Dr. Hartmut Steck-Winter, Vorausschauende Instandhaltung; AICHELIN Instandhaltungsforum 2011, Folie 1Dr. Hartmut Steck-Winter, Vorausschauende Instandhaltung; AICHELIN Instandhaltungsforum 2011, Folie 1
Vorausschauende Instandhaltung Sind Abnutzung und Ausfallzeitpunkt eines Bauteils vorhersehbar?
Hartmut Steck-Winter
AICHELIN Service GmbH Ludwigsburg
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Eine kleine alltägliche Geschichte
Chef zum Instandhalter: „Unsere IH-Kosten sind zu hoch. Alle Welt spricht von den Vorteilen einer zustandsorientierten IH. Warum wir nicht? Also lassen Sie sich auch was einfallen!Wie kann es übrigens sein, dass trotz unserer hohen IH-Kosten eine Anlage kurz nach der Jahreswartung ausfällt? Konnten Sie dies nicht voraussehen und verhindern? Sie müssen nicht nur kostengünstiger sondern auch sorg-fältiger arbeiten!“
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Diese Präsentation behandelt:
Definition der VIH1. Instandhaltungsstrategien für Thermoprozessanlagen2. Erklärungsversuche: Abnutzungsvorrat und Ausfallrate3. Zustandsorientierte Instandhaltung (ZOI)4. Zuverlässigkeitsstatistik (Erfahrungswissen)5. Auf dem Weg zur Vorausschauenden InstandhaltungZusammenfassung
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Vorausschauende Instandhaltung Eigene Definition
Antwort auf die Frage: „Wann wird ein Bauteil ausfallen?“VIH ist(1)Soll-Ist-Vergleich des Zustands eines (einzelnen) Bauteils mit nachfolgender Lebensdauer- oder Ausfallprognose und Entscheidung der Instandhaltungsmaßnahmen (ZOI)bei gleichzeitiger Berücksichtigung der(2) Zuverlässigkeit mehrerer gleichartiger Bauteilemit dem Ziel die Instandhaltung so durchzuführen, dass
die Nutzungszeit der Bauteile maximal unddas Ausfallrisiko minimal ist.VIH » ZOI + Zuverlässigkeitsstatistik!
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Risikobasierende IH-Strategiefür Gasaufkohlungsanlagen
Zyklus Halt + Entgasung + Abkühlen
Minuten Stunden Tage Reparaturzeit (MTTR)
Ausfälle, Reparatureninnerhalb
Aufkohlungsanlagez.B. Steine, Umwälzer
Ausfälle, Reparatureninnerhalb
Aufkohlungsanlage z.B. Brenner, Rollen
Ausfälle, Reparaturenaußerhalb
Aufkohlungsanlagez.B. Sensoren, Relais
Störungsbedingte IH
Vorbeugende IH
Zustandsorientierte IH
Vorausschauende IH
(nur Zufallsausfälle)
Störungs-folgenStörungs-folgen
FehlerortFehlerort
IH-Strategie
IH-Strategie
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Erklärungsversuche:Abnutzungsvorrat & Ausfallrate
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Modell des AbnutzungsvorratsSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Abn
utzu
ngsv
orra
t
0%
100%
tAusfall tA
Zustandsorientierte IH
Vorbeugende IH
Beginn der Abnutzung t0
MTTR
Einsparungspotential
Austausch toptWillkürliche Abnutzungsgrenze
Definition Abnutzungsvorrat (nach DIN 31058):Vorrat der möglichen Funktionserfüllungen unter festgelegten Bedingungen, die einer Betrachtungseinheit aufgrund der Herstellung oder aufgrund der Wiederherstellung durch Instandsetzung inne wohnt.
Die große Unbekannte!
Problem:Eindimen-sionalesModell
Störungs-bedingte IH
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Modell der technischen AusfallrateSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
Verschleiß-Ausfälle
“Zufallsausfälle“Früh-Ausfälle
t
Aus
fallr
ate λ
Störungsbedingte IH
Zustandsorientierte IH
Vorbeugende IH
MTBF / MTTF
T (Charakteristische Lebensdauer) = 63,2% Ausfälle
Ausfallrate λ(t): Anzahl der Ausfälle in einem Zeitintervall, bezogen auf die Anzahl der noch intakten Einheiten. Die Maßeinheit der Ausfallrate ist Ausfälle/Zeiteinheit
Theorie oder Praxis?
Was sind Zufallsausfälle?
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Abnutzung: Zwei Sichtweisen
(1) Abnutzung ist die Verringerung der möglichen Funktionserfüllung durch Gebrauch, bezogen auf ein einzelnes Bauteil
Sicht 1: Theorie der ZOI!und/oder(2) Abnutzung ist die Zunahme der Ausfälle
durch Gebrauch, bezogen auf eine Gruppe gleicher Bauteile
Sicht 2: Theorie der Ausfallrate!+ Schwachstellenperspektive:
Störungshäufigkeit eines einzelnen BauteilsVerbesserung (die 4. IH-Disziplin)
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Zustandsorientierte Instandhaltung Sicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Sicht 1
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ZOI geeignete BetriebsmittelSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
ZOI geeignete Betriebsmittel:Haben große Ausfall-Folgen (vgl. Risikobetrachtung)Haben erkennbare Abnutzungssymptome (Sicht 1)Haben eine erkennbare Verschleißphase (Sicht 2)Sind relativ langlebig (mehrjährige Nutzungsdauer)Sind teurer als die Inspektionskosten
oder aberGehören zu SicherheitsfunktionenGehören zu Messmitteln
Schwierigkeit: Fast alle Betriebsmittel bestehen aus mehreren Bauteilen!
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Zustandserfassung ErscheinungenSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Abnutzung hat viele Erscheinungsformen, die bei einem Soll-Ist-Vergleich erkannt werden können:
Mechanischer Abtrag (vgl. Klassiker Verschleißblech)- Rundungsradien an Gleitflächenkanten
Oberflächenveränderungen- Ablagerungen, Verschmutzung- Korrosion- Aufrauhung, Risse, Brüche
Veränderte Spiele, Deformation, LeckagenStörung, FehlfunktionWeitere …
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Zustandserfassung SymptomeSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Abnutzung zeigt sich an messbaren Symptomen, z.B.:TemperaturanstiegStromveränderung, LeistungsveränderungLaufzeitveränderungSchwingung, Vibration, GeräuschzunahmeDruck- und DurchflussveränderungWeitere …
Die Idee von CM-Systemen ist die kontinuierliche Messung der Abnutzungssymptome
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Der Werkzeugkasten der ZOISicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Der Werkzeugkasten der ZOI beinhaltet:Schwingungsdiagnose (RTCM)ThermografieÖlalterungsanalyse (RTCM)Endoskopie, auch in Verbindung mit ThermografieBremsenverschleißerkennung (RTCM)Furnace TrackerWeitere …
RTCM: Real Time Condition Monitoring, d.h. kontinuierliche Messung
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ZOI Beispiel: WindkraftanlagenSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Verschleißmerkmale:KorrosionRisseGeräuschDichtheitAusbrücheFresserAblagerungenFleckenSchwingungetc.
Beispiel:Zustandskontrolle des Antriebsstranges
Quelle:
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ZOI Beispiel: ThermoprozessanlageSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
Für ZOI geeignetes Bauteil
AbnutzungsmerkmaleErscheinungen
Methode zur Feststellung des Abnutzungszustands
Ausmauerung Ausbrüche, Risse, Spalte Inspektion, Endoskopie, Thermografie
Gleitsteine, Gleitschienen (Lauf- oder Gleitflächen)
Abrieb, Rillen, Riefen, Rundungsradien
Inspektion, Endoskopie
Pumpen, Ventilatoren, Gasumwälzer
Anbackungen, Kavitation, Vibration (Unwucht)
Schwingungsmessung, Strommessung
Gasbrenner und Strahlrohre Abbrand (Zündelektrode)Undichtigkeit (Ventile)Ausbeulungen (Strahlrohr)
Inspektionggf. Leckgasrate
Gussplattenband Spalte, Ausbrüche, Abtrag, Laufgeräusche
Inspektion
Vibrationsrinnen (Verschleißbleche)
Materialabtrag (Abrieb) Inspektion, Messung der Materialdicke
Dr. Hartmut Steck-Winter, Vorausschauende Instandhaltung; AICHELIN Instandhaltungsforum 2011, Folie 17Dr. Hartmut Steck-Winter, Vorausschauende Instandhaltung; AICHELIN Instandhaltungsforum 2011, Folie 17
Auf BDE & MDE aufbauende
ZuverlässigkeitsstatistikSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
Sicht 2
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Ausfallrate in der Praxis*Sicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
Frühausfälle; konstante Zufallsausfälle; deutliche VerschleißausfallphaseKeine Frühausfälle, gering ansteigende Zufallsausfälle, schwer definierbare VerschleißausfallphaseKeine Frühausfälle, gering ansteigende Zufallsausfälle, keine Verschleißausfall-phaseAnsteigende Fühausfälle; konstante oder gering ansteigende Zufallsausfälle, keine Verschleißausfallphase
Keine Frühausfälle; konstante Zufallsaus-fälle, keine Verschleißausfallphase
Abfallende Frühausfälle; konstante Zufallsausfälle; keine Verschleißausfall-phase
4%
2%
5%
7%
14%
68%
*United Airlines, 2004: equipment failure pattern in aircrafts
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Weibullverteilung: ExcelfunktionSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
Weibullverteilung: Statistische Methode zur Prognose der Zuverlässigkeit von Bauteilen auf Basis von AusfalldatenParameter:b Formfaktor (Ausfallmuster)T Charakteristische Lebensdauert NutzungszeitBerechnungen:f(t) AusfalldichteF(t) AusfallwahrscheinlichkeitR(t) Überlebensrateλ(t) Ausfallrate
Weibullverteilung: Statistische Methode zur Prognose der Zuverlässigkeit von Bauteilen auf Basis von AusfalldatenParameter:b Formfaktor (Ausfallmuster)T Charakteristische Lebensdauert NutzungszeitBerechnungen:f(t) AusfalldichteF(t) AusfallwahrscheinlichkeitR(t) Überlebensrateλ(t) Ausfallrate
Erläuterungen siehe auch ergänzende Anlagen.
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Kurvenform und IH-StrategieSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
t (Monate)
Charakteristische Lebensdauer Ausfallwahrscheinlichkeit 63%
b < 1 Frühausfälle: keine ZOI möglichb = 1 Zufallsausfälle: keine ZOI möglichb > 1.. 4 Verschleißausfälle: ZOI möglich, CM möglichb > 5 Spätausfälle: keine ZOI möglich, IH-Intervall zu kurz
Nutzungsdauer
Aus
fallr
ate
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Weibullparameter: BeispieleSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
Betriebsmittel/Bauteile bFormfaktor
TCharakter.
Lebensdauer
Gasumwälzer (Lagerung) 2,5 36Ausmauerung: Seitenwand 4,0 72Ausmauerung: Herd mit Gleitstein 3,5 48Gleitschiene Metall 3,5 36Gussplattenband im HTO 3,5 48Ofenrolle, Metall, D 30, im HTO 3,5 48Pumpen, Ventilatoren 1,5 72Ventile (Gas- und Luft an Brennern) 1,2 96Elektromechanische Betriebsmittel 1,2 120
T in Monaten (Zeit nach der 63,2% der Bauteile ausgefallen sind)Alle Werte sind Schätzungen des Autors ohne statistische Datengrundlage
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Prognose des ErsatzteilbedarfsSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
b=1 b=2b=3,5
1,00
Ausfallwahrscheinlichkeit b=1,0 b=2,0 b=3,5
T=50% 0,39 0,22 0,08
T=75% 0,53 0,43 0,31
T=100% 0,63 0,63 0,63
T=125% 0,71 0,79 0,89
Ersatzteildisposition bei:T = 48 Monate, Σ10 Bauteile
b=1,0 b=2,0 b=3,524 Mon. 4 3 136 Mon. 6 5 448 Mon. 7 7 760 Mon. 8 8 9
Charakteristische Lebensdauer (T = 100%)
Aus
fallw
ahrs
chei
nlic
hkei
t
Tatsächlich ist die Berechnung komplexer, weil auch bereits ersetzte Bauteilewieder neuem Verschleiß unterworfen sind. Vorteil einer IH-Datenbank!
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Auf dem Weg zur
Vorausschauenden InstandhaltungSind Abnutzung und Ausfallzeitpunkt eines Bauteils vorhersehbar?
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Zwischenfazit
Relativ wenige Bauteile sind für ZOI geeignet. Diese sind aber zu wichtig, um sie zu ignorierenDer Abnutzungsvorrat wird meist qualitativ beurteilt
Es fehlen geeignete Zustandsmessgrößen, Mess-und Bewertungsmethoden
RTCM-Systeme können nur für sehr wenige Bauteilen eingesetzt werden
RTCM misst Symptome, gibt WarnungEignung wenn Formfaktor ca. 2-4, lange MTTR
Nur Zuverlässigkeitsstatistik ermöglicht PrognosenZuverlässigkeitsstatistik setzt MDE vorausNicht dokumentiert ist wie nicht gemacht!
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Synthese der beiden Modelle
&» VIH
Beide Methoden korrelieren, abereinen mathematischen Zusammenhang (Ableitung) gibt es nicht!
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Utopie optimaler IH-TerminKorrelation aus Sicht 1 und Sicht 2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%
110
120
130
140
150
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
Überlebensrate R(t)
Ausfallrate γ(t)bei b=3,5
Ausfalldichte f(t)
Charakteristische Lebensdauer T in %
Abnutzungsvorrat V(t)
Optimaler IH-Termin
Abnutzungsgrenze
Gesucht Optimaler IH-TerminTopt = Optimale Gesamtkostenüber die Betriebszeit
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Auf dem Weg zur VIHSynthese aus Sicht 1 und Sicht 2
ServiceplanErsatzteildisposition
(Störungsbedingt)VorbeugendZustandsorientiertVerbessernd
Aktualisierung ServiceplanNEU für Betriebsmittel mit ZOI:
Nutzungsbeginn, -endeMTTRInspektionsmethodeAbnutzungsmerkmale, -GrenzenFeedback an Hersteller
VerbesserungUmbau & ModernisierungCondition Monitoring
2. Durchführung derWartung und Wieder-inbetriebnahme
2. Durchführung derWartung und Wieder-inbetriebnahme
1. Wartungsplanung1. Wartungsplanung
4. Maßnahmen zur Optimierung
4. Maßnahmen zur Optimierung
3. Dokumentation der Wartung
3. Dokumentation der Wartung
Nicht dokumentiert ist wie nicht gemacht!
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ZustandsdatensammlungAICHELIN Service Entwicklungsprojekt
Vorgehensweise und Projektziele:Festlegung der geeigneten BetriebsmittelErfassung der Nutzungshistorie Bestimmung geeigneter Zustands(mess)größenMethoden zur Erfassung des VerschleißzustandsBestimmung der AbnutzungsgrenzenAufbau einer Datenbasis aus Anwenderdaten mit charakteristischer Lebensdauer und FormfaktorEntwicklung eines Ratgebers der zustandsorientierten IH in der betrieblichen IH
? Machen Sie mit? Siehe Fragebogen!
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Zusammenfassung
Die Folgen einer Störung bestimmen die IH-StrategieZwei Sichtweisen: Abnutzung und AusfallrateNur wenige Bauteile sind für ZOI geeignet
Abnutzung ist schwierig zu bestimmenCondition Monitoring kann ZOI „automatisieren“Zuverlässigkeitsstatistik ist auch ohne ZOI einsetzbarVIH » ZOI + Zuverlässigkeitsstatistik
Die statistische Datenbasis fehltNicht dokumentiert ist wie nicht gemacht
Eine determinierte Aussage über den Ausfallzeitpunkt eines Bauteils ist nicht möglich, wohl aber eine Prognose!
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Danke
Literatur:Steck-Winter, H.: Vorausschauende Instandhaltung von Thermo-
prozessanlagen. GASWÄRME International (60) Nr. 3-2011, Seite 141- 152, Vulkan Verlag Essen, 2011
Steck-Winter, H.: Integratives Instandhaltungsmanagement von Thermoprozessanlagen. GASWÄRME International, Jahrgang 7-8-2008, Seite 519-526, Vulkan Verlag Essen, 2008
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Ergänzende Anlagen
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Kontext: Ziele der Instandhaltung
Einige, sicher nicht alle, wichtigen IH-Ziele sind:Maximierung der ProduktqualitätMaximierung der ProduktionsmengeMaximierung der Effizienz (z.B. Energieeffizienz) Erhalt und Verbesserung der BetriebssicherheitKonformität mit CQI-9 (Automotive Industry)Nutzungsoptimierung teurer BetriebsmittelReduzierung von Störungen
Diese Ziele müssen erreicht werden:mit möglichst geringen Kosten! über den gesamten Lebenszyklus
ZOI, VIHZOI, VIH
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ZOI-Beispiel Mantelstrahlrohr
Ca. 2 Jahre alt nicht mehr einsetzbar
Ca. 1 Jahr alt noch einsetzbar
Neu
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ZOI-Beispiel Mauerwerk
Türsturz (Zwischentür)In Längsrichtung kleine Haarrisse (Dehnungsrisse)Keine Maßnahmen erforderlich!
Gewölbe DehnungsrisseIn den nächsten Jahren wird eine Teilausmauerung erforderlich
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ZOI-Beispiel Mauerwerk
Gerissener Auflagenstein!Noch unbedenklich. (Harter Stein kann nach keiner Seite weg)Muss bei der nächsten Wartung wieder begutachtet werden! Zum Austausch müssen sämtliche Gleitsteine und der Kettenkanal in diesem Bereich demontiert werden.
Gerissener Gleitstein. Dieser könnte innerhalb eines Jahres zerbrechen und zum Crash führen. Der Stein wurde vorbeugend ausgetauscht.
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ZOI-Beispiel Kettenkanal
Beginnender Lochfraß am Kettenkanal der Stoß und Zugkette.Segmente wurden ausgetauscht.Gerissene oder verzogene Kettenkanäle würden zum Crash führen.
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RTCM KombinationsmöglichkeitenSicht 1: Abnutzung eines einzelnen Bauteils
1. Auslaufzeitmessung: Zeit bis zum Stillstand
2. Gasdichtigkeitsprüfung: Druckhaltezeit
3. Bewegungszeitmessung: Zeit für Bewegung A - B
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Weibullverteilung: FunktionenSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
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Weibullverteilung: ExcelfunktionSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
Drei Parameter zur Berechnung mit Excelfunktion „Weibull“:1. Nutzungsdauer oder Betriebsdauer „t“
setzt bauteilspezifische MDE, z.B. Nutzungsdauer eines Gasumwälzer bis zur IH, voraus!
2. Charakteristische Lebensdauer „T“Zeit nach der 63,2% der betrachteten Bauteile ausgefallen sindnicht identisch mit der MTBF bzw. MTTRProblem: Aufgabe IH ist Ausfälle zu verhindern
3. Formfaktor „b“bestimmt die Kurvenform der Ausfallrate λ
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Weibullverteilung: LebensdauernetzSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
10 100
1. Ausfälle erfassen2. Skala für t bestimmen3. Hilfstabelle Häufigkeits-
summe4. Übertragung auf Lebens-
dauernetz5. Ausgleichsgerade ziehen6. Charakteristische Lebens-
dauer T ermitteln7. Formfaktor b ermitteln
(Parallele zur Ausgleichs-geraden)
T=60
b=2,5
t (Monate)F(t)
Aus
fallw
ahrs
chei
nlic
hkei
t
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Berechnung der AusfallrateSicht 2: Zuverlässigkeit mehrerer gleicher Bauteile
λ1
=MTTF wenn Lambda konstant, d.h. nur Zufallsausfälle
b
Ttb
eTt
Tbtf
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
1
)(
b
Tt
etF⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−
−= 1)( )(1)( tFtR −=
1
)(−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
b
Tt
Tbtλ
)()(
)(1)()(
tRtf
tFtft =
−=λ
Ausfallwahrscheinlichkeitsdichte f(t)
Ausfallwahrscheinlichkeit F(t)
Überlebenswahrscheinlichkeit R(t)
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Datenbank• Referenzdaten• Zustandsdaten• Historie• etc.
Datenbank• Referenzdaten• Zustandsdaten• Historie• etc.
Prognosen• IH-Termin• Ausfalltermin• Abnutzung• Ersatzteildispo• etc.
Prognosen• IH-Termin• Ausfalltermin• Abnutzung• Ersatzteildispo• etc.
Beurteilungder AbnutzungBeurteilung
der Abnutzung
BDE/MDEDynamisierungBDE/MDE
Dynamisierung
AlgorithmischeFunktionsmodelle• Abnutzungsvorrat• Ausfallrate• Weibullverteilung• Einflussfaktoren• etc.
AlgorithmischeFunktionsmodelle• Abnutzungsvorrat• Ausfallrate• Weibullverteilung• Einflussfaktoren• etc.
Schnittstelle zur Thermoprozessanlage (SPS/PLS)
Instandhaltungs-Planungs-System
Module eines IH- Planungssystems
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Das AICHELIN Servicekonzeptder zustandsabhängigen Instandhaltung
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Das AICHELIN Servicekonzept
Jahreswartungnach Serviceplan
BasiswartungBasiswartung
DokumentationDokumentation
• Thermografie• Teleservice• Umbau• Revamping• …
• Thermografie• Teleservice• Umbau• Revamping• …
Präventive Instandhaltung (Jahreswartung)
Ersatzteil-logistik
Ersatzteil-logistik
UnterstützendeProzesse
UnterstützendeProzesse
Wiederinbetrieb-nahme
Wiederinbetrieb-nahme
ZustandsorientiertZustandsorientiert
Reaktive Instandhaltung (Störungsbeseitigung)
+ 49 7141 6437 310
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Der AICHELIN Serviceplan
Basiswartung:Vorbeugend, periodisch
Instandhaltungsstrategieentsprechend Auswahlkriterien
vorbeugend oder zustandsorientiert
Berechnung derzustandsorientierten IHnach Aufwand
Zustandsabhängige Wartung:Nach Inspektionsbefund
Bauteil Tätigkeit ErgebnisBefund
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