Tipos de ensayos de fiabilidad para la distribución exponencial

Figura 1. Los ensayos de fiabilidad permiten estimar el tiempo medio entre fallos de la maquinaria en una obra

En obra pueden estimarse el tiempo medio entre fallos de una máquina mediante los denominados como ensayos de fiabilidad, basándose para ello en la distribución exponencial. Los tipos de ensayos posibles son los siguientes:

  • Ensayos completos: Se realizan hasta el fallo de todas las unidades. 
  • Ensayos censurados: Un ensayo de fiabilidad se llama censurado de orden k si la experiencia se detiene al producirse el fallo k-ésimo. También se llama test limitado por fallos. Puede ser con o sin reemplazamiento de las unidades averiadas. 
  • Ensayos truncados: Un ensayo de fiabilidad se llama truncado cuando la experiencia se detiene al cabo de una cierta duración. También se llama test limitado por tiempo. También pueden ser con o sin reemplazamiento.

La estimación del tiempo medio entre fallos (MTBF) se obtiene repartiendo la duración del ensayo por en número de fallos:

donde

T = tiempo total acumulado del test

r = número de fallos

En los ensayos censurados, si se conoce el valor de q se puede obtener la duración esperada para el ensayo.

  • En ensayo sin reemplazamiento:

  • En ensayo con reemplazamiento:

siendo r el número de fallos y n el de unidades

Asimismo, si se conoce el valor de q se puede obtener el número esperado de fallos en un ensayo trucado de duración T:

  • En ensayo sin reemplazamiento:

  • En ensayo con reemplazamiento:

donde n es el número de unidades ensayadas y T la duración prefijada del ensayo.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5.

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Curva de fiabilidad de una máquina

Figura 1. La fiabilidad de la maquinaria garantiza su productividad. Imagen: V. Yepes

Una unidad simple o compuesta, bajo unas condiciones determinadas, puede no completar la misión para la cual estuvo diseñada y, por lo tanto, dar lugar a un fallo. Los mecanismos llevan a un elemento al fracaso se deben a deterioros por desgaste, al medio ambiente o al azar. Los fallos pueden clasificarse en dos categorías:

  • Fallo de parada o avería: causa el cese de una función.
  • Fallo de deterioro: afecta a la calidad o causa deterioro funcional. El equipo sigue trabajando, pero las imprecisiones y otros tipos de degradación funcional crean defectos en el producto acabado o afecta a su productividad.

El concepto de fiabilidad se encuentra relacionado con el de disponibilidad y el de mantenimiento. En efecto, las máquinas no son infalibles, y por tanto para aumentar su tiempo disponible en las obras se requiere una correcta política de reparación y mantenimiento (Figura 1).

Se define la fiabilidad como la probabilidad de que una unidad funcione satisfactoriamente en un intervalo de tiempo determinado, sin que sufra interrupciones de su trabajo por fallo de alguno de sus componentes, siempre que dicho dispositivo se emplee en condiciones establecidas.

La fiabilidad se relaciona con el promedio de horas entre averías, o tiempo medio entre fallos (TMEF), definiéndose para un equipo reparable como la relación del número de horas trabajadas en un intervalo de tiempo y el número de averías sufridas en ese mismo período.

Los equipos siguen a menudo un modelo de fallo similar. La curva de fiabilidad de una máquina representa la evolución de la tasa de fallos de una máquina a lo largo del tiempo. También recibe el nombre de “curva de la bañera”, por su forma. En dicha curva aparecen tres zonas que se diferencian por la frecuencia de los fallos y su causa (ver Figura 2):

1.- Período de mortalidad infantil o de fallos prematuros. Caracterizada por una tasa de fallos elevada que disminuye rápidamente con el tiempo. Las causas de los fallos normalmente se deben a errores de diseño, de fabricación, de utilización u otras causas identificables, que una vez resueltas no suelen repetirse. Los fallos precoces ocurren durante la fase de rodaje de la máquina.

2.- Período de tasa de fallos constante o vida útil. Los fallos aparecen de forma aleatoria y accidental debido a limitaciones del diseño más los percances causados por el uso o por un mal mantenimiento. Es aconsejable limitar la utilización de las máquinas a este período. Para reducir la cuota de fallos durante la vida útil, se debería rediseñar el equipo.

3.- Período de desgaste. Caracterizado por deterioros crecientes con el tiempo, debidos a la vejez y terminación de la vida útil del equipo. Para reducir la tasa de fallos se requiere el reemplazamiento preventivo de los componentes gastados, antes de un incidente catastrófico, llegando incluso a la renovación completa del equipo.

Figura 2. Curva de fiabilidad de una máquina

Se podría alargar al máximo la vida útil de un equipo:

  1. Mediante un envejecimiento preventivo de las máquinas o sus componentes. Al someter a una unidad a un funcionamiento preliminar se eliminan los fallos prematuros. Constituye la “purga” de un elemento antes de instalarlo en un sistema.
  2. Mediante la sustitución preventiva, reemplazando las unidades o componentes al acabar su vida útil, sin esperar a su avería, evitando que se produzcan fenómenos masivos de mortalidad por envejecimiento.

Cuando la tasa de fallos es constante, la ocurrencia de un fallo es imprevisible, es decir, es independiente de la vida acumulada de la unidad. En este caso, el tiempo libre de fallos se distribuye exponencialmente, dependiendo la fiabilidad únicamente de la duración de la misión del elemento. Estas hipótesis sustentan el denominado modelo exponencial de la fiabilidad que, si bien no es estrictamente exacto para las máquinas, debido a sus desgastes, es un modelo muy utilizado por su sencillez:

donde

R(t) = Probabilidad de funcionamiento libre de fallos durante un período de tiempo igual o mayor que t.

e = 2.718

t = Un período especificado de funcionamiento libre de fallos.

θ  = Tiempo medio entre fallos o “vida media”.

λ = Tasa de fallos (la inversa de q).

Se comprueba que la vida media es superada solo por el 36,8% de las unidades del mismo tipo en funcionamiento, pues R(1/λ)=0,368.

Una generalización del modelo exponencial es la función de Weibull, para situaciones con tasa de fallo variable, siendo adecuado en fases de fallos precoces y de envejecimiento:

donde

δ = vida mínima (>= 0)

θ = vida característica (> δ)

β = parámetro de forma (> 0)

con frecuencia se toma δ = 0, con lo cual:

β = 1 con una cuota de fallos constante. Si β <1 la tasa de fallos disminuye con el tiempo, correspondiendo con la etapa de mortalidad infantil. Si β >1, la tasa de fallos aumenta con el tiempo, recayendo con el período de desgaste. Para β =3,5 la distribución de Weibull se aproxima mucho a la normal.

Figura 3. Representación de la función de Weibull en función del parámetro de forma

La vida media adquiere con el modelo de Weibull la siguiente expresión:

donde

De la función de distribución de Weibull resulta, por desarrollo matemático que la tasa de fallos sería:

donde λ(t) indicaría qué porcentaje de unidades sobreviven hasta la duración t, se avería en el intervalo siguiente (t+dt).

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5.

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Clasificación de las máquinas empleadas en construcción

Figura 1. Maquinaria de movimiento de tierras: dúmper articulado. Imagen: V. Yepes

La mecanización del trabajo en cualquier obra civil o de edificación es totalmente necesaria desde la perspectiva técnica, económica, humana e incluso jurídica. Las máquinas, que nacieron con el propósito de liberar al hombre de las tareas más penosas, se han convertido en herramientas para producir más, más barato y con mejor calidad. Han permitido abreviar la realización de labores que en otros tiempos parecían imposibles y, por consiguiente, han conseguido acelerar la acción del hombre sobre su entorno más inmediato. La adjudicación de un contrato de obras suele requerir de la empresa constructora la disposición de la maquinaria adecuada que garantice los plazos, las calidades y la seguridad. Además, determinadas unidades de obra no pueden ejecutarse sin el uso de la maquinaria, tales como las inyecciones, el pilotaje, los dragados, cimentaciones por aire comprimido, etc. En otros casos, la fabricación manual de hormigones, compactaciones de tierras, etc., no podría satisfacer las elevadas exigencias de los pliegos de condiciones técnicas vigentes.

La maquinaria ha cambiado rápidamente con las innovaciones tecnológicas. Se ha derivado hacia la especialización, evolucionando unas hacia el gigantismo para obtener grandes producciones, mientras otras se han convertido en diminutas y versátiles. En otros casos se ha buscado la polivalencia del trabajo en equipos pequeños y medianos. Los medios informáticos han auxiliado y mejorado los sistemas de los equipos. La maquinaria va siendo cada vez más fiable, segura y cómoda para el operador, facilitándole las labores de conservación. En general se observa una preocupación creciente por la seguridad, el medio ambiente y la calidad.

Con todo, las máquinas suponen fuertes inversiones para las empresas constructoras, que si bien son menores en las obras de edificación, mayores en las obras de carreteras e hidráulicas, son importantísimas en las obras portuarias. El índice de inversión en maquinaria, calculado como la relación entre el valor anual de adquisición de la misma y la obra total anual, oscila entre el 3 y el 13%. Se estima entre el 13% y el 19% el índice de mecanización -valor del parque de maquinaria respecto a la producción anual- de las firmas constructoras.

Aunque existen múltiples criterios para clasificar las máquinas, en las Figuras 2 y 3 se presenta una ordenación de los distintos equipos empleados tanto en edificación como en obra civil.

Figura 2. Clasificación de la maquinaria de edificación
Figura 3. Clasificación de la maquinaria de obra civil

Otra posible agrupación de la maquinaria es la que utiliza la Hacienda Pública para la clasificación de contratistas:

  • Grupo 1.- Material de bombeo, aire comprimido, sondeos y cimentaciones.
  • Grupo 2.- Material de producción y transformación de energía.
  • Grupo 3.- Maquinaria de movimiento de tierras.
  • Grupo 4.- Maquinaria de transporte.
  • Grupo 5.- Maquinaria de elevación.
  • Grupo 6.- Maquinaria de construcción de firmes.
  • Grupo 7.- Maquinaria de machaqueo y clasificación de áridos.
  • Grupo 8.- Maquinaria de hormigonado y edificación.
  • Grupo 9.- Maquinaria para construcción de ferrocarriles.
  • Grupo 10.- Material flotante.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 156 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

 

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Los frenos en la maquinaria de obras públicas

Frenos. https://www.costex.com/sistema-de-frenos-y-direccion/?lang=es

Constituyen el mecanismo del vehículo por el cual disminuye la velocidad o incluso se detiene. Se consigue una disminución moderada de la marcha con el denominado freno motor: el propio motor disminuye la velocidad del vehículo si se deja de acelerar la máquina. Sin embargo se requieren otros mecanismos específicos.

Tipos de frenos:

  • Freno de cinta: es una banda que abraza la llanta de una polea calada en el eje que se desea frenar. Es muy habitual en los tractores de orugas.
  • Freno de zapatas: muy utilizado en vehículos de neumáticos. El frenado consiste en la aplicación de una superficie fija contra un tambor giratorio.
  • Freno de disco: actúan mediante unos émbolos que oprimen unas zapatas sobre ambas caras de un disco unido a la rueda del vehículo.

Se distinguen tres tipos distintos de accionamientos de los frenos:

  1. Mando mecánico: sólo empleado para el estacionamiento en tractores de pequeña potencia.
  2. Mando hidráulico: es el sistema más habitual para accionar los frenos de los tractores, turismos y camiones. Se trata de un sistema de transmisión hidráulico desde el pedal hasta las zapatas o discos.
  3. Mando neumático: utilizado en camiones de gran tonelaje y algunos tractores de arrastre. Se basa en la presión de un circuito de aire comprimido.

Os dejo algunos vídeos explicativos, que espero os sean útiles.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

 

Tipología de las estaciones de bombeo

https://commons.wikimedia.org/wiki/

Las estaciones de bombeo son un elemento fundamental en el conjunto de los sistemas hidráulicos. El conjunto de elementos que, junto con las bombas, sirven para dar y controlar la presión en las instalaciones así como suministrar caudal, se encuentran en la estación de bombeo. Los tipos de estaciones dependen del papel que la misma juegue en el conjunto del sistema, desde las más amplias trayendo agua potable hasta las de pozo o de instalaciones de aguas residuales. En el presente objeto se realiza una panorámica de todas ellas. Veamos la explicación de la profesora: Petra Amparo López Jiménez, de la Universitat Politècnica de València. Espero que os sea de interés.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Tendencias tecnológicas en el sector de maquinaria de construcción, obras públicas y minería

Me ha hecho llegar Joaquín Durán Álvarez, profesor de la Universidad de Granada, un documento elaborado por ANMOPYC (Asociación Española de Fabricantes de Maquinaria de Construcción, Obras Públicas y Minería), en el que se analizan las tendencias tecnológicas del sector. Tal y como indica el propio documento, el estudio nació con tres objetivos: a) conocer la situación actual del sector y los retos que se le plantean, b) realizar una prospectiva tecnológica concreta del sector y c) tener un referente documental en el que poder indagar y profundizar sobre cada una de las tendencias tecnológicas detectadas como fundamentales para alcanzar la competitividad de las empresas del sector.

Debido al interés del tema, os dejo el documento. Espero que os sea de interés.

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Zonas de un anclaje

Figura 1. Componentes de un anclaje activo

Un anclaje es el elemento capaz de transmitir esfuerzos de tracción desde la superficie del terreno hasta una zona interior del mismo. En artículos anteriores vimos el concepto y la clasificación de los anclajes, la forma de ejecutar un anclaje y aspectos relacionados con la seguridad en su ejecución. En este artículo vamos a describir brevemente las diferentes zonas de un anclaje.

En los anclajes se distinguen las siguientes zonas (Figura 1):

  • Zona o bulbo de anclaje: es la parte solidaria al terreno en profundidad, encargada de transferirle los esfuerzos. Tiene características muy distintas dependiendo del procedimiento constructivo empleado. Teóricamente se trataría de una parte fija, es decir, que no se movería ni durante el tesado ni durante la movilización del empuje activo. En la práctica se puede mover algo, pero no debe despegarse del terreno, pues entonces desaparecería la capacidad del anclaje.
  • Zona libre: es la parte en la que la armadura es independiente del terreno que la rodea, de forma que está libre su deformación al tensionarse. En efecto, la capacidad de deformación de esta zona libre es la que provoca la progresiva puesta en carga del anclaje. Conviene una longitud mínima de unos 5 m para que el esfuerzo aplicado se vea poco afectado por los posibles desplazamientos de la cabeza respecto a la zona de anclaje al terreno. Puede garantizarse la independencia del anclaje respecto al terreno en esta zona mediante camisas de PVC o metálicas. Sin embargo, debe garantizarse su protección contra la corrosión.
  • Cabeza: es la unión de la armadura a la placa de apoyo, sobre la que se ejerce la fuerza estabilizadora sobre la estructura. Dependen de cada fabricante y son similares a las utilizadas en hormigón pretensado.

En la Figura 2 se puede observar la cabeza para un anclaje de 8 torones.

Figura 2. Cabeza para un anclaje de 8 torones. https://publicworkstoolscad.blogspot.com/

Os dejo una animación de Keller Cimentaciones respecto a la ejecución de una inyección.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Traílla remolcada

Figura. Traílla remolcable. Imagen: V. Yepes

La traílla remolcada consiste en una caja montada sobre dos ejes con neumáticos; un eje portador en la parte posterior y un eje, con timón de remolque y dirección, en la parte delantera. Se remolca normalmente por medio de un tractor de orugas. El chasis puede llevar en la parte de atrás un tampón de empuje con miras a la utilización de un empujador. Son adecuadas para distancias cortas. Se fabrican hasta de 24 m3 de capacidad, aunque están siendo sustituidas por las mototraíllas. Presentan un mayor esfuerzo de tiro, debido a una buena tracción incluso en pistas de mal estado. Salvo algún caso excepcional, hoy solo se utilizan en trabajos de poca envergadura o de tipo agrícola. En la figura puede verse una traílla remolcada por un tractor agrícola usada en la redistribución de arena en las playas.

Os dejo a continuación un par de vídeos que ilustran bien el modo de trabajo de estas máquinas. En el primer vídeo se puede ver una máquina utilizada en movimiento de tierras, mientras que en el segundo se ve un trabajo de tipo agrícola.

 

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

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Palas cargadoras

pala cargadoraLa norma ISO 6165:2012 define como cargadora a la máquina autopropulsada sobre ruedas o cadenas con un equipo montado en la parte frontal cuya función principal es la operación de carga (utilizando una cuchara), con la que carga o excava mediante el movimiento de la máquina hacia delante. Por tanto, aparte de la cuchara frontal, su estructura soporte y un sistema de brazos articulados capaz de cargar y excavar mediante su desplazamiento y el movimiento de sus brazos, y de elevar, transportar y descargar materiales.

Son máquinas diseñadas para la excavación, carga y pequeño transporte de material. Se denominan genéricamente palas cargadoras, aunque otros nombres podrían ser la de pala tractora o cargadora frontal. Se trata de un tractor al que se le acopla una cuchara que se llena por empuje de la máquina sobre el terreno, dotada de un dispositivo de elevación y otro de volteo para manipular las tierras. Estas máquinas tienen como funciones principales las de cargar en las unidades de transporte materiales sueltos o la alimentación de tolvas, acopiar productos, efectuar operaciones de excavación en terrenos no muy duros o compactos, elevación y manejo de cargas y acarreos a distancias pequeñas de materiales (no más de 30 o 50 m. si no se quiere bajar rápidamente su producción). Atendiendo a su sistema de desplazamiento se dividen en palas cargadoras sobre neumáticos y sobre orugas.

Como una imagen vale más que mil palabras, os dejo unos vídeos para que veáis cómo trabaja esta máquina. En este vídeo podemos ver un Volvo L350F cargando.

Referencias:AENOR (2012). UNE-EN ISO 6165 “Maquinaria para movimiento de tierras. Tipos básicos. Identificación, términos y definiciones”.

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

 

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Tractor sobre ruedas: el turnadozer

Figura 1. Turnadozer Caterpillar 824

El turnadozer es un tractor montado sobre neumáticos. A diferencia de los tractores montados sobre orugas, los buldóceres (bulldozers, en inglés), los turnadozers transmiten mayor presión específica sobre el terreno (0,35 MPa). Presentan una tracción de hasta 82 t, necesitan tracción a las cuatro ruedas y son más veloces que los buldóceres (hasta 60 km/h), por lo que presentarían cierta ventaja en el desplazamiento de tierras a mayores distancias (aunque entraría en competencia con las cargadoras). Sin embargo, no son aconsejables en terrenos rocosos por el desgaste y los cortes de neumáticos. Es por ello que no son muy frecuentes en las obras. En una de mis primeras obras tuve la ocasión de utilizar uno de ellos, debido a exigencias de uso del parque de maquinaria de la empresa, pero se usaba principalmente para labores auxiliares de limpieza de la zona de carga y en el mantenimiento de pistas y caminos de obra.

Un vídeo antiguo sobre esta máquina, que espero os guste.

Aquí tenéis otro vídeo ilustrativo:

En este otro podemos ver un turnadozer con múltiples ejes de ruedas.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

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