasas de falla para determinar qué fallará y cuándo.

Todos los productos tienen algún tipo de variación natural, y ningún proceso de fabricación es perfecto. Como ejemplo, considérese una producción de diez mil optoacopladores. Algunas unidades tendrán emisores de LED que son un poco más brillantes que otras, y algunas unidades tendrán fotorreceptores con mayor sensibilidad. Con el tiempo, todos los LED disminuyen su salida de luz emitida y, finalmente, los emisores de atenuación no podrán activar los receptores menos sensibles. En ese punto, los optoacopladores comienzan a fallar.

En este artículo, analizaremos algunos métodos que permiten a los ingenieros medir y anticipar los problemas de confiabilidad.

Error de visualización: la visualización de la curva de fuerza de carga

Los ingenieros mecánicos y eléctricos a menudo visualizan componentes del sistema con funciones de densidad de probabilidad (PDF). Estas curvas estadísticas muestran la variación natural en la resistencia para una gran población de componentes / productos, así como la variación natural en la carga.

Donde las curvas de carga y resistencia comienzan a superponerse, se producen fallas.

Esta ilustración de dos funciones de densidad de probabilidad de dos distribuciones normales muestra que la distribución de fuerza disminuye con el tiempo. Cuando las dos curvas se intersecan, aparecen fallas.

El trabajo del ingeniero es garantizar, en la medida de lo posible, que la curva de resistencia esté muy a la derecha de la curva de carga. Esto se debe a que un elemento en el extremo débil de la curva de resistencia podría experimentar una carga en el extremo superior de la distribución de carga. Y para empeorar las cosas, las curvas de fuerza tienden a cambiar con el tiempo.

El margen de seguridad para las distribuciones de resistencia fija (suponiendo que no haya pérdida de resistencia en el tiempo) se encuentra al encontrar la diferencia en las medias de las dos distribuciones y luego dividir por la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las desviaciones estándar.

Consulte la Práctica de confiabilidad en ingeniería de Patrick P. O'Conner, 5ª edición, Capítulo 5 para obtener más información sobre el análisis de interferencia de fuerza de carga.

Entonces, ¿cómo se cuantifica la fiabilidad?

Métricas de fiabilidad

Todos los productos fallan con tiempo suficiente. Para tener una idea de cuánto tiempo sobrevivirá un porcentaje particular de productos y cuánto tiempo debe durar una garantía, los ingenieros a menudo usan la B_X nomenclatura.

El prefijo "B" se transfiere de la industria de rodamientos de bolas, que inició su uso, y la "x" detalla el porcentaje de productos que fallan. Entonces, "B₁₀”Es el momento de que el 10% de los productos falle (el 90% sigue funcionando).

Este gráfico de función de supervivencia muestra el porcentaje de productos que permanecen funcionales a lo largo del tiempo. El b₁₀, B₂₀, y B₅₀ se muestran los puntos, los momentos en que el 10%, el 20% y el 50% de los productos han fallado.

La función de supervivencia de confiabilidad se usa para describir la relación entre fallas y tiempo, o más específicamente, la cantidad de productos que aún funcionan a lo largo del tiempo. Esta curva se crea al encontrar el complemento (1-F (t)) de la función de distribución acumulativa (CDF). Y el CDF es la integral (área) de los PDF que se muestran arriba.

Anticipando problemas para evitar fallas: árboles de fallas

Sin embargo, a menudo, un producto falla cuando falla cualquiera de una serie de componentes o subsistemas individuales. Se pueden crear árboles de fallas para representar gráficamente la serie de fallas del subsistema que pueden llevar a una falla general del sistema. La redundancia está integrada en el sistema con compuertas AND, lo que requiere que más de un subsistema falle antes de que todo el sistema falle.

Este árbol de fallas muestra que si cualquiera de los dos (subsistema A O subsistema B) falla Y el subsistema C falla, todo el sistema fallará.

Las funciones de supervivencia de varios subsistemas se combinan para determinar la confiabilidad del sistema, representada a continuación por un gráfico.

Este gráfico de confiabilidad muestra la confiabilidad general del sistema de un sistema compuesto por dos componentes, el Subsistema 1 y el Subsistema 2. Nota de la B₁₀, B₂₀, y B₅₀ veces que la fiabilidad general del sistema es inferior a la fiabilidad de cada componente individual.

Cada subsistema redundante (OR) adicional desplaza la curva de confiabilidad del sistema hacia la derecha, haciendo que el sistema sea más confiable. Cada componente no redundante desplaza la curva de confiabilidad del sistema hacia la izquierda, haciendo que el sistema sea menos confiable con el tiempo.

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Este artículo ofrece una breve introducción a algunas de las herramientas y fórmulas que los ingenieros de confiabilidad usan para obtener más información sobre la vida útil esperada de un dispositivo y los posibles puntos de falla.

¿Tiene alguna experiencia en ingeniería de confiabilidad? ¿Te gustaría aprender más sobre esto? Deja un comentario a continuación.

Recursos adicionales

• El nuevo manual de Weibull, quinta edición, confiabilidad y análisis estadístico para predecir reclamos de vida, seguridad, capacidad de soporte, riesgo, costo y garantía, Robert Abernathy, Ph.D.
• Ingeniería de confiabilidad práctica, 5ª edición por Patrick P. O’Connor
• Huai Wang, Ke Ma y F. Blaabjerg publicaron Diseño para la fiabilidad de los sistemas de electrónica de potencia