Produktlebensdauer bei Festo · MTBF Mean Time Between Failure beschreibt die Zeit zwischen zwei Ausfällen bei reparablen Produk-ten und konstanter Ausfallrate. MTTF + MTTR = MTBF

Produktlebensdauer bei Festo

2

Inhaltsverzeichnis

Lebensdauerkennwerte S. 4

Versuchs bedinungen S. 8

B10 -Wert S. 12

MTTF-Wert S. 14

Nominelle Lebensdauer S. 16

Sicherheitstechnik S. 18

Total Productive Maintenance S. 20

Weierführende Literatur S. 22

3

Survivaltraining für Produkte von Festo – Qualität für ein langes ArbeitslebenFesto unterzieht alle Produkt-reihen, die das Haus verlassen, umfassenden Funktions- und Lebensdauertests.Diese Tests laufen sowohl in der Entwicklungsphase als auch in den meisten Phasen des Pro-duktlebenszyklus.Dadurch können wir unsere Produkte stetig optimieren – für längere Lebensdauer, mehr Wirtschaftlichkeit und höhere Zuverläsigkeit.

Die Lebensdauerkennwerte aus den Tests sind ein zentraler Punkt für die präventive Instandhaltung und die Bewertung von Sicher-heitsfunktionen. Und sie bestäti-gen ein offenes Geheimnis: Produkte von Festo sind der Maßstab für Qualität.

Wir überlassen nichts dem Zufall.Wir testen für ein langes Leben.Wir lernen permanent aus den Prüfergebnissen.

Qualität beweist sich dort, wo das richtige Produkt am richtigen Platz ist. Dafür erhalten Sie kom-petente Fach- und Branchenbera-tung durch mehr als 1000 Ver-triebsingenieure und Projektbe-rater von Festo.

Im Dialog mit Ihnen als Kunden erreichen unsere Experten, dass die Eigenschaften unserer Pro-dukte und Lösungen exakt auf die jeweiligen Branchen zuge-schnitten sind.

Damit eines sicher ist: Erstklassige Qualität für mehr Rentabilität und Zuver läsigkeit kommt von Festo.

4

Lebensdauerkenn-werte

Versuchs-bedinungen

B10 -Wert MTTF-Wert Nominelle Lebensdauer

Sicherheits technik

1𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

= �1

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑖𝑖

𝑁𝑁

𝑖𝑖=1

= �𝑛𝑛𝑗𝑗

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑗𝑗

𝑁𝑁

𝑗𝑗=1

Ermittlung nach Parts Count VerfahrenEN/IEC 61709 bzw. SN 29500

Ausfallverhalten elektronischer Komponenten

MTTF

Frühausfälle: Zufalls-ausfälle:(Stabiler Zustand)

Lebensdauer t

Kurvenverlauf bei elektronischen Bauteilen

Ausf

allra

te λ

Verschiedene Kennwerte und ihr ZusammenhangDie Lebensdauer eines Produktes ist für fast alle Branchen von Bedeutung. Die Angaben der Lebensdauer jedoch sind techno-logiebezogen. Bei Produkten mit mechanischem Verschleiß wer-den diese in Form von Schaltzyk-len oder Laufl eistung, bei elekt-ronischen Produkten in Form von Betriebsstunden oder Jahren angegeben.Bei Festo kommen alle Arten von Lebensdauerangaben vor, gleich, ob sich diese auf mechanische und pneumatische Komponenten oder die Lebensdauer von elekt-ronischen Bauteilen beziehen.

1) nach DIN EN 13849-12) Bei den MTBF-Werten gibt es eine Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren,

die Festo nicht beeinfl ussen kann. Dazu gehört beispielweise die Art des Ein-baus. Deshalb kann Festo diesen Wert nicht angeben.

Elektronische Produkte: aus mathematischen BerechnungenW

irts

chaf

tlic

hkei

tSi

cher

heit

Bestimmung der Kennwerte

Elektronische Komponenten

Berechnungen:Werte zeitabhängig

Umrechnung nach EN 62061

Ermitlung aus Bauteil-datenbanken

MTTF

+

MTTR=MTBF2)

MTTFd

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀1) = 𝐵𝐵10

0,1 × 𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑1) =

𝐵𝐵10𝑑𝑑0,1 × 𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜

Total Productive Maintenance

λ = 1

5

Weibull

Verschleißausfälle:

λ = const.

λ ≠ const.

Kurvenverlauf bei pneumatischen Bauteilen

Mechanische Produkte: aus Langzeit untersuchungen

Elektronische Produkte: aus mathematischen Berechnungen


Mechanische Komponenten

Lebensdauerversuche:Werte verschleiß-abhängig

Mindestens 7 Prüfl inge

B10d

Mittlere Lebensdauer

B10





W

irts

chaf

tlic

hkei

tSi

cher

heit

Übe

rleb

ensw

ahrs

chei

nlic

hkei

t F(t

) [%

]

Ausf

allw

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chei

nlic

hkei

t F(t

) [%

]

Ausfallverhalten mechanischer Komponenten

Lebensdauer [Mio. Schaltspiele]

1

9897

95

90

99,9

99,8

99,5

99

80

7060

40

2010

99,7

Lebensdauergerade

T-Wert

2,5 3 4 5 6 7 8 9 101 15 20 25

1

23

5

0,1

0,20,3

0,5

10

20

3040

60

8090

99 λ > 1

x

x x

xx x

x

B10 -Wert

6

MTTFMean Time To Failure ist der sta-tistische Wert der mittleren Zeit bis zum Ausfall mit einer Wahr-scheinlichkeit von 63 %. Dieser Wert kann für elektronische Pro-dukte meist auf Basis der Bau-teildaten (konstante Ausfallrate) errechnet werden. Die Angabe erfolgt üblicherweise in Jahren.

MTTFd

Mean Time To Failure „dangrous“ ist die mittlere Zeit bis zu einem gefahrbringenden Ausfall. Mit der oben genannten Beschrei-bung des gefährlichen Ausfalls wird angenommen:MTTFd = 2 x MTTF

MTTRMean Time To Repair ist die mitt-lere Zeit zur Wiederherstellung nach einem Ausfall eines Sys-tems.

MTBFMean Time Between Failure beschreibt die Zeit zwischen zwei Ausfällen bei reparablen Produk-ten und konstanter Ausfallrate.MTTF + MTTR = MTBF

λ(t)/AusfallrateDie Ausfallrate λ(t) ist ein Maß für das Risiko eines Teiles zum Zeitpunkt t. Unter der Vorauszet-zung, dass es bis zu diesem Zeit-punkt funktioniert.

Elektronische Produkte


Versuchs-bedinungen


Sicherheits technik Total Productive Maintenance


Wir

tsch

aftl

ichk

eit

Sich

erhe

it


Elektronische

Komponenten

Berechnungen:Werte zeitabhängig

Umrechnung nach EN 62061

Ermitlung aus Bauteil-datenbanken

MTTF

+

MTTR=MTBF2)

MTTFd





7

Mechanische Produkte

Die mittlere LebensdauerDiese wird für alle Größen und Varianten einer Baureihe angege-ben und ist ein spezifi scher Wert von Festo. Grundlage für die Ermittlung der mittleren Lebens-dauer sind sämtliche Langzeitun-tersuchungen.

B10 -WertStatistischer Erwartungswert der Anzahl von Zyklen, bei dem 10 % der Bauteile, die für den Versuch defi nierten Grenzwerte (Schalt-zeit, Leckage Schaltdruck …) unter defi nierten Bedingungen überschritten haben. Im Umkehr-schluss ist dies auch die Wahr-scheinlichkeit, dass 9o % der Prüfl inge die angegebene Lebensdauer B10 erreichen.

B10d

Nach ISO 13849-1 beschreibt der B10d -Wert die mittlere Anzahl von Zyklen, bis 10 % der Bauteile gefährlich ausgefallen sind. Lie-gen keine weiteren Kenntnisse über die Ausfallarten vor, so empfi ehlt der Normensetzer fol-gende Annahme: B10d = 2 x B10

Festo gibt derzeit üblicherweise B10 -Werte an.

b-Wert/FormparameterParameter der Weibull-Vertei-lung. Der b-Wert beschreibt die Art der Ausfälle. Es kann zwschen Frühausfällen (b < 1), Zufallsaus-fällen (b = 1; entspricht Exponen-tialverteilung) und Verschleiß-ausfällen (b > 1) unterschieden werden.

T-Wert/Charakteristische LebensdauerDie charakteristische Lebens-dauer T ist die Zeit, bis zu der 63 % der Prüfl inge ausgefallen sind.

WeibullDie Weibullanalyse ist die klassi-sche Zuverlässigkeitsanalyse für Produkte mit mechanischem Ver-schleiß (keine konstante Ausfall-rate).Aus dem Weibull-Netz lassen sich Lebensdauerkennwerte mit den zugehörigen Ausfallwahrschein-lichkeiten wie z.B. die charakte-ristische Lebensdauer T, der B10 -Wert sowie die Steigung der Lebensdauergeraden (Formpara-meter b) ablesen.

Mechanische Produkte: aus Langzeit untersuchungen



Mechanische

Komponenten

Lebensdauerversuche:Werte verschleiß-abhängig


B10d

Mittlere Lebensdauer

B10





Wir

tsch

aftl

ichk

eit

Sich

erhe

it

8

Auf Herz und Nieren geprüft!

Lange Lebensdauer und Sicher-heit gehen Hand in Hand Um hohe Sicherheit, Produktivi-tät und Qualität bieten zu können, unterzieht Festo alle Produkte bereits in der Entwick-lungsphase ausgiebigen Tests. Ab diesem Zeitpunkt gewinnt Festo Erkenntnisse, die für die ständige Optimierung der Pro-duktfunktionen notwendig sind. Dadurch gewinnen die Produkte von Festo ein Plus an Sicherheit, Qualität und Wirtschaftlichkeit.

Elektronische Kennwerte werden mathematisch berechnet oder aus Datenbanken entnommen. Zur Ermittlung der Kennwerte von

mechanischen und pneumati-schen Komponenten nutzt Festo zwei Arten von Langzeituntersu-chungen:

• Funktionsdauerversuche• Lebensdauerversuche

Aus Lebensdauerversuchen las-sen sich die statistische Angaben über die Lebensdauer der getes-teten Produkte ermitteln. Beim Funktionsdauerversuch wird überprüft, ob das Produkt nach einer defi nierten Anzahl von Schaltspielen bzw. nach einer bestimmten Laufl eistung noch funktionsfähig ist.


Versuchs-bedinungen



9

Langzeituntersuchungen bei Festo

Lebensdauerversuch


Abbruch, wenn 5 der 7 Prüfl inge aus-gefallen sind

Statistische Auswertungen

Lebensdauerversuch (LDV)Lebensdauerversuche werden nach ISO 19973 mit mindestens sieben baugleichen Prüfl ingen unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Normalerweise fi n-den diese Versuche standardi-siert bei 23 °C und 6 bar Druck statt. Der LDV ist dann beendet, wenn eine Mindestanzahl an Prüfl ingen ausgefallen ist. Bei sieben Prüfl ingen müssen min-destens fünf Prüfl inge ausgefal-len sein.

Funktionsdauerversuch


Abbruch nach erreichen einer vordefi -nierten Zeit

Dient ausschlislich zur Produktfrei-gabe

Ergebnis der Lebensdauerversu-che sind statistisch abgesicherte Lebensdauerkennwerte, die nach Weibull ermittelt werden. Bei Abbruch der Lebensdauerversu-che ohne Ausfälle kann der B10 -Wert in einem Abschätzungs-verfahren ermittelt werden.Die Durchführung und Auswer-tung von Lebendauerversuchen werden in der ISO 19973 beschrieben.

Funktionsdauerversuch (FDV)Während der Produktfreigabe werden in Funktionsdauerversu-chen üblicherweise Dauerläufe mit 3 baugleichen Prüfl ingen unter gleicher Belastung durch-geführt. Diese Versuche werden auch bei Min.-/Max.-Bedingun-gen durchgeführt. Sie dürfen abgebrochen werden, wenn eine vorher defi nierte Lastwechsel-zahl erreicht ist.

10


Versuchs-bedinungen



Lebensdauerversuche angelehnt an ISO 19973

Allgemeine Versuchs-bedingungen Defi nierte Rahmenbedingungen sind für einen reproduzierbaren Versuchsablauf Voraussetzung. Für Druckluft gelten folgende Mindestanforderungen, die pro-duktspezifi sch verschärft werden können:

Versuchsparameter

Kombination der Versuchsbedingungen am Beispiel „Ventile“ für Funktionsdauerversuch

Der Lebensdauerversuch wird ausschließlich bei 23 °C und 6 bar durchgeführt.

• Trocknung der Druckluft für Betrieb in beheizten Innen-räumen auf einem Taupunkt von 3 °C. Der Taupunkt muss mindestens 10 K niedriger sein als die Medientemperatur sein (nach DIN-ISO 8573-1 mind. Klasse 4).

Ventile Linearantriebe Schwenkantriebe

Schaltfrequenz Hubfrequenz Schwenkfrequenz

Volumen am Ausgang Belastung an der Kolbenstange Belastung an der Antriebswelle

Hublänge Schwenkwinkel

Hubgeschwindigkeit Winkelgeschwindigkeit

Einbaulage Einbaulage

Druck* Temperatur*

niedrig mittel hoch

niedrig - FDV (3 Prüfl .) -

mittel FDV (3 Prüfl .) FDV (3 Prüfl .) FDV (3 Prüfl .)

hoch - FDV (3 Prüfl .) -

• Filterung der Druckluft mit Fil-tern besser als 40 µm (DIN-ISO 8573-1 Klasse 5).Bei ungeölter Druckluft ist ein Ölgehalt von maximal 0,1 mg/m3 zulässig (DIN-ISO 8573-1 Klasse 1).

• Bei geölter Druckluft darf die Zusatzölung 25 mg/m3 nicht überschreiten (DIN-ISO 8573-1 Klasse 5).

Versuchsbedinungen

Funktionsdauerversuche

* abhängig von den Katalogangaben

11

Versuchsauswertung

Eine genaue Beschreibung des durchgeführten Versuchs ist für eine erfolgreiche Versuchsaus-wertung unerlässlich. Ohne diese Beschreibung wird der Versuch wertlos, auch weil er nicht mehr nachvollziehbar ist. Folgende Parameter müssen beschrieben sein:

Generell werden folgende Fälle unterschieden:

• Verwendete Produkte• Dokumentation und Beschrei-

bung der Versuchs-/Prüfbedin-gungen wie Druck, Temperatur, Zusatzlast, Frequenz etc.

• Genaue Festlegung der durch-zuführenden Messungen wie Leckage, Druckkennwerte, etc., deren Messzyklen und Abbruchkriterien

• Bestimmung des Lebensdauer-wertes

• ToleranzausfallDer Prüfl ing erfüllt seine Funk-tion noch, die Abbruchkriterien wie z.B. die zulässige Leckage werden jedoch nicht mehr ein-gehalten.

• ÜberlebensfallEin Prüfl ing gilt als Überlebens-fall, wenn bei Versuchsende die geforderte Funktion erfüllt wird und die Grenzwerte der jeweiligen Abbruchkriterien nicht überschritten werden.

• TotalausfallDie Funktion des Prüfl ings ist nicht mehr gewährleistet, weil z.B. das Ventil nicht mehr schaltet , der Zylinder nicht mehr läuft ...

12


Versuchs-bedinungen



Ermittlung von B10 -Werten nach ISO 19973 bei pneumatischen Komponenten

Defi nition des B10 -WertesStatistischer Erwartungswert der Anzahl von Zyklen, bei dem 10 % der Bauteile, die für den Versuch defi nierten Grenzwerte (Schalt-zeit, Leckage Schaltdruck …) unter defi nierten Bedingungen überschritten haben.Aber: Ein Bauteil kann auch vor Erreichen des B10 -Wertes ausfal-len. Die Lebensdauer kann nicht garantiert werden.

Basis für die Bestimmung der B10 -Werte sind die Ergebnisse aus den Langzeitversuchen mit mindestens 7 Prüfl ingen.

Der B10 -Wert kann für die sicher-heitstechnische Bewertung sowie für die Bestimmung der vorbeugenden Wartung von Anlagen (TPM = Total Productive Maintenance) verwendet werden.

Gefährliche AusfälleIn Bezug auf die Sicherheit vonMaschinen nach ISO 13849-1 sind nur gefährliche Ausfälle relevant.

Ob es sich bei einem Ausfall um einen gefährlichen Ausfall han-delt, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Sind keine Anga-ben zur Anzahl der gefährlichen Ausfälle möglich oder vorhan-den, so nennt die ISO 13849-1 im Informationsanhang die Möglich-keit, dass jeder zweite Ausfall als gefährlich angenommen werden kann. Daraus ergibt sich:

B10d = 2 x B10

Für welche Produkte benötigeich einen B10d -Wert?Für alle Produkte, die mecha-nisch verschleißbehaftet sind und in sicherheitsbezogenen Tei-len einer Steuerung zum Einsatz kommen. Außerdem müssen sie zu der Ausführung der Sicher-heitsfunktion beitragen, wie z.B. Ventile oder Klemmpatronen.Dies gilt nicht für Verschraubun-gen, Schläuche, Winkel, Halte-rungen etc. Antriebe sind norma-leweiße nicht Teil des Sicher-heitsfunktion und müssen des-halb ebenfalls nicht bewertet werden.

Für welche Produkte benötigeich einen MTTFd-Wert?Für alle elektronischen Produkte, die in sicherheitsbezogenen Tei-len einer Steuerung zum Einsatz kommen und zur Ausführung der Sicherheitsfunktion direkt bei-tragen, wie z.B. Steuerungen, Feldbusknoten für die Erkennung von Gefahrsituationen wie z.B. Sensoren im Testkanal von Kategorie 2.

13

Hinweissiehe Seite 5

Übe

rleb

ensw

ahrs

chei

nlic

hkei

t F(t

) [%

]

Ausf

allw

ahrs

chei

nlic

hkei

t F(t

) [%

]

Ausfallverhalten mechanischer Komponenten

Lebensdauer [Mio. Schaltspiele]

1

9897

95

90

99,9

99,8

99,5

99

80

7060

40

2010

99,7

Lebensdauergerade

T-Wert

2,5 3 4 5 6 7 8 9 101 15 20 25

1

23

5

0,1

0,20,3

0,5

10

20

3040

60

8090

99 λ > 1

x

x x

xx x

x

B10 -Wert

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Mean Time To Failure-Wert (MTTF) für elektronische Produkte

• Die MTTF ist eine statistische Kenngröße, die über Versuche und/oder Berechnungen ermit-telt wird. Sie gibt keine garan-tierte Lebensdauer oder aus-fallfreie Zeit an.

• Für die Bestimmung der MTTF-Werte von Produkten sind in der Norm DIN EN ISO 13849-1 verschiedene Methoden ange-geben.

• Die Einen beruhen auf Berech-nungen anhand von Kennwer-ten, die Anderen verweisen auf Tabellen und Datenbanken wie beispielsweise die Siemens Norm SN 29500.

• Der MTTFd-Wert beschreibt die mittlere Betriebsdauer bis zu einem gefahrbringenden Ausfall.

• Für sicherheitstechnische Berechnungen nach ISO 13849 kann der MTTFd-Wert verwen-det werden.

Auszug aus der SN 29500 Tabelle C.3: Dioden, Leistungshalbleiter und integrierte Schaltungen

Diode Beispiel MTTF für Bauteile[Jahre]

MTTFd für Bauteile[Jahre]

Bemerkungen

typisch ungünstigster Fall

Allgemeine Anwendung – 114 155 228 311 22 831 50 % gefahrbringende Ausfälle

Entstörgerät – 15 981 31 963 3 196 50 % gefahrbringende Ausfälle

Gleichrichterdioden – 114 155 228 311 22 831 50 % gefahrbringende Ausfälle

Gleichrichterbrücken – 57 078 114 155 11 416 50 % gefahrbringende Ausfälle

Thyristoren – 11 415 22 831 2 283 50 % gefahrbringende Ausfälle

Triacs, Diacs – 1 484 2 968 297 50 % gefahrbringende Ausfälle

Integrierte Schaltungen (programmierbar und nicht programierbar)

Herstellerdaten verwenden 50 % gefahrbringende Ausfälle


Versuchs-bedinungen



15

Berechnung des MTTF-Wertes einer Baugruppe

Umrechnung eines B10 -Wertes in einen MTTFd-Wert

Praxisbeispiel „Berechnung der MTTFd für Bauteile aus B10 -Werten“Für ein pneumatisches Ventil wurde ein B10 -Wert von 30 Millionen Schaltspielen ermittelt. Das Ventil wird an zwei Schichten je Tag mit 220 Arbeitstagen je Jahr eingesetzt. Die Zykluszeit wird als durchschnittlich 5s angenommen.

dop = 220 Tage/Jahr (mittlere Betriebszeit in Tagen je Jahr)hop = 16 h/Tag (mittlere Betriebszeit in Stunden je Tag)tZyklus = 5 s/Zyklus (mittlere Zeit zwischen dem Beginn zweier Zyklen in s/Zyklus)B10d = 60 Millionen ZyklenAnnahme: B10d = 2 x B10

Somit ergibt sich für das Bauteil einen MTTFd Wert von 237 Jahren.

Mit diesen Daten können gemäß DIN EN 13849-1 folgende Werte berechnet werden:

Die allgemeine Gleichung hierzu ist:

Das „Parts-Count-Verfahren“ ist eine Annäherung, deren Abweichung immer zur sicheren Seite geht.

1𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑

= �1

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑁𝑁

𝑑𝑑=1


𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑗𝑗

𝑁𝑁

𝑗𝑗=1

𝑛𝑛𝑜𝑜𝑝𝑝 =𝑑𝑑𝑜𝑜𝑝𝑝 × ℎ𝑜𝑜𝑝𝑝 × 3600 𝑠𝑠ℎ

𝑡𝑡𝑍𝑍𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦=

220 𝑑𝑑𝑎𝑎 16 ℎ𝑑𝑑 × 3600 𝑠𝑠ℎ5 𝑠𝑠𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑠𝑠

= 2,53 × 106𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑛𝑛𝐽𝐽𝑎𝑎ℎ𝑟𝑟

𝑇𝑇10𝑑𝑑 =𝐵𝐵10𝑑𝑑𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜

=60 × 106𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑛𝑛

2,53 × 106 𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑛𝑛𝐽𝐽𝐽𝐽ℎ𝑟𝑟

= 23,7 𝐽𝐽𝐽𝐽ℎ𝑟𝑟𝑍𝑍

Sind alle einzelnen MTTF-Werte einer Baugruppe bekannt, können diese zu einem gesamten MTTF-Wert umgerechnet werden. Die Berechnung basiert auf dem „Parts-Count-Verfahren“.

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑 =𝐵𝐵10𝑑𝑑

0,1 × 𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜=

60 × 106𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑛𝑛

0,1 × 2,53 × 106 𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑛𝑛𝐽𝐽𝐽𝐽ℎ𝑟𝑟

= 237 𝐽𝐽𝐽𝐽ℎ𝑟𝑟𝑍𝑍

16

Lebensdauerangaben von Wälzlagern

Die Lebensdauererwartung von Wälzlagern hängt von der spezifi -schen Belastungssituation einer Anwendung ab.Für eine optimale Dimensionie-rung und damit maximale Wirt-schaftlichkeit ist jeder Anwen-

dungsfall individuell zu betrach-ten. Umgekehrt gilt dies auch für die Frage der zu erwartenden Lebensdauer eines Wälzlagers im Rahmen präventiver Wartungs-konzepte.

Produkte von Festo mit Wälzla-gern sind auf den Nennbetriebs-punkt mit defi nierter Belastung und einer Lebensdauer von 5.000 km Laufl eistung ausgelegt und getestet.

Eingesetzt werden bei Festo als Wälzlagerelemente z.B. Kugelumlaufführungen, Kugelkäfi gführungen und Rollenführungen bei pneumatischen und elektromechanischen Antrieben. Bei elektromechanischen Antrie-ben kommen zusätzlich Kugelumlaufspindeln zum Einsatz, die den gleichen Gesetzmäßigkeiten der Wälz-lagertheorie gehorchen wie Wälzführungen.

Pneumatische Portalachse mit Schienenführung

Pneumatischer Minischlitten mit Kugelkäfi gführung

Elektromechanische Zahnrie-menachse mit Kugelbuchsen-führung

Elektromechanische Achse mit Schienenführung und Kugelum-laufspindel

Zusammenhang Belastung - LebensdauerWie oben beschrieben ist die Lebensdauer eines Wälzlagers abhängig von der spezifi schen Belastung.

Um eine annähernde Aussage über die Lebensdauer der Füh-rung zu geben, wird als Kenn-größe der Belastungs-Vergleichs-faktor fv im Bezug auf die Lebens-dauer im nachstehenden Dia-

gramm dargestellt.Der Faktor fv resultiert dabei aus dem Verhältnis der Nennbelas-tung eines Wälzlagers zu seiner realen Belastung .

2

2,5

3

3,5

0

0,5

1

1,5

100 1000 10000 50000

Lebensdauer l [km]

f v

Belastungs- Vergleichsfaktor fv in Abhängigkeit von der Lebensdauer


Versuchs-bedinungen



17

BerechnungsbeispielEin Anwender will mit einer pneumatischen Portalachse eine Masse von X kg bewegen.Durch die Berechnung mit der Formel für den Belastungsver-gleichsfaktor fv für Wälzführun-

gen ergibt sich für fv ein Wert von 1,5. Laut Diagramm hat die Füh-rung eine Lebensdauer von ca. 1.500 km.

Formel für den BelastungsVergleichsfaktor fv für Wälzführungen

𝑓𝑓𝑣𝑣 =�𝐹𝐹𝑦𝑦,𝑑𝑑𝑦𝑦𝑑𝑑�𝐹𝐹𝑦𝑦,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

+�𝐹𝐹𝑧𝑧,𝑑𝑑𝑦𝑦𝑑𝑑�𝐹𝐹𝑧𝑧,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

+�𝑀𝑀𝑚𝑚,𝑑𝑑𝑦𝑦𝑑𝑑�𝑀𝑀𝑚𝑚,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

+�𝑀𝑀𝑦𝑦,𝑑𝑑𝑦𝑦𝑑𝑑�𝑀𝑀𝑦𝑦,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

+�𝑀𝑀𝑧𝑧,𝑑𝑑𝑦𝑦𝑑𝑑�𝑀𝑀𝑧𝑧,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

Formel für den BelastungsVergleichsfaktor fv für Wälzführungen

Kolben- 8 12 18 25 32 40 50 63

Fy,max 300 650 1 850 3 050 3 310 6 890 6 890 15 200

Fz,max 300 650 1 850 3 050 3 310 6 890 6 890 15 200

Mx,max 1,7 3,5 16 36 54 144 144 529

My,max 4,5 10 51 97 150 380 634 1 157

Mz,max 4,5 10 51 97 150 380 634 1 157

∅

HinweisDie nominellen Belastungsanga-ben von Wälzlagern werden von Festo in der Regel für eine Lebensdauer von 5.000 km Lauf-leistung ermittelt. Die 5.000 km Laufl eistung stellen dabei keinen B10 -Wert mit ent-sprechender Überlebenswahr-scheinlichkeit dar, sondern

müssen im Rahmen des Funkti-onsdauerversuchs das Prüfkrite-rium zu 100 % erfüllen.Die B10 -Werte der Wälzlager liegen bei den nominellen Belas-tungen deutlich höher als die nominelle Laufl eistung von 5.000 km.

18

Maschinensicherheit und Ermittlung des MTTF-Wertes für Sicherheitsfunktionen

Maschinen müssen so gebaut werden, dass Menschen, Tiere und Sachwerte ebenso wie die Umwelt vor Schaden geschützt sind. Beim Einsatz von Produkten in sicherheitsgerichteten Schal-tungen muss die Risikoreduzie-rung ermittelt werden.Wie hoch die Risikoreduzierung durch eine Sicherheitsfunktion ist, wird durch die Norm EN ISO

13849-1 bewertet. Um diese Bewertung durchführen zu kön-nen, sind qualitative Informatio-nen über die verwendeten Kom-ponenten nötig: Der MTTF-Wert für elektronische Komponenten und der B10 -Wert für mechani-sche Komponenten.

Bei der Betrachtung von Sicherheitsaspekten muss beachtet werden, dass im Gegensatz zur Berechnung bei Total Productive Maintenance nur die sicherheitsrelevanten Komponenten mit einbezogen werden.

Die Mean Time To Failure dange-rous (MTTFd) für die gesamte Sicherheitsfunktion wird zuerst für jeden redundanten Kanal ein-zeln bestimmt. Anschließend wird aus beiden Kanälen ein Gesamt-MTTFd-Wert ermittelt. Dieser Wert hat die Einheit Jahre und ist ein qualitativer Wert der Sicherheitsfunktion. Der MTTF-Wert der technischen Schutz-maßnahme nach der Norm DIN EN 13849-1 ist unterteilt in drei Bereiche: niedrig, mittel und hoch.

Bewertung

Niedrig

Mittel

Hoch

Quelle: DIN EN ISO 13849-1 Kapitel 4.5.2

MTTFd

3 Jahre ≤ MTTFd < 10 Jahre



Mechanische Komponenten(sicherheitsrelevant)

Elektronische Komponenten(sicherheitsrelevant)

MTTF-WerteFesto ermittelt

Kunde ermittelt

B10 -Werte

oder

Für einen Kanal Für zwei redundanten Kanäle

MTTFd-Werte

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑 =𝐵𝐵10𝑑𝑑

0,1 × 𝑛𝑛𝑜𝑜𝑝𝑝

1𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑

= �1

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑁𝑁

𝑑𝑑=1


𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑗𝑗

𝑁𝑁

𝑗𝑗=1

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑 =23�𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑑𝑑1 + 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑑𝑑2 −

11

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑑𝑑1+ 1𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑑𝑑𝑑𝑑2

�

Eingang Logik Ausgang


Versuchs-bedinungen



19

Sicherheitstechnische Kennwerte – die Sistema-Bibliothek

Sistema-Software vom Institut für Arbeitsschutz (IFA)Der Software-Assistent SISTEMA (Sicherheit von Steuerungen an Maschinen) bietet Hilfestellung bei der Bewertung der Sicherheit von Steuerungen im Rahmen der DIN EN ISO 13849-1. Das Win-dows-Tool bildet die Struktur der sicherheitsbezogenen Steue-rungsteile ab (SRP/CS, Safety-Related Parts of a Control Sys-tem). Für die Sicherheitsfunktion können auf verschiedenen Teile-benen der Performan Level errechnet werden. Die Software ist unter folgendem Link kosten-los als Download erhältlich:www.dguv.de/ifa/de/pra/softwa/sistema/index.jsp

Sistema-Bibliothek von FestoDie Sistema-Software stellt nur das Tool dar, um sicherheitstech-nische Bewertungen durchzufüh-ren. Basis dafür sind Datenban-ken mit sicherheitsrelevanten Angaben zu Produkten und Lösungen.Auf der Homepage der IFA fi nden Sie zahlreiche Links zu Bibliothe-ken.Die Bibliothek über sicherheits-technische Kennwerte von Festo fi nden Sie auf der Homepage von Festo als Download:www.festo.com/ sicherheitstechnikwww.festo.com/safety

20

Ausfallorientierte Instandhaltung versus präventive Instandhaltung (TPM)

Im Vergleich zu herkömmlichen Instandhaltungsmethoden bietet TPM eine deutliche Zeit- und damit verbundene Kostenerspar-nis. Bei ausfallorientierter Instandhaltung wird erst reagiert, wenn eine Anlage ausfällt.

Die Zeitersparnis kann unter-schiedlich groß ausfallen. Die Ersatzteilbeschaffung z.B. hängt davon ab, ob die Teile schon am Lager vorrätig sind oder noch bestellt werden müssen.

Auch eventuelle Produktions-stillstände durch unerwartete Ausfälle bringen hohen Zeitver-lust und hohe Kosten mit sich.

Bei TPM hingegen wird ein Aus-tausch gründlich vorbereitet und der Stillstand der Anlage mit in die Produktion eingeplant oder der Austausch so terminiert, dass die Fertigung möglichst wenig beeinträchtigt wird.

Ausfallorientierte Instandhaltung TPM

MTTF = Mean Time To FailureZeit bis zum Ausfall der Komponente. Wird vom Festo geliefert.

MTTR = Mean Time To RepairZeit für die reparatur des Ausfalls benötigt wird. Applikationsabhängig und muss vom Kunden selbst bestimmt werden.

MTBF=Mean Time Between FailuresZeit zwischen zwei Ausfällen der Komponente.Summe aus MTTF und MTTR

t

MTTF MTTF

MTBF

MTTR

FehlerFehler

Zeitersparnis= ∑ (Ersatzteilbeschaffung + Fehleranalyse)

Fehleranalyse

Ersatzteilbeschaffung

Wiederinbetriebnahme

Zeit

Austausch der Komponente

Wiederinbetriebnahme

Austausch der Komponente

MTBF = MTTF + MTTR für MTTF >> MTTR gilt: MTBF = MTTF

MTTR

MTT

R

MTT

R


Versuchs-bedinungen



Wichtige Unterscheidung zum Thema Sicherheitstechnik ist, dass bei TPM alle Komponenten betrachtet werden, die zu einem Stillstand der Anlage führen kön-nen. Bei der Sicherheitstechnik hingegen sind dies nur die Kom-ponenten bei deren Ausfall ein Risiko für Mensch, Maschine und Umwelt entsteht.

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Total Productive Maintenance TPM

TPM als Konzept hat zum Ziel, durch geplante Wartung weniger ungeplanten Stillstand eurer Anlage zu ereichen.

Dabei wird die medizinische Volksweisheit „Vorbeugen ist besser (und günstiger) als Heilen“ in die Arbeitswelt über-tragen.

Ziel dieser Strategie ist es, die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen systematisch zu erhöhen.

Für die Umsetzung der Maßnah-men werden Kennwerte wie z.B. MTTF- oder B10 -Werte für Maschinenfunktionen und Komponenten benötigt.

Festo liefert diese Informationen und Werte, damit man die TPM-Kennzahlen ermitteln kann.

Beseitigung von Schwerpunktproblemen

Autonome Instandhaltung

Geplante Instandhaltung

Präventive Instandhaltung

Schulung und Training

• Anwendungsbezo-gene Eliminierung der 6 Verlustarten

• Selbständige Rei-nigung, Wartung und kleine Repara-turen durch den Mitarbeiter

• Sicherstellung der 100 %-igen Ver-fügbarkeit der Anlagen

• Berücksichtigung von Aspekten der Instandhaltung und Zugänglichkeit von Anlagen bereits bei Planung und Bestel-lung

• Bedarfsgerechte Qualifi zierung von Mitarbeitern

• Festo liefert die benötigten Lebens-dauerwerte

• Schulungen von Festo Didactic

Total Productive Maintenance

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[1] Europäisches Parlament, "Richtlinie 2006/42/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung)," Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften, vol. 49, no. 157, pp. 24-81, June 2006.[2] NFPA 79: Electrical Standard for Industrial Machinery. Quincy, 2012.[3] Michael Dorra and Dietmar Reinert, "European Project STSARCES. Final Report WP 2.1: Quantitative Analysis of Complex Electronic Systems using Fault Tree Analysis and Markov Modelling," St. Augustin, 2000.[4] A. Barner, J. Bredau, and F. Schiller, "Effi cient Fault Detection in Safety-Related Pneumatic Control by Conceptual Encapsulation," in 7th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Barcelona, 2009.[5] Michael Blum, Effi zienter Sicherheitsnachweis für mechatronische Systeme.: Dissertation TU München, 2010.[6] Frank Schiller, Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Automatisierung. München: Vorlesungsskript TU München, SS 2010.[7] William M. Goble and Harry Cheddie, Safety Instrumented Systems Verifi cation: Practical Probabilistic Calculations. Research Triangle Park, NC, USA: ISA, 2004.[8] DIN EN ISO 13849-1: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze. Ber-lin: Beuth, 2008.[9] DIN EN ISO 13849-2: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 2: Validierung. Berlin: Beuth, 2008.[10] Bernd Bertsche and Gisbert Lechner, Zuverlässigkeit im Fahrzeug- und Maschinenbau. Ermittlung von Bauteil- und Systemzuverlässigkei-ten. Berlin: Springer Verlag, 2004.[11] Arno Meyna and Bernhard Pauli, Taschenbuch der Zuverlässigkeits- und Sicherheitstechnik. Quantitative Bewertungsverfahren. München: Hanser Verlag, 2003.[12] W. Vesely, J. Dugan, J. Fragola, J. Minarick, and J. Railsback, Fault Tree Handbook with Aerospace Applications. Washington, DC: NASA, 2002.[13] DIN EN 61025: Fehlzustandsbaumanalyse. Berlin: Beuth, 2007.[14] DIN 25424-1: Fehlerbaumanalyse - Teil 1: Methode und Bildzeichen. Berlin: Beuth, 1981.[15] DIN 25424-2: Fehlerbaumanalyse- Teil 2: Handrechenverfahren zur Auswertung eines Fehlerbaumes. Berlin: Beuth, 1990.[16] FN 942019: Statistische Auswertung (Langzeituntersuchungen). Esslingen: Werksnorm Festo AG & Co. KG.[17] DIN EN 61508-3: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme - Teil 3: Anforderungen an Software. Berlin: Beuth, 2011.[18] DIN EN 61508-5: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme - Teil 5: Beispiele zur Ermittlung der Stufe der Sicherheitsintegrität (safety integrity level). Berlin: Beuth, 2011.[19] DIN EN 62061: Sicherheit von Maschinen - Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme. Berlin: Beuth, 2005.[20] DIN EN ISO 4414: Fluidtechnik - Allgemeine Regeln und sicherheitstechnische Anforderungen an Pneumatikanlagen und deren Bauteile. Berlin: Beuth, 2011.[21] DIN EN ISO 12100: Sicherheit von Maschinen – Allgemeine Gestaltungsleitsätze – Risikobeurteilung und Risikominderung. Berlin: Beuth, 2011.[22] DIN EN 60300-3-4: Zuverlässigkeitsmanagement - Teil 3-4: Anwendungsleitfaden - Anleitung zum Festlegen von Zuverlässigkeitsforderun-gen. Berlin: Beuth, 2008.[23] Alexander Wohlers, "Dichtungen in der Fluidtechnik. Grundkenntnisse in der Dichtungstechnik vermeiden Fehlkonstruktionen.," O+P Kons-truktions-Jahrbuch 2006/2007, pp. 2-11.[24] VDMA 24578: Fluidtechnik - Umsetzung der DIN EN ISO 13849 - Anforderungen an Pneumatikhersteller und -anwender. Frankfurt am Main, 2009.[25] Holger Wilker, Weibull-Statistik in der Praxis. Norderstedt: Books on Demand, 2004, vol. 3., Leitfaden zur Zuverlässigkeitsermittlung techni-scher Produkte.[26] DIN EN 13906-1: Zylindrische Schraubendruckfedern aus runden Drähten und Stäben - Berechnung und Konstruktion - Teil 1: Druckfedern. Berlin: Beuth, 2002.

Weiterführende Literatur

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[27] ISO 19973-1: Pneumatic fl uid power - Assessment of component reliability by testing - General procedures. Geneva: ISO, 2007.[28] ISO 19973-2: Pneumatic fl uid power - Assessment of component reliability by testing - Part 2: Directional control valves. Genf: ISO, 2007.[29] ISO 19973-3: Pneumatic fl uid power - Assessment of component reliability by testing - Part 3 Cylinders with piston rod. Genf: ISO, 2007.[30] ISO 19973-4: Pneumatic fl uid power - Assessment of component reliability by testing - Part 4 Pressure Regulators. Genf: ISO, 2007.

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Produktlebensdauer bei Festo · MTBF Mean Time Between Failure beschreibt die Zeit zwischen zwei Ausfällen bei reparablen Produk-ten und konstanter Ausfallrate. MTTF + MTTR = MTBF