Capitolo 16 AFFIDABILITÀ - 16.1 -
16.1 Itroduzioe Si defiisce affidabilità l'abilità di u dispositivo (sia esso u compoete o u sistema) di fuzioare correttamete sotto be precise codizioi d'uso per u certo periodo di tempo. I questa defiizioe vi soo alcui puti importati che occorre sottolieare: l'affidabilità è u cocetto applicabile a qualsiasi prodotto, sia esso u compoete o u sistema ache complesso; da questo puto di vista, il sistema può essere visto uitariamete, come se fosse u compoete; è importate da questo puto di vista riuscire ad esprimere l'affidabilità di u sistema partedo dalla coosceza di quella dei suoi compoeti; la fuzioe da eseguire può essere caratterizzata i modo qualitativo ed i tale caso, per i parametri che defiiscoo la fuzioe, occorre defiire u campo di tolleraza; è ioltre importate defiire la durata e le codizioi di impiego sotto le quali viee defiita l'affidabilità; l'affidabilità può essere itesa ache i termii statistici come probabilità che la fuzioe vega eseguita elle codizioi espresse dalla defiizioe. L'affidabilità può essere esamiata da diversi puti di vista che portao a diversi valori quatitativi per lo stesso sistema. U sistema o affidabile è u sistema el quale si siao presetati dei guasti. Diveta così importate esamiare l'importaza del guasto; è cosuetudie classificare i guasti come: guasti pericolosi: essi possoo avere cosegueze catastrofiche, ossia dai a persoe o cose; guasti co cosegueze maggiori: essi compromettoo la fuzioalità del sistema, seza per questo creare dai a persoe o a cose, ma impededo comuque lo svolgimeto della missioe; guasti co cosegueze miori: questi hao come uica cosegueza la ecessità di u iterveto di mautezioe correttiva. Come cosegueza delle tre categorie di guasto sopra elecate si defiiscoo tre diversi tipi di affidabilità: sicurezza: probabilità che o capitio guasti co cosegueze catastrofiche. affidabilità di missioe: probabilità di riuscire a svolgere la missioe; affidabilità logistica: probabilità che o capiti alcu guasto; Quato detto va ache esamiato dal puto di vista dei guasti multipli; i certi sistemi u determiato guasto può avere cosegueze diverse a secoda che si tratti di u guasto sigolo o associato ad altri guasti. Le tipologie di affidabilità sopra elecate o soo esaustive: possoo essere cosiderati ache altri tipi di affidabilità, come ad esempio la affidabilità all'avviameto, ossia la probabilità che u sistema sia dispoibile al mometo i cui diveta ecessario il suo impiego. La classificazioe fra diversi tipi di affidabilità ha seso solo per sistemi; il guasto di u compoete ha ifatti diverse cosegueze i fuzioe di come viee iserito i u sistema; per quato - 16.2 -
riguarda il compoete è solo possibile parlare di affidabilità come probabilità del suo fuzioameto. L'affidabilità viee espressa quatitativamete attraverso ua probabilità p; è così possibile defiire delle frequeze di eveti i base al valore di affidabilità e imporre determiati valori di affidabilità di sistemi i base alle loro cosegueze. Si possoo dare le segueti classificazioi di frequeza degli eveti i base alla probabilità: p > 10-3 frequete 10-5 < p < 10-3 probabile 10-7 < p < 10-5 raro 10-9 < p < 10-7 remoto p < 10-9 estremamete improbabile Le probabilità massime di guasto imposte dalle ormative soo: guasti co cosegueze critiche p < 10-7 guasti co cosegueze catastrofiche p < 10-9 16.2 Richiami di teoria delle probabilità La probabilità è espressa da u umero compreso fra 0 e 1; la probabilità p che idetifica u certo avveimeto idetifica il fatto che su casi ci si attede che l'avveimeto accada p volte. Si hao due casi limite: p = 0 si è certi che il fatto o si verificherà; p = 1 si è certi che il fatto si verificherà. Se quidi u certo eveto può verificarsi i soli modi diversi, è certo che almeo uo di essi si verifichi e di cosegueza: p i 1 i 1 (1) Si può determiare la probabilità di u avveimeto i due diversi modi; u primo è la cosiddetta probabilità matematica che è fissata i modo determiistico cooscedo il umero di modi diversi i cui l'eveto può verificarsi e co la sola ipotesi che i vari modi abbiao la stessa probabilità di verificarsi. I cosegueza di questa ipotesi applicado la (1) si ha: pi * pi 1 i 1 (2) - 16.3 -
da cui: pi 1 (3) Nei casi i cui questo o sia possibile, perché o è applicabile o coveiete utilizzare le ipotesi della probabilità matematica, occorre determiare il valore della probabilità i via sperimetale (probabilità statistica); il valore di probabilità viee allora defiito come: q p lim (4) dove q è il umero di volte i cui l'eveto si verifica ed il rapporto q/ viee defiito frequeza statistica. E' evidete come sia impossibile svolgere u umero ifiito di prove, per cui ci si deve accotetare come valore di probabilità del valore di frequeza statistica purché sia sufficietemete grade; è parimeti evidete che a secoda del valore di si avrà ua approssimazioe diversa del valore di probabilità; è così importate defiire accato al valore di probabilità il valore di fiducia della stima, il valore cioè di tolleraza da attedersi sulla stima fatta. 16.3 Affidabilità di compoeti e di sistemi L'affidabilità dei compoeti può essere determiata su base sperimetale; E evidete che ricercare ello stesso modo l'affidabilità di sistemi può risultare estremamete complesso e costoso; è quidi fodametale disporre di metodi per determiare l'affidabilità del sistema partedo dall'affidabilità dei sigoli compoeti. Questa metodologia diveta ioltre fodametale i fase di progetto dove, cooscedo l'affidabilità dei sigoli compoeti, è possibile eseguire delle scelte progettuali tali da giugere all'affidabilità voluta del sistema. La teoria della probabilità cosete di approfodire tutte le metodologie ecessarie per svolgere i calcoli ecessari a determiare l'affidabilità di sistemi comuque complessi; richiamiamo qui solo alcui teoremi fodametali. Il teorema della probabilità composta cosete di determiare la probabilità che si verifichio cotemporaeamete più eveti semplici fra loro idipedeti: p i 1 p i (5) Per due eveti: p( a b) p( a) * p( b) (6) se i due eveti soo mutuamete escludeti: p( a b) 0 (7) - 16.4 -
Il teorema della probabilità totale cosete di determiare la probabilità che si verifichi almeo uo degli elemeti dell'eveto multiplo: Per due eveti: p 1 ( 1 ) (8) i 1 p( a b) 1 ( 1 p( a)) *( 1 p( b)) 1 1 p( a) p( b) p( a) * p( b) p i p( a b) p( a) p( b) p( a) * p( b) (9) 16.3.1 Guasti per usura Se cosideriamo u compoete possiamo determiare l'affidabilità attraverso u certo umero di prove di fuzioameto protratte fio alla rottura; se si ricava da questo ua tabella co il umero di compoeti rotti i fuzioe del tempo di durata e se e traccia u istogramma, si ricava ua curva che mostrerà ua certa dispersioe attoro ad u valore medio di durata. Da questi dati si possoo ricavare le comui variabili statistiche di media, mediaa, valore miimo, massimo, ecc.; quello che comuemete si osserva è che l'istogramma approssima co buoa approssimazioe ua gaussiaa, curva comuemete utilizzata per esprimere distribuzioi statistiche ormali simmetriche attoro ad u valore medio. I umeri di guasti otteuti prima e dopo il valore medio risultao quidi essere percetuali uguali; il massimo umero di guasti si ha i prossimità di u tempo medio di fuzioameto, o vita media. - 16.5 -
Fig. 16.1 Guasti per usura Questo tipo di distribuzioe di durata di fuzioameto dell'apparato è legato tipicamete ai guasti per usura, è cioè legato ad u degrado costate dell'apparato dovuto a feomei di atura varia, che portao, dopo u tempo che dipede solo dalle dispersioi di tolleraza di lavorazioe o di caratteristiche dei materiali, al termie di fuzioalità dell'apparato. Da ua curva di questo tipo è possibile ricavare i valori di affidabilità e cooscere la cofideza. La curva otteuta rappreseta ifatti la desità di probabilità di guasto i fuzioe del tempo; itegradola el tempo si ottiee la probabilità di guasto e quidi il suo complemeto ad 1 è la affidabilità. Detta f(t) la curva che rappreseta la frequeza di guasto i fuzioe del tempo, si ha quidi ua affidabilità statistica: t R( t) 1 f ( ) d (10) Il valore così otteuto è ua fuzioe del tempo e dipede dalle codizioi di fuzioameto utilizzate elle prove. Il risultato è otteuto esamiado compoeti; esiste ua ovvia dipedeza dal valore scelto per, dipedeza sempre meo rilevate quato più alto è. 0-16.6 -
E' però iteressate affrotare il problema sotto u diverso puto di vista, esamiare cioè u sigolo esemplare e studiare la probabilità istataea o tasso di guasto. Partedo dalla curva di affidabilità, per u certo istate t si può dire che i u successivo itervallo dt si avrao dr guasti; si può così defiire il tasso di guasto come: essedo R il umero di esemplari acora fuzioati al tempo t. dr T ( t ) 1 (11) R dt Fig. 16.2 Tasso di guasto per usura Partedo da ua desità di guasto gaussiaa si ha ua curva di probabilità di guasto (e ua sua omologa curva di affidabilità) che presetao ua salita (discesa) più o meo rapida attoro al valore cetrale della gaussiaa, partedo da u valore di zero (uo per l'affidabilità) ed arrivado ad u valore di uo (zero per l'affidabilità), valori raggiuti asitoticamete. Il tasso di guasto risultate da tale curva è tale da avere u valore ullo per u certo tempo e successivamete ua rapida crescita. I guasti per usura hao ua etta e precisa dipedeza dal tempo di fuzioameto, dove per tempo si può itedere il vero e proprio tempo di fuzioameto, o il umero di azioameti, o il tempo caledariale, o il cammio percorso, ecc. - 16.7 -
16.3.2 Guasti casuali Oltre ai guasti per usura si osservao dei guasti di atura diversa, idipedeti cioè dal tempo di fuzioameto. Se si esamiao esemplari e si suppoe di riuscire ad isolare i soli guasti casuali, si ricaverebbe ua curva di desità di guasto decrescete el tempo, che può essere rappresetata da ua distribuzioe statistica espoeziale: f ( t ) e t (12) co costate. Fig. 16.3 Guasti casuali Dalla (12) si può ricavare la probabilità di guasto: e quidi l'affidabilità: t t t F ( t) f ( ) d e d 1 e (13) 0 0 R( t ) F ( t ) e 1 t (14) - 16.8 -
Applicado la (11) si può ricavare il tasso di guasto per il regime di guasti casuali: 1 T ( t ) e t t d ( e ) dt (15) idipedete dal tempo come atteso per l'ipotesi di causalità del guasto. 16.3.3 Combiazioe di guasti I guasti di usura e quelli casuali evidetemete coesistoo: quidi l'affidabilità dipederà da etrambi, cioè l'affidabilità o probabilità di fuzioameto deriverà dalla probabilità composta dei due tipi di affidabilità; aalogamete il tasso di guasto complessivo deriverà dal teorema della probabilità totale dei due tipi di tasso di guasto. Ne deriva ua curva di tasso di guasto costate (dovuto ai guasti casuali) seguita da ua crescita dovuta ai guasti per usura. Fig. 16.4 Tasso di guasto L'esperieza mostra però che la curva dei tassi di guasto assume ivece u aspetto a "vasca da bago" i cui è presete ua parte iiziale di tasso di guasto rapidamete decrescete che si porta sul tratto di curva dei guasti casuali. Questo primo tratto è quello dovuto alla cosiddetta mortalità ifatile, guasti cioè precoci dovuti essezialmete a difetti di materiale o di costruzioe o evideziati i fase di collaudo. - 16.9 -
Dalla curva complessiva dei tassi di guasto può essere evideziato u tempo di vita utile, ossia l'itervallo di tempo el quale si hao solo guasti di tipo casuale o dovuti alla mortalità ifatile; questo è u tratto el quale, dopo il periodo di mortalità ifatile, il tasso di guasto è costate. Il valore di tasso guasto costate, co u modello di affidabilità di tipo espoeziale, è il più usato i pratica; ifatti il periodo di mortalità ifatile è i larga parte elimiabile co u buo cotrollo di qualità e co periodi di rodaggio; la coosceza del tempo di vita utile cosete ua sostituzioe o revisioe dei compoeti prima dell'isorgere di feomei di usura ed è così possibile cocetrare l'aalisi al tempo el quale il tasso di guasto resta costate. Nella pratica la curva del tasso di guasto può assumere, a secoda del tipo di compoete, del metodo di costruzioe e di tati altri parametri, aspetti leggermete diversi, ma è comuque possibile assumere i prima approssimazioe u tasso di guasto costate scelto per eccesso. 16.3.4 Tempo medio fra i guasti U valore fodametale è dato dal tempo medio fra i guasti (Mea Time Betwee Failure MTBF): questo è ifatti u valore che ci idica quato tempo possiamo aspettarci che l'elemeto fuzioi prima del verificarsi di u guasto. Questo valore o può che avere u sigificato statistico ed è defiito come: MTBF i 1 t i (16) dove si è fatto riferimeto al guasto di compoeti e per oguo di essi si è misurato il tempo di fuzioameto. La sommatoria di tempi della (16) equivale a: i 1 t t ( 1) t... 1t ( i 1) t (17) i 1 2 dove ti rappreseta l'itervallo di tempo fra due guasti cosecutivi. Sostituedo la (17) ella (16) si ha: i 1 i MTBF t 1 1 t t 1 2... (18) I rapporti che moltiplicao gli itervalli di tempo rappresetao il rapporto fra elemeti fuzioati prima del guasto ed il umero totale di elemeti esamiati, ossia l'affidabilità i evoluzioe el tempo; se si cosidera u umero ifiito di elemeti, i tempi diveterebbero ifiitesimi avedo u umero ifiito di guasti; per arrivare alla rottura di tutti gli elemeti occorrerebbe u tempo ifiito; al limite la (18) diveta quidi: M TBF R ( t ) dt 0 (19) - 16.10 -
col modello espoeziale dell affidabilità, tipico dei guasti casuali, si ha: I questo tipo di guasto si ha quidi ache: t MTBF R( t) dt e dt 0 0 1 (20) R( t) e t MTBF (21) 16.4 Affidabilità e sicurezza dei sistemi L'affidabilità dei sistemi può essere calcolata partedo da suoi sottosistemi o compoeti; il calcolo avviee fodametalmete attraverso i teoremi della probabilità multipla; per poter applicare questi pricipi occorre però defiire correttamete quali blocchi compogoo il sistema e come soo fra loro collegati. U metodo comuemete impiegato fa impiego di schemi a blocchi che rappresetio le relazioi fra i vari compoeti; occorre otare che il collegameto fra i compoeti deve essere visto dal puto di vista dell'affidabilità e quidi può differire dal collegameto fisico. Ioltre possoo essere diversi fra loro gli schemi a blocchi relativi a diverse visuali dal puto dell'affidabilità; così ad esempio, i u sistema co due compoeti, questi possoo essere visti i parallelo dal puto di vista della sicurezza, metre possoo essere visti i serie per quato riguarda l'affidabilità di missioe e soo sicuramete i serie per quato riguarda l'affidabilità logistica. 16.4.1 Modelli affidabilistici i serie e i parallelo Per elemeti i serie dal puto di vista affidabilistico si itede ua relazioe fra compoeti tale che per il fuzioameto del sistema debbao fuzioare tutti i suoi compoeti. Vale quidi per l'affidabilità i serie il teorema della probabilità composta: Se si è i regime di guasti casuali: R S i 1 it i 1 R R e e e S R it i i 1 i 1 sempre per il regime di guasti casuali è ioltre possibile ricavare il tempo medio fra i guasti: 1 S MTBF e d 0 i S S t (23) (24) (25) - 16.11 -
Dalla (23) risulta evidete che, essedo sempre R miore di 1, all aumetare del umero di compoeti dimiuisce l'affidabilità e l'affidabilità sarà comuque miore dell'affidabilità del compoete di affidabilità più bassa. Il modello di affidabilità i serie trova applicazioe tutte le volte che si hao compoeti tutti esseziali per lo svolgimeto della missioe; i particolare tutti i modelli di affidabilità logistica soo rappresetati da schemi a blocchi serie. Ua ovvia cosiderazioe da utilizzare i fase di progetto per aumetare l'affidabilità di u sistema è quella di cercare di miimizzare il umero di compoeti e di cercare di migliorare iazi tutto i compoeti di affidabilità più bassa. Per quato riguarda i modelli i parallelo, questi soo applicabili quado di elemeti è sufficiete il fuzioameto di uo per poter eseguire la missioe. Si applica quidi il teorema della probabilità totale: i particolare se i compoeti soo solo due: R 1 ( 1 ) (26) i 1 R i R 1 ( 1 R ) *( 1 R ) R R R R (27) 1 2 1 2 1 2 Dalla (26) è possibile ricavare il tasso di guasto del sistema S: o il tempo fra due rotture: R S S e t (28) 1 MTBF R S d ' (29) 0 S dove Rs è dato direttamete dalla (26). Occorre otare che i valori di tasso di guasto ricavati dalla (28) e dalla (29) risultao i questo caso differeti, essedo il valore calcolato dalla (29) maggiore di quello calcolato co la (28); o se, si preferisce, il tempo medio fra rotture della (29) risulta miore di quello che si otterrebbe calcoladolo direttamete dal tasso di guasto ricavato dall'affidabilità (28). Questo fatto è giustificato dal diverso sigificato del tasso di guasto ella (28) e ella (29): ella (29) il risultato è otteuto da ua itegrazioe fra 0 e ifiito e o è cotemplata l'evetualità di riparazioi, evetualità compresa ivece ella (28). Il fatto di disporre compoeti i parallelo implica l'esisteza di più compoeti i grado di svolgere la stessa fuzioe; questo, ache ituitivamete, icremeta l'affidabilità di missioe e la sicurezza del sistema, ma ha comuque effetti egativi sull'affidabilità logistica dove gli stessi compoeti devoo essere cosiderati i uo schema i serie ed ioltre si hao comuque riflessi egativi su costo, peso e complessità del sistema. Il ricorrere a ridodaze è quidi ua liea perseguibile per aumetare la sicurezza e l'affidabilità del sistema, ma co le dovute cautele. Occorre ioltre fare attezioe al fatto che la ridodaza deve effettivamete corrispodere ad uo schema affidabilistico i parallelo; ad esempio il porre due martietti per l'attuazioe di u'uica superficie di comado corrispode ad u parallelo, ma se si cosidera fra i modi di rottura il grippaggio del martietto, questo impedisce il movimeto della superficie e quidi o si ha più u parallelo affidabilistico. - 16.12 -
16.4.2 Modelli affidabilistici misti Nella maggioraza dei casi modelli affidabilistici complessi soo i realtà composti da ua successioe di blocchi i serie e i parallelo, per cui, applicado i teoremi della probabilità totale e composta, è possibile risolvere l'itero schema. Esistoo comuque casi più o meo complessi che o rietrao i ua successioe di schemi i serie e parallelo. U caso tipico di schema o riducibile a serie e parallelo è dato da uo schema come quello i fig. 16.5. A B H C D Fig. 16.5 - Esempio di schema o riducibile a serie e parallelo Per u sistema del geere è applicabile il teorema di Bayes per il quale l'affidabilità del sistema può essere otteuto dalla media pesata dell'affidabilità del sistema co H fuzioate (RSH) e co H o fuzioate (RS H ), dove i pesi soo dati dall'affidabilità di fuzioameto e di o fuzioameto di H: R ( 1 R ) * R R * R (30) H SH H SH Il teorema di Bayes ha validità geerale ache per schemi diversi da quello della figura. 16.4.3 Modello biomiale U altro caso o trattabile direttamete coi due teoremi fodametali è quello del parallelo fra compoeti dei quali è sufficiete il fuzioameto di r per il fuzioameto del sistema. L'affidabilità di u tale sistema è ricavabile da: i R Rc Rc i * 1 i1 i (31) - 16.13 -
! dove i rappreseta le combiazioi possibili di i elemeti fuzioati su. i! i! La (31) è valida ella sola ipotesi che gli compoeti siao tutti assolutamete equivaleti dal puto di vista fuzioale. Ad esempio cosiderado u quadrimotore co due soli motori fuzioati la (31) è valida solo se il velivolo può volare co due soli motori ache dalla stessa parte; el caso che i due motori siao accettabili solo se sulle due semiali diverse, la formula da applicare sarebbe diversa, dato che delle 6 combiazioi possibili due dovrebbero essere scartate. Fig. 16.6 Combiazioi di due motori fuzioati su sei - 16.14 -
16.5 Esempi umerici Le relazioi fodametali trovate per il tasso di guasto costate: e R ( t ) e t 1 m portao a risultati umerici raccolti ella seguete tab. 16.1, dove si è preso u valore di tempo medio fra guasti MTBF = 1000. t R(t) 0,00 1,0000000 0,01 0,9999900 0,10 0,9999000 1,00 0,9990005 10,00 0,9900498 100,00 0,9048374 1000,00 0,3678794 10000,00 0,0000454 Tab 16.1 - Tasso di guasto per MTBF = 1000 Si ota che per tempi fio ad u cetesimo del MTBF, l'affidabilità ha u adameto praticamete lieare; si oti ioltre come per avere valori di affidabilità sigificativi occorre che il MTBF sia molto grade rispetto al tempo di missioe ed i pratica molto grade rispetto alla vita media del compoete. Si suppoga di utilizzare motori co affidabilità per u'ora di missioe di.99 (valore irrealistico dato che corrispode ad u MTBF di 100 ore); ache co u valore così o realistico si possoo trarre iformazioi utili per il progetto: Numero Motori Motori fuzioati Affidabilità ecessari 1 1.99 2 2.98 2 1.9999 4 4.9606 4 3.9994 4 2.999996 4 2 o su stesso lato.9998 Tab 16.2 Affidabilità di velivolo plurimotore - 16.15 -
Fig. 16.7 Affidabilità di plurimotore Se i due motori fuzioati o possoo essere sulla stessa semiala, risulta più affidabile il bimotore del quadrimotore. 16.6 Valutazioe dell affidabilità Per defiire l affidabilità del sistema si ricorre a teciche che cosetoo di aalizzare el dettaglio le modalità di guasto e la loro probabilità. Le teciche fodametali soo la F.M.E.A. (Failure Mode Effects Aalysis) e l albero dei guasti. La FMEA viee sviluppata attraverso dei tabulati che riportao ad esempio per ogi compoete: le modalità possibili di guasto, l effetto del guasto sul compoete, sul sottosistema e sul sistema, i sitomi che permettoo di idetificare il guasto, la causa possibile del guasto, la probabilità che il guasto si verifichi o il tempo medio fra i guasti. È così possibile co u procedimeto dow-top idetificare i collegameti di tipo affidabilistico fra i vari compoeti, elle diverse codizioi operative, e risalire alla valutazioe dell affidabilità del sistema. L albero dei guasti mediate u procedimeto top-dow partedo dal guasto del sistema giuge al sigolo compoete, co delle relazioi di tipo logico che permettoo ach esse di calcolare l affidabilità del sistema partedo da quelle del compoete. - 16.16 -
16.7 Affidabilità logistica L affidabilità di missioe e la sicurezza hao ua iflueza diretta ed importate per il successo di u sistema; l'affidabilità logistica viee ad avere u ruolo importate per quato riguarda i problemi di mautezioe ed i problemi di sfruttameto ecoomico del sistema. Quato più il sistema diveta complesso, di elevate prestazioi e di impiego rischioso, tato maggiore deve essere l'affidabilità di missioe e la sicurezza: questo può essere otteuto sia co u aumeto dell'affidabilità dei compoeti che co l'impiego di ridodaze, a scapito quidi dell'affidabilità logistica. Diveta quidi ecessario compesare l'ievitabile calo dell'affidabilità logistica aumetado la mauteibilità del sistema, iterveedo cioè si dal progetto co u estrema cura elle problematiche di mautezioe e riparabilità del sistema, facedo ioltre i modo da miimizzare i tempi ed i costi degli iterveti di mautezioe. La percetuale di tempo i cui u sistema è operativo o proto ad operare viee defiita dispoibilità (availability); il valore di dispoibilità può ache essere visto come la variabile che e defiisce la probabilità di essere dispoibile. La dispoibilità è evidetemete u parametro fodametale ella scelta ecoomica di u sistema e può essere ottimizzata attraverso sia u aumeto dell affidabilità che u migliorameto della mauteibilità; se il sistema deve essere complesso e pieo di ridodaze per otteere prestazioi elevate e sicurezza elevata, l'affidabilità logistica o potrà essere migliorata oltre ad u certo livello e diveta quidi importate operare attraverso la mauteibilità. Da u puto di vista quatitativo la mauteibilità può essere rappresetata attraverso il tempo medio per le riparazioi MTTR (Mea Time To Repair), media pesata dei tempi ecessari alle sigole riparazioi, assumedo come peso il tasso di guasto: MTTR i 1 i 1 t i i i dove i è il tasso dell'i-mo guasto o i-mo iterveto di mautezioe e ti il tempo medio ecessario per quella mautezioe. Il tempo ecessario alla sigola mautezioe, o riparazioe, o sarà ua costate, ma deve essere pesato come tempo medio di ua certa dispersioe di valori dipedete dall'esperieza di chi esegue la riparazioe, dall'efficieza dell'orgaizzazioe di mautezioe, dalla dispoibilità di attrezzature e ricambi, ecc. Defiito il MTTR è possibile dare ua defiizioe quatitativa della dispoibilità attraverso il rapporto fra il tempo medio di fuzioameto ed il tempo totale del sistema, somma del tempo di riparazioe e del tempo fra gli iterveti di mautezioe, ossia il tempo di fuzioameto; el caso di regime di guasti casuali e di sola riparazioe correttiva, il tempo fra le riparazioi coicide col tempo fra i guasti e quidi: A MTBF MTBF MTTR - 16.17 -
È evidete che la dispoibilità può essere aumetata sia aumetado l'affidabilità, e quidi il tempo fra i guasti, che dimiuedo il tempo ecessario agli iterveti correttivi. La dispoibilità così defiita viee ache chiamata dispoibilità ierete; se si ricorre ache a mautezioe prevetiva si defiisce ua dispoibilità completa dove viee cosiderato il tempo operativo, tempo medio fra iterveti di mautezioe, ed il tempo per tutti gli iterveti di mautezioe: MTBM A c MTBM MTTM Le dispoibilità così defiite tegoo coto di caratteristiche iereti al sistema; i realtà occorre teere coto ache di tutti i tempi legati alla struttura del supporto di mautezioe, alla dispoibilità di pezzi di ricambio ecc., per cui occorre alla fie cosiderare ua dispoibilità operazioale dove si tiee coto di tutto il tempo di arresto per mautezioe: MTBM A o MTBM MMDT Da u puto di vista del progetto di u itero sistema di trasporto aereo o di u sistema di difesa, il discorso deve quidi allargarsi da ua visioe dell'efficacia della sigola macchia ad ua ottimizzazioe ecoomica di tutto il sistema. Dal puto di vista affidabilistico, oltre all'affidabilità di missioe ed alla sicurezza, occorre quidi teete coto di tutte le problematiche di mautezioe e di riparazioe fio a giugere a defiire u dimesioameto del servizio di mautezioe, le esigeze di addestrameto del persoale di mautezioe, le pubblicazioi teciche ecessarie, le attrezzature di mautezioe, le scorte di materiale di ricambio e di cosumo. La mautezioe deve essere vista da u puto di vista globale di flotta aerea, co i vataggi di distribuzioe delle risorse su u certo umero di velivoli; le flotte aeree soo costituite da u umero relativamete piccolo di esemplari di velivoli e questo comporta sicuramete u aggravio di costi, ulteriormete pealizzato dal fatto che le flotte militari soo sparse i u certo umero di basi e le flotte civili, ache se hao ua base uica, soo soggette a cotiui spostameti i località ache molto lotae. Questa particolarità comporta ulteriori difficoltà ell'orgaizzazioe della mautezioe, che viee ormalmete suddivisa i vari livelli; ad esempio per i velivoli militari: 1' livello: i pista, sull'aereo proto al volo o fra i voli; 2' livello: i hagar ella base; 3' livello: i u cetro di mautezioe presete solo i alcue basi; 4' livello: presso la ditta costruttrice. Ua struttura di questo geere può ridurre drasticamete il umero del persoale e delle attrezzature di alta specializzazioe che vegoo cocetrate ai livelli più elevati. Questa procedura, che dimiuisce i costi a livello di persoale addestrato ed attrezzature, obbliga però ad u applicazioe itesiva del cocetto di modularità del sistema ed ad u icremeto delle scorte di sottosistemi. Al primo livello soo ormalmete demadate sole operazioi di mautezioe prevetiva, del tipo cotrollo e ripristio di livelli di lubrificati, cotrollo pressioi, cotrolli visivi o cotrolli ese- - 16.18 -
guiti da apparecchiature elettroiche di bordo dotate di self-test ecc.; al secodo livello vegoo eseguite operazioi di sostituzioe di compoeti che richiedoo smotaggio e rimotaggio di limitato impego di attrezzatura. La riparazioe dei sottosistemi è sempre affidata alla ditta costruttrice che provvede alle effettive riparazioi ricodizioado completamete il sottosistema che viee rimesso a 'uovo'. I ua procedura di questo tipo esistoo come acceato vataggi e svataggi ecoomici, occorre ioltre teere coto del rischio legato al trasporto dei compoeti all'ete che provvede alla riparazioe ed alla possibilità di avere il velivolo fermo i base per u guasto o riparabile localmete. Queste cosiderazioi hao portato allo sviluppo di diverse filosofie di mautezioe: mautezioe correttiva: vegoo riparati i guasti dopo che questi si soo verificati; mautezioe prevetiva programmata: si sostituiscoo elemeti prima del termie della loro vita utile; mautezioe prevetiva "o coditio": si sostituiscoo i compoeti quado questi si stao per rompere; mautezioe "coditio moitorig": si sostituiscoo i compoeti quado u certo umero di elemeti simili si soo rotti. La mautezioe prevetiva programmata comporta ua coosceza del termie di vita utile, cioè occorre sapere quado il tasso di guasto iizia a crescere per il passaggio dal regime di guasto casuale a quello di usura; questo valore viee determiato i fase di progetto e può essere ritarato i base al comportameto effettivo i esercizio dei compoeti. La mautezioe prevetiva o coditio comporta la dispoibilità di metodologie di ispezioe o di cotrollo i grado di rilevare i guasti al loro sorgere prima che essi abbiao effetto. La mautezioe co coditio moitorig presuppoe l'esisteza di ua orgaizzazioe di raccolta dati ed è applicabile solo su elemeti o critici dal puto di vista dell'affidabililtà di missioe e della sicurezza. Le varie filosofie di mautezioe o soo ovviamete esclusive: a secoda del tipo di compoete, della sua rilevaza sull'affidabilità di missioe e la sicurezza, dell'impatto ecoomico globale, viee scelto il tipo di mautezioe più adatto. Gli esperti di logistica hao elaborato delle teciche basate sull'impiego della FMEA e di flussi decisioali che cosetoo di defiire le ecessità di orgaizzazioe logistica, la coveieza di tipo di mautezioe, ecc. 16.8 Mauteibilità Lo studio della mauteibilità è teso ad otteere ua riduzioe del tempo medio di riparazioe; il problema è legato strettamete alla tipologia del sistema e deve essere affrotato per molti compoeti fi dalle fasi iiziali del progetto; esistoo delle ormative MIL (STD-470 e STD-1472) che foriscoo dei riferimeti utili. È evidete che le problematiche di mauteibilità possoo essere molto diverse se si cosidera la struttura di u velivolo, il propulsore, i vari tipi di impiato; è comuque possibile dare delle idicazioi di tipo geerale. - 16.19 -
I u tipico iterveto di mautezioe correttiva itervegoo le segueti fasi al seguito del maifestarsi di u malfuzioameto: 1. diagosi; 2. accesso; 3. rimozioe; 4. attesa ricambi; 5. rimotaggio; 6. chiusura; 7. prove e collaudi. Ogua di queste fasi sarà caratterizzata da u certo tempo ed è ecessario ottimizzare il tempo ecessario all'itero iterveto di mautezioe. L'operazioe di diagosi è l'operazioe più critica dell'itero iterveto: occorre ifatti dai sitomi deuciati dal sistema capire la atura del guasto e decidere il tipo di iterveto da eseguire; è ovvio che u errore i questa fase possa avere effetti, oltre che i u allugameto dei tempi di iterveto, ache sulla sicurezza del sistema, e possa provocare ulteriori guasti. Specialmete i ua struttura mautetiva a più livelli è importate che ache persoale di o altissima specializzazioe possa essere messo i grado di eseguire ua diagosi corretta; questo può essere otteuto i prima battuta attraverso uo studio prevetivo basato sulla FMEA che produca della documetazioe adatta a guidare il persoale di mautezioe ell'operazioe di diagosi; per molti sottosistemi è possibile ricorrere ad apparecchiature di diagosi costituite da hardware e software i grado di forire la diagosi del guasto i base ad opportue misure sul sistema. Queste apparecchiature possoo essere icorporate direttamete el sistema o essere delle apparecchiature di terra; el primo caso si ha i geerale u appesatimeto ed ua maggiore complessità della macchia co però il vataggio di poter forire la diagosi al primo isorgere dell'icoveiete e quidi ache direttamete al pilota durate il volo; el secodo caso l'aggravio è solo dal puto di vista logistico dato che ogi base dovrà avere a disposizioe l'apparecchiatura ecessaria a quel determiato cotrollo. L'attuale orietameto verso le teciche digitali e l'icremeto delle fuzioi demadate ai calcolatori di bordo porta ad ua sempre maggiore dispoibilità di sistemi di diagosi imbarcati. I sistemi imbarcati o è detto che foriscao sempre idicazioe al pilota, per fuzioi o critiche i dati di diagosi possoo essere coservati e foriti al persoale di terra durate le ispezioi post- e prevolo. Le apparecchiature di diagosi, oltre al loro impiego i fase di determiazioe del guasto, soo ovviamete di estrema importaza, ache per le operazioi fiali di prova e collaudo dopo la sostituzioe dei compoeti guasti. I asseza di specifiche attrezzature di diagosi, questa deve essere eseguita i base all'esperieza ed alle idicazioi della documetazioe tecica; a questo livello u aspetto importate è costituito dalla testability (attitudie del sistema ad essere cotrollato) e dall'ottimizzazioe delle procedure per ricerca guasti. Si tratta i questi casi di predisporre procedure che idichio ua successioe di misure, ottimizzate come sequeza i base alla probabilità di scoprire il guasto ed al costo geeralizzato dell'operazioe i modo da giugere il più rapidamete possibile alla sua diagosi. - 16.20 -
L'accessibilità ai compoeti è u altro dei puti chiave dell'iterveto di mautezioe; l'accessibilità richiede i geerale la creazioe di sportelli, e quidi la ecessità di iterrompere la struttura provocado u aggravio del rapporto peso/robustezza e peso/rigidezza. Per limitare l'effetto di aperture ella struttura occorre ripristiare la cotiuità co paelli di chiusura opportuamete vicolati; a questo fie le aperture di mautezioe possoo essere dotate di diversi dispositivi di chiusura, i grado di ripristiare più o meo bee la cotiuità strutturale richiededo u tempo più o meo per la loro apertura. Si classificao i tipi di chiusura degli sportelli i varie classi: Classe A: apertura rapida (10 sec) per sportelli da aprire per ispezioe ad ogi volo; si tratta di maiglie di sicuro bloccaggio ed idicazioe del bloccaggio, o richiedoo attrezzatura; Classe B: Apertura agevole (2 mi) per sportelli di mautezioe programmata; Classe C: Tempo di apertura o determiato, richiede attrezzatura (viti, bulloi). Oltre all'accessibilità attraverso la struttura occorre far sì che il compoete sia accessibile seza dover smotare altri compoeti di impiati. L'accessibilità può avere dei riflessi importati sull'itera cofigurazioe del velivolo: si pesi ad esempio alla differeza elle operazioi di accesso per lo smotaggio del motore di u velivolo che abbia il motore i fusoliera, per il quale occorre smotare tutto il troco di coda della fusoliera che deve essere i grado di trasmettere i carichi di torsioe proveieti dai piai di coda, rispetto allo smotaggio di u motore i godola sotto l'ala. Per quato riguarda la rimozioe giocao u ruolo rilevate la miimizzazioe dei collegameti (possibile soprattutto per quato riguarda i compoeti elettroici) e l'accessibilità ad essi. Altro fattore importate è la modularità; u sistema costituito da moduli piccoli e possiede però u umero elevato, ma soo i geere meo soggetti a rottura e soo quidi sufficieti scorte miori. Apparetemete è allora coveiete suddividere il sistema i u gra umero di parti; occorre però teere coto del fatto che i vari moduli devoo essere collegati fra loro e ell'affidabilità del sistema iterviee ache l'affidabilità dei collegameti. L'aumeto dei collegameti può ridurre l'affidabilità complessiva e comuque creare degli aggravi di peso del sistema. Per quato riguarda le coessioi fra i compoeti che devoo essere prima discoessi e poi ricoessi occorre teer coto del fatto che queste possoo essere di diverso tipo ed i geerale quelle che richiedoo tempi miori di iterveto hao ache miore affidabilità. La miimizzazioe delle coessioi di cui si è prima acceato hao ache effetto su u aspetto importate che riguarda la possibilità di errore el ripristio della coessioe. Per quato riguarda la mauteibilità u ruolo importate riveste l'ergoomia, scieza che studia l'iterfaccia uomo-macchia. U primo aspetto richiamato dall'ergoomia è legato alle dimesioi dell'uomo; l'uomo ha dimesioi distribuite statisticamete attoro ad u valore medio secodo ua distribuzioe ormale; si defiisce -percetile la dimesioe di u uomo tale per cui l % degli uomii ha dimesioe iferiore alla sua. Si deve garatire che u operatore di taglia 5-percetile sia i grado di raggiugere gli elemeti su cui si deve operare e si deve garatire che u operatore del 95-percetile riesca a raggiugere lo stesso elemeto seza rimaere bloccato dalla ristrettezza del passaggio. I testi di ergoomia foriscoo le misure delle diverse parti del corpo umao (per le varie corporature), evideziado tutte le varie operazioi possibili, come pure foriscoo i valori di peso e po- - 16.21 -
sizioe di baricetro per vari atteggiameti, fodametali per il progetto di attrezzature, e valori di pesi e dimesioi trasportabili i vari atteggiameti e di forze esercitabili. L'ergoomia studia ioltre gli accorgimeti da predere per l'idetificazioe dei compoeti, sia dal puto di vista dei colori che dei caratteri da usare, i modo da evitare ambiguità, e gli accorgimeti ella disposizioe dei comadi, dei collegameti ecc., i modo da facilitare il lavoro degli operatori e ridurre al miimo le possibilità di errore. U ultimo aspetto fodametale per la riduzioe del MTTR risiede ell'efficieza di tutta la struttura di supporto logistico e quidi ella preseza di u adeguato livello di parti di ricambio, ella buoa orgaizzazioe, ell'addestrameto del persoale, ella dotazioe di opportua e chiara documetazioe tecica. U compito importate del supporto di mautezioe cosiste ella registrazioe di tutti gli iterveti di mautezioe effettuati; questa operazioe porta a piccoli aggravi dal puto di vista del tempo di riparazioe, ma ha riflessi fodametali sugli aspetti orgaizzativi e legali. Se correttamete impostata e gestita la raccolta dati proveiete dai rapporti di mautezioe ha importaza fodametale per la valutazioe i esercizio di affidabilità e per la riprogrammazioe della mautezioe i relazioe all'effettiva operatività della flotta. 16.9 Efficacia di sistema L'utilizzatore di u sistema e giudicherà la sua efficacia sia da u puto di vista operativo che ecoomico; le capacità operative possoo essere espresse i modo quatitativo attraverso u parametro che può esprimere ua prestazioe riteuta fodametale, o ua media pesata di prestazioi, o essere derivata da ua semplice valutazioe co "voti"; dal puto di vista ecoomico occorre teere coto di tutti i costi che devoo essere sosteuti durate la vita del sistema. Dal puto di vista dell'acquirete il parametro fodametale per giudicare la botà del sistema risiede ell efficacia del sistema (System Effectiveess - SE) che può essere defiita come: dove: SE C * R * R * A( R, M ) d m LCC C idice quatitativo della capacità operativa del sistema R d affidabilità della parteza (sistema dispoibile quado serve) R m affidabilità di missioe A( R, M ) dispoibilità (fuzioe dell'affidabilità logistica e della muiteibilità) LCC Life Cycle Cost (costo globale del sistema per tutta la sua vita) Il costo globale del sistema LCC comprede spese di vario tipo tutte cocorreti a defiire l'ivestimeto globale per l'acquisizioe e l'impiego del sistema: - 16.22 -
Costi di acquisizioe: - quota di ricerca e sviluppo (progetto, sperimetazioe e certificazioe); - acquisizioe macchie; - acquisizioe attrezzature di supporto; - demolizioe; - oeri fiaziari; -... Costi operativi diretti: - persoale di volo; - carburati; - lubrificati; - materiali di cosumo; - oeri fiscali; -... Costi operativi di supporto: - persoale di supporto; - persoale di mautezioe; - parti di ricambio; -... Noostate gli alti costi di acquisizioe di macchie complesse come i velivoli, i costi operativi soo percetualmete assai rilevati e quidi di importaza fodametale ell acquisizioe di ua flotta. Le valutazioi di efficacia globale del sistema vegoo svolte dagli uffici tecico ecoomici del propoete, cotrollate e adattate dall'acquirete e svolgoo u ruolo fodametale ella trattativa per l'acquisizioe di cotratti e ella stesura delle specifiche a vario livello del sistema. 16.10 Bibliografia Sergio Chiesa, Affidabilità, sicurezza e mautezioe el progetto dei sistemi, CLUT. Patrick D.T. O Coor, Practical Reliability Egieerig, Joh Wiley & Sos - 16.23 -