Zuverlässigkeitsprüfungen werden vor allem in der Produktion eingesetzt. Der Beitrag stellt wichtige Methoden und Modelle vor und beschreibt die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der Zuverlässigkeitsprüfung.

In diesem Beitrag erfahren Sie:

• welche Aufgabenstellungen bei der Zuverlässigkeitsprüfung anfallen,
• welche Kenngrößen und Kennfunktionen der technischen Zuverlässigkeit es gibt,
• wie Verteilungsfunktionen erstellt werden,
• eine Einführung in die Zuverlässigkeitsplanung.

Einführung und Grundlagen

Grundbegriffe der Zuverlässigkeitsprüfung

Zuverlässigkeit eines Objekts

Nach [1; 2] heißt es sinngemäß:

Zuverlässigkeit ist der Teil der Qualität, der durch die Gesamtheit derjenigen Merkmale und Merkmalswerte einer Einheit gekennzeichnet ist, welche sich auf die Eignung zur Erfüllung festgelegter oder vorausgesetzter Anforderungen während oder nach vorgegebener Anwendungsdauer beziehen.

Man erkennt daraus:

• Die Zuverlässigkeit bezieht sich auf eine Einheit, ein Objekt. Dieses Objekt kann ein Bauteil oder Bauelement, eine Baugruppe, ein Gerät, eine Maschine oder Anlage sein. Setzt sich das Objekt aus mehreren Elementen Bauteilen zusammen, wird es auch als System abgegrenzte Gesamtheit bezeichnet. Üblicherweise ist das zu untersuchende Objekt ein Produkt. In gleicher Weise kann aber auch die Zuverlässigkeit von Fertigungseinrichtungen Maschinen oder Anlagen untersucht werden, die dann das betrachtete Objekt darstellen.

• Die Zuverlässigkeit ist ein komplexes Qualitätsmerkmal und durch Merkmalswerte charakterisiert. Fast immer interessieren dabei diejenigen Merkmale und Anforderungen, die die Hauptfunktion des Objektes beschreiben.

• Die Zuverlässigkeit ist immer an einen vorgegebenen Zeitraum gebunden. Es ist offensichtlich, dass jedes Gerät bei genügend langer Betriebszeit irgendwann einmal ausfallen wird. Für einen großen Zeitraum hat also jedes System die Ausfallwahrscheinlichkeit 1, das heißt die Zuverlässigkeit 0.

• Der Ausfall eines Systems ist ein wichtiges, aber nicht das alleinige Kriterium der Zuverlässigkeit. Weitere Kriterien sind: Langlebigkeit, Reparaturtauglichkeit, Lager- und Transporteignung.

• Mit den Anforderungen müssen auch die Funktions- und Umgebungsbedingungen, unter denen das System verwendet oder arbeiten soll, definiert sein. So können der Funktionsbereich Belastung eingeschränkt und besondere Bedingungen hinsichtlich des Umfeldes Temperatur, Feuchtigkeit, Stoß, elektromagnetische Felder usw. postuliert werden.

Der wesentliche Einfluss des Zeitfaktors hat auch zu folgender groben Definition geführt: Zuverlässigkeit ist Qualität auf Zeit.

Qualitätsmerkmale, die die Zuverlässigkeit wesentlich mitbestimmen, sind solche, die einem Zeiteinfluss unterliegen.

Bei den Materialkenngrößen sind das beispielsweise die Langzeitfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, Stellung in der Spannungsreihe Korrosionsbeständigkeit, Temperaturalterung, Verschleißfestigkeit, Zerrüttung durch Vibrationen u.a.

Geometrische Einflussgrößen können sein Oberflächenrauheit, Kerben und Querschnittsübergänge, Fugen, Taschen, Hinterschnitte Korrosionsförderung.

Konstruktive Einflussgrößen sind Kraftumlenkungen, Schwingungssteifigkeit, redundante Bauelemente Parallelschaltung.

Die Arbeiten zur Gewährleistung einer hohen Zuverlässigkeit erstrecken sich demnach über alle Phasen, von der Produktentwicklung bis zur Anwendung. Ihr Schwerpunkt liegt bei Produkten, die sich aus vielen Komponenten zusammensetzen und deren Funktionalität aus Gründen der Sicherheit oder Wirtschaftlichkeit gewährleistet sein muss. Eine Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Systems führt im Allgemeinen zu einer Senkung der Instandhaltungskosten.

Ausfall eines Objekts

Der Ausfall eines Objekts ist der Verlust der Fähigkeit, bei Einhaltung spezifischer Bedingungen, die geforderte Funktion zu erfüllen. Dabei muss der Verlust zur Funktionsfähigkeit klar definiert sein.

Ausfälle werden nach Art, Ursache und Wirkung unterschieden [4]:

Nach der Art in

• Sprungausfall plötzlicher Eintritt: Kurzschluss, Unterbrechung, Funktionsfehler elektr./elektron.; Bruch, Fressen, Platzen mech.

• Driftausfall nach kontinuierlichem Prozess: Strukturumwandlung, Oxydation elektr./elektron.; Verschleiß, Korrosion mech.

• intermittierenden Ausfall: Aufladung, Korrosion elektr./elektron.; Strukturumwandlung, thermische Effekte mech.

In Abbildung 1 sind diese Ausfallarten dargestellt.

nach der Ursache in

• Anwendungsfehlerausfall: Entwicklungsfehler, Fertigungsfehler, Handhabungs- oder Bedienungsfehler

• inhärenten Ausfall:Materialfehler

• Verschleißausfall

• Primärausfall

• Folgeausfall als Folge eines Ausfalls an anderer Stelle

Nach der Auswirkung in

• keine Auswirkung

• Teilausfall

• Vollausfall

• überkritischer Ausfall die Sicherheit ist nicht mehr gewährleistet

Instandhaltbarkeit

Die Instandhaltbarkeit ist eine Eigenschaft eines Objekts. Diese Eigenschaft muss bereits in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase in das Objekt eingeprägt werden. Sie wird ausgedrückt durch die Wahrscheinlichkeit, dass der Zeitaufwand für eine Reparatur beziehungsweise eine Wartung kleiner als ein vorgegebener Zeitraum ist, wenn die Instandhaltung unter definierten materiellen und personellen Bedingungen erfolgt. Die Instandhaltung umfasst die Wartung periodische Arbeiten zur Kontrolle und Entdeckung verborgener Ausfälle sowie zur Vermeidung von Drift- und Verschleißausfällen und die Instandsetzung Arbeiten zur Lokalisierung und Behebung eines Ausfalls.

Die Instandhaltbarkeit ist auch eine wirtschaftliche Größe unter Einbezug der Verfügbarkeit des Objekts und der Instandhaltungskosten.

Verfügbarkeit

Die Verfügbarkeit eines Objektes wird vor allem durch seine Zuverlässigkeit und seine Instandhaltbarkeit bestimmt. Sie wird aber auch von menschlichen Faktoren schnelles Erkennen und Beheben von Ausfällen und der logistischen Unterstützung Instandhaltungskonzept, Ersatzteilbereitstellung beeinflusst.

Die wichtigsten Kenngrößen sind die absolute Verfügbarkeit in Stunden/Jahr oder in Prozent, wie sie für vergangene Perioden ermittelt wurde, und die durchschnittliche Verfügbarkeit, aus mehreren vergangenen Perioden ermittelt, die für Prognosen und Kalkulationen benutzt wird.

Sicherheit

Die Sicherheit ist die Eigenschaft eines Objektes, keine Gefahr für Menschen, Sachen oder die Umwelt darzustellen. Man unterscheidet die Unfallverhütung als den Teil der Sicherheit, der gilt, wenn das Objekt korrekt funktioniert und betrieben wird und die technische Sicherheit, die sich auf den Ausfall oder Teilausfall eines Objektes bezieht. Die technische Sicherheit wird mit den Methoden der Zuverlässigkeitstheorie untersucht, wobei auch von außen wirkende Einflüsse Katastrophen, Sabotage usw. mit einbezogen werden. Der Unterschied zwischen Zuverlässigkeit und technischer Sicherheit besteht darin, dass die Zuverlässigkeit lediglich den Ausfall betrachtet, während bei der technischen Sicherheit auch die Möglichkeiten einbezogen werden, bei Ausfall das System in einen sicheren Zustand zu bringen, von dem keine Gefahren ausgehen.

Redundanz

Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Redundanz eine Wiederholung oder Doppelung, die durch Überschneidung mehrerer Vorgänge entsteht. Im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeitstheo-rie ist die Redundanz ein zusätzliches Mittel oder eine Möglichkeit, die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Bei einer strukturellen Redundanz sieht man im System zusätzliche redundante Strukturelemente vor, die die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöhen. Ein einfaches Beispiel hierfür sind zwei parallel geschaltete Rohrleitungen wobei jede davon die Funktion voll erfüllen würde, wobei im Ausfall einer Leitung sofort auf die Parallelleitung umgeschaltet werden kann.

Bei einer zeitlichen Redundanz wird zum gleichen Zwecke eine redundante Zeitdauer Reservezeit vorgesehen.