Um Instandhaltungseinsätze möglichst effizient zu gestalten, existieren in der aktuellen Forschung verschiedene Ansätze.
Der Trend zur möglichst guten Prognose von benötigen Instandhaltungstätigkeiten ist dabei ungebrochen. Um eine möglichst realistische Prognose zu generieren, sind vor allem auch die Belastungen, welchen eine Maschine in der Produktion ausgesetzt ist, mit in die Prognose zu integrieren. Hierbei ist es entscheidend, die jeweiligen relevanten Belastungsarten zu berücksichtigen und in die Betrachtung zu integrieren.
Ziel der wissenschaftlichen Arbeit ist, mittels einer Literaturrecherche die verschiedenen bestehenden Belastungsarten der Maschinen und Werkzeuge zu identifizieren und die entsprechenden Lebensdauer-Last-Beziehungen zu ermitteln. Die Belastungsarten werden den Industriezweigen zugeordnet, in welchen sie besondere Relevanz haben.
Um eine möglichst realistische Prognose der Lebensdauer von Maschinen und Werkzeugen erstellen zu können, wird ein Überblick der Belastungsarten nach Industriezweigen und der Gesamtheit aller existierenden Lebensdauer-Last-Beziehungen erarbeitet.
Abstract
Current research suggests various approaches to carrying out maintenance operations as efficiently as possible.
However, there is an unbroken trend towards assessing as accurately as possible which maintenance operations will be required. To make the most realistic evaluation possible, it is particularly important to consider the loads to which a machine is exposed in production. It is crucial to take into account all the relevant stress factors and to integrate these into the assessment.
The purpose of the research is to identify the various types of loads on machines and tools, by means of scientific literature, and to determine the appropriate load-life relationships. Load types are allocated to the industries in which they are particularly relevant.
In order to make the best possible forecasts for the life of machinery and tools, an overview is prepared of stress types according to industry and all existing load-life relationships as a whole.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen
2.1 Zuverlässigkeit
2.2 Weibull-Analyse
2.2.1 Weibull-Verteilung
2.2.2 Zuverlässigkeitsanalyse
2.3 Lebensdauer-Last-Beziehungen
3 Lebensdauer-Last-Beziehungen im Detail
3.1 Arrhenius-Beziehung
3.2 Eyring-Beziehungen
3.2.1 Allgemeine Form
3.2.2 Vereinfachte Form für Temperatur oder Feuchte
3.2.3 „Inverse Power Law“ und exponentielles Modell für Spannung
3.2.4 Temperatur-Spannung-Modelle
3.2.5 Elektromigrationsmodell
3.2.6 Temperatur-Feuchte-Modell
3.2.7 Three-Stress-Modell
3.2.8 Modell für Bruch von Festkörper unter Zugbelastung
3.2.9 Modell für Korrosion von Aluminium und Aluminiumlegierungen
3.2.10Modell für HCI-Effekt bei MOSFETs
3.3 Inverse Power Law - Beziehungen
3.3.1 Allgemeine Form
3.3.2 Modell für Lebensdauer von Wälzlager
3.3.3 Coffin-Manson-Modell
3.3.4 Modifiziertes Coffin-Manson-Modell
3.4 Modelle für multi- und zeitvariable Belastungen
3.4.1 Proportional-Hazard-Modell
3.4.2 General-Log-Linear-Modell
3.4.3 Step-Stress-Methode, Cumulative-Damage-Modell
3.5 Taylor-Werkzeuglebensdauermodell
3.5.1 Allgemeine Form
3.5.2 Erweiterte allgemeine Form
3.5.3 Erweiterte Form mit Berücksichtigung der Werkstoffhärte
3.5.4 Abhängigkeit der Taylor-Konstante von der Geometrie des Schneidewerkzeugs
3.5.5 Weitere auf Taylor-Formel basierende Werkzeuglebensdauermodelle
3.6 Abhängigkeit der Werkzeuglebensdauer von Temperatur
3.7 Werkzeuglebensdauermodelle bei Trockenbearbeitung und Minimalmengenschmierung
3.7.1 Werkzeuglebensdauermodell bei Trockenbearbeitung
3.7.2 Werkzeuglebensdauermodell bei Minimalmengenschmierung
3.8 Werkzeuglebensdauermodell für CBN- und PKD-Werkzeuge
4 Lebensdauer-Last-Beziehungen im Überblick
5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel der Arbeit ist es, mittels einer fundierten Literaturrecherche bestehende Belastungsarten von Maschinen und Werkzeugen zu identifizieren und die dazugehörigen Lebensdauer-Last-Beziehungen zu ermitteln, um diese Erkenntnisse für eine genauere Prognose der Lebensdauer in der Instandhaltungsplanung nutzbar zu machen.
- Identifikation und Kategorisierung relevanter Belastungsarten in Industriezweigen.
- Systematische Zusammenstellung physikalischer und empirischer Lebensdauer-Last-Modelle.
- Analyse der Einflüsse von Temperatur, Feuchte, Spannung und mechanischen Lasten.
- Untersuchung spezieller Werkzeuglebensdauermodelle für die Zerspanung.
- Erarbeitung eines anwendungsbereiten Überblicks für Instandhaltungsstrategien.
Auszug aus dem Buch
3.1 Arrhenius-Beziehung
Die Arrhenius-Beziehung ist ein weit verbreitetes und bekanntes Ausfallmodell. Ursprünglich wurde sie zur Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit bei chemischen Prozessen in Abhängigkeit von der Temperatur benutzt. Es wird angenommen, dass ein Produkt versagt, wenn eine in seinem Inneren stattfindende Reaktion oder Diffusion ein kritisches Maß erreicht [Nel-04].
Unter Annahme, dass die Zeit bis zum Ausfall umgekehrt proportional zur Reaktionsgeschwindigkeit ist, hat die Arrhenius-Beziehung die Form [Nel-04; ReliaSoft-13]:
tf = A0 exp(Ea / kT)
mit
tf = Zeit bis zum Ausfall [s]
A0 = Materialkonstante
k = Boltzmannkonstante k = 8,617·10-5 eV/K
Ea = Aktivierungsenergie [eV]
T = absolute Temperatur [K]
Die Aktivierungsenergie Ea ist vom Ausfallmechanismus und verwendeten Werkstoff abhängig, die Werte liegen zwischen 0,3 und 1,5 oder höher.
Die Gleichung (Formel 3-1) lässt sich durch Logarithmieren als Geradengleichung darstellen:
ln(tf) = ln A0 + Ea / kT
Abbildung 3.1 zeigt ein beispielhaftes Arrhenius-Weibull-Modell, dargestellt auf einem sogenannten Arrhenius-Papier.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Herausforderungen bei der Nutzung von Produktionsanlagen, die Notwendigkeit präziser Instandhaltungsplanung und die Problematik unzureichender Datenbasis für Lebensdauerprognosen.
2 Grundlagen: Führt in die Zuverlässigkeitstheorie, die Weibull-Analyse zur Ausfallbewertung sowie in die theoretischen Aspekte der Lebensdauer-Last-Beziehungen ein.
3 Lebensdauer-Last-Beziehungen im Detail: Detaillierte Darstellung verschiedener mathematischer Modelle wie Arrhenius, Eyring, Inverse Power Law sowie spezialisierter Modelle für die Werkzeuglebensdauer in der Zerspanung.
4 Lebensdauer-Last-Beziehungen im Überblick: Liefert eine tabellarische Zusammenfassung der identifizierten Beziehungen, unterteilt nach Einsatzbereichen in der Elektroindustrie und dem Maschinenbau.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Resümiert die Ergebnisse der Literaturrecherche und gibt einen Ausblick auf die künftige Integration belastungsabhängiger Daten in Instandhaltungsmethoden.
Schlüsselwörter
Prädiktive Instandhaltung, Lebensdauer, Last-Beziehungen, Zuverlässigkeit, Weibull-Analyse, Arrhenius-Modell, Eyring-Modell, Inverse Power Law, Werkzeugstandzeit, Zerspanung, Verschleiß, Belastungsarten, Lebensdauerprognose, Instandhaltungsplanung, Ausfallrate
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Identifizierung und systematischen Darstellung von Lebensdauer-Last-Beziehungen für Maschinen und Werkzeuge, um Instandhaltungseinsätze effizienter zu gestalten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Zuverlässigkeitstechnik, die rechnerische Bestimmung von Lebensdauer unter variierenden Lasten sowie spezifische Modelle für Schneidewerkzeuge in der spanenden Fertigung.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Das primäre Ziel ist es, durch die Analyse der Literatur bestehende Modelle zur Lebensdauerberechnung zu sammeln und für verschiedene Industriezweige zugänglich zu machen, um Prognosen realistischer zu gestalten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wurde eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die Standardwerke, Normen und wissenschaftliche Publikationen auswertet, um bestehende mathematische Lebensdauer-Modelle systematisch zu identifizieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der detaillierten Beschreibung einzelner Lebensdauer-Last-Modelle, von physikalisch begründeten Modellen wie Arrhenius bis zu empirischen Ansätzen für die Werkzeugstandzeit.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Schlüsselbegriffe sind unter anderem Zuverlässigkeit, Lebensdauer-Last-Beziehungen, Weibull-Analyse, Werkzeugstandzeit und prädiktive Instandhaltung.
Wie unterscheidet sich die Standzeit von der allgemeinen Lebensdauer?
In der spanenden Industrie wird der Begriff Standzeit verwendet, welcher die Zeitdauer definiert, während der ein Schneidewerkzeug zwischen zwei Anschliffen arbeitsfähig bleibt.
Was ist das Besondere am Taylor-Werkzeuglebensdauermodell?
Das Taylor-Modell beschreibt die Abhängigkeit der Standzeit von der Schnittgeschwindigkeit und gilt als eine der fundamentalen Grundlagen für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in der Zerspanung.
Warum sind moderne Modelle für die Trockenbearbeitung notwendig?
Da Trends zu Nachhaltigkeit und strengere Umweltschutzrichtlinien den Verzicht auf Kühlschmierstoffe fordern, sind neue Modelle erforderlich, die die veränderten Abnutzungsmechanismen bei Trockenbearbeitung berücksichtigen.
- Arbeit zitieren
- Alexander Breitberg (Autor:in), 2013, Prädiktive Instandhaltung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/232434
