Análisis de modos de falla, efectos y criticidad

En esta etapa, se define el sistema principal que se va a analizar y se divide en una jerarquía estructurada, como sistemas, subsistemas o equipos, unidades o subconjuntos, y componentes. Se crean descripciones funcionales para los sistemas y se asignan a los subsistemas, abarcando todos los modos operativos y fases de la misión.

Antes de realizar un análisis detallado, generalmente se definen y acuerdan las reglas básicas y los supuestos. Esto podría incluir, por ejemplo:

• Perfil de misión estandarizado con fases de misión específicas de duración fija.
• Fuentes de datos sobre la tasa de fallos y el modo de fallo
• Cobertura de detección de fallos que la prueba integrada del sistema realizará
• Si el análisis será funcional o por partes
• Criterios a considerar (aborto de la misión, seguridad, mantenimiento, etc.)
• Sistema para identificar de forma unívoca piezas o funciones.
• Definiciones de categorías de gravedad

A continuación, los sistemas y subsistemas se representan mediante diagramas de bloques funcionales. Los diagramas de bloques de confiabilidad o árboles de fallas se suelen construir simultáneamente. Estos diagramas se utilizan para rastrear el flujo de información en los distintos niveles de la jerarquía del sistema, identificar rutas e interfaces críticas y determinar los efectos de las fallas de nivel inferior en niveles superiores.

Para cada componente o función cubierta por el análisis, se desarrolla una lista completa de modos de falla. Para el FMECA funcional, los modos de falla típicos incluyen:

• Operación inoportuna
• No funcionar cuando se requiere
• Pérdida de producción
• Salida intermitente
• Salida errónea (dada la condición actual)
• Salida no válida (para cualquier condición)

Para el análisis FMECA de componentes, los datos de modos de falla se pueden obtener de bases de datos como RAC FMD – 91 ^{[ 14 ]} o RAC FMD – 97. ^{[ 15 ]} Estas bases de datos proporcionan no solo los modos de falla, sino también las proporciones de modos de falla. Por ejemplo:

Cada función o componente se presenta en forma de matriz, con una fila para cada modo de fallo. Dado que el análisis FMECA suele implicar conjuntos de datos muy grandes, se debe asignar un identificador único a cada elemento (función o componente) y a cada modo de fallo de cada elemento.

Los efectos de falla se determinan y se registran para cada fila de la matriz FMECA, considerando los criterios identificados en las reglas básicas. Los efectos se describen por separado para los niveles local, inmediatamente superior y final (sistema). Los efectos a nivel de sistema pueden incluir:

• Fallo del sistema
• Funcionamiento degradado
• Fallo del estado del sistema
• Sin efecto inmediato

Las categorías de efectos de falla utilizadas en los distintos niveles jerárquicos son adaptadas por el analista mediante su criterio de ingeniería.

Se asigna una clasificación de gravedad a cada modo de fallo de cada elemento individual y se introduce en la matriz FMECA, en función de las consecuencias a nivel del sistema. Se utiliza un conjunto reducido de clasificaciones, generalmente con entre 3 y 10 niveles de gravedad. Por ejemplo, cuando se prepara según la norma MIL - STD - 1629A, la clasificación de gravedad de fallos o percances normalmente sigue la norma MIL - STD - 882 . ^{[ 16 ]}

Las categorías de gravedad FMECA actuales para las aplicaciones espaciales de la Administración Federal de Aviación (FAA) de EE. UU., la NASA y la Agencia Espacial Europea se derivan de MIL - STD - 882. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

Para cada componente y modo de fallo, se analiza la capacidad del sistema para detectar e informar sobre el fallo en cuestión. En cada fila de la matriz FMECA se introducirá uno de los siguientes valores:

• Normal : el sistema indica correctamente una condición segura a la tripulación.
• Anormal : el sistema indica correctamente un mal funcionamiento que requiere la intervención de la tripulación.
• Incorrecto : el sistema indica erróneamente una condición segura en caso de mal funcionamiento, o alerta a la tripulación sobre un mal funcionamiento que no existe (falsa alarma).

La evaluación de criticidad de modos de falla puede ser cualitativa o cuantitativa. Para la evaluación cualitativa, se asigna un código o número de probabilidad de percance y se ingresa en la matriz. Por ejemplo, MIL - STD - 882 utiliza cinco niveles de probabilidad:

El modo de fallo puede representarse en una matriz de criticidad utilizando el código de gravedad como un eje y el código de nivel de probabilidad como el otro. Para la evaluación cuantitativa, el número de criticidad modal${\displaystyle C_{m}}$se calcula para cada modo de fallo de cada elemento y el número de criticidad del elemento${\displaystyle C_{r}}$Se calcula para cada elemento. Los números de criticidad se calculan utilizando los siguientes valores:

• Tasa de fallo básica${\displaystyle \lambda _{p}}$
• índice de modos de falla${\displaystyle \alpha }$
• Probabilidad condicional${\displaystyle \beta }$
• duración de la fase de la misión${\displaystyle t}$

Los números de criticidad se calculan como${\displaystyle C_{m}=\lambda _{p}\alpha \beta t}$y${\displaystyle C_{r}=\sum _{n=1}^{N}(C_{m})_{n}}$La tasa de fallos básica${\displaystyle \lambda _{p}}$Por lo general, se introduce en el FMECA a partir de una predicción de tasa de fallos basada en MIL - HDBK - 217, PRISM, RIAC  217Plus o un modelo similar. La relación de modos de fallo puede tomarse de una base de datos como RAC FMD - 97. Para el FMECA a nivel funcional, puede ser necesario el criterio de ingeniería para asignar la relación de modos de fallo. El número de probabilidad condicional${\displaystyle \beta }$representa la probabilidad condicional de que el efecto de la falla resulte en la clasificación de gravedad identificada, dado que ocurre el modo de falla. Representa el mejor juicio del analista sobre la probabilidad de que ocurra la pérdida. Para el análisis gráfico, se puede graficar una matriz de criticidad utilizando cualquiera de${\displaystyle C_{m}}$o${\displaystyle C_{r}}$en un eje y el código de gravedad en el otro.

Una vez completada la evaluación de criticidad para cada modo de fallo de cada elemento, la matriz FMECA puede ordenarse por gravedad y nivel de probabilidad cualitativo o por valor cuantitativo de criticidad. Esto permite identificar los elementos críticos y los modos de fallo críticos para los que se requiere mitigación en el diseño.

Tras realizar el análisis FMECA, se formulan recomendaciones de diseño para reducir las consecuencias de fallos críticos. Esto puede incluir la selección de componentes con mayor fiabilidad, la reducción del nivel de estrés al que opera un elemento crítico o la incorporación de redundancia o sistemas de monitorización al sistema.

El FMECA generalmente alimenta tanto el Análisis de Mantenibilidad como el Análisis de Soporte Logístico , los cuales requieren datos del FMECA. El FMECA es la herramienta más popular para el análisis de fallas y criticidad de sistemas para la mejora del rendimiento. En la era actual de la Industria 4.0 , las industrias están implementando una estrategia de mantenimiento predictivo para sus sistemas mecánicos. El FMECA se utiliza ampliamente para la identificación de modos de falla y la priorización de sistemas mecánicos y sus subsistemas para el mantenimiento predictivo . ^{[ 20 ]}

Un informe FMECA consta de una descripción del sistema, reglas básicas y supuestos, conclusiones y recomendaciones, acciones correctivas que deben ser monitoreadas y la matriz FMECA adjunta, que puede estar en formato de hoja de cálculo , hoja de trabajo o base de datos.