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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zustandsbestimmung
eines Hydraulikaggregates zur Versorgung eines Hydraulikzylinders zur
Durchführung von Lasthüben.
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In
DE 10 2004 017979
A1 ist ein Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines
Teiles beschrieben, bei dem ein Hydraulikaggregat einen Druck für
den Hydraulikzylinder eines Kraftschraubers liefert. Das Hydraulikaggregat
ist mit einem Steuergerät versehen, welches in Abhängigkeit
von dem erzeugten Druck ein Steuerventil umschaltet. Der Druck steigt
bei jedem Lasthub zunächst mit höherer Steigung
und anschließend mit geringerer Steigung, bis der Endanschlag
des Hydraulikzylinders erreicht ist.
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Bei
modernen Maschinen und Arbeitsgerätschaften ist es erforderlich,
regelmäßig Wartungen vorzunehmen, bei denen das
Gerät untersucht wird, um eventuelle Fehler oder bevorstehende
Fehler festzustellen. Bei einer derartigen Wartung werden auch Verschleißteile
ausgewechselt. Normalerweise erfolgen die Wartungen in regelmäßigen
Zeitintervallen bzw. nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden
des Gerätes. Eine solche intervallbestimmte Festlegung
von Wartungsarbeiten orientiert sich nur in geringem Umfang an der
tatsächlichen Arbeitslast des Gerätes. So bleibt
unberücksichtigt, ob das hydraulische Arbeitsgerät
nur leichte Arbeitshübe ausgeführt hat oder eventuell
bis an die Belastungsgrenze betrieben wurde.
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Für
komplexe Anlagen, die unterschiedlichen Lastzuständen unterliegen,
wurde das „Condition Monitoring" entwickelt, bei dem eine
Zustandsbestimmung erfolgt, um Anlagenausfälle zu vermeiden. Der
ermittelte Zustand gibt an, wie weit die überwachte Anlage
noch von einem demnächst zu erwartenden Fehler oder Ausfall
entfernt ist. Auf diese Weise ist eine frühe Erkennung
schleichender Systemveränderungen und eine Eingrenzung
der Ursachen möglich. Das Condition Monitoring ermöglicht
eine zustandsorientierte Instandhaltung der Anlage und löst
die bisher übliche präventive Instandhaltung ab, bei
der die Maschine in festen Wartungsintervallen gewartet wurde. Das
Condition Monitoring bietet darüber hinaus die Möglichkeit
einer Online-Zustandsdiagnose.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen
Zustandsbestimmung eines Hydraulikaggregates anzugeben, das eine
realitätsnahe Zustandsbestimmung ermöglicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch
1 definiert. Hiernach ist vorgesehen, dass für mindestens
eine Aggregatekomponente aus dem Druck der Dauer des Betriebes seit
Inbetriebnahme eine verschleißbestimmende Kennzahl berechnet
wird, dass aus der Kennzahl und einer für die Aggregatekomponente
festgelegten Verschleißgrenze ein Verschleißgrad
bestimmt wird und dass für das gesamte Aggregat unter den Verschleißgraden
aller Aggregatekomponenten das Maximum ermittelt und daraus ein
Gesamt-Verschleißgrad gebildet wird.
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Die
Höhe des entstandenen Druckes gibt Aufschluss über
die aufgebrachte Leistung, aus der in Verbindung mit der Dauer des
Lasthubes die Arbeit oder eine damit verbundene Größe
bestimmt werden kann. Das Verfahren unterscheidet also die Lasthübe entsprechend
dem Widerstand, der ihnen entgegengesetzt wurde. Daher werden schwergängige
Lasthübe höher bewertet als leichtgängige
Lasthübe.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders
für Hydraulikaggregate zum Betrieb hydraulischer Kraftschrauber
zum Anziehen von Schrauben, Muttern und ähnlichen drehbaren
Teilen. Hierbei hängt der während eines Lasthubes
entstehende Druck von dem Widerstand ab, den das zu drehende Teil
der Drehung entgegensetzt.
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Der
Verschleißgrad gibt die akkumulierte Arbeitslast an. Dies
bedeutet, dass seit der letzten Wartung alle Arbeitsvorgänge,
die mit dem Hydraulikaggregat durchgeführt werden, zur
Vergrößerung des Verschleißgrades beitragen,
und zwar entsprechend der aufgebrachten Arbeit. Ein Hydraulikaggregat,
mit dem Schwerarbeit durchgeführt wurde, erreicht den oberen
Grenzwert, die Verschleißgrenze, früher als ein
Hydraulikaggregat mit dem nur leichtgängige Arbeit durchgeführt
wurde, jeweils bei gleicher Anzahl von Betriebsstunden. Der Verschleißgrad
ist gewissermaßen ein Maß für die „Erschöpfung"
des Gerätes. Aus dem Verschleißgrad kann die Anzahl
der noch bis zum nächsten Wartungsvorgang möglichen Betriebsstunden
berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt automatisch in dem Steuergerät
des Hydraulikaggregates. Die Anzeige der noch verfügbaren
Betriebsstunden ist auf Knopfdruck abrufbar. Bei der Berechnung
der noch verfügbaren Betriebsstunden wird die mittlere
Schwere der bisherigen Arbeitslast für die zukünftig
noch durchzuführenden Arbeiten zugrundegelegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird für die Kennzahl
das Zeitintegral des Druckes gebildet. Hierbei wird die Fläche
unter der Druckkurve, die sich bei den Lasthüben ergibt,
ausgewertet. Eine vereinfachte Ausführungsform sieht vor,
dass der Druck und die Dauer eines Lasthubes als Parameter für
die Bestimmung bzw. Weiterentwicklung des Verschleißgrades
verarbeitet werden.
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Der
Druck und die Dauer eines Lasthubes werden als Parameter für
die Bestimmung bzw. Weiterentwicklung der Zustandsgröße
verarbeitet. Dies kann zweckmäßigerweise so geschehen,
dass das Produkt aus Druck und Dauer gebildet wird, um eine Lastgröße
des jeweiligen Lasthubes zu erhalten. Um diese Lastgröße
wird der bisherige akkumulierte Verschleißgrad erhöht.
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Druck
und Dauer der Lasthübe sind nicht notwendigerweise die
einzigen Parameter, die die Zustandsgröße beeinflussen.
Beispielsweise kann die Gewinnung der Zustandsgröße
außerdem die Anzahl der Lasthübe einbezogen werden
oder auch die Temperatur des Hydraulikmediums. Die Art der Einbeziehung
kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann jeder
Parameter mit einer Gewichtung versehen werden.
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Auch
die Signale von Sensoren, welche Fehlermeldungen anzeigen, können
in die Gewinnung der Zustandsgröße einbezogen
werden. Beispielsweise würde die häufige Überschreitung
einer Grenztemperatur zu einer außerplanmäßigen
Erhöhung der Zustandsgröße führen.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Betriebsdauer des Hydraulikaggregates unterhalb
und oberhalb einer Grenztemperatur zu messen. Ein Beispiel hierfür
ist: Das Hydraulikaggregat hat 50 Arbeitsstunden gelaufen, davon
30 Stunden über 50°C.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Hydraulikaggregat zur Versorgung eines
Hydraulikzylinders zur Durchführung von Lasthüben
entsprechend dem Patentanspruch 7.
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Das
Hydraulikaggregat kann weitere überwachte Parameter erfassen
und speichern, wie beispielsweise die Anzahl der Betriebsstunden
von Anbeginn an und von der letzten Wartung an, das Produkt aus
Betriebsdauer, Strom und Spannung des Motors als elektrische Arbeit,
das Produkt aus Betriebsdauer des Motors, Druck und Volumenstrom
als hydraulische Arbeit, das Produkt aus Temperatur und Zeit, den
Stromspitzenwert, den Spannungsspitzenwert und/oder den Spannungsmindestwert,
den Temperaturspitzenwert, den Druckspitzenwert sowie das Produkt
aus Volumenstrom und Zeit zur Ermittlung des akkumulierten gepumpten
Volumens.
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Außer
der Zustandsbestimmung können weitere Funktionen vorgesehen
sein, wie beispielsweise ein Selbsttest des Hydraulikaggregates.
Hierzu werden die beiden Schläuche Vorlauf und Rücklauf
angeschlossen und der Höchstdruck wird auf einen vorgegebenen
Wert, z. B. 400 bar, eingestellt. Durch die Elastizität
der an den Enden verschlossenen Schläuche baut der Druck
sich linear mit der Zeit auf, entsprechend einer Referenzkurve,
die aufgezeichnet bzw. gespeichert wird. Dann wird geprüft,
ob die gemessene Kurzve den vorgegebenen Verlauf der Referenzkurve
hat.
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Geprüft
werden außerdem die Betriebsbereitschaft der Drucksensoren
für Vorhub und Rückhub, der Stromfluss des Motors,
der Druckaufbau, nämlich Funktion des Hauptventils, Funktion
der Zahnradpumpe, Funktion der Anzahl der Pumpenelemente sowie die
Druckentlastung, nämlich Funktion des Entlastungsventils.
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An
das Steuergerät kann ein Diagnosestecker angesteckt werden
zum Auslesen verschleißrelevanter Daten bzw. der gesamten
Gerätehistorie. Auf diese Weise ist der Zustand des Aggregats
jederzeit abrufbar. Die Fehlerdiagnose wird erleichtert, da das
Gerät kritische Bedingungen zwischenspeichert.
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Auch
eine Vernetzung des Steuergeräts mit dem Internet oder
einem anderen Datennetz ist möglich. Hier können
die Daten aus dem Aggregat beispielsweise täglich an einen
Wartungsserver übermittelt werden. Parameter-Anpassungen
können auf dem Wartungsserver hinterlegt werden und bei
der nächsten Diagnose automatisch einprogrammiert werden.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Ausführungsbeispiel einer Schraubvorrichtung
mit einem Hydraulikaggregat und einem Kraftschrauber zum Drehen
einer Schraube,
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2 eine
schematische Darstellung des Kraftschraubers, der den Kolbenzylinderantrieb
enthält,
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3 eine
Ansicht des gesamten Hydraulikaggregats einschließlich
Fernbedienung und Programmiereinheit und
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4 ein
Zeitdiagramm des Druckverlaufs bei mehreren aufeinanderfolgenden
Lasthüben.
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In
den 1 und 2 ist schematisch ein Kraftschrauber 10 dargestellt.
Dieser weist einen hydraulischen Kolbenzylinderantrieb 11 mit
einem Hydraulikzylinder 12 und einem darin bewegbarem Kolben 13 auf.
Der Kolben ist mit einer Kolbenstange 14 verbunden, und
das Ende der Kolbenstange greift an einem Hebel 15 an,
welcher mit einer Rastklinke 15a an der Verzahnung eines
Ratschenrades 17 angreift. Das Ratschenrad 17 ist
Bestandteil eines Ringstücks 18, das eine Fassung 19 zum
Einstecken einer Schlüsselnuss oder eines zu drehenden
Schraubkopfes aufweist. Durch hin- und hergehendes Bewegen des Kolbens 13 wird
das Ringstück 18, und mit diesem die Schraube
gedreht. Das Ringstück 18 ist in einem Gehäuse 20 gelagert,
das auch den Kolbenzylinderantrieb 11 enthält.
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Der
Druck für den Kolbenzylinderantrieb 11 wird von
dem in 1 dargestellten Hydraulikaggregat 25 geliefert,
das eine Verdrängerpumpe 26, z. B. eine Zahnradpumpe,
einen drehzahlgesteuerten Synchronmotor und einen Tank enthält.
Der Motor treibt die Pumpe 26 an. Das Hydraulikaggregat 25 ist einer
Druckleitung 28 und einer Rücklaufleitung 29 angeschlossen.
Diese beiden Leitungen sind über ein Steuerventil 30 mit
dem Kolbenzylinderantrieb 11 verbunden. Durch Umschalten
des Steuerventils 30 kann der Kolben 13 entweder
vorwärts oder rückwärts bewegt werden.
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Zur
Steuerung des Hydraulikaggregats 25 und des Steuerventils 30 ist
das Steuergerät 31 vorgesehen. Dieses enthält
einen Frequenzumrichter, der eine variierbare Antriebsfrequenz für
den Motor erzeugt. Das Steuergerät 31 bestimmt
somit die Drehzahl der Pumpe 26. Die Pumpendrehzahl bestimmt
den Volumenstrom, der der Druckleitung 28 zugeführt
wird.
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An
der Druckleitung 28 ist ein Drucksensor 32 vorgesehen,
der den Hydraulikdruck p in der Druckleitung misst. Der Drucksensor
ist über eine Leitung 33 mit dem Steuergerät 31 verbunden.
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Das
Hydraulikaggregat 25 weist ein Gehäuse 35 auf,
welches das Hydrauliköl enthält. In dem Gehäuse 35 ist
eine Pumpe untergebracht, die als Tauchpumpe ausgebildet ist und
den Druck für das Schlauchsystem 28, 29 erzeugt.
Es handelt sich um eine volumetrische Pumpe aus einer Zahnradpumpe oder
mehreren, verteilt angeordneten Pumpsegmenten, die von einem Motor
angetrieben werden.
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An
der vorderen Stirnseite des Gehäuses 35 befindet
sich ein einstellbares Überdruckventil 36 und
ein Ansatz 37 für die Schläuche 28 und 29.
Dort ist auch der Drucksensor 32 für die Druckleitung 28 vorgesehen.
Ein weiterer Drucksensor ist für die Rücklaufleitung 29 vorgesehen.
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Das
Steuergerät 31 weist ein Gehäuse auf, in
dessen Oberseite ein Display 40 angeordnet ist. Das Gehäuse
ist mit einer Fernbedienung 41 verbunden, mit der eine
manuelle Steuerung des Steuerventils 30 erfolgen kann.
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An
das Steuergerät kann ferner die Programmiereinheit 42 angeschlossen
werden, die eine Benutzerschnittstelle bildet mit Tastatur und Display.
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4 zeigt
den Verlauf des Druckes p über der Zeit τ bei
mehreren aufeinanderfolgenden Lasthüben des Kraftschraubers.
Es handelt sich um den Druck, der vom Drucksensor 32 gemessen
wird.
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In 4 sind
die Lasthübe LH1–LH4 des Kolbens dargestellt.
Jeder Lasthub weist einen Anfangsabschnitt 45 auf, in dem
ein relativ steiler Druckanstieg erfolgt zur Überwindung
der Reibung bzw. zum Erreichen des Zustandes, bei dem der vorhergehende
Lasthub beendet worden war. Es folgt ein Abschnitt 46,
in dem die Schraube gedreht wird. Am Ende des Lasthubes stößt
der Kolben 13 gegen den vorderen Anschlag des Zylinders
(2). Dadurch entsteht ein steiler Druckaufbau,
der durch den Abschnitt 47 repräsentiert wird.
Durch Detektion des steilen Abschnitts 47 wird der Blockierzustand
am Ende des Lasthubes erkannt. Daran schließt sich ein abfallender
Abschnitt 48 an, in dem der Rückhub des Kolbens
erfolgt und der Druck p wieder auf 0 geht.
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Bei
jedem der Lasthübe LH1–LH4 ist der Anfangsabschnitt 45 gegenüber
dem vorhergehenden Lasthub verlängert, bis das bei dem
Abschnitt 47 erreichte Drehmoment von neuem erreicht wird.
Erst dann beginnt der Abschnitt 46, in dem die Schraube gegen
einen Drehwiderstand gedreht wird.
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Bei
einer Ausführungsform wird bei jedem Lasthub die Höhe
des entstandenen Druckes ermittelt und gespeichert. Dies ist der
Druck p des Abschnitts 47, bei dem die Umschaltung vom
Lasthub zum Rückhub erfolgt. Hierbei kann entweder der
Anfangspunkt oder der Endpunkt des kurzen Abschnitts 47 ausgewählt
werden. Die Höhe des erreichten Druckes ist ein Parameter
zur Bestimmung der Arbeitslast. Ein anderer Parameter zur Bestimmung
der Arbeitslast ist die Dauer des Lasthubes. Hierbei kann die Dauer
vom Beginn des Anfangsabschnitts 45 bis zum Ende des Abschnitts 46 ausgewertet
werden. Es ist aber auch möglich, nur die Dauer des Abschnitts 46 auszuwerten
oder auch die Dauer des Abschnitts 48, die den Rückhub
repräsentiert, einzubeziehen. Vorzugsweise wird die Dauer
der beiden Abschnitte 45 und 46 ausgewertet.
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Das
Steuergerät 31 bildet das Produkt aus Druckhöhe
und Dauer des Lasthubes und summiert die so gebildeten Produkte
von Lasthub zu Lasthub, so dass eine Zustandsgröße
gewonnen wird, welche den Verschleiß angibt. Wenn diese
Zustandsgröße einen vorgegebenen Wert erreicht
hat, ist eine Wartung bzw. Inspektion fällig. Die Differenz
zwischen der Verschleißgrenze und dem augenblicklichen Wert
kann angezeigt werden, um daraus die Nähe des bevorstehenden
Wartungszeitpunktes zu bestimmen.
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Die
beschriebene Gewinnung der Zustandsgröße, die
die akkumulierte Arbeitslast angibt, stellt nicht notwendigerweise
das einzige Kriterium zur Bestimmung des Zeitpunkts der nächsten
Wartung dar. Unabhängig von der akkumulierten Arbeitslast
kann die Anzahl der Lasthübe ein alternatives oder zusätzliches
Kriterium darstellen. Andere Kriterien, wie z. B. die Temperatur
des Hydraulikmediums, können zur Durchführung
einer Notabschaltung benutzt werden oder in die Zustandsbestimmung
mit einbezogen werden, beispielsweise indem Lasthübe, in
denen die Temperatur einen Schwellenwert übersteigt, eine zusätzliche
Gewichtung erhalten.
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Nachfolgend
wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben,
wobei ebenfalls auf die 1–4 Bezug
genommen wird: Aus der Ist-Belastung des Hydraulikaggregates werden Kenngrößen
errechnet, die Rückschlüsse auf den (Verschleiß-)Zustand
einzelner Aggregatekomponenten zulassen. Hierfür werden
im wesentlichen die bei Verschraubungen erfasste Druck-Zeit-Kennlinie (4)
hinzugezogen, dazu eventuell noch Öltemperatur sowie weitere
laufend erfasste Messdaten.
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Die
Druck-Zeit-Kennlinie enthält unabhängig von der
für die Verschraubung verwendeten Peripherie (Schläuche,
Hydraulikantriebe, Schraubgeräte...) und unabhängig
von den Schraubfällen (Drehmoment, Reibmoment, Steigung...)
die für den Verschleiß des Aggregates relevanten
Daten.
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Auswirkung
auf den Verschleiß nehmen insbesondere hohe Drücke,
Druckspitzen, Druckschwankungen, das gepumpte Volumen sowie die hydraulische
Leistung; der Einfluss vieler dieser Werte ändert sich
darüber hinaus mit der Arbeitstemperatur, die durch die Öltemperatur
hinreichend genau angenähert ist.
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Der
Verschleiß einzelner Komponenten hängt unterschiedlich
von diesen Kenngrößen ab, so wird eine Dichtung
vorwiegend mechanisch bei Druckänderungen beansprucht,
ein Pumpenelement dagegen hauptsächlich von der (mechanischen
und damit hydraulischen) Arbeit, die es verrichtet.
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Da
sich eine Komponente kontinuierlich mit ihrem Verschleiß über
die Zeit verändert, ergibt ein Integral dieser Kenngrößen über
den zeitlichen Verlauf eine gute Aussage über ihren Verschleiß.
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Daher
wird die den Verschleiß einer Aggregatekomponente K
i bestimmende Kennzal z
i seit
Inbetriebnahme (τ = 0) bis zum Zeitpunkt τ wie
folgt berechnet:
mit:
- p(τ):
- Momentandruck zum
Zeitpunkt τ
- dp(τ) / dτ:
- Ableitung von zum
Zeitpunkt τ „Steigung", „Änderung")
- q(τ):
- Volumenstrom zum Zeitpunkt τ (aus
p(τ)) (Baureihenspezifisch zu errechnen)
- ϑ(τ):
- Öltemperatur
zum Zeitpunkt τ
- b0,i,
b1,i, b2,i, b3,i, b4,i:
- Komponentenabhängige
Gewichtungsfaktoren und Exponenten für die einzelnen Kennzahlen
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Zu
jeder Komponente K
i wird die Kennzahl für
die Verschleißgrenze z
i,0 bestimmt,
an der eine Wartung notwendig wird. Dann wird für jede
Komponente mit
ein Verschleißgrad
g
i in Prozent ermittelt.
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Für
das Gesamtaggregat ist das Maximum der Verschleißgrade
aller n Einzelkomponenten maßgeblich, also G
= naax(gi)|n i=1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004017979
A1 [0002]
