Analisi comparata delle tecniche innovative di manutenzione degli impianti industriali

Introduzione 
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 II 

 La formazione del personale assume un ruolo importante nel 
creare una mentalità adatta ad accettare le nuove procedure 
organizzative ed a renderle operativamente efficaci; 

 La moderna manutenzione è anche chiamata a migliorare e 
conservare i dispositivi che garantiscono la sicurezza e la salute 
del lavoratore; si rende pertanto necessaria un’opera di 
responsabilizzazione rivolta a incrementare l’efficienza del 
servizio e la contemporanea tutela del personale. 
 
 Per manutenzione s’intende pertanto “quella funzione aziendale 
cui sono demandati il controllo costante degli impianti e l’insieme dei 
lavori di riparazione e revisione necessari ad assicurare il 
funzionamento regolare e il buono stato di conservazione degli impianti 
produttivi, dei servizi e delle attrezzature di stabilimento”. In base a 
questa definizione, la funzione manutenzione è quindi rivolta allo 
svolgimento di un servizio a vantaggio della produzione.  
 La manutenzione ha acquistato, nel corso del tempo, 
un’importanza sempre maggiore per i motivi sopra esposti. Il continuo 
estendersi della “macchina” in qualsiasi settore di produzione o di 
servizio, in ogni possibile fase dei processi produttivi, a livelli tecnici e 
tecnologici sempre più spinti ha come diretta conseguenza la necessità di 
intraprendere nuove strade e di impiegare nuove metodologie che in 
qualche modo seguano il passo di un’evoluzione tecnologica industriale.  
 Questi metodi possono servire a contenere l’onere tecnico ed 
economico altrimenti sempre crescente che la manutenzione 
inevitabilmente comporta considerando il continuo progresso 
Introduzione 
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 III 
tecnologico, oltre a portare migliorie rispetto all’uso di tecniche 
concepite meno recentemente. 
 Questo lavoro di tesi mira proprio a considerare tecniche 
innovative di manutenzione, analizzandone il loro funzionamento, 
descriverne le caratteristiche e evidenziarne gli aspetti peculiari. 
 Il fine ultimo di questa analisi sarà quello di riassumere, in modo 
semplice e diretto, quelle che sono le caratteristiche, vantaggi e 
svantaggi che comporta l’impiego di ciascuna tecnica manutentiva 
rispetto alle altre e, per ognuna di esse, descriverne i rispettivi campi di 
applicazione. 
 
4 
CAPITOLO I 
 
 
AFFIDABILITÀ DEGLI IMPIANTI INDUSTRIALI 
 
 
PREMESSA 
 Negli ultimi anni le imprese produttive hanno avuto la necessità di 
ottenere un sistema produttivo sempre più flessibile, in modo da 
rispondere alle richieste del mercato sempre più stringenti e mutevoli. 
 Per far ciò, in ambito industriale, occorre garantire la continuità di 
funzionamento degli impianti di produzione; per motivi etici ed 
economici, occorre garantire la qualità dei prodotti ed il funzionamento 
in sicurezza sia degli impianti, sia dei prodotti. 
 Da questo aspetto è nata la necessità di sviluppare nuove tecniche 
di gestione per permettere miglioramenti sulla produttività, sulla qualità, 
sulla velocità di risposta e sull’immagine dell’azienda. 
 Questa evoluzione produttiva ha portato con sé cambiamenti sulla 
filosofia di gestione, sulle nuove tecnologie e sulla complessità di 
macchine ed impianti, con la naturale conseguenza di un innalzamento 
dei costi globali di guasto: la determinazione di essi considera, oltre che i 
costi tradizionali, anche quelli associati alla sicurezza riguardo il 
miglioramento dell’installazione. 
 Attraverso l’analisi del comportamento dei sistemi e dei suoi 
componenti, è possibile determinare la soluzione che minimizza il costo 
globale durante l’intero ciclo di vita della macchina e dell’impianto. 
Affidabilità degli impianti industriali 
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1.1 TEORIA DELL’AFFIDABILITÀ 
La disciplina nota con il nome di affidabilità è stata sviluppata con lo 
scopo di fornire metodi per valutare se un prodotto o un servizio sarà 
funzionante per la durata in cui l’utilizzatore lo richiederà. Questi metodi 
consistono in tecniche per determinare cosa potrebbe non funzionare, 
come si possa prevenire il guasto e, nel caso in cui il guasto si verifichi, 
quali siano gli interventi più adatti a ripristinare rapidamente il 
funzionamento e limitare le conseguenze. 
 
 
 
1.1.1 Che cos’è l’affidabilità? 
 L’affidabilità di un componente si può definire come la probabilità 
che il componente funzioni senza guastarsi in un intervallo di tempo 
assegnato, date le sollecitazioni a cui è sottoposto e le condizioni 
operative ed ambientali in cui opera. Questa definizione presuppone che: 

 sia fissato univocamente il criterio che giudica se il 
componente è funzionante; 

 le condizioni d’impiego siano stabilite e mantenute costanti in 
un prefissato intervallo di tempo; 

 sia definito questo intervallo di tempo in cui è richiesto che il 
componente funzioni. 
 
 Fissate le prime due condizioni, l’affidabilità di un elemento 
diventa solo funzione del tempo e la forma di tale funzione dipende dalla  
Affidabilità degli impianti industriali 
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legge  di tipo probabilistico con cui le condizioni di malfunzionamento o 
cedimento possono verificarsi nel tempo. 
 L’affidabilità quindi non è una grandezza deterministica, che può 
essere determinata con formule analitiche, quanto una variabile aleatoria 
il cui valore può essere previsto solo attraverso considerazioni di tipo 
probabilistico. 
 I criteri affidabilistici si vanno sempre più diffondendo nel mondo 
industriale per diversi motivi: 

 l’esigenza di aumentare la durata di corretto funzionamento di un 
elemento: 

 l’aumentata complessità dei prodotti che porta ad un incremento 
della loro probabilità di guasto; 

 la necessità di rendere i componenti e i sistemi più leggeri e 
snelli, senza penalizzare la loro sicurezza di funzionamento. 
 
 Incrementare l’affidabilità di un componente o di un sistema 
significa effettuare analisi dettagliate, progettazione più accurata e 
impegnativa e quindi, evidentemente, un aumento dei costi di progetto 
ed esecuzione. Allo stesso tempo però, si avrà una diminuzione dei costi 
inerenti ai guasti in servizio e quindi, legati ad essi, i costi dei ricambi e 
di mancata produttività. 
 Il costo effettivo del componente quindi sarà la somma dei due 
costi suddetti ed avrà un minimo in corrispondenza del valore ottimo di 
affidabilità, come illustrato in fig. 1.1. 
 
Affidabilità degli impianti industriali 
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 7 
 
 
 
Fig. 1.1   Andamento del costo di un componente 
  
 
 Il limite tracciato in figura, rappresenta il Massimo Limite 
Tecnicamente Raggiungibile (MLTR), ovvero quel livello di 
qualità/sicurezza oltre il quale non è opportuno spingersi per ragioni 
tecniche. 
 Infatti, il concetto di sicurezza totale è impossibile da raggiungere: 
l’attuale livello tecnologico, già piuttosto avanzato, consente 
normalmente solo piccoli miglioramenti e non ha senso spingersi troppo 
oltre nell’adottare sistemi di sicurezza che potrebbero rivelarsi 
controproducenti in virtù della complessità progettuale e funzionale alla 
quale conducono. 
 
 
Affidabilità degli impianti industriali 
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1.1.2 Funzioni e parametri 
Affidabilità (R) e Inaffidabilità (F) 
 Si è già detto che il concetto di affidabilità è legato alla capacità di 
un sistema di compiere correttamente la funzione assegnata una volta 
fissati: 

 un intervallo di tempo; 

 le condizioni operative alle quali è sottoposto; 

 le condizioni ambientali. 
 
 Per un singolo componente elementare l’affidabilità è quindi la 
probabilità che esso funzioni senza guastarsi in un intervallo di tempo 
assegnato, date le condizioni operative ed ambientali. Questa definizione 
di affidabilità presuppone: 

 che sia fissato in modo univoco il criterio (C) per giudicare se 
l’elemento è funzionante o non funzionante; per sistemi bistabili 
(2 soli stati di funzionamento possibili) tale criterio è ovvio (es.: 
un condensatore è in corto circuito o no); per altri sistemi è 
possibile individuare anche stati di funzionamento parziale che 
rappresentano vari livelli di prestazione; in questi casi lo stato di 
guasto è definibile una volta che venga fissato un limite 
ammissibile al di sotto del quale si parla di guasto (es.: motore di 
automobile; intensità di sorgente luminosa); 

 che le condizioni ambientali (A) e d’impiego siano stabilite e 
mantenute costanti nel periodo di tempo in questione; 

 che sia definito l’intervallo di tempo (t) durante il quale si 
richiede che il componente funzioni. 
Affidabilità degli impianti industriali 
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 Se la si indica con R (Reliability), l’affidabilità risulta in generale 
funzione di tre variabili: 
 
R = R(C, A, t) 
 
Fissati C ed A, l’affidabilità rimane funzione del solo parametro tempo: 
 
R = R(t) 
 
 Consideriamo un campione di componenti elementari costituito da 
un grande numero N0 di elementi uguali tutti funzionanti all’istante t = 0 
in determinate condizioni operative ed ambientali; misurando i parametri 
funzionali degli elementi possiamo stabilire, ad ogni istante t, se essi 
sono ancora funzionanti o meno. Se indichiamo con: 

 Nv(t) il numero di componenti funzionanti all’istante t 

 Ng(t) il numero di componenti guasti all’istante t 
 
si dovrà ovviamente avere (per ogni t): 
 
N0 = Nv(t) + Ng(t) 
 
 Ricordando che la probabilità che un certo evento si verifichi è 
data dal rapporto tra il numero di esiti favorevoli a tale evento ed il 
numero totale di eventi possibili, possiamo definire le due funzioni: 
• Inaffidabilità, come la probabilità per il singolo componente di 
essere guasto al tempo t: 
 
Affidabilità degli impianti industriali 
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0
g
N
(t)N
F(t) =
 
 
• Affidabilità, come la probabilità per il singolo componente di 
essere ancora funzionante al tempo t: 
 
0
v
N
t)(NR(t) =
 
 
Dalle precedenti relazioni si ottiene: 
 
R(t) = 1 – F(t) 
 
 Nella definizione di F(t) e di R(t), il tempo t non è il tempo solare 
e quindi non misura l’età reale del componente; t è invece il “tempo di 
missione”, ovvero il tempo durante il quale si richiede che la parte sia 
effettivamente funzionante.  
 Detto ciò è chiaro che l’istante t = 0 non coincide con l’inizio 
dell’utilizzazione del componente, bensì con l’inizio della missione. 
 
 
Densità di probabilità di guasto (f) 
 Si definisce densità di probabilità di guasto quella funzione f(t) 
tale che la probabilità infinitesima che l’elemento si rompa al tempo t o 
in un suo intervallo infinitesimo sia proprio f(t)dt. 
Affidabilità degli impianti industriali 
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 11 
 
 La probabilità che l’elemento funzionante all’istante iniziale si 
guasti nel tempo t è data da: 
 
∫=
t
dttftF
0
)()(
 
 
ovvero, in termini finiti: 
 
0
1)(
)(
Nt
N
t
tF
tf
g
⋅
∆
∆
=
∆
∆
=
 
 
Tale funzione f(t) non è dimensionalmente una probabilità ma 
moltiplicandola per un intervallo di tempo ∆t si ottiene la corrispondente 
variazione della funzione F(t): 
 
0
)()(
N
N
ttftF g
∆
=∆⋅=∆
 
 
 Questa rappresenta una “probabilità parziale”/∆t di guasto relativa 
all’intervallo [t, t + ∆t]. Attraverso una analisi dimensionale, ricordando 
che la F(t) è una probabilità e che quindi il prodotto al secondo membro 
del )(tF∆  deve essere adimensionale segue che f(t) ha le dimensioni di 
inverso di un tempo [t –1]. Con facili sostituzioni si ha anche: 
 
0
)()()(
N
N
ttftFtR v
∆
=∆⋅−=∆−=∆
 
 
Affidabilità degli impianti industriali 
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 La somma di tutti i valori (fino a t = ∞) della funzione 
ttftF ∆⋅=∆ )()( , vale uno e pertanto la funzione  f(t) è “normale”. 
 
 
Tasso di guasto o di rischio 
 Si noti che fino a questo punto non è stata eseguita alcuna ipotesi 
sulla natura delle funzioni f(t), F(t), R(t). La funzione densità di 
probabilità f(t), come definita precedentemente rappresenta anche un 
“tasso di guasto” che, per la presenza di N0 e per la condizione di 
normalità, possiamo chiamare “tasso di guasto normale”.  
 Se nella relazione della f(t) sostituiamo N0 con Nv, rinunciando 
alla proprietà normale, definiamo un’altra grandezza fondamentale della 
teoria dell’affidabilità che è il “tasso di guasto istantaneo”: 
 
v
g
Nt
N
t
tF
t
1)(
)( ⋅
∆
∆
=
∆
∆
=λ
 
 
 La funzione λ(t) rappresenta la frazione di popolazione che si 
guasta in un intervallo ∆t rapportata al numero dei componenti ancora 
funzionanti all’istante t.  
 Tramite passaggi analitici, che vengono omessi per semplicità, si 
ottiene che l’affidabilità R(t) di un componente è pari al rapporto fra la 
sua densità di probabilità di guasto f(t) ed il suo tasso di guasto 
istantaneo λ(t): 
 
Affidabilità degli impianti industriali 
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 13 
 
)(
)(
)(
t
tf
tR
λ
=
 
 
 Nel caso particolare in cui il tasso di guasto λ(t) si mantiene 
costante nel tempo, ovvero nel caso di guasti casuali, lo indicheremo 
semplicemente con λ: questo è il caso dei componenti caratterizzati dalla 
cosiddetta proprietà di non memoria dal punto di vista affidabilistico. 
 L’andamento del tasso di guasto costante è descritta dalla bath 
tube curve (curva a vasca da bagno) rappresentata nella fig. 1.2: 
 
 
 
 
Fig. 1.2   Bath tube curve 
  
 
 Nella regione (I) sono presenti quei componenti che sono stati 
malamente concepiti, mal progettati o che presentano delle difettosità nei 
materiali: questo periodo è detto dei guasti infantili.  
Affidabilità degli impianti industriali 
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 14 
 
 Dopo il periodo iniziale di rodaggio nel quale i particolari più 
deboli vengono individuati e sostituiti che va via via diminuendo fino a 
stabilizzarsi ad un valore pressoché costante al tempo t1. 
 Nella regione (II), il tasso di guasto raggiunge il suo valore più 
basso e rimane all’incirca costate per un certo periodo di tempo a cui si 
da il nome di vita utile. Questa fase è caratterizzata da guasti che hanno 
una probabilità di accadimento indipendente dal periodo di esercizio 
accumulato, ovvero i cosiddetti guasti casuali: questi avvengono nella 
stessa quantità per ogni intervallo di tempo significativo e possono 
dipendere da: 

 imperfezioni del processo produttivo; 

 condizioni di funzionamento differenti dalle specifiche di 
progetto; 

 sovrasollecitazioni accidentali; 

 altro. 
 
 Nel caso di tasso di guasto costante, la distribuzione 
dell’affidabilità R(t) ha una distribuzione esponenziale negativa: 
 
t
etR ⋅−= λ)(  
 
Inoltre: 
 
t
etf
⋅−
⋅= λλ)(  
t
etF ⋅−−= λ1)(  
 
 Nella fig. 1.3 sono mostrati gli andamenti dell’affidabilità e 
inaffidabilità per una distribuzione esponenziale negativa: 
Affidabilità degli impianti industriali 
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 15 
 
 
 
Fig. 1.3   Andamenti dell’Affidabilità R(t) e dell’Inaffidabilità F(t) 
 
 
 Nella regione (III), quando i componenti raggiungono l’età 
indicata al tempo t2, iniziano a manifestarsi tipologie di rottura o 
malfunzionamenti per invecchiamento, causate da fenomeni di usura, 
fatica, abrasione ecc. con conseguente innalzamento del tasso di guasto. 
 Nessun componente infatti, soggetto ad una storia di carico reale 
ad ampiezza di sollecitazione variabile, può avere una durata illimitata 
nel tempo: esaurita la vita utile di progetto quindi, il numero di guasti 
aumenterà progressivamente nel tempo. 
 Il periodo a tasso di guasto crescente quindi, corrisponde ad una 
degradazione irreversibile delle caratteristiche della macchina, progettata 
per una determinata durata; se tale periodo si manifesta prematuramente, 
significa che un certo numero di componenti era sottodimensionato o che