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Schäden an verfahrenstechnischen Anlagen

01. Wie werden Genauigkeitsprüfungen an Werkzeugmaschinen durchgeführt?

Die Bewertung und Abnahme von Werkzeugmaschinen erfolgt nach einheitlichen Verfahren. Normen und Richtlinien können durch Vereinbarungen zwischen Hersteller und Käufer ergänzt werden. Sie werden mithilfe folgender Prüfverfahren beurteilt (vgl. 9. Qualitätsmanagement):

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Die Prüfverfahren dienen unter anderem zur Feststellung der

  • statischen Steifigkeit

  • Schnittgeschwindigkeit

  • Umkehrspanne

  • Bahnabweichung

  • Antriebsdynamik

  • Maß-/Winkelabweichung.

Diese Überprüfung eignet sich insbesondere für Sondermaschinen, bei denen die zu bearbeitenden Teile für die jeweilige Maschine festgelegt sind.

Alle Ergebnisse, zusammen mit den Bearbeitungsbedingungen, werden in Messprotokollen festgehalten, beim Versand der Maschine beigefügt und dienen als Nachweis für die mit der Maschine erreichbare Arbeitsgenauigkeit.

Zur Feststellung des Zustandes können diese Prüfverfahren auch für die Instandhaltung und die Neu-Instandsetzung dienen.

Maschinen in komplexen Anlagen werden unter Produktionsbedingungen untersucht und unter realen Bedingungen (Personal, Arbeitsumfeld, Material, Methoden) so eingesetzt, dass eine hohe Qualität für eine möglichst große Stückzahl erreicht wird. Schwachstellen sollen dabei möglichst vor Schadenseintritt erkannt und beseitigt werden.

02. Welche möglichen Ursachen von Anlagenausfällen lassen sich unterscheiden?

In Anlehnung an E. H. Hartmann (Entwicklung einer Instandhaltungsstrategie mithilfe von Benchmarking, 1998) lassen sich mithilfe des Ishikawa-Diagramms folgende Ursachen darstellen:

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03. Welche Faktoren beeinflussen den Ausfall von Ausrüstungen? Welche Folgen können sich daraus ergeben?

Wie alle verfahrenstechnischen Anlagen unterliegen auch Ausrüstungen dem Einfluss der Betriebsbedingungen. Diese haben Auswirkungen auf die Funktion und die Leistungserwartung sowie auf die Art der Störung (z. B. Häufigkeit des Auftretens und notwendige Instandhaltungsmaßnahmen).

Die Ausfallfolgen hängen weiterhin von der Art der Anlage ab:

  • Verkettete Anlagen:

    → Hier ist bei Störungen einer Maschine die gesamte Anlage betroffen.

  • Nicht verkettete Anlagen:

    → Bei Störungen fällt nur die betreffende Maschine aus.

  • Vorhandene Alternativanlagen:

    → Ausweichmöglichkeit aber auch Redundanz von Anlagen.

  • Keine Alternativanlage vorhanden:

    → Keine Ausweichmöglichkeit beim Stillstand der Anlage.

04. Welche Bedeutung hat die Konstruktion für die technische Verfügbarkeit von verfahrenstechnischen Anlagen?

Konstruktive Verbesserungen an modernen Maschinen, wie zum Beispiel die Vereinfachung der Konstruktion, der Einsatz digitalgeregelter Antriebe oder verbesserte Werkstoffe, lassen die Maschinen zuverlässiger werden.

Der Hersteller bestimmt entscheidend die Gebrauchswerteigenschaften einer Anlage einschließlich ihrer Baugruppen und Bauelemente.

Die Gebrauchswerteigenschaften wirken über die gesamte Nutzungsdauer und entscheiden über den Umfang der Instandhaltungsleistungen sowie die Verfügbarkeit.

05. Welche Maßnahmen können die Anzahl der Störungen vermindern und die Lebensdauer von Baugruppen und Bauelementen erhöhen?

  1. Instandhaltungsarme Konstruktion:

    → Verlängerung der mittleren Funktionsdauer durch abnutzungsmindernde und beanspruchungsgerechte Konstruktion, z. B. Wahl der Materialart in Bezug auf

    • Beanspruchung

    • Schmierung

    • Oberflächenbeschaffenheit

    • Korrosionsschutz.

  2. Instandhaltungsgerechte Konstruktion:

    → Verbesserung des technologischen Prozesses, z. B.

    • Vermeidung von Verschmutzungen

    • Reinigung und Aufbereitung von Grund- und Hilfsstoffen.

Beides wird durch eine produkt- und einsatzspezifische Konstruktion erreicht, die alle Instandhaltungsmaßnahmen in kürzester Zeit mit geringstem Aufwand zulässt. Zusätzliche Herstellungskosten sind nur dann sinnvoll, wenn sie durch Einsparungen bei den Instandhaltungskosten ausgeglichen werden können.

06. Wie können Störungen und Ausfälle verfahrenstechnischer Anlagen während ihres Einsatzes vermindert werden?

Für die Einhaltung der geforderten Zuverlässigkeit bei minimalen Kosten ist die Wahl des richtigen Instandhaltungskonzepts von entscheidender Bedeutung. Es basiert auf einer umfangreichen Analyse der relevanten Faktoren:

  • Arbeitszeitvereinbarungen

  • Materialpuffer zwischen den Anlagen

  • Qualitäts-, Umwelt- und Sicherheitsnormen

  • Instandsetzungszeiten

  • Verkettung der Anlagen.

Das Ergebnis der Analyse bestimmt die Wahl der jeweils anzuwendenden, optimalen Instandhaltungsstrategie, z. B.:

  • Ausfallbehebung

  • zeitgesteuerte, periodische Instandhaltung

  • zustandsabhängige Instandhaltung

  • vorausschauende Instandhaltung.

Beispielsweise brauchen Maschinen und Anlagen, deren Ausfallkosten lediglich die Instandsetzungskosten umfassen, nicht vorbeugend instandgehalten zu werden. Sind verkettete Maschinen und Anlagen dagegen von Ausfällen und Stillstand betroffen oder sind sie gar zu einem Umwelt- und Sicherheitsrisiko geworden, so können sie nur individuell vorbeugend oder zustandsorientiert wirtschaftlich instandgehalten werden.

07. Wie können Schädigungen und ein möglicher Ausfall durch Überbeanspruchung verhindert werden?

Eine Versagenswahrscheinlichkeit, das heißt, der mögliche Eintritt eines Schadens, ist in der Technik immer gegeben. Durch eine SchadensanalyseNach VDI-Richtlinie 3822 – Schadensuntersuchung und Ableitung der Maßnahmen für Schadensabhilfe und gegebenenfalls Ableitung allgemeiner Maßnahmen zur Schadensverhütung. kann das Schadensbild Aufschluss auf mögliche Ursachen geben.

Zum Beispiel kann der äußere Zustand eines beschädigten Bauteils oder Werkstoffs folgende Erkenntnisse liefern:

  1. Makroskopisches Bruchbild:

    • spröder oder zäher Gewaltbruch

    • Dauerbruch.

  2. Äußere Verfärbungen:

    • Anlassfarben durch thermische Schädigungen

    • Oxid- und Zunderschichten

    • Korrosion.

Die Ermittlung der zeitlich zuerst aufgetretenen Schadensursache ist immer Voraussetzung für eine zukünftige Schadensvermeidung; Beispiele:

  • Mechanische Beeinträchtigung

  • thermische Schädigung

  • Korrosion

  • tribologische Schädigung.

08. Welche Beanspruchungen können die Ursache von Schädigungen sein?

Ursachen von Schädigungen – Beispiele
1Statische, dynamisch schwellende Beanspruchung über die Werkstoffkennwerte (Festigkeit, Zähigkeit, Streckgrenze) hinaus.
Beispiele: Gewaltbruch, Dauerbruch
2Materialfehler, Behandlungsfehler
Beispiele: Wärmebehandlung, Schweißen, Veredelung, Galvanik, Härterei, Lackiererei, Wasserstoffversprödung, Härterisse, chemisch-thermische Randschichten.
3Versagen während des Betriebes durch Überlast infolge von Konstruktionsfehlern; Überlagerung der Belastung durch Zusatzbeanspruchung.
4Verminderung der Festigkeit des Werkstoffs während des Betriebs.
Beispiele: Alterung (Verspröden), Korrosion, Kriechen.

09. In welchen Schritten kann man eine Schadensanalyse durchführen?

  1. Beurteilung und Klassifizierung des Schadens

  2. Ermittlung der Schadensursache

  3. Schlussfolgerung zur Vermeidung von Wiederholungen des Schadens

10. Welche Untersuchungen können im Rahmen einer Schadensanalyse durchgeführt werden?

  1. Werkstoffuntersuchungen an Bauteilen und Materialien:

    • Ermittlung von Herstellungsfehlern im Rohmaterial:

      • Schmiedefehler

      • Gießfehler

      • Mischungsverhältnis von Kunststoff und Füllstoff

      • Umform- und Schweißfehler

    • Chemische Zusammensetzungen

    • Gefügezusammensetzungen, Bruchbild:

      Hinweis: Vorteilhafter ist die Anwendung zerstörungsfreier oder zerstörungsarmer Prüfverfahren, z. B. Röntgen, Ultraschall, Eigenspannungsmessungen, Härteprüfungen, spektroskopische Analyse der chemischen Zusammensetzung

    • Mechanisch-technologische Prüfungen.

  2. Untersuchung der konstruktiven Gestaltung von Maschinen und Anlagen, z. B.:

    • Materialauswahl

    • Werkstoffpaarung

    • Konstruktionsvorgaben.

  3. Untersuchung der Umgebungseinflüsse zum Zeitpunkt des Schadens, z. B.:

    • Temperatur

    • Bewegungsabläufe

    • Medien

    • andere Schadensbegünstigungen.

  4. Untersuchungen auf Einhaltung der Technischen Regelwerke und Gesetze

  5. Erkenntnisse aufgrund von Simulationsrechnungen/Versuchen, Literaturvergleiche, Auswertung der Schadenskataloge (VDI, Versicherungen), Simulation der Schadensbedingungen am Rechner.