LA MANUTENZIONE AERONAUTICA

LA MANUTENZIONE AERONAUTICA PM vs RCM

La manutenzione non è intrinsecamente una cosa buona, come l'esercizio fisico;
è un male necessario, come un intervento chirurgico.
(Michael D. Bush - www.savvyaviator.com) Manutenzione preventiva programmata ed effetto Waddington Lo scienziato britannico Conrad Hal Waddington (1905 - 1975) è stato un biologo dello sviluppo, paleontologo, genetista, embriologo e filosofo che ha gettato le basi per la biologia dei sistemi, l'epigenetica e la biologia evolutiva dello sviluppo.

Conrad H. Waddington nel 1947

Durante la seconda guerra mondiale la carriera di Waddington in biologia fu temporaneamente interrotta quando fu coinvolto nella ricerca operativa (branca della matematica che si occupa dell'ottimizzazione di processi decisionali) con la Royal Air Force e divenne consigliere scientifico del comandante in capo del Coastal Command (CC-ORS) dal 1944 al 1945. è in questo periodo che ha dato il suo contributo al mondo dell'aviazione. Il compito principale della squadra di scienziati di Waddington inizialmente era di consigliare su come combattere più efficacemente la minaccia dei sottomarini tedeschi. Svilupparono una serie di raccomandazioni sorprendenti che hanno sfidato la saggezza convenzionale militare. Ad esempio si accorsero che il colore migliore per rendere meno visibili gli aerei antisommergibile era il bianco e non il nero come si pensava,con un 30% di aumento degli affondamenti riusciti.

Consolidated B24 Liberator (RAF Coastal Command Service)

In seguito si occupò di quella che oggi chiameremmo "prontezza della forza" (combat readiness). Ci si rendeva conto che i bombardieri B-24 Liberator della RAF trascorrevano una quantità eccessiva di tempo in officina, sia per la manutenzione preventiva programmata, che per la soluzione di ciò che in gergo vengono detti "squawks": segnalazioni di problemi minori. Ciò comportava che solo circa la metà degli aerei disponibili erano effettivamente combat ready. Gli altri erano fermi a terra principalmente perchè erano sottoposti a manutenzione, sia programmata che non, o in attesa di personale di manutenzione o di pezzi di ricambio. Si era convinti che più manutenzione preventiva si fosse eseguita meno problemi si sarebbero verificati e potenziali problemi sarebbero stati individuati e risolti migliorando in tal modo l'efficienza della flotta. Ma Waddington e il suo team di ricerca operativa dimostrarono che ci si sbagliava. Raccolsero dati sulla manutenzione programmata e non programmata di questi velivoli e li analizzarono per capire come il numero di riparazioni non programmate variasse in funzione del tempo di volo e scoprirono qualcosa di inaspettato e significativo: gli interventi non programmati aumentavano bruscamente immediatamente dopo ogni evento di manutenzione programmato (dopo 50 ore di volo), per poi diminuire costantemente nel tempo fino al successivo evento di manutenzione programmata, dopo cui aumentavano di nuovo.

Effetto Wadddington nel RAF Coastal Command

La conclusione fu che la manutenzione programmata portava a un aumento dei guasti, probabilmente perchè andava ad interferire con una situazione relativamente soddisfacente. Inoltre non sembrava che il tasso di guasti ricominciasse ad aumentare dopo il periodo previsto prima della nuova manutenzione preventiva programmata. In altre parole, il modello osservato mostrava che la manutenzione programmata stava effettivamente portando più danni che benefici e che l'intervallo di 50 ore di volo era inadeguatamente breve. La soluzione proposta dal team di Waddington, e alla fine accettata dalla RAF, fu lo sviluppo di un programma di manutenzione migliorato che aumentava l'intervallo di tempo tra gli eventi di manutenzione preventiva, eliminava gli interventi che non era dimostrato essere vantaggiosi, migliorava la programmazione del personale di manutenzione e aveva creato una guida e una documentazione per manutenzioni migliori e più chiare. Una volta implementate queste raccomandazioni, il numero di ore di volo effettive della flotta di bombardieri del British Coastal Command aumentò di oltre il 60%. Manutenzione incentrata sull'affidabilità Due decenni dopo, negli anni '60, altri due scienziati di talento, l'ingegnere aeronautico Stanley Nowlan e il matematico Howard Heap della United Airlines, riscoprirono questi stessi principi nel loro lavoro sulla manutenzione incentrata sull'affidabilità (RCM: Reliability-Centered Maintenance) che ha cambiato il modo in cui la manutenzione viene eseguita nel trasporto aereo, aviazione militare, aviazione generale (AG) di fascia alta e numerose applicazioni industriali al di fuori dell'aviazione: la strategia ottima per la maggior parte dei componenti di aereo è semplicemente quella di lasciarli stare, aspettare finchè si guastano e quindi sostituirli o ripararli quando ciò accade. Ironia della sorte, Nowlan e Heap erano quasi certamente all'oscuro del lavoro svolto da H.C. Waddington e dai suoi colleghi del British Coastal Command Operational Research Section, perchè i documenti sui loro studi era riservato e rimase così fino al 1973, quando il diario meticolosamente tenuto da Waddington delle sue attività di ricerca in tempo di guerra fu declassificato e pubblicato con il titolo Operational Research in World War II da Elek Science. Alla base della tradizionale manutenzione preventiva programmata c'è il principio fondamentale che l'affidabilità dei componenti va diminuendo col passare del tempo a causa dell'usura. Pertanto più frequentemente i componenti vengono revisionati meglio sono protetti dalla probabilità di guasto. Il problema che si presenta è stabilire quale limite di età sia necessario per garantire un funzionamento affidabile. Con metodi statistici si può stabilire la vita utile dei componenti, che possono quindi essere cambiati o revisionati prima che si guastino.

Manutenzione preventiva (PM): il componente è affidabile inizialmente ma da un certo momento diventa inaffidabile

Nel settore dell'aeronautica inoltre si riteneva che tutti i problemi di affidabilità fossero direttamente correlati alla sicurezza operativa del velivolo. Col passare del tempo ci si rese conto che, contrariamente a quanto ci si potesse aspettare, per molti elementi la probabilità di guasto non aumentava con l'età. Esistevano molti tipi di guasti imprevedibili, indipendentemente dall'intensa attività di manutenzione. Come soluzione di questo problema i progettisti aeronautici adottarono la strategia della ridondanza dei sistemi, che assicura, in caso di guasto, che la funzione necessaria sia ancora garantita da qualche altra fonte. Pertanto, la scelta di eseguire manutenzioni basate esclusivamente su qualche durata operativa massima avrebbe avuto un effetto scarso o nullo sul tasso di guasto. L'approccio innovativo di Nowlan e Heap si basava su una rigorosa tecnica ingegneristica per la creazione di programmi di manutenzione ottimali mirati a massimizzare la sicurezza e l'affidabilità, minimizzando i costi e i tempi di fermo macchina.

I sei schemi di guasto identificati da Nowlan e Heap:solo il 2% dei componenti dei velivoli presenta guasti prevalentemente legati all'età (schema B) mentre il 68% ha guasti principalmente dovuti a mortalità infantile (schema F).

Uno degli obiettivi principali della manutenzione incentrata sull'affidabilità è identificare i modi in cui i vari componenti si rompono e quindi valutare la frequenza e le sequenze di tali guasti. Si scoprì che mentre alcune modalità di guasto hanno gravi conseguenze che possono compromettere la sicurezza, la stragrande maggioranza dei guasti dei componenti non ha alcun impatto sulla sicurezza e hanno conseguenze che sono abbastanza accettabili. Secondo la filosofia RCM la strategia di manutenzione ottimale per tali componenti è di non toccarli, attendere fino a quando si rompono e poi sostituirli o ripararli (run to failure). Il lavoro di Nowlan e Heap rivoluzionò le pratiche di manutenzione nel settore dell'industria aeronautica. La stragrande maggioranza dei tempi tra revisioni (TBO: Time Between Overhaul) e i limiti di vita dei componenti furono abbandonati a favore di un approccio basato sul monitoraggio delle condizioni effettive dei motori e di altri componenti e tenendoli in servizio fino a che le loro condizioni degradavano in modo inaccettabile. La quantità di manutenzione programmata è stata drasticamente ridotta. Possiamo concludere che i risultati delle ricerche di Nowlan e Heap si possono applicare anche agli aerei di AG gestiti in proprio, includendo il VDS. La maggior parte dei componenti dei velivoli non sono critici per la sicurezza e devono essere fatti funzionare fino a rottura. La maggior parte dei componenti critici per la sicurezza hanno più probabilità di guastarsi quando sono nuovi rispetto a quando sono vecchi e dovrebbero subire la manutenzione rigorosamente "on-condition", non secondo un calendario fisso. La TBO del motore a pistoni Proprio il settore dell'AG e del VDS, in particolare i velivoli alimentati a pistoni, ancora oggi fa manutenzione preventiva programmata nel vecchio stile, basandosi su scadenze calendariali piuttosto che sul monitoraggio delle condizioni. La maggior parte dei proprietari di velivoli AG/VDS a pistoni fanno revisionare i loro motori alla TBO, e così pure revisionano le eliche e sostituiscono i loro alternatori, le pompe per vuoto, i bulloni dell'ala, le batterie a scadenze fisse senza motivo, se non perchè è prescritto nei manuali di manutenzione dei costruttori.

Motore Lycoming IO-320 (sinistra) e Motore Rotax 912 ULS (destra)

Nè i costruttori nè i manutentori sono propensi al cambiamento, sia per evitare problemi di responsabilità, anche legali, sia perchè tutta questa manutenzione preventiva controproducente, inutile e dispendiosa è per loro fonte di guadagno. Dato che i costi sono sostenuti dai proprietari degli aerei, sono questi che dovrebbero fare pressioni sui costruttori e sui manutentori affinchè le cose cambino. I costruttori dei motori hanno costantemente rifiutato di rilasciare dati sulla storia dei guasti dei motori e, analogamente, hanno costantemente rifiutato di spiegare come arrivano a definire le TBO che pubblicano. Nel 2007 l'ingegnere meccanico, nonchè pilota, Nathan T. Ulrich ha consultato il database degli incidenti del National Transportation Safety Board (NTSB) e analizzato i dati sugli incidenti accaduti nel periodo 2001-2005 incluso, limitandosi a quelli che avevano coinvolto piccoli velivoli, con un peso lordo inferiore a 5.400 kg, con motore a pistoni, per i quali la possibile causa (o fattore contribuente) era stata identificata in un "guasto del motore", escludendo gli incidenti di aeroplani per competizioni aeree e per applicazioni agricole. Analizzò la relazione tra la frequenza degli incidenti da avaria al motore e il numero di ore su ciascun motore dall'ultima volta che era stato costruito, ricostruito o revisionato. Ottenne i seguenti grafici, molto simili a quelli determinati da Waddington nel 1943.

Diagrammi elaborati da Ulrich nel 2007 su dati NTSB relativi al periodo 2001-2005

I pochi incidenti per avaria al motore, quando questo sia stato oltre la TBO in modo significativo è dovuto anche al fatto che la maggior parte dei motori dei velivoli a pistoni viene volontariamente sottoposta a eutanasia quando si arriva alla TBO o si è prossimi ad essa. Quindi questi dati sono poco interessanti. Molto interessante è invece il numero di incidenti dovuti a "mortalità infantile" durante i primi anni e le prime centinaia di ore dopo che un motore è stato costruito, ricostruito o revisionato, mostrando che è molto più probabile avere un serio guasto quando il motore è nuovo e non quando è vecchio. Questa analisi porta alla conclusione che, quando il motore raggiunge la TBO, ma continua a dare tutte le indicazioni di essere sano, con buone prestazioni, non produce metallo, presenta analisi dell'olio e risultati boroscopici decenti, ecc., la revisione degraderà la sicurezza, non la migliorerà. Questo semplicemente perchè trasformerà un "vecchio" motore a basso rischio in un motore nuovo ad alto rischio. La vita di un motore non è strettamente correlata col numero di ore in cui ha lavorato, lo è invece all'esposizione ad ambienti corrosivi (come ad esempio l'aria salmastra costiera) durante i periodi di inutilizzo oppure al cattivo utilizzo del pilota (in particolare gli avviamenti a freddo e la gestione impropria del propulsore). Nessuno di questi fattori si riflette nella TBO pubblicata dal costruttore. C'è una bella differenza tra un motore di un aereo che passa le notti picchettato all'aperto e uno hangarato oppure tra quello di un aereo che vola 400 ore all'anno e quello che vola 40 ore all'anno oppure tra quello che vola per la maggior parte su missioni di lunga distanza e quello di un aereo usato principalmente per l'addestramento in volo. Non dovrebbero avere tutti la stessa TBO. La contro-argomentazione di manutentori e costruttori di motori è che i dati sull'affidabilità dei motori che hanno superato la TBO sono troppo scarsi per essere certi che sia sicuro farli funzionare oltre la scadenza. Può anche essere vero, ma per raccogliere dati significativi sui guasti si deve consentire alle apparecchiature di guastarsi. Sposiamo la strategia della RCM. Ma ora la domanda è: una volta raggiunta la TBO come possiamo valutare se un motore aeronautico a pistoni continua ad essere aeronavigabile e quando è il momento di fare una revisione on-condition? I test di compressione e il consumo di olio sono utili indicatori ma da soli hanno poca correlazione con la reale aeronavigabilità del motore. Altri indicatori sono molto più decisivi: residui metallici nell'olio, crepe nelle testate del cilindro o nel basamento, perdite di scarico, perdite di carburante o gravi perdite d'olio. Ancora più importante, il motore sembra funzionare in modo irregolare o non riesce a raggiungere la piena potenza nominale? Se questi indicatori sono buoni, allora possiamo essere ragionevolmente sicuri che il nostro motore sia aeronavigabile e possiamo volarci con la meritata fiducia. C'è una molteplicità di strumenti con cui monitorare i parametri del motore e lasciare che sia il motore stesso a dirci quando la manutenzione on-condition è necessaria:

• Ispezione visiva del filtro dell'olio
• Microscopia elettronica a scansione di filtri olio (SEM)
• Programmi di analisi dell'olio spettrografico (SOAP)
• Analisi Digitali dei dati di monitoraggio del motore
• Ispezione col boroscopio
• Test di compressione differenziale
• Ispezione visiva del basamento
• Ispezione visiva della testata
• Analisi dell'andamento del consumo di olio
• Analisi dell'andamento della pressione dell'olio

Se utilizziamo questi strumenti con una opportuna frequenza e impariamo come interpretare i risultati, possiamo essere certi di sapere se il motore è in buone condizioni o meno e, in caso contrario, che tipo di intervento di manutenzione è necessario per tenerlo in salute. Quando si vogliono prendere decisioni di manutenzione on-condition è indispensabile utilizzare questi strumenti, tutti quanti, e prestare attenzione ai risultati che forniscono. Purtroppo, molti proprietari e meccanici non capiscono come usare questi strumenti in modo appropriato o come interpretare i risultati in modo corretto. Se non si dispone di un sistema di monitoraggio digitale del motore (EMS: Engine Monitoring System), che registra i segnali vitali del motore oppure se non si è in grado di analizzare i dati di monitoraggio, si è seriamente limitati.

EMS (Engine Monitoring System) per motori ROTAX.

È importante che i dati di monitoraggio del motore siano acquisiti in volo. Solo i problemi più gravi e più evidenti, come una perdita d'olio o un magnete fulminato, possono essere diagnosticati nell'hangar di manutenzione o durante i rullaggi a terra. Il più delle volte, la responsabilità di raccogliere i dati necessari per diagnosticare accuratamente il problema ricadrà molto probabilmente sul pilota e non sul meccanico. Piaccia o no, il pilota deve diventare un pilota collaudatore. FONTI The Waddington Effect - by Michael (Mike) D. Bush
www.savvyaviator.com Manifesto (A revolutionary approach to General Aviation Maintenance) - by Michael (Mike) D. Bush Roots of Reliability-Centered Maintenance - by Stanley Nowlan - Howard Heapo Basics of Failure - by Bill Keeter