DE102011011348A1

DE102011011348A1 - Verfahren zur Ermittlung von Kavitation in hydrostatischen Vorrichtungen und Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102011011348A1
Application number: DE102011011348A
Authority: DE
Inventors: Matthias Müller; Michael Mast; Dr. Anderl Thomas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-08-16
Also published as: US20120204627A1

Abstract

Verfahren zur Detektion von Kavitation in einem hydrostatischen System (1) mit den folgenden Schritten. Eine für die Kavitation typischen Schwingung wird aus einem über die Zeit erfassten Druck (14) erfasst. Weiterhin wird eine Bewertungsgröße für Kavitation auf der Basis der erfassten Schwingung ermittelt und die Bewertungsgröße mit einem Vergleichswert verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Kavitation in einem hydrostatischen System und eine Steuervorrichtung für ein hydrostatisches System, welche ein solches Verfahren anwendet.
Mit Kavitation bezeichnet man die Bildung und nachfolgend schlagartige Kondensation von Dampfblasen in strömenden Flüssigkeiten, hervorgerufen durch abrupte Geschwindigkeitsänderungen (Hohlsog). Kavitation tritt in hydrostatischen Vorrichtungen und Systemen auf, wie zum Beispiel in hydrostatischen Pumpen, wenn diese in einem Überlastbetrieb oder mit zu hohen Drehzahlen betrieben werden. Da das Platzen der Dampfblasen eine sehr hohe Geräuschentwicklung und auch Beschädigungen an den hydrostatischen Vorrichtungen und Systemen führt, besteht ein großes Interesse, Kavitation zu erkennen und in einem solchen Fall das hydrostatische System abzuschalten oder zurückzufahren, bevor es zu Beschädigungen des hydrostatischen Systems kommen kann.
Die europäische Patentschrift EP 1 333 276 B1 offenbart ein Verfahren zur Kavitationsdetektion, welches auf Schwingungsmessungen an dem Gehäuse einer hydrostatischen Vorrichtung basiert. Dabei wird ein mechanischer Schwingungssensor, der Schwingungen in eine erste Richtung misst, und eine zweiter mechanischer Schwingungssensor, der Schwingungen in eine zweite Richtung misst, zur Erfassung zweier Schwingungen verwendet, wobei der Quotient der beiden Schwingungen Rückschlüsse über die Kavitation in der hydrostatischen Vorrichtung zulässt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass hier zwei Schwingungen gemessen werden müssen, um die Kavitation zu ermitteln und dass die Kavitationsdetektion eine zusätzliche Sensorik für die hydrostatischen Vorrichtung erfordert. Weiterhin benötigen die zwei Schwingungssensoren zusätzlichen Platz und erhöhen das Gewicht der hydrostatischen Vorrichtung mit zusätzlichen Sensoren.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Steuergerät zur Erkennung von Kavitation zu schaffen, welches Kavitation stabil detektieren kann und keine teure und komplizierte Sensorik benötigt und das hydrostatische System nur in geringem Umfang verändert.
Die Aufgabe ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Kavitation nach Anspruch 1 und durch das erfindungsgemäße Steuergerät nach Anspruch 16 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Kavitation in einem hydrostatischen System weist die folgenden Schritte auf. Zuerst wird der Druck der Druckmittelflüssigkeit in dem hydrostatischen System als Messgröße über die Zeit, d. h. die Druckkurve der Druckmittelflüssigkeit, erfasst. Als Druck wird hier der Arbeitsdruck bezeichnet, d. h. der das hydrostatische System antreibende Hochdruck. Für den Fall einer Pumpe ist das der förderseitige Druck. Weiterhin wird eine für die Kavitation typische Schwingung aus der erfassten Druckkurve erfasst. Schließlich wird aus der erfassten Schwingung eine Bewertungsgröße für Kavitation ermittelt, welche nachfolgend mit einem Vergleichswert verglichen wird, um eine Aussage über die Kavitation in dem hydrostatischen System zu treffen.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung weist Mittel auf, die zum Ausführen der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind. So weist die Steuervorrichtung einen Messeingang zum Einlesen der Druckwerte über die Zeit auf. Weiterhin weist die Steuervorrichtung eine Schwingungserfassungsvorrichtung eingerichtet zur Erfassung einer Schwingung in den eingelesenen Druckwerten des Druckmittels und eine Auswertevorrichtung eingerichtet zum Ermitteln einer Bewertungsgröße aus der erfassten Schwingung und zum Vergleichen der ermittelten Bewertungsgröße mit einem Vergleichswert zur Bestimmung der Kavitation auf. Die Auswertevorrichtung und die Schwingungserfassungsvorrichtung sind vorzugsweise in einer gemeinsamen Kontrolleinheit in der Steuervorrichtung realisiert.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe hat den Vorteil, dass für die Bestimmung der Kavitation kein zusätzlicher Sensor, wie die Schwingungssensoren des Standes der Technik zur Erfassung mechanischer Schwingungen nötig ist, da ein Drucksensor für die Steuerung vieler hydrostatischer Systeme bereits vorhanden ist. Weiterhin benötigt, das erfindungsgemäße Verfahren nur eine gemessene physikalische Größe, nämlich den Druck in einer Arbeitsleitung des hydrostatischen Systems, um die Kavitation in diesem zu ermitteln. Ein solches System ist einfach auf andere hydrostatische Systeme mit anderen Kavitationsfrequenzen zu übertragen, da die Frequenzselektion der zu erfassenden Schwingungen nicht durch die Struktur des Schwingungssensors, sondern durch das Auswerteverfahren in der Steuervorrichtung angepasst werden kann. Im Stand der Technik muss für jedes hydrostatische System mit eigener Kavitationsfrequenz ein anderer Schwingungssensor verwendet werden, was teuer und aufwendig ist. Die Erfindung schließt auch ein, mehr als eine für die Kavitation typische Schwingung zu erfassen und für die Detektion der Kavitation zu nutzen.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterführungen der Erfindung.
Es ist vorteilhaft, die für die Kavitation typische Schwingung durch Frequenzselektion zu erfassen, wobei eine Schwingung mit einer für die Kavitation typischen Frequenz erfasst wird. Die typischen Kavitationsfrequenzen sind für die meisten hydrostatischen Systeme bekannt. So ist die typische Frequenz bei einer hydrostatischen Pumpe die Anzahl der Kolben multipliziert mit der Drehzahl der Pumpe. Durch das Erfassen einer solchen bekannten Schwingung, kann eine zuverlässige Aussage über die Kavitation getroffen werden.
Es ist vorteilhaft, die Schwingung dadurch zu erfassen, dass eine zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe über die Zeit, d. h. eine Schwingungsamplitudenkurve, aus der erfassten Druckkurve ermittelt wird. Die Amplitude bestimmt die Stärke einer Schwingung. Eine dazu proportionale, vorzugsweise linear proportionale, Größe ist somit einerseits perfekt zur Bestimmung der Veränderung der Stärke der Schwingung geeignet und ist andererseits wesentlich leichter zu bestimmen als die exakte Amplitude der Schwingung. Dies umfasst natürlich auch die Bestimmung der exakten Amplitude.
So ist es besonders vorteilhaft, die erfassten Druckmesswerte einer Bandfilterung zu unterziehen und die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe auf der Basis der bandpassgefilterten Druckwerte zu ermitteln. Besonders vorteilhaft für hydrostatische Systeme, die hydrostatische Kolbenmaschinen aufweisen, wird die Mittenfrequenz des Frequenzbands des Bandfilters während des Betriebs auf die Drehfrequenz der hydrostatischen Kolbenmaschine multipliziert mit der Anzahl der Kolben angepasst. Alternativ kann das Frequenzband fest bestimmt werden, wobei diese aus dem Drehfrequenzband der hydrostatischen Kolbenmaschine multipliziert mit der Anzahl der Kolben ermittelt wird. Unter Bandpassfilter ist im Rahmen der Erfindung nicht nur eine in einem Einzelschritt durchgeführte isolierte Bandpassfilterung der Druckwerte zu sehen, wie sie zum Beispiel durch ein Fourierfilter realisiert werden kann, sondern jede Art von Verarbeitung der erfassten Druckwerte, die den Effekt einer Bandpassfilterung erzielt und möglicherweise neben der Bandpassfilterung auch weitere Verarbeitungsschritte der Druckwerte gleichzeitig vollzieht, wie die Bestimmung der Amplitude oder einer zu der Amplitude proportionalen Größe.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Bandpassfilterung ist es, den Verlauf der Druckwerte über die Zeit zu glätten und zu jedem Messzeitpunkt die Abweichung eines einzelnen Druckwerts zu diesem Messzeitpunkt von dem geglätteten Druckwert zu diesem Zeitpunkt oder eine diese Abweichung kennzeichnende Größe als die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe zu ermitteln. Die Glättung wird vorzugsweise durch eine gleitende Mittelwertsbildung, in der der Glättungswert zu einem Zeitpunkt durch die Mittelung einer in einem Zeitraum gemessenen Anzahl zuvor gemessener Druckwerte über die Zeit ermittelt wird.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Druckwerte als null angenommen werden (d. h. „0” gesetzt werden) für Zeitpunkte, in denen die Druckwerte über eine obere Druckschwelle steigen, die knapp unterhalb der Druckbegrenzung des hydrostatischen Systems liegt, und/oder wenn die Druckwerte unter eine untere Druckschwelle fallen, die zum stabilen Betreiben des hydrostatischen Systems mindestens nötig ist und/oder wenn sich das hydrostatische System in einem nicht ordnungsgemäßen Betriebszustand befindet. Knapp unterhalb der Druckbegrenzung ist hier so zu verstehen, dass die obere Druckschwelle maximal unter der Bedingung gewählt wird, dass die Schwingungen durch das Öffnen und Schließen eines Sicherheits-Druckbegrenzungsventils in der Nähe des Öffnungsdrucks des Druckbegrenzungsventils (Druckbegrenzung) sicher noch nicht auftreten. Eine solche obere Druckschwelle könnte im Bereich von 90% bis 100% des Druckbegrenzungsdrucks, vorzugsweise in einem Bereich von 95% bis 99% der Druckbegrenzung liegen. Dadurch wird eine fälschliche Detektion von Kavitation aufgrund von gemessenen Druckschwingungen durch das Druckbegrenzungsventil vermieden und so die Robustheit des Verfahrens erhöht. Beim Starten des hydrostatischen Systems werden schnelle Druckanstiege erzeugt, die auch zu Einschwingvorgängen führen können. Durch die untere Druckschwelle werden solche schnellen Druckanstiege und Einschwingvorgänge nicht berücksichtigt und verfälschen so nicht die Ergebnisse der Kavitationsdetektion. Weiterhin könnte nach dem Überschreiten einer Mindestdruckschwelle, bei der das System stabil läuft noch eine bestimmte Zeit gewartet werden, um auch Einschwingvorgänge bei Erreichen der unteren Druckschwelle in den gemessenen Druckwerten mit zu berücksichtigen. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Detektion der Kavitation nur in bestimmten Betriebsmodi zu berücksichtigen, in denen die Detektion besonders robust funktioniert, insbesondere in denen die für die Kavitation typische Schwingung auftritt.
Es ist insbesondere Vorteilhaft, dass die die Abweichung des Druckwerts zu diesem Messzeitpunkt von dem geglätteten Druckwert kennzeichnende Größe zu diesem Zeitpunkt durch einen gleitenden Mittelwert selbst wiederrum geglättet wird. Somit kann eine zu der Amplitude einer für die Kavitation typischen Schwingung oder eines für die Kavitation typischen eingeschränkten Frequenzbandes ohne aufwendige und komplexe Fouriertransformationen bestimmt werden. Die Auswahl der Frequenz oder des Frequenzbandes, welches untersucht wird, wird über die Glättungsfilterparameter der beiden Glättungen eingestellt. Eine vorteilhafte Ermittlungsmethode für die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe ist, die die Abweichung des Druckwerts zu diesem Messzeitpunkt von dem geglätteten Druckwert kennzeichnende Größe zu glätten, zum Beispiel durch gleitende Mittelung über eine Schwingungsperiode, und diesen zum zweiten Mal geglätteten Wert als die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe zu ermitteln.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Bewertungsgröße auf der Basis der zu der Amplitude der Schwingung proportionalen Größe ermittelt wird. Die Bewertungsgröße könnte vorteilhafterweise auf der Basis der Zeit, in der sich die Amplitude der Schwingung über einem Amplitudenschwellwert befindet, ermittelt werden. Weiterhin könnte die Bewertungsgröße auf der Basis der Zeit, in der die Amplitude der Schwingung unter einem weiteren Amplitudenschwellwert, der niedriger als der Amplitudenschwellwert liegt, ist, korrigiert werden. Der Amplitudenschwellwert und/oder der weitere Amplitudenschwellwert werden vorzugsweise auf der Basis einer der Größen aus dem erfassten Druck, einer anliegenden Drehzahl einer hydrostatischen Maschine und einem an der hydrostatischen Maschine eingestellten Hubvolumen oder einer Kombination dieser Größen berechnet. Durch eine solche Anpassung der Schwellwerte an die charakteristischen Druckwerte einer hydrostatischen Maschine können die Amplitudenschwellwerte so festgelegt werden, dass Kavitation robust detektiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das Überschreiten des Vergleichswerts durch die Bewertungsgröße detektiert wird. Vorzugsweise wird dann das hydrostatische System in ihrer Funktion eingeschränkt oder abgeschaltet.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass das hydrostatische System einen hydropneumatischen Speicher aufweist, und bei der Detektion von Kavitation ein Gaseintritt von einer Gasblase des hydropneumatischen Speichers in die Druckmittelflüssigkeit detektiert wird. Durch den Gaseintritt in die Druckmittelflüssigkeit erhöht sich der Gasanteil in der Druckmittelflüssigkeit und der Kavitationseffekt nimmt zu. Dadurch kann durch die Detektion von Kavitation auch ein Defekt an dem hydropneumatischen Speicher detektiert werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass der Druck in der Druckmittelflüssigkeit auf der Hochdruckseite des hydrostatischen Systems als Messgröße über die Zeit erfasst wird. Gerade auf der Hochdruckseite treten die Druckschwankungen im hydrostatischen System wesentlich deutlicher auf.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt:
1 eine hydrostatische Vorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
2 ein Verfahrensdiagramm der Schritte des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Verfahrensdiagramm der Schritte des logischen Filterns;
4 ein Verfahrensdiagramm der Schritte der Fehlerzählerermittlung;
5a ein Diagramm der gemessenen Druckwerte und der ersten gleitenden Mittelwerte über die Zeit;
5b ein Diagramm der ermittelten Abweichungen der gemessenen Druckwerte von den ersten gleitenden Mittelwerten und der zweiten gleitenden Mittelwerte über die Zeit; und
5c ein Diagramm des Fehlerzählers über die Zeit.
1 zeigt ein regeneratives hydrostatisches Antriebssystem 1 als hydrostatisches System. Das regenerative hydrostatische Antriebssystem 1 umfasst einen hydropneumatischen Speicher 2. Der hydropneumatische Speicher 2 ist als Hochdruckspeicher ausgeführt und weist ein elastisch gegenüber einer Flüssigkeit abgegrenztes Volumen auf. Dieses Volumen wird als Gasblase bezeichnet und ist mit einem kompressiblen Medium, meist Stickstoff, gefüllt.
Ferner weist das regenerative hydrostatische Antriebssystem 1 eine hydrostatische Maschine 3 auf, die als Pumpe und als Motor betrieben werden kann. Die hydrostatische Maschine 3 ist in ihrem Hubvolumen verstellbar und ist vorzugsweise als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgebildet. Die hydrostatische Maschine 3 wird dazu verwendet, aus einem Tankvolumen 4, der ein Ausgleichsvolumen bildet, beim hydrostatischen Bremsen Druckmittel anzusaugen und gegen den in dem hydropneumatischen Speicher 2 herrschenden Druck zu fördern. Hierzu ist der hydropneumatische Speicher 2 über eine Hochdruckleitung 5 mit der hydrostatischen Maschine 3 verbunden. Zur Verbindung zwischen der hydrostatischen Maschine 3 und dem Tankvolumen 4 ist eine Niederdruckleitung 6 vorgesehen.
In der Hochdruckleitung 5 ist ein Abschaltventil 7 vorgesehen. Das Ventil 7 ist als 2/2-Wegeventil ausgeführt und wird durch eine Feder 8 in Ruhestellung in einer offenen Position gehalten. In dieser Position verbleibt das Ventil 7, solange das System fehlerfrei arbeitet. Bei der Detektion eines Fehlerzustands kann der Rest des regenerative hydrostatischen Antriebssystems 1 durch Bestromen eines Elektromagneten 9 des Ventils 7, der unter Strom einen Ventilkolben des Ventils 7 gegen die Kraft der Feder 8 in eine geschlossene Position drückt, von dem hydropneumatischen Speicher 2 getrennt werden.
Von der Hochdruckleitung 5 zwischen dem hydropneumatischen Speicher 2 und dem Ventil 7 zweigt eine Entspannungsleitung 10 ab, welche den hydropneumatischen Speicher 2 mit dem Tankvolumen 4 verbindet. In der Entspannungsleitung 10 ist ein Entleerungsventil 11 angeordnet, das als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist und durch eine Feder 12 in Ruhestellung in geschlossener Position gehalten wird. Bei der Detektion eines Fehlerzustands, zum Beispiel bei einem Gasaustritt aus der Gasblase in das Druckmittel, weil die Gasblase porös geworden ist, kann das Druckmittel des hydropneumatischen Speichers 2 durch Bestromen eines Elektromagneten 13 des Entleerungsventils 11, der unter Strom einen Ventilkolben des Entleerungsventils 11 gegen die Kraft der Feder 12 in eine offene Position drückt, in das Tankvolumen 4 entleert werden.
Zur Erfassung des Arbeitsdrucks als Messgröße ist in der Arbeitsleitung 5, das heißt in einem unter Hochdruck stehenden Teil des regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1, ein Drucksensor 14 als Druckerfassungsmittel angeordnet, der über eine erste Steuerleitung 15 mit einem Steuergerät 16 als Steuervorrichtung verbunden ist.
Das Steuergerät 16 erfasst somit über den Drucksensor 14 den Arbeitsdruck auf der Hochdruckseite der hydrostatischen Maschine 3. Das Steuergerät 16 ist so eingerichtet, dass der gemessenen Systemdruck zur Steuerung der Systembauteile, wie den Elektromagneten 9 des Ventils 7, den Elektromagneten 13 des Entleerungsventils 11 oder einer Stellvorrichtung 17 der hydrostatischen Maschine 3, welche das Hubvolumen der hydrostatischen Maschine 3 und deren Betrieb als Motor oder Pumpe über den Winkel einer Schrägscheibe der hydrostatischen Maschine 3 einstellt, genutzt wird. So ermittelt das Steuergerät 16 zum Beispiel aus dem gemessenen Arbeitsdruck in der Arbeitsleitung 5 und einem vorgegebenen Bremsmoment, ein einzustellendes Pumpvolumen der als Pumpe arbeitenden hydrostatischen Maschine 3.
Das erfindungsgemäße Steuergerät 16 ist weiterhin so eingerichtet, dass es auf der Basis des ermittelten Arbeitsdrucks in der Arbeitsleitung 5 durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Kavitation detektiert werden kann.
Die Gasblase in hydropneumatischen Speichern, wie dem hydropneumatischen Speicher 2, oder sonstige Grenzschichten zwischen einer Druckflüssigkeit und einem Gasvolumen anderer hydropneumatischer Bauteile können unter ungünstigen Umständen porös und undicht werden. Dies verursacht anfangs eine leichte Diffusion des Gases in das Druckmittel. Die erhöhte Gasmenge in dem Druckmittel führt zu einem verstärkten Kavitationseffekt in den mit den hydropneumatischen Speichern verbundenen Systemen.
Dieser Effekt wird in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgenutzt. Bei einer Detektion von Kavitation in dem regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1, wird auf einen Gasaustritt aus der Gasblase in dem Druckmittel zurückgeschlossen und das Ventil 7 geschlossen, um einen weiteren Gaseintritt in die hydrostatische Maschine 3 zu verhindern. Weiterhin wird das Entleerungsventil 11 geöffnet, um den hydropneumatischen Speicher 2 zu entleeren und die Gefahr des Platzens der Gasblase zu beseitigen. In einem hydrostatischen System, das zur Funktionsausübung einen solchen hydropneumatischen Speicher 2 nicht mehr benötigt, kann durch Entspannen und Abtrennen des Hydrospeichers 2 auch die Gasdiffusion in das Druckmittel beseitigt werden, da der hydropneumatische Speicher 2 abgetrennt ist, und dieses hydrostatische System ohne den hydropneumatischen Speicher 2 weiterbetrieben wird.
Kavitation verursacht eine für das verwendete hydropneumatische System typische Kavitationsschwingung. Für hydrostatische Kolbenmaschinen wie die hydrostatische Maschine 3 im Pumpbetrieb berechnet sich die typische Frequenz dieser Druckschwingung zu der Anzahl der Kolben der hydrostatischen Maschine 3 multipliziert mit der Drehzahl der hydrostatischen Maschine 3.
In dem regenerativen hydrostatischen Antriebssystem 1 als hydrostatisches System wird nun erfindungsgemäß eine Defekt in der Gasblase durch eine detektierte Erhöhung des Gasgehalts des Druckmittels erkannt. Dies wird durch die Erhöhung der Kavitation in der hydrostatischen Maschine, wenn diese als Pumpe arbeitet, detektiert. Erfindungsgemäß wird dabei die Kavitation aus den für die Kavitation typischen Druckschwankungen für die hydrostatische Maschine 3 im Pumpbetrieb aus den Druckschwankungen in dem Druckmittel in der Arbeitsleitung 5 detektiert.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von Kavitation in dem regenerativen hydrostatischen Antriebssystem 1 beschrieben. Das Verfahren basiert auf der zeitaufgelösten Messung von Druckwerten in der Arbeitsleitung 5. Vorzugsweise werden die aktuellen Druckwerte mit einer festen Samplingrate an dem Drucksensor 14 erfasst und an das Steuergerät 16 gegeben. Allerdings ist die Erfassung des Drucks über die Zeit nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auf alle dem Fachmann bekannten Methoden, wie analog oder digital, mit fester oder variabler Samplingrate, etc., erfolgen. Wenn in dieser Anmeldung von einem Druckwert gesprochen wird, so ist damit der zu einem Messzeitpunkt erfasste Druckwert gemeint. Wenn im Folgenden von Druck gesprochen wird, so ist der Druck als Messgröße gemeint. Im Folgenden wird anhand von 2, 3 und 4 die einzelnen Schritte zur Verarbeitung des erfassten Drucks beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Druckwert zu einem bestimmten Messzeitpunkt in der Arbeitsleitung 5 mittels des Drucksensors 14 gemessen und an das Steuergerät 16 gegeben. Das Steuergerät 16 weist ein Speichermittel auf, in dem der erfasste Druckwert gespeichert wird. Falls zuvor bereits Druckwerte gemessen wurden, so sind diese ebenfalls in dem Speichermittel hinterlegt.
In einem zweiten Schritt S2 wird in einer Schwingungserfassungsvorrichtung des Steuergeräts 16 ein erster gleitender Mittelwert für den bestimmten Messzeitpunkt berechnet. Der gleitende Mittelwert wird durch Mittelwertsbildung der in einem bestimmten ersten Zeitraum bis zu dem bestimmten Messzeitpunkt gemessenen Druckwerte gebildet. Im Falle einer festen Samplingrate mit äquidistanten Messzeitpunkten, kann der bestimmte erste Zeitraum als erste Anzahl n1 der zuletzt gemessenen Druckwerte als ein zu bestimmter Messzeitraum multipliziert mit der Abtastrate angegeben werden. So wird zu dem bestimmten Messzeitpunkt der erste gleitende Mittelwert als der Mittelwert der letzten n1 Druckwerte, welche den in S1 gemessenen Druckwert mit einschließen, gebildet. Sollten weniger als n1 Druckwerte zuvor erfasst worden sein, so wird der Mittelwert entweder nur über die bisher erfassten Druckwerte gebildet oder die vorher auftretenden Druckwerte auf einen Wert, wie Null oder den ersten gemessenen Druckwert, gesetzt. Auf die Wahl des bestimmten ersten Zeitraums wird im Zusammenhang mit Schritt S3 noch eingegangen. Der erste gleitende Mittelwert kann durch Speichern von Zwischengrößen in dem Speichermittel schnell berechnet werden. So könnte zum Beispiel der zuletzt berechnete erste gleitende Mittelwert zwischengespeichert werden und durch Korrektur des nicht mehr berücksichtigten Druckwerts und des neu hinzukommenden Druckwerts berechnet werden.
In Schritt S3 wird in der Schwingungserfassungsvorrichtung die absolute Abweichung, d. h. der Absolutbetrag der Differenz, des zu dem bestimmten Messzeitpunkt erfassten Druckwerts von dem zu dem bestimmten Messzeitpunkt in S2 ermittelten ersten gleitenden Mittelwerts (abgekürzt: absolute Abweichung) berechnet. Die Schritte S2 und S3 wirken zusammen als Hochpassfilter, die alle Schwingungen mit einer längeren Schwingungsdauer als der erste bestimmte Zeitraum unterdrückt oder zumindest abschwächt. Deshalb wird der erste bestimmte Zeitraum so gewählt, dass Frequenzen unterhalb einer unteren Grenzfrequenz unter der keine durch Kavitation erzeugten Schwingungen zu erwarten sind, herausgefiltert werden. Als Ergebnis wird aufgrund des Absolutbetrags in S3, nicht die hochpassgefilterte Schwingung um Null erhalten, sondern der Absolutbetrag dieser Schwingung mit ausschließlich positiven Beiträgen.
In Schritt S4 wird zusätzlich noch eine logische Filterung durchgeführt, die die in S3 berechnete absolute Abweichung in bestimmten Betriebszuständen null setzt, in denen Schwingungen auftreten können, die wie eine für die Kavitation typische Schwingung erscheinen. Die logische Filterung ist in 3 näher dargestellt. In Schritt S41 wird geprüft, ob die hydrostatische Maschine 3 sich im Pumpmodus befindet. Dies wird anhand der Einstellung der Schrägscheibe in der hydrostatischen Maschine 3 erfasst. Befindet sich die hydrostatische Maschine 3 nicht im Pumpmodus, so wird die in S3 berechnete absolute Abweichung in S42 gleich null gesetzt. Die für die Kavitation typische Schwingung, die in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfasst wird, ist ein Merkmal der hydrostatischen Maschine 3 im Pumpbetrieb und kommt somit in anderen Betriebsmodi nicht vor. Zur Robustheit des Detektionsverfahrens für Kavitation wird deshalb die absolute Abweichung in Betriebsmodi nicht berücksichtigt, in denen die gesuchte typische Kavitationsschwingung nicht auftritt. Befindet sich die hydrostatische Maschine 3 allerdings im Pumpmodus, so wird in S43 geprüft, ob der in S1 erfasste Druckwert größer als ein Mindestdruck als untere Druckschwelle ist. Der Mindestdruck ist dabei ein Druck, der mindestens nötig ist, um ein stabiles Betreiben des regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1 zu erzielen. Bei dem Starten des regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1 kommt es durch einen starken Druckanstieg und Einschwingvorgängen zu Schwingungsanteilen im Arbeitsdruck, die der für die Kavitation typische Schwingung ähnlich sein können. Deshalb wird unterhalb des Mindestdrucks die in S3 berechnete Abweichung in S42 null gesetzt. Ist der in S1 gemessene Druckwert allerdings über der unteren Druckschwelle, so wird in Schritt S44 getestet, ob der in S1 gemessene Druckwert kleiner als eine obere Druckschwelle ist. Die obere Druckschwelle wird knapp unterhalb der Druckbegrenzung, die durch das in 1 nicht gezeigte Druckbegrenzungsventil festgelegt wird, definiert. Das Druckbegrenzungsventil führt im Bereich der Öffnungsdrucks zu einer Schwingung, da es bei Ansprechen ständig öffnet und schließt. Diese Schwingung könnte das Ergebnis der Kavitionsdetektion verfälschen und wird deshalb so umgangen, dass bei Drücken oberhalb der oberen Druckschwelle, die absolute Abweichung aus S3 in S42 null gesetzt wird. Bei einem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils von 300 bar, wird die obere Druckschwelle zum Beispiel zu 290 bar festgesetzt. Liegt der in S1 gemessene Druckwert unterhalb der oberen Druckschwelle, so wird die in S3 berechnete absolute Abweichung in S45 nicht verändert und in Schritt S46 die unveränderte Abweichung in dem Speichermittel gespeichert. Wird die Abweichung in S42 gleich null gesetzt so wird in S46 diese veränderte Abweichung gespeichert. Die Berücksichtigung von Betriebszuständen, in denen die für die Kavitation typische Schwingung nicht auftritt oder gestört wird, kann auch zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt, zum Beispiel durch eine Korrektur der Bewertungsgröße oder durch Festsetzen des Druckwerts in S1 auf die entsprechend zutreffende obere oder untere Druckschwelle, falls diese über- oder unterschritten wird.
In Schritt S5 wird ein zweiter gleitender Mittelwert zu dem bestimmten Messzeitpunkt gebildet. Dazu wird der Mittelwert aus den zu den in dem bestimmten zweiten Zeitraum bis zu dem bestimmten Messzeitpunkt in S4 gespeicherten absoluten Abweichungen der Druckwerte von den zugehörigen ersten gleitenden Mittelwerten berechnet. Diese Abweichungen zur Berechnung des zweiten gleitenden Mittelwerts des bestimmten Messzeitpunkts sind vorzugsweise in dem Speichermittel gespeichert. Der zweite bestimmte Zeitraum lässt sich wie der erste bestimmte Zeitraum bei fester Abtastrate der Druckwerte und somit der berechneten absoluten Abweichungen in einer festen Anzahl der zuletzt berechneten absoluten Abweichungen ausdrücken. Vorzugsweise wird der zweite bestimmte Zeitraum T2 als ganzzahliges Vielfaches der Hälfte des ersten bestimmten Zeitraums T1 gewählt, um eine zu der Amplitude der Schwingung mit der Schwingungsdauer T1 proportionale Größe zu erhalten. So wird genau der Mittelwert über eine halbe Schwingungsdauer T1 gebildet, nach der sich aufgrund des Absolutbetrags die Werte der absoluten Abweichung wiederholen. Vorzugsweise wird T2 = T1/2 gewählt, da so eine besonders hohe Zeitauflösung für die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe erzielt wird. Würden die Drücke nur die gesuchte Kavitationsschwingung enthalten, könnte auch ein gleitend bestimmter Maximalwert aus dem bestimmten zweiten Zeitraum ermittelt werden. Der zweite gleitende Mittelwert hat aber zusätzlich den Vorteil, dass über die Amplitudenschwankung höherer Frequenzen gemittelt wird und diese geschwächt und teilweise sogar unterdrückt wird. Somit zeigt der zweite gleitende Mittelwert zusätzlich noch die Eigenschaft eines Tiefpassfilters, der Amplituden mit Schwingungen mit einer Schwingungsdauer kleiner als T2 herausmittelt.
Das Ergebnis der Verfahrensschritte S2 bis S5 des Ausführungsbeispiels entspricht der Bestimmung einer zu der Amplitudenleistung des bandpassgefilterten Drucks der Arbeitsleitung 5 proportionalen Größe, wobei das Band des Bandpassfilters die Schwingungen mit den Schwingungsdauern T1 bis T2 aus dem Drucksignal separiert. Die Wahl von T1 = 1/f_typ wird durch die für die Kavitation typische Frequenz f_typ der hydrostatischen Maschine 3 im Pumpbetrieb bestimmt. Da die typische Frequenz f_typ von der Drehzahl der hydrostatischen Maschine 3 abhängt, kann T1 zur Verbesserung der Detektion von Kavitation an die Drehzahl der hydrostatischen Maschine 3 angepasst werden. In dem Ausführungsbeispiel wird T1 allerdings fest gewählt, wobei T1 als mittlere Schwingungsdauer der Schwingungen des Frequenzbandes gewählt wird, welches durch den Drehzahlbereich, für den die hydrostatische Maschine 3 ausgelegt ist, festgelegt wird. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr fallen alle Verfahren, welche eine zu der Amplitudenleistung des bandpassgefilterten Drucks der Arbeitsleitung 5 proportionale Größe ermitteln, in den Rahmen der Erfindung. Dabei wäre es auch vorteilhaft, das Frequenzband des Bandpassfilters an das Frequenzband der durch den Drehzahlbereich der hydrostatischen Maschine 3 vorgegebenen typischen Kavitationsfrequenzen anzupassen.
In Schritt S6 wird ein Fehlerzähler als Bewertungsgröße auf der Basis des in Schritt S5 ermittelten zweiten gleitenden Mittelwerts ermittelt. Die Berechnung des Fehlerzählers wird in 4 näher dargestellt. Dazu wird in Schritt S61 geprüft, ob der zweite gleitende Mittelwert kleiner als eine untere Fehlerschwelle als weiteren Amplitudenschwellwert ist. Kann dies bejaht werden, so wird in Schritt S62 geprüft, ob der Fehlerzähler größer als null ist. Ist dies so, so wird der Fehlerzähler in Schritt S63 um einen Zähler verringert und ist dies nicht so, so wird der Fehlerzähler in Schritt S64 unverändert auf Null gelassen. Wird in S61 entschieden, dass der zweite gleitende Mittelwert bei oder über der unteren Fehlerschwelle liegt, so wird in S65 geprüft, ob der zweite gleitende Mittelwert kleiner als eine obere Fehlerschwelle als Amplitudenschwellwert ist. Kann dies bejaht werden, so wird der Fehlerzähler in S64 unverändert gelassen. Wird die Prüfung in S65 verneint, d. h. der zweite gleitende Mittelwert ist größer oder gleich der oberen Fehlerschwelle, so wird der Fehlerzähler in Schritt S66 um einen Zähler erhöht.
In S7 wird der Fehlerzähler mit einem Vergleichswert verglichen. Die Schritte S1 bis S7 werden nun zyklisch für jeden neuen an dem Drucksensor 14 erfassten Druckwert erneut durchgeführt. 5a, 5b und 5c zeigen die erfassten und ermittelten Größen über die Zeit. In 5a sind die für jeden Messzeitpunkt in S1 erfassten Druckwerte über die Zeit als gestrichelte Linie 17 und die für jeden Messzeitpunkt in S2 ermittelten ersten gleitenden Mittelwerte über die Zeit als durchgezogene Linie 18 dargestellt. In 5b sind die für jeden Messzeitpunkt in S3 ermittelten absoluten Abweichungen über die Zeit als durchgezogene Linie 19 und die für jeden Messzeitpunkt in S5 berechneten zweiten gleitenden Mittelwerte über die Zeit als gestrichelte Linie 20 dargestellt. Weiterhin ist die obere Fehlerschwelle 23 und die untere Fehlerschwelle 24 dargestellt. In 5c ist der Fehlerzähler 21 über die Zeit und der Vergleichswert 22 dargestellt.
Liegt der Fehlerzähler in S7 über dem Vergleichswert, so wird Kavitation detektiert. In dem regenerativen hydrostatischen Antriebssystem 1 wird daraus geschlossen, dass sich der Gasanteil in dem Druckmittel erhöht hat und es so zu Kavitation in der hydrostatischen Maschine 3 kommt. Daraus wird geschlossen, dass der hydropneumatische Speicher 2 undicht geworden ist und Gas in das Druckmittel eintritt. Liegt der Fehlerzähler in S7 unterhalb des Vergleichswertes 22, so wird zu Schritt S1 zurückgegangen.
In Schritt S8 wird bei erkannter Kavitation der hydropneumatische Speicher 2 von dem Rest des regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1 getrennt und der hydropneumatische Speicher 2 über das Entleerungsventil 11 in das Tankvolumen 4 entleert. Somit wird der Rest des regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1 vor einem weiteren Gaseintritt geschützt, welcher aufgrund der Kavitation zu Schäden in der hydrostatischen Maschine 3 führen könnte. Weiterhin wird ein Platzen des hydropneumatischen Speichers 2 und damit verbundene Folgeschäden verhindert. So können größere Schäden früh erkannt werden, bevor Schäden an dem regenerativen hydrostatischen Antriebssystem 1 auftreten. Im Falle des regenerativen hydrostatischen Antriebssystems 1 wird beim Überschreiten des Fehlerzählers über den Vergleichswert auch die hydrostatische Maschine 3 auf ein verschwindendes Fördervolumen eingestellt, da in dem regenerativen hydrostatischen Antriebssystem 1 kein weiterer Verbraucher mehr vorhanden ist und das regenerative hydrostatische Antriebssystem 1 nur über das Druckbegrenzungsventil in das Tankvolumen 4 fördern würde. In anderen Systemen, die nicht von dem hydropneumatischen Speicher 2 abhängen, kann nur der hydropneumatische Speicher von dem Rest des Systems abgetrennt werden und dieses eingeschränkt weiter betrieben werden. Dies ist nur durch die frühzeitige Detektion des Fehlers in dem hydropneumatischen Speichers 2 möglich.
Die Fehlerschwellwerte 23 und 24 werden in dem Ausführungsbeispiel fest in dem Speichermittel des Steuergeräts 16 hinterlegt. Die Fehlerschwellen 23 und 24 sind für das regenerative hydrostatische Antriebssystem 1 oder für jedes weitere hydrostatische System spezifisch, empirisch bestimmt. Dabei wird das regenerative hydrostatische Antriebssystem 1 in allen möglichen Betriebszuständen, in denen eine Detektion von Kavitation durchgeführt wird, d. h. in Betriebszuständen, die in dem logischen Filter in S4 zugelassen werden, ohne das Auftreten von Kavitation betrieben. Die Schritte S1 bis S5 werden zyklisch ausgeführt und die zweiten gleitenden Mittelwerte aus S5 gespeichert. Zum Beispiel wird aus den maximal im Normalbetrieb aller besagten Betriebszustände auftretenden zweiten gleitenden Mittelwerte wird die untere Fehlerschwelle bestimmt. Die obere Fehlerschwelle wird aus der unteren Fehlerschwelle plus einem Toleranzbereich bestimmt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, können die Fehlerschwellen für einzelne Betriebszustände gespeichert werden und so die Fehlerschwellen je nach momentan anliegendem Betriebszustand angepasst werden. Die den Betriebszustand beschreibenden Parameter können einer oder jede Kombination von anliegender Drehzahl der hydrostatischen Maschine 3, eingestelltem Hubvolumen der hydrostatischen Maschine 3 und dem in S1 gemessenen Druck sein.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern die zu der Amplitude der für die Kavitation typische Schwingung kann auf jede andere Art ermittelt werden.
Alternativ lässt sich die Amplitude einer Schwingung einer bestimmten Frequenz oder eines bestimmten Frequenzbandes zum Beispiel durch die Bestimmung des Betrags des Fourierkoeffizienten bei dieser Frequenz, welcher der Amplitude der Schwingung bei dieser Frequenz entspricht, oder durch die Summierung der Beträge der Fourierkoeffizienten in einem Frequenzband bestimmt werden. Nachteilig an diesem Verfahren gegenüber dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist dass die online-Berechnung von Fouriertransformationen sehr rechenintensiv ist und bei gleichbleibender Samplingrate der Messwerte das grundsätzliche Problem des Trade-offs zwischen der Zeitauflösung der Amplitude der Schwingung und der Frequenzauflösung der Fouriertransformation besteht. Weiterhin könnte die Amplitude der Schwingung durch eine Bandpassfilterung und eine nachfolgende Amplitudenbestimmung ermittelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1333276 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Detektion von Kavitation in einem hydrostatischen System (1) mit den folgenden Schritten: – Erfassen einer für die Kavitation typischen Schwingung aus einer über die Zeit erfassten Messgröße (17); – Ermitteln einer Bewertungsgröße für Kavitation auf der Basis der erfassten Schwingung; – Vergleichen der Bewertungsgröße (21) mit einem Vergleichswert (22); gekennzeichnet durch – Erfassen des Drucks in der Druckmittelflüssigkeit des hydrostatischen Systems (1) als Messgröße (17) über die Zeit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, falls das hydrostatische System (1) eine hydrostatische Kolbenmaschine (3) aufweist, die für die Kavitation typische Frequenz auf der Basis der Anzahl der Kolben der hydrostatischen Kolbenmaschine (3) multipliziert mit der momentanen Drehfrequenz der hydrostatischen Kolbenmaschine oder mit dem Drehfrequenzbereich, für den die hydrostatischen Kolbenmaschine (3) ausgelegt ist, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Amplitude der Schwingung der für die Kavitation typischen Frequenz proportionale Größe (20) aus der Messgröße (17) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße (17) einer Bandpassfilterung und Amplitudenbestimmung unterzogen wird, wobei das Band der Bandpassfilterung die für die Kavitation typische Frequenz enthält.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße (17) über die Zeit geglättet wird und eine die absolute Abweichung der Messgröße von der geglätteten Messgröße kennzeichnende Größe (19) über die Zeit ermittelt wird, wobei der Glättungswert (18) zu einem Zeitpunkt durch die Mittelung einer in einem Zeitraum gemessenen Anzahl zuvor gemessener Messgrößen (17) über die Zeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Abweichung der Messgröße von der geglätteten Messgröße kennzeichnende Größe (19) geglättet wird und die geglättete die Abweichung der Messgröße von der geglätteten Messgröße kennzeichnende Größe (20) als die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsgröße (21) auf der Basis der zu der Amplitude der Schwingung proportionalen Größe (20) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsgröße (21) auf der Basis der Zeit, in der die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe (20) über einem Amplitudenschwellwert (23) ist, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsgröße (21) auf der Basis der Zeit, in der die zu der Amplitude der Schwingung proportionale Größe (20) unter einem weiteren Amplitudenschwellwert (24), der niedriger als der Amplitudenschwellwert (23) liegt, ist, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenschwellwert (23) und/oder der weitere Amplitudenschwellwert (24) auf der Basis einer der Größen aus dem erfassten Druck (17), einer anliegenden Drehzahl einer hydrostatischen Maschine (3) und einem an der hydrostatischen Maschine (3) eingestellten Hubvolumen oder einer Kombination dieser Größen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Bewertungsgröße (21) den Vergleichswert (22) überschreitet, das hydrostatische System (1) in ihrer Funktion eingeschränkt oder abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der Messgröße (17) zu Zeitpunkten, in denen die Messgröße (17) über eine obere Druckschwelle steigt, die knapp unterhalb der Druckbegrenzung des hydrostatischen Systems (1) liegt, steigt und/oder wenn die Messgröße unter eine untere Druckschwelle fällt, die zum stabilen Betreiben des hydrostatischen Systems mindestens nötig ist und/oder wenn sich das hydrostatische System (1) in einem nicht ordnungsgemäßen Betriebszustand befindet, nicht oder nur eingeschränkt berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrostatische System (1) einen hydropneumatischen Speicher (2) aufweist und bei der Detektion von Kavitation ein Gaseintritt von einer Gasblase des hydropneumatischen Speichers (2) in die Druckmittelflüssigkeit detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (17) in der Druckmittelflüssigkeit auf der Hochdruckseite des hydrostatischen Systems (1) als Messgröße (17) über die Zeit erfasst wird.
Steuervorrichtung aufweisend Mittel eingerichtet zum Ausführen der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 14.