Riassunto esame Laboratorio di manutenzione, Prof. Tornese Fabiana, libro consigliato Progettare e gestire la manutenzione, Fedele, Furlanetto, Saccardi

Lezione 1 introduzione del corso

La manutenzione: «…si occupa di studiare, dal punto di vista progettuale e gestionale, come attuare azioni tecnico-esecutive, operative e manageriali al fine di garantire la disponibilità dei sistemi, l’economicità della conduzione dei sistemi, la loro sicurezza e l’impiego ottimale delle risorse ambientali». È la combinazione di tutte le azioni tecniche e amministrative, incluse le azioni di supervisione, volte a mantenere o riportare un’entità in uno stato in cui possa svolgere la funzione richiesta.

L’obiettivo della manutenzione è: mantenere un elemento, una macchina o un sistema, nello stato in cui può svolgere in maniera ottimale il compito per cui è stato realizzato. Gli scopi primari della manutenzione diventano quindi:

• Assicurare che macchinari, impianti e attrezzature: siano sempre efficienti e siano in condizione di far raggiungere gli obiettivi produttivi.
• Prevenire rotture e declassamento di macchinari, impianti e attrezzature evitando: periodi di indisponibilità del macchinario (down time) e conseguenti perdite di produzione con danni finanziari.

Manutenzione nell’industria

La funzione di manutenzione in un impianto industriale deve interagire e tener conto di tutte le altre funzioni con le loro necessità. La complessità di questa interazione determina la necessità di progettare la funzione manutentiva in base alle esigenze aziendali, ai vincoli espressi, alla tipologia di impianto, al quadro normativo.

Da qui deriva l’«ingegneria di manutenzione», che: contribuisce a progettare, controllare e migliorare le strategie e i piani di gestione del ciclo di vita e di manutenzione degli asset industriali attraverso la valutazione delle prestazioni RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, Safety) e di produttività (Throughput, Utilizzazione, Overall Equipment Effectiveness).

L’ingegnere di manutenzione deve quindi:

• Pianificare le attività di manutenzione di competenza, definendo e organizzando le risorse necessarie.
• Organizzare, gestire e sviluppare le risorse di manutenzione, come: personale, mezzi e attrezzature.
• Garantire il rispetto delle normative.
• Controllare l’efficienza e l’efficacia tecnica ed economica delle attività.
• Partecipare agli aspetti tecnici dei contratti e del processo di approvvigionamento e gestire le prestazioni degli assuntori.
• Comunicare con tutti i partner necessari quali personale, assuntori, clienti e fornitori.

Lezione 2 definizioni e concetti di base

I concetti di base della manutenzione sono:

Affidabilità

Dato un componente di un sistema, la sua affidabilità è definita come la probabilità che esso funzioni senza guastarsi in un intervallo di tempo assegnato, date le sollecitazioni a cui è sottoposto e le condizioni ambientali in cui opera.

Essa è dunque funzione dipendente da altre variabili: R = R (C, A, t)

Mantenendo costanti C e A, R è in sola funzione del tempo: R = R(t)

Sia quindi:

• N₀ un numero di componenti dello stesso tipo.
• Nv(t) il numero di componenti vivi (funzionanti) al tempo t.
• Ng(t) il numero di componenti guasti al tempo t.

Abbiamo che: N₀ = Nv(t) + Ng(t)

Definiamo quindi, per un dato componente la sua:

• Affidabilità, come: R(t) = Nv(t) / N₀.
• Inaffidabilità, come: F(t) = Ng(t) / N₀ = 1 - R(t).

R(t) e F(t) sono entrambe funzioni di probabilità.

La densità di probabilità dell’inaffidabilità è f(t), definita come:

Il prodotto tra f(t) e dt rappresenta la probabilità che il componente si guasti tra t e t+dt.

λ(t): Tasso di guasto

Un guasto può essere definito come:

• Passaggio da uno stato di funzionamento a uno stato di non funzionamento.
• Variazione delle prestazioni nominali (guasto che degrada le funzioni del sistema).
• Comportamento del dispositivo inaccettabile.

Può avvenire in maniera naturale (per uso e usura) o in maniera forzata (o indotta da un mal gestore).

Definiamo quindi il tasso di guasto λ(t) come il numero di guasti nell’unità di tempo, ovvero, la probabilità corrispondente alla frazione della popolazione che si rompe in (t, t+dt), con riferimento ad una popolazione sana in t.

Alcuni componenti sono caratterizzati da un tasso di guasto costante nel tempo, questo può accadere perché:

• Non si ha proprietà di memoria dal punto di vista affidabilistico.
• Il tasso di guasto non dipende dal particolare istante preso in considerazione.

In tal caso, il tasso di guasto è rappresentato graficamente dal c.d. diagramma a vasca da bagno.

Diagramma a vasca da bagno

• Guasti infantili o prematuri; le cui cause sono: carenza strutturale, progettuale o difetti di installazione. Un impianto sottoposto alla manifestazione di guasti infantili migliora la propria affidabilità con l’andare del tempo.
• Guasti accidentali o casuali; le cui cause sono: in condizioni di esercizio non nominali che mettono a dura prova i componenti, con perdita delle capacità operative. Corrisponde a situazioni imprevedibili. La probabilità di manifestarsi di un guasto è indipendente dal periodo di esercizio accumulato.
• Guasti per usura; le cui cause sono: invecchiamento strutturale e materiale. L’inizio del periodo di usura è individuato da una crescita della frequenza dei guasti. I guasti per usura si presentano intorno all’età media di funzionamento; l’unico modo di evitare questa tipologia di guasto è quello di operare un ricambio preventivo della popolazione.

A seconda della natura del guasto varia la funzione del tasso di guasto nel tempo:

• Guasto di natura casuale, in cui: il tasso di guasto è costante; la fdp del tempo al guasto è l’esponenziale negativa. Un esempio sono i componenti elettronici.
• Guasto di natura non casuale: causati da fenomeni di degrado irreversibile, la cui entità dipende dal tempo di funzionamento. In questo caso la fdp può assumere forme differenti. Un esempio sono i componenti meccanici soggetti a usura.

Riparabilità

Distinguiamo i sistemi (o i componenti) in due tipologie:

• Sistemi non riparabili: il verificarsi del guasto rappresenta una transizione irreversibile. Si definisce quindi il Mean Time To Failure MTTF.
• Sistemi riparabili: in cui il guasto (o anomalia di funzionamento) rappresenta un momento della vita del componente a cui seguono altri intervalli di funzionamento e non funzionamento. Vengono effettuati studi sulla disponibilità, andando a definire il Mean Time Between Failures MTBF.

MTTF (Mean Time To Failure) tempo medio prima di un guasto

È il tempo in cui si verifica il guasto a partire dall’inizio della vita del componente (t=0), corrisponde al valore medio della distribuzione di probabilità dell’inaffidabilità F(t).

Se il tasso di guasto è costante:

All’istante t = MTTF:

MTBF (Mean Time Between Failures) tempo medio tra due guasti

Rappresenta la cadenza con cui attendersi il verificarsi dei guasti (tempo medio intercorrente tra due guasti successivi).

Una volta verificatosi il guasto si definisce quello che è il MTTR (Mean Time To Repair), ovvero il tempo di fermo durante cui viene rilevato e riparato il guasto, somma di:

• LDT (logistic delay time): tempo di approntamento logistico dell’intervento (arrivo tecnici, recupero parti di ricambio, trasporti interni, ecc.).
• ADT (administrative delay time): ritardi per questioni gestionali/amministrative (es. scioperi, personale occupato in altra mansione, ecc.).
• MAMT (mean active maintenance time): tempo medio necessario per la manutenzione, calcolato al netto delle attese.

Disponibilità

La disponibilità A(t) di un sistema riparabile indica la probabilità che il sistema funzionante all’istante t=0 non sia guasto all’istante t considerato.

È espresso come il rapporto tra tempo medio di funzionamento corretto e tempo totale di attività.

A(t) = 1 nell’istante t=0

A(t) = MTBF / (MTBF+MTTR) per t tendente all’infinito

Manutenibilità

La manutenibilità M(t) di un sistema riparabile indica la probabilità che il sistema guasto all’istante t=0 possa essere riparato all’istante t considerato.

La densità della manutenibilità è:

Si definisce il tasso di riparazione come: λ μ:

Se λ(t) è costante, pari a r

Affidabilità di sistemi complessi

Un sistema è un insieme di componenti caratterizzati ciascuno dalle proprie condizioni funzionali e affidabilistiche. La combinazione di tali condizioni determina il funzionamento del sistema complessivo ed il suo livello di affidabilità.

• Sistemi ridondanti: non si guastano se si guasta un componente (sistemi in parallelo).
• Sistemi non ridondanti: si guastano se si guasta un componente (sistemi in serie).

In particolare un sistema può essere:

• In parallelo: un solo componente è in grado di assicurare il funzionamento dell’intero sistema. Il guasto del sistema è determinato dal concomitante non funzionamento di ciascun componente.
• In serie: il guasto di uno qualsiasi dei suoi componenti determina il non funzionamento dell’intero sistema.

Lezione 3/4/5/6 analisi RAMS (Reliability-Availability-Maintainability-Safety)

L’analisi RAMS è tesa alla valutazione dell’Affidabilità, Disponibilità, Manutenibilità e Sicurezza di un sistema complesso lungo il suo ciclo di vita. L’obiettivo è garantire il corretto funzionamento del sistema, la possibilità di effettuare manutenzione in tempi e costi ragionevoli, l’assenza di danni per l’ambiente e per l’uomo. Quest’analisi nasce da:

• Esigenze normative: sicurezza ed igiene sul lavoro, protezione del lavoratore da eventuali guasti alle macchine, protezione ambientale, etc.
• Esigenze contrattuali: le aziende spesso devono rispettare requisiti su RAMS richiesti dai clienti (Life cycle cost).
• Ottimizzazione della produzione.

L’analisi RAMS porta quindi maggiore qualità, maggiore sicurezza e maggiore produttività.

Esigenze normative riguardo l’analisi RAMS sono:

• Direttiva Macchine 2006/42/CE. L’obiettivo della Sicurezza Macchine è assicurare la sicurezza dei lavoratori (e di conseguenza anche dei consumatori) che operano a contatto con macchinari di vari tipo. La macchina deve rispondere ai requisiti essenziali di sicurezza e salute (RESS), cioè deve essere:
  • Costruita secondo determinati parametri.
  • Marcata e riconoscibile.
  • Accompagnata da un libretto (manuale di istruzioni per l’uso e la manutenzione).
  • Garantita dal fabbricante con la dichiarazione di conformità.

Solo seguendo questa lista e risultando idonea a certi parametri, la macchina può essere ritenuta conforme al mercato della UE ed essere riconosciuta con la targa CE.

• Direttiva Seveso 82/501/CEE.
• Testo unico sulla sicurezza (D.lgs. 81/08).
• Testo unico in materia ambientale (D.lgs. 152/2006) e integrazioni.

Criticità

• Aspetto economico: i vantaggi sono evidenti a medio-lungo termine, sul ciclo di vita dell’impianto/sistema.
• Aspetto tecnico: equilibrio tra obiettivi di sicurezza, disponibilità, manutenibilità, spesso in conflitto.
• Aspetto culturale: necessità di un approccio sistemico e multidisciplinare (capacità di analisi sui singoli componenti, fattori tecnici, gestionali, comunicazione intersettoriale).

Ruolo dell’analista

• Effettuare un’analisi dei componenti: valutare quindi le probabilità e i modi di guasto, la corrispondente inaffidabilità (o l’indisponibilità).
• Individuare i tassi di guasto e di riparazione, anche se sono generalmente forniti da banche dati commerciali. Durante la vita del sistema, questi dati vengono poi raccolti sul campo per rendere le stime quanto più aderenti alla realtà.
• Utilizzare tali dati per determinare le strategie di manutenzione in base agli obiettivi posti.

Fasi dell’analisi RAMS con le relative tecniche

1. Definizione sistema e analisi funzionale: disegni di progetto, descrizione funzionamento e layout, programma operativo previsto, obiettivi da perseguire.
2. Analisi dei guasti ed affidabilità: identificazione modi di guasto dei componenti, cause, effetti, azioni correttive. Le tecniche utilizzate in questa fase sono: Reliability block diagram (RBD), Failure Mode Effects Analysis (FMEA), Fault tree analysis (FTA).
3. Analisi di manutenibilità: valutazione tipo di manutenzione, tempi e risorse per il ripristino. Le tecniche utilizzate in questa fase sono: Strategie di manutenzione, Politiche di manutenzione, Costo totale di manutenzione, Organizzazione e logistica della manutenzione.
4. Analisi di Criticità: valutazione rischi legati ai guasti sicurezza. Le tecniche utilizzate in questa fase sono: Failure Mode Effects and Criticality Analysis (FMECA).
5. Analisi di Disponibilità: valutazione dell’efficacia del piano di manutenzione del sistema. Le tecniche utilizzate in questa fase sono: Indici di prestazione della manutenzione (OEE, OCE).

Analisi dei guasti e dell’affidabilità

Ci sono diversi criteri di classificazione del guasto, ovvero:

• Entità del guasto, in quanto questa può essere: totale (funzionamento del tutto impedito); parziale (prestazioni degradate); intermittente (successione casuale di periodi di guasto).
• Impatto del guasto, in quanto questo può essere: secondario (se non riduce la funzionalità dell’intero sistema); primario (se riduce le funzionalità dell’intero sistema); critico (rischio per l’incolumità delle persone).
• Insorgenza del guasto, in quanto questa può essere: progressivo (può essere previsto con il monitoraggio dei dati); o improvviso (non può essere previsto).
• Natura del guasto, in quanto questa può essere: intrinseco (dovuto a debolezze inerenti il dispositivo); estrinseco (dovuto a condizioni ambientali esterne).
• Causa del guasto, in quanto questa può derivare da: progettazione, produzione, utilizzo o usura.

In questa fase utilizziamo strumenti e tecniche come:

Reliability block diagram (RBD)

Il diagramma a blocchi di affidabilità permette di valutare quantitativamente l’affidabilità di un sistema, a partire dalla conoscenza delle proprietà affidabilistiche dei suoi componenti. Inoltre consente di: determinare il livello di tolleranza al guasto; individuare criticità nel sistema; condurre analisi trade-off per ottimizzare l’utilizzo delle risorse.

Un sistema può contenere collegamenti di elementi in serie o in parallelo, o una combinazione di entrambi.

I dati input all’interno dell’RBD, sono:

• Dati relativi all’architettura funzionale del sistema (schemi progettuali, layout di impianto, diagrammi).
• Dati sull’affidabilità e manutenibilità dei componenti (tassi di guasto, tempi di riparazione).
• Durata della vita utile del sistema.

FMEA

È una metodologia sistematica e proattiva utilizzata per identificare, analizzare e prevenire i potenziali modi di guasto di un sistema, processo o prodotto, valutandone le cause e gli effetti.

Esistono due tipologie di FMEA:

• FMEA di Processo (PFMEA): utilizzata per analizzare i potenziali guasti nei processi produttivi e implementare controlli adeguati.
• FMEA di Sistema: focalizzata sull'interazione tra sottosistemi e componenti all'interno di un sistema complesso.

Gli obiettivi principali sono:

1. Individuare e analizzare i potenziali guasti di un sistema, ed i loro effetti.
2. Analizzare le cause e gli effetti associati a ciascun modo di guasto.
3. Valutare la gravità, la probabilità di occorrenza e la rilevabilità di ogni guasto.
4. Determinare il numero di priorità del rischio (RPN) per prioritizzare le azioni correttive.

Per ciascun elemento analizzato vengono quindi considerati i seguenti aspetti:

• Funzione: descrizione della funzione dell'elemento o processo.
• Modo di guasto: modalità attraverso cui può verificarsi un guasto.
• Effetto del guasto: conseguenze del guasto sul sistema o sul cliente.
• Causa del guasto: motivo per cui il guasto potrebbe verificarsi.
• Controlli attuali: misure esistenti per prevenire o rilevare il guasto.
• Valutazioni: con la definizione del Risk Priority Number (RPN): indice del livello di importanza di una criticità del sistema, calcolato come: RPN = FxSxD (L’RPN può assumere valori 1<RPN<1000).

In particolare: F, S, D assumono valori da 1 a 10.

• F = frequenza di una causa di guasto durante la vita di un sistema (misura relativa). Se F=1 l’evento è trascurabile, se F=10 è un evento certo.
• S = severità, stima della gravità della peggiore conseguenza potenziale. Se S=1 si ha effetto trascurabile, se S=10 abbiamo guasti con gravi conseguenze.
• D = stima della facilità di rilevazione diretta del guasto. Se D=1 l’evento è certamente rilevabile, se D=10 l’evento non è rilevabile.

Un valore RPN elevato indica una priorità maggiore per l'implementazione di azioni correttive.

FMECA

È un’estensione della FMEA che, oltre a identificare e analizzare i potenziali modi di guasto e i loro effetti, introduce un'analisi quantitativa della criticità di ciascun guasto. È uno strumento di affidabilità utilizzato principalmente nei settori ad alta sicurezza (aerospaziale, difesa, nucleare), dove è fondamentale valutare quanto un guasto sia critico in termini di impatto sul sistema e sulle missioni.

Gli obiettivi sono:

• Identificare i modi di guasto di un componente, s