Édgar Espejo Mora - Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

El lector puede acudir a las siguientes lecturas para profundizar sobre cada uno de los análisis mencionados en este capítulo: análisis de fallas [ 5]; análisis de ingeniería forense [ 6]; análisis de modos de falla y sus efectos Amfe [ 7]; análisis de confiabilidad [ 8]; análisis de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad CDM [ 9]; análisis de criticidad y riesgo [ 10], y análisis de aptitud para el servicio [ 11].

Figura 1.13 Sistema de manejo de la integridad mecánica de activos que asegura alta confiabilidad y disponibilidad

Fuente: elaboración propia.

La realización de un análisis de fallas implica un costo importante en tiempo y dinero; típicamente el análisis de un componente de máquina fallado puede durar entre 1 y 2 meses, y su costo puede oscilar entre 3.000 y 20.000 dólares americanos, lo que incluye el costo de los análisis de laboratorio y los honorarios de 1 o 2 analistas. Análisis más complejos como los de accidentes aeronáuticos pueden requerir de 6 meses a 1 año de realización, con costos que pueden llegar a ser del orden de millones de dólares, ya que se incluyen varios analistas de falla, personal técnico, administrativo, y varias pruebas de laboratorio especializadas. Por ejemplo, el análisis de falla del transbordador espacial Columbia involucró a un panel de 13 expertos más el personal de apoyo, donde se adelantaron entrevistas, inspecciones y diferentes tipos de ensayos, cuyo costo total se estimó en cerca de 400 millones de dólares de la época [ 12], tomando un tiempo de aproximadamente 7 meses.

Debido a su costo, la realización de un análisis de falla con todas las etapas que se describen en los numerales 7.1 y 7.2 solo se justifica si se trata de un problema crónico (fallas repetitivas) o si el costo del análisis es inferior al valor del equipo. Un ejemplo donde un análisis de falla no es justificable realizarlo desde el punto de vista económico es el siguiente: si se hacen todos los ensayos e inversión de tiempo del analista de falla en un evento de falla de un rodamiento, el costo puede ser de 1.500 dólares americanos y se puede demorar cerca de 3 semanas, lo cual es muy alto al compararse con el valor del rodamiento que es apenas de 200 dólares, con un tiempo de reposición de apenas unos minutos. Si esta falla de rodamiento no es aislada sino crónica, es decir, que el costo del recambio continuo de rodamientos es muy alto, puede que ahí se justifique realizar el análisis si el potencial de ahorro en mantenimiento es mayor que el costo del análisis de falla.

Un análisis de falla de un componente, equipo o estructura mecánica involucra varias disciplinas como el diseño mecánico, la caracterización de materiales, el mantenimiento de equipos, sistemas de control, las condiciones propias de la operación (ingeniería de petróleos, aeronáutica, etcétera), la psicología, la sociología (estas dos disciplinas se requieren cuando se buscan causas de una falla en el comportamiento humano o social), etcétera. Por lo anterior, el escenario ideal es que el análisis sea adelantado por un equipo multidisciplinario de expertos de todas estas áreas, con el fin de poder evaluar con mayor certeza cuál o cuáles son las causas raíces de la falla. Así pues, la visión tradicional de nuestro medio, que deja la responsabilidad del análisis de falla solo a especialistas del área de materiales, es errada, ya que, a este profesional, por su formación, le resulta difícil identificar posibles causas en el ámbito del diseño, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento.

Una máquina está integrada por decenas, cientos o miles de piezas, las cuales, a su vez, se encuentran agrupadas en sistemas; luego, al hablar del diseño y construcción de una máquina se está hablando en realidad del diseño y construcción de cada uno de sus sistemas y dentro de estos de cada una de sus partes, a lo cual sigue el ensamblaje de las piezas para formar la máquina total (montaje), la prueba del conjunto, la operación y el mantenimiento ( figura 1.14).

Figura 1.14 El análisis de falla y su función en la metódica general del diseño

Fuente: elaboración propia.

Un segundo aspecto importante, adicional a la complejidad propia de las máquinas integradas por sistemas y partes, se encuentra en el hecho de que todo diseño que se haga siempre está basado en diseños anteriores (excepto que se trate de una tecnología radicalmente nueva), por ejemplo, los primeros diseñadores y constructores de automóviles y aviones hicieron sus trabajos basándose en la experiencia acumulada por más de un siglo, en el diseño y construcción de maquinaria industrial y de las primeras máquinas de trasporte como las bicicletas, las locomotoras y los barcos de vapor, entre otros; además, es importante hacer énfasis en que los precursores en la construcción de estas máquinas no partieron de cero, ya que si se mira la historia de muchos de ellos, se encuentra que eran técnicos o ingenieros especialistas en una actividad afín. Se pueden mencionar casos famosos como el de los hermanos Wright, inventores del vuelo controlado y propulsado, los cuales eran diestros constructores de bicicletas, o el de Benz, quien antes de presentar su primer carruaje motorizado llevaba una extensa trayectoria en la construcción de motores de combustión estacionarios. Debido a lo anterior, se hace evidente que en el proceso del diseño y construcción de maquinaria es de vital importancia el conocimiento acumulado en los diseñadores de la máquina.

Por lo anterior, es importante tener presente que el conocimiento acumulado es el núcleo fundamental en el proceso de diseño y construcción de máquinas ( figura 1.14), por ello, la historia de una industria de punta actual como la espacial no tiene sus raíces en las loables obras de ingeniería realizadas por precursores europeos y americanos durante el siglo XX, sino que proviene de todo un conocimiento acumulado en esos países desde el siglo XVII cuando empezó la Revolución Industrial.

El tercer factor por analizar es el significado del conocimiento acumulado en el proceso de diseño y construcción de máquinas, el cual se puede definir como la forma científica, ingenieril y técnica en que la máquina cumplirá las funciones que se le piden, es decir, es el conocimiento que permite elegir con criterio qué piezas, de qué materiales, con qué sistema de control, etcétera, harán parte de la máquina; adicionalmente, y contrario a lo que se cree, ese conocimiento acumulado no corresponde a las leyes universales formuladas por grandes científicos como Newton, Joule, Einstein, entre otros, las cuales se estudian con una profundidad suficiente en las universidades, sino que hace referencia al detalle técnico, el cual muchas veces no es suficientemente explicado por las leyes físicas, y que obedece sobre todo a la experiencia obtenida durante mucho tiempo por el método empírico. Este último tipo de conocimiento se encuentra en algunas escuelas ingenieriles y técnicas, y especialmente en empresas o institutos constructores de máquinas. Ese conocimiento tecnológico y técnico al cual se hace referencia, está plasmado en las normas, prácticas recomendadas, procedimientos, manuales, etcétera, que cada empresa de construcción genera y renueva constantemente y que representa su mayor capital, el cual, por obvias razones, no es de dominio público.