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Schäden an der Mechanik

01. Wie können die charakteristischen Phasen der Lebensdauer eines Bauteils beschrieben werden?

Die Komplexität von Maschinen- und Anlagen vergrößert die Gefahr von Ausfällen einzelner Baugruppen mit unterschiedlicher Lebensdauer ihrer Komponenten. Die Ausfälle treten dabei in Kombination verschiedener Schädigungsprozesse auf und machen sich oft erst nach unterschiedlichen Beanspruchungszeiten bemerkbar.

Mithilfe des Verlaufs der Ausfallrate können die charakteristischen Phasen der Lebensdauer eines Bauteils beschrieben werden. Sie werden durch die sogenannte „Badewannenkurve“ bildlich dargestellt. Die Ausfallrate gibt dabei die zeitliche Entwicklung der Ausfallwahrscheinlichkeit für die jeweilige Betriebszeit an. Die Badewannenkurve gilt für alle Maschinen- und Anlagenteile, die einem direktem Verschleiß unterliegen. Es gibt drei Phasen der Ausfallrate in Abhängigkeit von der Betriebszeit:

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Es hat sich gezeigt, dass bei komplexen Anlagen der Verlauf der Ausfallrate vom klassischen Verlauf deutlich abweichen kann.

  • Frühausfälle sind zu Beginn der Betriebszeit vorhanden und werden mit fortschreitender Betriebszeit immer seltener. Sie beruhen auf Fehlern in der Konstruktion und im Herstellungprozess. Ihre Ursachen werden also beim Hersteller gesetzt und sind nur nachträglich durch Nachbesserung des Auslieferungszustandes zu beseitigen.

  • Zufallsausfälle sind nicht vorhersehbar und treten unabhängig vom Alter des Bauteils auf. Die Ausfallursache bleibt zunächst unbekannt. Nur mithilfe von Inspektion und Diagnose kann bei Zustandsverschlechterung (Maschinendiagnose), bei rechtzeitiger Erkennung und Maßnahmeeinleitung, ein Ausfall noch verhindert werden (Zustandsorientierte Instandhaltung).

  • Alterungsausfälle sind solche, die durch Verschleiß und Alterung bedingt sind und mit der Lebensdauer des Bauteils zunehmen. Sie sind zum Beispiel ein typisches Erscheinungsbild an mechanischen Bauteilen.

    Alterungsausfälle lassen sich durch Maßnahmen der vorbeugenden Instandhaltung verhindern. Es ist dabei zu beachten, dass die Kosten der vorbeugenden Instandhaltung einschließlich der Folgekosten immer kleiner sein sollten, als die Kosten und Folgekosten einer nachträglichen Instandsetzung.

02. Wie ist das Ausfallverhalten komplexer Anlagen zu bewerten?

Komplexe Anlagen können aufgrund ihrer Vielzahl an Baugruppen und Bauteilen und ihrer unterschiedlichen Beanspruchung sowohl in der Anlage selbst, als auch beim Anwender ein stark von der klassischen Badewannenkurve abweichendes Ausfallverhalten zeigen.

Untersuchungen in der Luft – und Raumfahrt haben ergeben, dass bei über 50 % aller Anlagen mit dem Beginn der Inbetriebnahme die Ausfallrate stark ansteigen kann, bis sie dann auf niedrigem Niveau, nur gering ansteigend, die Phasen der Zufallausfälle und Altersausfälle durchläuft. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse zur Zustandsbeurteilung und Fehlerbeseitigung führten in den letzten Jahren auch zu einer ständigen, konstruktiven Verbesserung komplexer Produktionsanlagen und damit ihres Ausfallverhaltens.

03. Was sind die Hauptursachen von Störungen und Ausfällen an Maschinen und Anlagen?

  • Störung

    ist eine unbeabsichtigte Unterbrechung (Beeinträchtigung) der Funktionserfüllung einer Betrachtungseinheit (vgl. DIN 31051; Ziffer 1.2.1 Ursachen der Instandhaltung).

  • Ursachen für Maschinen- und Anlagenstörungen können sein:

    • Der Mensch (z. B. Qualifikation, Fehlbedienung, Motivation)

    • die Maschine (z. B. Konstruktion, Verkettung, Betriebsstunden)

    • das Management (z. B. Organisation, Motivation, Mittelbereitstellung)

    • die Umwelt (z. B. Temperatur, Staub, Feuchtigkeit)

    • das eingesetzte Material (z. B. Verschleiß, Korrosion, Ermüdung, Belastung, Dehnung, Schrumpfung, Betriebsstoff, Alterung)

    • die Methode (z. B. Inspektion, Wartung, Instandsetzung, Schwachstellenanalyse)

    • die Messtechnik (z. B. Sensorik, Signalverarbeitung, Signalauswertung) sowie andere Einflüsse.

04. Welche Folgen sind mit Maschinen- und Anlagenausfällen verbunden?

Neben den direkten Produktionsausfallkosten treten gleichzeitig eine Vielzahl von Folgekosten auf wie:

  • Zusätzlicher Energieverbrauch

  • erhöhte Umweltbelastung

  • Qualitätseinbußen

  • Imageverlust

  • Verlust von Marktanteilen

  • Konventionalstrafen

usw.

05. Welche Maschinen- und Anlagenausfälle werden von mechanischen Bauteilen verursacht?

Mechanische Bauteile an Maschinen und Anlagen unterliegen im Allgemeinen verschiedenen Schädigungsprozessen. Je komplexer ein Gesamtsystem ist, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen. Die Schwachstellenanalyse soll hier die Ursachen der Ausfälle aufdecken helfen. Deshalb ist ihre sorgfältige Planung und Durchführung von entscheidender Bedeutung. Schädigungen treten nicht nur einzeln, sondern können oft auch in Kombination auftreten.

Folgende Beanspruchungen an Bauteilen können die Nutzungszeit von Maschinen und Anlagen verringern:

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  • Reibung/Verschleiß

    entsteht zwischen Grund- und Gegenkörper und kann durch einen vorhandenen Zwischenstoff (Schmiermittel) oder ein vorhandenes Umgebungsmedium beeinflusst werden. Sie sind von einer Vielzahl von so genannten tribologischen Kenngrößen abhängig.

    Merke:

    Tribologie: Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung wie Reibung, Verschleiß, Schmierung.

    Dazu zählen:

    Grundkörper und Gegenkörper:
     Bezeichnung, Abmessungen, Werkstoff, Rauheit
    Zwischenstoff:
     Bezeichnung, Aggregatzustand, Viskosität bei Raum- und Betriebstemperatur
    Beanspruchung:
     Bewegungsart, Bewegungsablauf, Pressung, Normalkraft, Beanspruchungsdauer,
     Betriebstemperatur, Geschwindigkeit
  • Die Korrosion (vgl. A 5.1.1)

    ist gekennzeichnet durch einen elektrochemischen Angriff auf die Metalloberfläche. Sie kann auch gemeinsam mit mechanischer Beanspruchung auftreten durch Überlagerung zur Spannungsrisskorrosion, Schwingungsrisskorrosion, Korrosionsverschleiß, Schwingverschleiß, Erosionskorrosion oder Kavitationskorrosion.

    Meist bilden sich dabei Kerben und Risse im Metall, die infolge wechselnder mechanischer und korrosionschemischer Beanspruchung in der Folge zum Bruch führen können.

    Beispiele für einen temporären Korrosionsschutz einer Baukomponente für den Transport:

    • Einfetten

    • Korrosionsschutzpapier

    • Vakuumverpackung

    • Einsprühen mit Korrosionsschutzöl.

  • Alterung

    entsteht durch Änderung des Gefüges innerhalb des Maschinenbauteils; dadurch verändern sich auch die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.

  • Weitere mechanische Ausfallursachen an Maschinenbauteilen sind:

    • Risse und Brüche (Trennung von festen Körpern) durch Überlast

    • Lockerung und Verlagerung ursprünglich festsitzender Teile

    • Festsitz ursprünglich zueinander beweglicher Teile

    • unzulässige Spielvergrößerung usw.

06. Aus welchen Bauelementen bestehen Werkzeugmaschinen?

Werkzeugmaschinen bestehen häufig aus einem Grundkörper (Gestelle und Gestellbauteile). Tische, Betten, Ständer und Konsolen sind oft bereits in den Grundkörper integriert oder können geschraubt oder geklebt angebracht werden. Der Grundkörper trägt Supporte, Getriebe, Motoren, Hydraulik-/Pneumatikeinrichtungen und Steuerorgane, um die zwischen Werkzeug und Werkstück erforderlichen Relativbewegungen ausführen zu können.

Werkzeugmaschinen dienen zur Herstellung von Werkstücken mit hohen Qualitätsanforderungen. Sie müssen deshalb den zwischen Maschinenherstellern und Kunden festgelegten Maschineneigenschaften entsprechen. Dabei kommt es besonders auf Zuverlässigkeit, Arbeitsgenauigkeit, Leistungsvermögen und Umweltverhalten an.

07. Wie lässt sich die Zuverlässigkeit bei Werkzeugmaschinen messen?

Die Zuverlässigkeit bei Werkzeugmaschinen ist ein Maß für die Fähigkeit einer Einheit, ihre definierte Funktion unter vorgegebenen Arbeits- und Umgebungsbedingungen zu erfüllen. Es muss vorher bekannt sein, was als Nichterfüllung der definierten Funktion gerechnet wird.

Mithilfe moderner Messmethoden (z. B. Wirbelstromsensor, Laserinterferometer) oder durch die Verwendung von Prüfwerkstücken, unter Beachtung der gültigen Richtlinien und Normen, lassen sich Maschinenbeurteilungen durchführen. Nur so ist es möglich, Qualitätsprodukte auf diesen Maschinen herzustellen.

08. Welche Auswirkungen haben statische und dynamische Belastungen auf die Werkzeugmaschinen?

Werkzeugmaschinen können während ihrer Nutzung statischen und dynamischen Belastungen unterliegen.

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  • Statische Belastungen:

    Alle im Kraftfluss liegenden Bauteile unterliegen einer statischen Belastung und damit einer Verformung, die in der Folge zu einer Lageveränderung führen kann.

    Mithilfe der Schwachstellenanalyse untersucht man nun zum Beispiel die statische Beanspruchung der im Kraftfluss vorhandenen Bauteile und Fügestellen und kann so Lage- und Verformungsveränderungen erkennen. Sie bilden die Grundlage für weitere konstruktive Verbesserungen.

  • Dynamische Belastungen

    entstehen durch Schwingungen, die sowohl von der Maschine selbst als auch von anderen Schwingungserregern (z. B. anderen Maschinen) ausgehen können.

    • Schwingungen haben nicht nur negative Auswirkungen auf Arbeitsgenauigkeit, Maßhaltigkeit, Oberfläche und Werkzeugverschleiß im Produktionsprozess der verursachenden Fertigungseinheit, sondern sie können sich auch negativ auf die Umgebung auswirken (z. B. andere Maschinen der Feinbearbeitung beeinflussen).

    • Schwingungen erhöhen außerdem den Verschleiß der im Eingriff befindlichen Zahnräder in Getrieben und weiteren zusammengefügten Bauteilen (Lagerstellen, Supporten) und führen zur Lockerung ursprünglich unbeweglicher Teile. Eine Überschreitung der zulässigen Werte muss deshalb verhindert werden.

09. Wie kann eine unzulässig hohe Schwingungsübertragung an Werkzeugmaschinen verhindert werden?

  • Ermittlung der Schwingungsursachen (konstruktive und prozessabhängige Ursachen).

  • Aktive und passive Abschirmung von Schwingungen.

  • Je nach Maschinenanforderung (Feinbearbeitungs- oder Umformmaschine):

    Verwendung von

    • Aufstellelementen

    • speziellen Maschinenfundamentierungen

    • Dämpfungserhöhungen durch Zusatzsysteme usw.

Zu Maschinenausfällen können auch thermische Störgrößen führen, wie z. B. die ungenügende Wärmeabfuhr von Antriebssystemen, Motoren, Kupplungen, Hydraulikölen, Schmierölen sowie nicht oder schlecht funktionierende Zusatzaggregate (Pumpen, Kühlaggregate usw.). Der Eintritt eines möglichen Schadens ist in der Technik immer vorhanden. Deshalb ist es notwendig, nach seinem Eintritt eine Schadensanalyse durchzuführen.

10. In welchen Schritten ist eine Schadensanalyse durchzuführen?

Nach VDI-Richtlinie 3822 muss die Schadensanalyse systematisch und schrittweise erfolgen, um eine Vermeidung und Wiederholung des Schadens zu erreichen. Sie wird in folgenden Schritten durchgeführt:

Schadensanalyse
Arbeitsschritte:Beispiele:
1.Beurteilung und Klassifizierung des Schadens
2.Ermittlung der SchadensursacheSchmiedefehler, Gießfehler, Risse beim Umformen, Schweißfehler, Mischungsverhältnis bei Kunststoffen (Füllstoff – Kunststoff), Wirkprinzipien, Belastungsvorgänge
3.Auswertung der Ergebnisse und Maßnahmen zur BeseitigungWerkstoffuntersuchungen an Bauteilen und Materialien:
  • chemische Zusammensetzung
  • Gefüge (Bruchbild)
  • mechanisch-technologische Prüfungen
Konstruktive Gestaltung von Anlagen und Maschinen:
  • Materialauswahl
  • Werkstoffprüfung
Äußere Umgebungseinflüsse:
  • Bewegungsabläufe
  • Medien
  • Temperatur
  • Schadensbegünstigung
  • Auswertung technischer Regelwerke und Gesetze
  • Simulationsrechnungen am Computer
  • Auswertung von Schadenskatalogen und Schadensanalysen
  • Maßnahmen zur Abhilfe erarbeiten und einleiten
  • Schadensbericht erstellen
4.Kontrolle der Maßnahmen in Bezug auf ihre Wirksamkeit

Sehr viele Maschinenausfälle entstehen auch durch ungenügende Wartung und Pflege bzw. sind die Folge von Fehlbedienungen und damit vermeidbar (z. B. Filterverstopfung).

11. Was sind die Hauptursachen für den Ausfall elektrischer und elektronischer Bauelemente?

Typische Ursachen für den Ausfall elektrischer und elektronischer Bauelemente sind:

  • Stromunterbrechungen

  • Isolationsdurchschlag, Überspannungen

  • Kontaktschäden, Verschmutzungen

  • Differenzen von Spannung, Stromstärke und Widerstand gegenüber dem Sollzustand

  • Ausfall kompletter elektronischer Bauelemente

  • mechanische Schäden an Leitungen:

    Quetschung, Leitungsbruch, thermische Beanspruchung.

Besonders äußere Einflussfaktoren wie Schwingungen und Feuchtigkeit sind häufig die Ursache für elektrische Störungen.

Beim Betreiben von elektrischen Anlagen sind die Sicherheitsbestimmungen nach DGUV Vorschrift 3Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ zu beachten.

12. Was sind die Hauptursachen für Schäden und Ausfälle an Antriebssystemen von Werkzeugmaschinen?

Je nach Bauart und Bearbeitungsaufgabe sind Werkzeugmaschinen mit unterschiedlichen Antriebssystemen ausgestattet, die im Wesentlichen für Hauptspindel- und Vorschubbewegung benötigt werden. Nach DIN ISO 1219 unterscheidet man elektrische, hydraulische und pneumatische Antriebe sowie Mischformen (z. B. elektrohydraulische Antriebe).

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  1. Elektrische Antriebe:

    Elektrische Antriebsmotoren an Werkzeugmaschinen (z. B. Asynchron-, Synchron-, Gleichstrom-, Linear-, Schrittmotoren) werden meist elektronisch geregelt und sind deshalb heute weitgehend wartungsfrei.

    • Spannungsdurchschläge, Kontaktschäden, mechanische Fehler (Haltebremse oder Fehler in der Steuerelektronik) können aber trotzdem auftreten.

    • Schwingungen, Feuchtigkeit, Schmutz und Staub sowie eine unzureichende Wärmeabfuhr sind hier Hauptausfallursachen – meist ausgelöst durch schlechte Wartung und Pflege.

    • Sicherheitskupplungen:

      Werkzeugmaschinenantriebe werden zur Absicherung gegen Überlast und Kollisionsschäden mit Sicherheitskupplungen (z. B. Balg- und Membrankupplungen) ausgestattet. Sie dämpfen die vom Antriebsstrang ausgehenden Schwingungen und ermöglichen es, das zu übertragende Drehmoment genau einzustellen. Sie sind voreingestellt und sollen, im Falle einer Kollision oder Überlast, sofort ansprechen, um Gefahren für den Menschen und größere Schäden an der Maschine zu vermeiden.

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      Die Funktionsfähigkeit von Sicherheitskupplungen muss unbedingt gewährleistet sein.

  2. Mechanische Getriebe:

    Sie dienen im Werkzeugmaschinenbau zur Reduzierung der hohen Drehzahlen der Hauptantriebsmotoren und zur Erzeugung der gewählten Vorschubbewegung.

    Schäden an Getrieben treten häufig durch erhöhten Verschleiß infolge ungenügender Schmierung auf. Die Ursachen sind unter anderem:

    • Ölverluste (undichtes Getriebegehäuse, verschlissene Wellendichtringe usw.)

    • Ölalterung (Überschreitung der zulässigen Ölwechselfristen).

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      Da Getriebe sehr komplexe Gebilde und recht teuer sind, sollten die Ölwechselvorschriften und die geforderten Ölmengen und Ölqualitäten immer eingehalten werden.

  3. Zugmittel und Reibgetriebe (Riementriebe):

    Hierzu zählen Antriebe durch Flachriemen, Keilriemen, Synchronriemen und Ketten. Sie dienen zur Übertragung von Drehbewegungen zwischen Motor und Getriebe oder zum Antrieb der Arbeitsspindel. Ihr Vorteil ist, dass sie Schwingungen bei der Übertragung dämpfen und außerdem als Überlastschutz dienen.

    • Wichtig ist eine reibschlüssige Übertragung der Umfangskraft, um Gleitschlupf und eine Schädigung des Antriebsmittels zu vermeiden.

    • Durch eine entsprechend vorgeschriebene Vorspannkraft, die bei nicht wartungsfreien Antriebssystemen durch Spannvorrichtungen einstellbar ist, kann das verhindert werden.

    • In Abhängigkeit von ihrer Materialbeschaffenheit und Bauart müssen zum Beispiel Keilriemen regelmäßig auf Vorspannung und Schädigung kontrolliert und rechtzeitig ausgetauscht werden, um so Maschinenausfälle zu vermeiden.

    • Auch der Kontakt mit Ölen und Fetten und zu hohen Umgebungstemperaturen kann die Lebensdauer von Antriebsriemen verringern und ist deshalb zu vermeiden.

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    Besonders Antriebsriemen mit Dehnverhalten sind deshalb regelmäßig auf ihre Vorspannung zu kontrollieren.

    • Synchronriemen (Zahnriemen), die auch in der KFZ-Technik zur Ventilsteuerung eingesetzt werden, übertragen das Drehmoment formschlüssig und besitzen nur ein geringes Dehnverhalten.

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      Synchronriemen gelten deshalb als wartungsfrei.

13. Welche Schädigungen können an Kettengetrieben auftreten?

Die Lebensdauer einer Kette wird begrenzt durch

  • normalen Verschleiß aufgrund von Reibung

  • ihre maximal ertragbare Verschleißlängung

  • ungenügende Schmierung

  • Verschmutzung

  • Stoß- und Schwingungsbeanspruchung.

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Bei Kettengetrieben kommt es während des Betriebes vor allem auf den Schutz vor Verschmutzung und eine ausreichende Schmierung an.

Der mechanische Verschleiß von Kettenantrieben ist erheblich geringer, wenn sie im Getriebegehäuse geschützt untergebracht sind und ständig vom Getriebeöl geschmiert werden.