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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zustandsabhängigen Wartung von hydrostatischen Verdrängereinheiten.
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Wenn hydraulische Anlagen aufgrund von Wartungsarbeiten oder aufgrund einer Fehlfunktion ausfallen, entstehen kostenintensive Stillstandszeiten, innerhalb deren Zeitspanne Ersatzteile ausgetauscht werden müssen. Außerdem kann auch eine Verschmutzung des gesamten Hydraulikkreislaufes eine Stillstandszeit bewirken, so dass vor der erneuten Inbetriebnahme die gesamte Anlage gereinigt werden muss und das Hydrauliköl sowie Systemkomponenten wie z.B. Filtereinsätze ausgetauscht werden müssen. Wenn hydraulische Anlagen nicht in Betrieb sind, beispielsweise in einer Produktionslinie, resultieren nicht nur ein verringerte Produktivität, sondern auch sehr hohe Kosten für das Herunterfahren und das wieder Anfahren der hydraulischen Anlage.
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Um die Ausfälle zu reduzieren ist dem Stand der Technik nach eine hydraulische Anlage so auszustatten, dass diese auch über größere Entfernungen steuerbar ist.
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Aus der US 2004 / 0 167 738 A1 ist ein System und ein Verfahren zum Überwachen und zur Analyse einer Leistung einer hydraulischen Kolben-Verdrängungspumpe bekannt. Das Analysesystem umfasst einen Signalprozessor, Drucksensoren, einen Kurbelwellen-Positionssensor, einen Vibrationssensor, Temperatursensoren und Sensoren zur Messung der aufgenommenen Energie. Die Drucksensoren dienen zum Erfassen von Drücken in den Zylinderkammern und in den Einlass- und Auslassleitungen einer Einzel- oder Mehrzylinderpumpe. Mit dem Kurbelwellenpositionssensor werden Pumpendrehzahl und Kolbenposition bestimmt. Mit dieser Sensorik kann eine Leistungsanalyse bezüglich Pumpenwirkungsgrad, Verzögerungen der Saug- und Druckventildichtheit, Leckagen von Ventil- und Kolbendichtungen, Druckschwankungen, hydraulischer Resonanzen und der Pulsationsdämpferleistung durchgeführt und auf einem Display angezeigt werden. Dieses Display kann direkt oder über ein Netzwerk mit dem Signalprozessor verbunden sein. Die Vielzahl von Sensoren des Analysesystems sind über Leitungen mit dem digitalen Signalprozessor verbunden. Über diese Leitungen werden dem Prozessor die Signale der diversen Sensoren zugeführt.
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Aus der
DE 103 34 817 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlererkennung an Pumpen, insbesondere an Axialkolbenpumpen bekannt. Zur Fehlererkennung ermittelt ein Sensor eine Messgröße, die einer Messwerterfassungseinrichtung zugeführt wird. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Schwenkwinkelsensor, einen Vibrationssensor oder vorzugsweise einen Drucksensor handeln. Die von der Messwerterfassungseinrichtung erfassten Messwerte werden einer Frequenzanalyseeinrichtung zugeführt. Das so ermitteltet Frequenzspektrum wird mit einem Referenzwert verglichen. Beim Auftreten einer Abweichung wird ein Signal erzeugt, das zum Auslösen einer entsprechenden Reaktion in einem Pumpenregler dient.
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Aus der
DE 103 22 220 B3 ist ein Verfahren zur Überwachung und automatischen Störungsfrüherkennung der Ventile einer Membrandosierungspumpe bekannt. Ein an zentraler Stelle am Pumpengehäuse angebrachtes Körperschallmikrophon nimmt den in der Membrandosierungspumpe entstehenden Körperschall auf und wandelt ihn in ein Messsignal. Das Messsignal des Körperschallmikrophons wird über eine Signalleitung an eine Vergleichseinrichtung übertragen. In der Vergleichseinrichtung wird das Messsignal mit einem Referenzsignalpegel verglichen. Falls in der Vergleichseinrichtung mögliche Störungen erkannt werden, werden Störmeldungen ausgegeben.
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Die US 2005 / 0 262 838 A1 beschreibt ein Zustands-Monitoring-System in einer hydraulischen Maschine zur Erkennung eines Hydraulikpumpenausfalls und zur Schätzung einer Pumpenlebensdauer, bevor ein Pumpenausfall auftritt. Hierzu werden ein Auslassdruck, eine Öltemperatur und ein Differenzdruck zwischen Zulauf und Ablauf des Abflussfilters gemessen. Zwischen dem Differenzdruck und dem Abgabedruck wird eine korrelative Beziehung bestimmt. Aus dieser korrelativen Beziehung wird ein repräsentativer Filterdifferenzdruck berechnet. Unter Verwendung einer Öltemperatur-Differenzdruck-Korrelationsfunktion wird ein repräsentative Differenzdruckwert so korrigiert, dass daraus eine durch die Öltemperatur verursachte variable Komponente eliminiert wird. Zur Vorhersage eines Pumpenausfalls wird ein langfristiger und ein kurzfristiger Trend des Anstiegs des korrigierten Differenzdrucks über die Zeit berechnet. Diese Berechnungen erfolgen in einem lokalen Controller. Dieser lokale Controller kann über ein drahtloses mobiles Kommunikationsnetz, das einen Kommunikationssatelliten verwendet, mit einem zentralen Server kommunizieren. Der lokale Controller sammelt Statusdaten der Hydraulikpumpe und überträgt periodisch die Ergebnisse aus der Trendberechnung an den zentralen Server. Der zentrale Server speichert die von der lokalen Steuerung empfangenen Daten und berechnet den Zustand der hydraulischen Pumpe der entfernten Hydraulikmaschine.
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Aus der
DE 196 46 299 A1 ist ein Pumpensystem für eine Partikelanalyse von unterschiedlich viskosen Flüssigkeiten bekannt. Das Pumpensystem besteht aus einer Doppelkolbenpumpe, einem gemeinsamen Steuerventil und einem Partikelsensor. Der Partikelsensor kann dabei sowohl an der Saugseite als auch an der Druckseite angeflanscht sein.
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Die
DE 199 51 961 A1 beschreibt ein Filtergerät zum Filtern von Druckluft. Zur Beurteilung der Filterwirkung ist das Filtergerät mit einem Strömungssensor und mit einem Differenzdrucksensor ausgerüstet. Der Strömungssensor misst den Luftstrom durch den Zuströmabschnitt des Filtergeräts. Der Differenzdruck zwischen Zuströmabschnitt und Abströmabschnitt des Filtergeräts wird durch den Differenzdrucksensor gemessen. Die Messwerte werden einer Auswerteeinheit zugeführt. Die ausgewerteten Messdaten werden von der Auswerteinheit mit einer seriellen Datenübertragung an eine Steuereinrichtung gesendet.
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Beispielsweise ist aus der
DE 100 18 866 A1 ein Pumpenaggregat mit einer Pumpe und einem Elektromotor, der die Pumpe antreibt bekannt. Für den Elektromotor ist eine digitale Motorsteuerung vorgesehen, die über einen Bus mit einer digitalen Kommunikationseinheit verbunden ist, welche eine auf Internetprotokolle basierende Schnittstelle aufweist, so dass letztendlich das Pumpenaggregat über ein digitales Netzwerk, ein Intranet oder das Internet steuerbar ist.
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Nachteilig bei dem aus der
DE 100 18 866 A1 hervorgehenden Stand der Technik ist, dass das Pumpenaggregat nicht direkt angesteuert wird, sondern über die Motorsteuerung, die über die digitale Kommunikationseinheit fernbedienbar ist. Das Pumpenaggregat selbst weist mindestens einen Sensor, wie beispielsweise einen Drucksensor, einen Differenzdrucksensor oder einen Temperatursensor auf, dessen Ausgangssignal über die Kommunikationseinheit abfragbar ist. Direkt mit dem Betrieb der Pumpe bzw. dem Pumpenaggregat zusammenhängende Daten wie Oberflächenvibrationen des Gehäuses und Verschmutzungsgrad des Hydraulikfluids werden jedoch im dem Pumpenaggregat gemäß dem Dokument
DE 100 18 866 A1 nicht erfasst. Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass die erfassten und übertragenen Daten zur Festlegung von Serviceintervallen nicht ausreichend sind, da die dafür relevanten Daten wie die durchschnittliche Amplitude der Oberflächenvibrationen des Gehäuses bzw. der im Hydraulikfluid enthaltene Abrieb in dem Pumpenaggregat gemäß dem Dokument
DE 100 18 866 A1 nicht erfasst werden.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Nachteile beim Stand der Technik zu beseitigen und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung von Ausfallerscheinungen, sowie zur Festlegung von Serviceintervallen und zur Analyse von Schadensverläufen bei hydrodynamisch betriebenen Maschinen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.
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Anspruch 1 bzw. Anspruch 14 beziehen sich auf eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur zustandsabhängigen Wartung von hydrostatischen Verdrängereinheiten, insbesondere von als Pumpe oder als Motor betriebenen Axialkolbenmaschinen. Dafür sind an der hydrostatischen Verdrängereinheit Beschleunigungssensoren und/oder Verschmutzungsgradsensoren angebracht, die Schwingungsdaten bzw. Verschmutzungsdaten der hydrostatischen Verdrängereinheit erfassen. Die Sensoren sind mit einer Auswerteeinheit verbunden, welche die Schwingungsdaten bzw. Verschmutzungsdaten zwischenspeichert, wobei an der hydrostatischen Verdrängereinheit eine mit der Auswerteeinheit verbundene Kommunikationseinheit vorgesehen ist, die diese Daten weitertransportiert.
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Die in den Unteransprüchen ausgeführten Maßnahmen betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass ein erster Beschleunigungssensor in einem Lagerbereich der hydrostatischen Verdrängereinheit vorgesehen ist, so dass Erschütterungen an der Oberfläche des Gehäuses im Bereich des Lagers messtechnisch erfasst werden.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass ein zweiter Beschleunigungssensor in einem Umsteuerbereich der hydrostatischen Verdrängereinheit vorgesehen ist, so dass auftretende Kavitation beim Wechsel vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich zuverlässig detektiert wird.
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Von Vorteil ist außerdem, dass in dem Hydraulikkreis ein erster Verschmutzungsgradsensor, der ein Partikelsensor sein kann, vorgesehen ist, so dass bereits im umgewälzten Hydraulikfluid Abrieb erfasst werden kann. Ein zweiter Verschmutzungsgradsensor in der Leckölleitung ist von Vorteil, wenn der erste Verschmutzungsgradsensor ausfällt. Somit ist sichergestellt, dass trotz eines Ausfalls eines Verschmutzungsgradsensors der im Hydraulikfluid sich befindliche Abrieb weiterhin bestimmt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Auswerteeinheit vorgesehen, die über eine mit ihr verbundene Kommunikationseinheit auch von der Ferne über eine Intranet oder eine Internetverbindung abfragbar ist. In der Kommunikationseinheit ist vorteilhafterweise ein Web-Server installiert, der einen bequemen und benutzerfreundlichen Zugriff auf die gespeicherten Daten, insbesondere auf die Verschmutzungsdaten und die Auswertung der Oberflächenvibrationen ermöglicht.
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Dabei ist von Vorteil, dass die ausgewerteten Daten bezüglich der Oberflächenvibrationen und des Verschmutzungsgrads den Zustand der hydrostatischen Verdrängereinheit und des Hydraulikfluids kennzeichnen, und somit eine notwendige Wartung schon vor ihrer Fälligkeit, und insbesondere vor einem Schadensfall angezeigt bzw. von außerhalb über den Web-Server abgefragt werden kann, so dass eine eventuell notwendige Stillstandszeit gut mit dem Produktionsprozess vereinbart werden kann, da diese mit einer gewissen Vorlaufzeit bekannt gemacht werden kann.
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Ferner ist von Vorteil, dass zumindest zwei Beschleunigungssensoren an dem Gehäuse der hydrostatischen Verdrängereinheit angebracht sind, so dass Oberflächenvibrationen des Gehäuses in zwei Richtungen erfasst werden können.
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Dadurch, dass die Kommunikationseinheit einen Web-Server aufweist, kann von jedem internetfähigen PC mit dem Web-Server kommuniziert werden und somit auch Daten der hydrostatischen Verdrängereinheit abgefragt werden. Ferner können über den Browser sämtliche in der Auswerteeinheit gespeicherten und im Web-Server vorhandenen Daten visualisiert und weiterverarbeitet werden. Zusätzlich dazu ist von Vorteil, dass der Web-Server auch über den Browser des externen, internetfähigen PCs konfiguriert werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zustandsabhängigen Wartung von hydrostatischen Verdrängereinheiten ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Axialkolbenmaschine zur Erläuterung der gemessenen Parameter und
- 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Axialkolbenmaschine, die über einen Web-Server mit einem externen PC verbunden ist.
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Die in der 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 3 ist in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Verdrängungsvolumen und einer Stromrichtung ausgeführt und umfaßt in bekannter Weise als wesentliche Bauteile ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 11 mit einem stirnseitig offenen Ende (unteres Ende in 1), einem am Gehäuse 11 befestigten, dessen offenes Ende verschließenden Gehäusedeckel 16, eine auch als Hubscheibe bezeichnete Schrägscheibe 17, eine Steuerplatte 18, eine Welle 19 und eine Zylindertrommel 20. Mittels eines geeigneten Sensors, der in dieser Darstellung nicht gezeigt ist, wird ein Schwenkwinkel der Schrägscheibe 17 ermittelt und an eine Auswerteeinheit 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur zustandsabhängigen Wartung von hydrostatischen Verdrängereinheiten 2 übermittelt.
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Die Welle 19 ist in dem Gehäuse 11 drehbar gelagert und greift zentriert durch die Zylindertrommel 20 hindurch, wobei in einem Lagerbereich 8 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 ein erster Beschleunigungssensor 4 an dem Gehäuse 11 der Axialkolbenmaschine 3 vorgesehen ist. Die Zylindertrommel 20 ist mit der Welle 19 drehfest, jedoch axial beweglich und dadurch von der Welle 19 abziehbar verbunden. Die Welle 19 ist auf beiden Seiten der Zylindertrommel 20 in jeweils einem Wälzlager 21 gelagert. An der Welle 19 ist ein Drehzahlsensor angebracht, der in dieser Darstellung nicht erkennbar ist und der die momentane Drehzahl der Welle 19 bestimmt und an die Auswerteeinheit 6 weiterleitet.
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In der Zylindertrommel 20 sind über den Umfang verteilt mehrere Zylinderbohrungen 22 ausgebildet. In jeder Zylinderbohrung 22 ist jeweils ein Kolben 23 axial beweglich eingesetzt. Die Kolben 23 weisen jeweils an der von dem Gehäusedeckel 16 abgewandten Seite einen kugelförmigen Kopf 24 auf, der mit einer korrespondierenden Ausnehmung eines Gleitschuhs 25 zu einer Gelenkverbindung zusammenwirkt. Mittels des Gleitschuhs 25 stützt sich der Kolben 23 an der Schrägscheibe 17 ab. Bei einer Drehung der Zylindertrommel 20 führen die Kolben 23 daher in den Zylinderbohrungen 22 eine Hubbewegung aus. Die Höhe des Hubs wird dabei durch die Stellung der Schrägscheibe 17 vorgegeben, wobei die Stellung der Schrägscheibe 17 im Ausführungsbeispiel durch eine Stellvorrichtung 26 einstellbar ist.
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Die im dargestellten Schnitt der 1 der Axialkolbenmaschine 3 nicht erkennbaren Steueröffnungen der Steuerplatte 18 stehen auf ihrer von der Zylindertrommel 20 abgewandten Seite in permanentem Kontakt mit zumindest einem in dieser Figur nicht dargestellten Hochdruck- bzw. Niederdruckanschluß. Dieser Bereich der Axialkolbenpumpe 3 wird auch als Umsteuerbereich 9 bezeichnet. In dem Umsteuerbereich 9 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 ist erfindungsgemäß ein zweiter Beschleunigungsmesser 4 vorgesehen.
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Die Zylinderbohrungen 22 sind über Öffnungen zu der Stirnfläche der Zylindertrommel 20 hin offen. Die Öffnungen überstreichen bei einer Rotation der Zylindertrommel 20 eine dichtende Umgebung der Steuerplatte 18 und werden dabei während eines Umlaufs alternierend mit den nicht erkennbaren Steueröffnungen verbunden.
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Die Funktion der vorstehend beschriebenen Axialkolbenmaschine 3 ist allgemein bekannt und in nachstehender Beschreibung bei einem Einsatz als Pumpe auf das Wesentliche beschränkt.
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Die Axialkolbenmaschine 3 ist beispielsweise für den Betrieb mit Öl als Hydraulik-Fluid in einem Hydraulikkreis 10 vorgesehen. In dem Hydraulikkreis 10 einer hydrostatischen Verdrängereinheit 2 wird das Hydraulik-Fluid umgewälzt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur zustandsabhängigen Wartung ist ein erster Verschmutzungsgradsensor 5, der ein Partikelsensor sein kann, innerhalb des Hydraulikkreises 10 vorgesehen, um die Konzentration des sich darin befindlichen Abriebs zu erfassen. Ferner ist ein zweiter Verschmutzungsgradsensor 5 innerhalb einer Leckölleitung vorgesehen, wobei diese Leckölleitung in der vorliegenden 1 der Axialkolbenmaschine nicht dargestellt ist.
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Über die Welle 19 wird die Zylindertrommel 20 mitsamt den Kolben 23 in Drehung versetzt. Wenn durch Betätigung der Stellvorrichtung 26 die Schrägscheibe 17 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 20 verschwenkt ist, vollführen sämtliche Kolben 23 Hubbewegungen. Bei Drehung der Zylindertrommel um 360° durchläuft jeder Kolben 23 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über die Öffnungen, die nicht erkennbaren Steueröffnungen der Steuerplatte 18 und den nicht dargestellten Hochdruck- bzw. Niederdruckanschluß erfolgen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur zustandsabhängigen Wartung von hydrostatischen Verdrängereinheiten 2, insbesondere von als Pumpe oder als Motor betriebenen Axialkolbenmaschinen 3. An der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 sind Beschleunigungssensoren 4 und/oder Verschmutzungsgradsensoren 5 angebracht, die Schwingungsdaten bzw. Verschmutzungsdaten der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 erfassen. Die Sensoren sind mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden, welche die Schwingungsdaten bzw. Verschmutzungsdaten auswertet und zwischenspeichert, wobei eine mit der Auswerteeinheit 6 verbundene Kommunikationseinheit 7 vorgesehen ist, die diese Daten weitertransportiert.
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Die mit der Auswerteeinheit 6 verbundene Kommunikationseinheit 7 ist vorzugsweise in einer On-Board-Elektronik 12 integriert oder an dieser angeschraubt. Alternativ dazu kann sie auch an dem Gehäuse 11 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 befestigt sein oder in der Auswerteeinheit 6 selbst integriert sein.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Kommunikationseinheit 7 ist eine digitale Kommunikationseinheit, in welcher ein Web-Server 13 installiert ist, der die ausgewerteten Daten der an der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 angebrachten Sensoren bereitstellt, so dass diese entweder automatisch oder auf Abfrage zu einem mit dem Internet 27 oder einem Intranet verbundenen externen PC 28 weitertransportiert werden, wobei dieser Weitertransport über eine Intranet- oder eine Internetverbindung erfolgt. Dazu ist der Web-Server 13 der Kommunikationseinheit 7 drahtgebunden, mittels eines LAN Anschlusses oder drahtlos mittels eines GSM-Modems oder WLAN mit dem Internet 27 verbunden. Die Auswerteeinheit 6 ist mit der Kommunikationseinheit 7 mittels eines Datenbusses oder mittels einer drahtlosen Verbindung, wie Infrarot oder RFID verbunden. Auch eine Übertragung über das Ethernet ist möglich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur zustandsabhängigen Wartung von hydrostatischen Verdrängereinheiten 2, insbesondere von als Pumpe oder als Motor betriebenen Axialkolbenmaschinen 3, werden an der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 Beschleunigungssensoren 4 und/oder Verschmutzungsgradsensoren 5 angebracht, wodurch Schwingungsdaten bzw. Verschmutzungsdaten der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 erfasst werden. Diese Daten werden in einer Auswerteeinheit 6 zwischengespeichert. An der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 wird eine Kommunikationseinheit 7 angebracht, die mit der Auswerteeinheit 6 verbundenen wird und die erfassten Schwingungsdaten bzw. Verschmutzungsdaten weitertransportiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Kommunikationseinheit 7 in einen mechanischen oder elektrischen Regler 14, 15 integriert.
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Zumindest ein erster Beschleunigungssensor 4 wird in einem Lagerbereich 8 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 angebracht und ein zweiter Beschleunigungssensor 4 in einem Umsteuerbereich 9 der hydrostatischen Verdrängereinheit montiert.
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Zusätzlich zu den Beschleunigungssensoren 4 werden ein erster Verschmutzungsgradsensor 5 in einem Hydraulikkreis 10 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 und ein zweiter Verschmutzungsgradsensor 5 innerhalb einer Leckölleitung platziert.
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Die mit der Auswerteeinheit 6 verbundene Kommunikationseinheit 7 wird an einem Gehäuse 11 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 fixiert oder an eine On-Board-Elektronik 12 der hydrostatischen Verdrängereinheit 2 angeschraubt.
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Die Erfindung ist nicht auf Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise beschränkt und ist beispielsweise auch für Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise verwendbar oder weitere hydrostatische Verdrängereinheiten mit einem geschlossenen oder offenen Hydraulikkreislauf anwendbar.
