Technische Zuverlässigkeit: Problematik · Mathematische Grundlagen Untersuchungsmethoden · Anwendungen

337 Pages·1986·8.97 MB·German

by  Peter Bitter

Technische
Zuverlässigkeit
Problematik· Mathematische Grundlagen
Untersuchungsmethoden . Anwendungen
Herausgegeben von der
Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, München
Dritte, neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 89 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork
London Paris Tokyo 1986
Bearbeitet von:
Peter Bitter' Dr. Helmut Groß, Harald Hillebrand . Dr. Ernst Trötsch . Artfried Weihe
Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, München
unter Mitwirkung von
Franz J. Wittmann, Rechtsanwalt, München
ISBN 978-3-540-16705-1 ISBN 978-3-642-88364-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-88364-4
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Technische Zuverlässigkeit: Problematik, math. Grund
lagen, Untersuchungsmethoden, Anwendungen 1h rsg. von d. Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH,
München. (Bearb. von Peter Bitter ... unter Mitw. von Franz J.Wittmann). -3., neubearb. u. erw. Auf!. -Berlin;
Heidelberg; New York; Tokyo . Springer, 1986.
ISBN 978-3-540-16705-1
NE: Bitter, Peter (Mitverf.); Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, Ottobrunn.
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benutzt werden dürften.
2362/3020 543210
Vorwort zur dritten Auflage
In den etwa eineinhalb Jahrzehnten seit dem Erscheinen der 1. Auflage
dieses Buchs hat das Interesse der Fachwelt nicht spürbar nachgelassen.
Dies mag einerseits als Bestätigung des zugrundeliegenden Konzepts ei
ner Mischung aus abstrakter Wissenschaftlichkeit und Allgemeinverständ
lichkeit aufgefaßt werden; andererseits kann es aber auch als Hinweis auf
die wachsende Bedeutung und zunehmende Anerkennung der Zuverlässig
keitsarbeit nicht allein in der technischen Fachwelt, sondern in steigendem
Maße auch auf rechtlichem Gebiet gelten.
Dem Springer-Verlag ist dafür zu danken, daß die Autoren mit der vorlie
genden 3. Auflage dieses Buchs ihre Absicht verwirklichen konnten, der
sich damit abzeichnenden Entwicklung Rechnung zu tragen. Als Einstieg
in das noch weithin unbestellte, zwischen Technik und Recht angesiedelte
Arbeitsfeld wurde das 8. Kapitel völlig überarbeitet und stellt die Zuver
lässigkeit erkennbar in das Spannungsfeld technisch-rechtlicher Zusammen
hänge. Es bringt damit dem Ingenieur das gern vernachlässigte rechtliche
Umfeld der Technik näher und weist andererseits den Juristen auf die durch
die Zuverlässigkeitstechnik ausgelösten und immer stärker hervortretenden
Rechtsfragen hin. Erinnert sei beispielsweise an vertragliche Probleme,
die durch Zuverlässigkeitsvereinbarungen im Zusammenhang großer, ins
besondere grenzüberschreitender Projekte aufgeworfen werden. Es ist zu
hoffen, daß es im vorliegenden Buch gelingt, den interdiSZiplinären Dialog
zwischen Technikern und Juristen nachhaltig in Gang zu setzen. Weiterfüh
rende Arbeiten zu dieser Thematik sind vorgesehen.
Obwohl im übrigen das Gesamtkonzept des Buchs beibehalten wurde, erga
ben sich in fast allen Kapiteln Änderungen durch Beseitigung erkannter
Mängel der 2. Auflage und, besonders im 1. und 6. Kapitel, durch Aufnahme
neuerer Arbeitsergebnisse und Anpassung an die zwischenzeitlich modifizier-
v
te offizielle Terminologie. An der Überarbeitung der einzelnen Kapitel ha
ben folgende Autoren mitgewirkt: Peter Bitter (Kap. 2 und 6), Helmut Groß
(Kap. 1), Harald Hillebrand (Kap. 5), Ernst Trötsch (Kap. 4) und Art
fried Weihe (Kap. 3 und 7). Kap. 8 wurde unter Mitwirkung von Franz
Josef Wittmann neu geschrieben.
München, im März 1986
Der Herausgeber
VI
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Im Sommer 1967 begannen in der Abteilung Zuverlässigkeit der Entwick
lungsring Süd GmbH die Arbeiten im Rahmen des sog. Informationspro
gramms Zuverlässigkeit: Im Auftrag des Bundesverteidigungsministeri
ums wurden im Laufe von eineinhalb Jahren etwa 60 "Zuverlässigkeits
Lehrbriefe" von je 5 bis 10 Seiten Umfang verfaßt und in unregelmäßiger
Folge an Dienststellen des Auftraggebers und an die Industrie verschickt.
Die einzelnen Serien behandelten die Gebiete Mathematische Grundlagen,
Methoden der Zuverlässigkeitsanalysen, Experimentelle Zuverlässigkeits
untersuchungen, Datenerfassung und -auswertung sowie Wartbarkeit.
Die Resonanz auf diese erste deutschsprachige Darstellung der Zuverläs
sigkeitsgrundlagen war überraschend groß. Die kleine Erstauflage war
rasch vergriffen, und viele spätere Anfragen konnten nicht mehr befriedigt
werden. Von vielen Seiten wurde der Wunsch nach einer Neuauflage laut.
Nachdem die Zustimmung des Auftraggebers zu einer Buchveröffentlichung
vorlag, stand der Verwirklichung dieses Vorhabens nichts mehr im Wege.
Allerdings mußten die ursprünglich auf eine zwanglose Aufeinanderfolge
abgestimmten Texte zuvor noch einer gründlichen Bearbeitung unterworfen
werden. Teile wurden gestrichen, andere ergänzt, geändert oder neu zu
sam mengefaßt •
An dieser Stelle sei dem Bundesverteidigungsministerium für die Freigabe
des Manuskripts zur Veröffentlichung ebenso gedankt wie dem Springer
Verlag für die sorgfältige und solide Drucklegung.
Das Erscheinen des Buches fällt in eine Zeit, in der den Zuverlässigkeits
problemen zunehmendes Interesse entgegengebracht wird. Spektakuläre
Raumfahrterfolge wurden durch die Entwicklung neuer hochzuverlässiger
VII
Systeme ermöglicht. Das Gebiet der technischen Zuverlässigkeit, vor nicht
allzu langer Zeit noch Domäne einige weniger Idealisten, ist heute eine
weithin anerkannte Fachdisziplin, die auch an Hochschulen und Universi
täten Eingang zu finden beginnt. Wir hoffen und wünschen, mit diesem Buch
einen Beitrag zur weiteren Verbreitung dieses Arbeitsgebiets leisten zu
können.
München, im Frühjahr 1971
Der Herausgeber
Aus dem Vorwort zur zweiten Auflage
Seit dem Erscheinen der ersten Auflage dieses Buches sind sechs Jahre
vergangen. IndiesemZeitraum haben sich, zum Teil durch äußere Impulse
ausgelöst, auf dem noch jungen Arbeitsgebiet der Zuverlässigkeit spürbare
Entwicklungen vollzogen. Die Neuauflage bot die Gelegenheit, die daraus ab
geleiteten Erkenntnisse einzuarbeiten und gleichzeitig Mängel der ersten
Auflage zu beseitigen, ohne die Gesamtkonzeption des Buches und das be
währte Gliederungsschema zu ändern.
Im Zuge der Überarbeitung wurden einige Abschnitte zusätzlich aufgenom
men, so unter anderem im Einführungskapitel eine Übersicht über vorhan
dene Institutionen, Richtlinien und Normen auf dem Zuverlässigkeitsgebiet,
im analytischen Teil je ein Abschnitt über Näherungsformeln, verborgene
Fehler, Fehlerbaumanalysen und Computerprogramme sowie im statisti
schen Teil eine Darstellung der Bayesschen Methode und eine ausführliche
Ableitung sequentieller Prüfverfahren während der Produktion. Völlig über
arbeitet wurden die Abschnitte über Wartbarkeit und Materialerhaltung im
6. Kapitel. Ein zusätzlich angefügtes Ka,pitel über die Zuverlässigkeit in
Beschaffungsverträgen spiegelt die bei Großprojekten gewonnenen Erfah
rungen der jüngsten Zeit wieder.
München, im September 1977
Der Herausgeber
VIII
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung • • • • • • • • . . • • . • • . • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • 1
1.1. Zuverlässigkeits begriff und Zuverlässigkeitsarbeit. . . • • • 1
1.2. Das Zuverlässigkeitsprogramm • . • • • • . . • • • • • • • • • • • 6
1. 3. Festlegung und Optimierung von Zuverlässigkeits-
forderungen • • . . • • • • • • • . . • • • • • • • • . • • • • • • • • • • 9
1.4. Realisierung von Zuverlässigkeitsforderungen . • • . . • . . • 15
1. 5. Zuverlässigkeitsprüfungen und Zuverlässigkeitsnachweis. • 26
1. 6. Die Zuverlässigkeitsorganisation. . • • . • . • • . • . • . • • .• 31
1.7. Institutionen, Normen und Richtlinien auf dem Zuver-
lässigkeitsgebiet •.••.••.•••••••••••••••.•••• 35
Anhang 1. Definition einiger wichtiger Zuverlässigkeits-
begriffe •••••.••.••••••••••••••••.•••••.•• 40
2. Mathematische Wahrscheinlichkeit und Boolesches Modell. • . .. 45
2.1. Der Wahrscheinlichkeitsbegriff • • • • • • • • • • . • • . • • . •• 45
2.2. Boolesche Grundstrukturen. • • • • • • • • • . • • . • • • • • • • • 51
2.3. Verallgemeinerte Boolesche Strukturen. • • • • • • • • • • •• 62
2.4. Bestimmung der Zuverlässigkeitsfunktion mit Hilfe des
Tafel verfahrens • • . . • • • • • • • • • • • • . • • • • • • . • • . •• 66
Anhang 2. Mathematische Ergänzungen. • • • • • . • • . • • . • • •• 73
3. Die Z uver lässigkeitsfunktion • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • •• 81
3.1. Allgemeine Betrachtungen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 81
3.2. Zufallsausfälle und Exponentialverteilung • • • • • • • • . • •• 88
3.3. Früh- und Verschleißausfälle • • . • • • • • • • • • • • • • • • •. 92
Anhang 3. Mathematische Ergänzungen. • • • • • • • • • • • . • • •• 103
4. Zuverlässigkeit von Systemen. • • • • . • • • • • • • • • • • • . • • . •• 106
4.1. Besonderheiten bei Systemanalysen. • • • • • • • • • • • • • •. 106
4.2. Anordnungen von Einheiten mit konstanter Ausfallrate. • •• 108
4.3. Partielle Redundanz 115
4.4. Stand-by-Redundanz 121
IX
4.5. Näherungsformeln zur Berechnung der Zuverlässigkeit
eines Systems . . • • • . • • • . . • • • • • 127
4.6. Verborgene Fehler 131
4.7. Grenzen der Redundanz 135
4.8. Die Markow-Methode 137
4.9. Fehlerbaumanalysen 156
4.10.Computerprogramme 157
Anhang 4. Mathematische Ergänzungen 159
5. Statistische Verfahren . • • . • . . • . . . 166
5.1. Empirische Ermittlung von Zuverlässigkeitskenngrößen 166
5.2. Bestimmung von Vertrauensgrenzen für die Parameter
von Verteilungsfunktionen . . . . • . . 178
5. 3. B ayessche Methode ... • . • . • . 194
5.4. Statistische Prüfplanung 197
Anhang 5. Mathematische Ergänzungen 216
6. Instandhaltung •••••••••.••• 238
6 • 1. Grundlagen • • • • . • . • • • • . 238
6.2. Bereitstellung gut instandhaltbaren Gerätes ••••. 243
6.3. Instandhaltungsverfahren 249
6.4. Zuverlässigkeit instandsetzbarer Systeme •.. 255
Anhang 6. Mathematische Ergänzungen •.•..••••. 265
7. Datenerfassung •••••••••..•..•.•••.• 268
7.1. Grundlagen und Voraussetzungen •. 268
7.2. Erfassung der Rohdaten .••.•••. 268
7.3. Datenaufbereitung und Auswertung . 276
Anhang 7. Zuverlässigkeitskenngrößen und die zu ihrer
Ermittlung erforderlichen Angaben ..••••. 279
8. Zuverlässigkeit in Beschaffungsverträgen ••. 282
8. 1. Vertragsrecht im Überblick ••..••.•. 282
8.2. Zuverlässigkeit im Vertragsrecht 291
8.3. Zuverlässigkeitsvereinbarungen . • • • . • • . . . • . • • • • 297
8.4. Die Ermittlung von Parametern für Zuverlässigkeits-
vereinbarungen •••••• . • • . • . • . . . . • . . . . . • . • . 305
8.5. Unterstützende Maßnahmen in Zuverlässigkeitsverein-
barungen •.•••••..•••••••.••••.•••.•••••••• 308
Anhang 8. Beispiel einer Zuverlässigkeitsspezifikation für
Systeme oder Geräte • • • • • • • . . . • • • • . • • • • • • • • • • • 317
Literaturverzeichnis 321
Sachverzeichnis 325
x
1. Einführung
1.1. Zuverlässigkeitsbegriff und Zuverlässigkeitsarbeit
Der Begriff Qualität ist jedermann aus dem täglichen Leben geläufig. Jeder
weiß, daß sich gleichartige Gegenstände von verschiedenen Herstellern hin
sichtlich ihrer Qualität unterscheiden. Qualitätsunterschiede entstehen auf
grund unterschiedlicher Ausgangsmaterialien, Herstellungsverfahren, Sorg
falt während der Herstellung usw. Der Qualitätsbegriff ist bei einfachen Ge
genständen ausreichend, um die Güte eines Produktes zu beschreiben. Bei
komplizierten technischen Geräten genügt er allein jedoch nicht mehr. Das
folgende Beispiel soll dies erläutern.
Bei der Entwicklung und Erprobung der ersten Raketen ergaben sich immer
wieder Rückschläge, obwohl die Einzelteile sorgfältigen Qualitätsprüfungen
unterworfen wurden. Die Schwierigkeiten beruhten weniger auf systemati
schen Fehlern, als auf der Vielzahl von Fehlermöglichkeiten, die sich aus
dem Zusammenwirken der zahlreichen Einzelteile ergaben. Die ersten Ra
keten besaßen in diesem Stadium, wie man heute sagt, keine große Zuver
lässigkeit.
In den letzten Jahren hat das Zuverlässigkeitsprinzip wegen des immer kom
plexer gewordenen Charakters technischer Systeme eine zunehmende Bedeu
tung gewonnen. Dies gilt insbesondere für Gebiete wie Luft- und Raumfahrt
technik oder Kerntechnik, in denen die Fragen der Zuverlässigkeit im Blick
punkt der Öffentlichkeit stehen, und wo, für jeden erkennbar, Menschenle
ben oder zumindest hohe materielle und ideelle Werte auf dem Spiel stehen.
Mehrere Vorfälle der jüngsten Zeit gerade in diesen bei den Bereichen - man
denke beispielsweise an die Challenger-Katastrophe im Januar 1986 oder an
den Reaktorunfall im amerikanischen Harrisburg 1979 - stellten sich als Zu
verlässigkeitsprobleme heraus. Aber auch in weniger spektakulären Berei
chen, bei der Nachrichtenübermittlung , beim Elektronenrechner oder etwa
bei der Werkzeugmaschinensteuerung, wo die Bedeutung zuverlässigen Funk
tionierens zunächst nur den unmittelbar Beteiligten vertraut ist, erreichen