-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose beziehungsweise Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) bei rotierenden Maschinen, insbesondere bei hydrostatischen Verdrängereinheiten, insbesondere bei als Pumpe und/oder als Motor betreibbaren Axialkolbenmaschinen.
-
Verschiedene Diagnoseverfahren sind in der VDI Richtlinie 2888 aufgeführt. Danach gibt es funktionale Verfahren, die sich wieder in Verfahren mit Signalanalyse und in statistische Verfahren unterteilen lassen. Es gibt wissensbasierte Verfahren, die sich wieder in Verfahren mit regelbasierten Fehlerbäumen und in Verfahren mit Mustererkennung unterteilen lassen. Schließlich gibt es modellbasierte Verfahren, die sich wieder in Verfahren mit analytischen Modellen und in Verfahren mit Petri-Netzen unterteilen lassen.
-
Im Kraftfahrzeugbereich ist es üblich, hybrides Condition Monitoring beziehungsweise hybride Diagnose einzusetzen. Beispielsweise werden zur Klopferkennung von Benzinmotoren Informationen von Körperschallsensoren und von physikalisch motivierten Modellen in Kombination verwendet. Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) beziehungsweise Diagnose mit funktionalen Verfahren, wissensbasierten Verfahren oder modellbasierten Verfahren ist mittlerweile Stand der Technik sowohl im Automobilbereich als auch im Off-Road Bereich.
-
Ein Verfahren zur Zustandsüberwachung bei hydrostatischen Verdrängereinheiten ist aus der
DE 10 2005 059 564 A1 bekannt. Dabei ist die hydrostatische Verdrängereinheit mit einer Vielzahl von Sensoren, wie ein Drucksensor, ein Schwenkwinkelsensor, mehrere Beschleunigungssensoren ausgestattet. zusätzlich sind Temperatursensoren vorgesehen. Die Signale der Sensoren werden in einer Auswerteeinheit sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich analysiert. In Abhängigkeit von der vorhergehenden Analyse wird dann von einer Ausgabeeinheit ein Signal ausgegeben, das einen Voralarm oder einen Hauptalarm in Bezug auf den diagnostizierten Zustand der Verdrängereinheit darstellt. Das Verfahren zur Zustandsüberwachung und Diagnose gemäß der
DE 10 2005 059 564 A1 ist also ein funktionales Verfahren mit einer Signalanalyse.
-
-
Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, eine gegenüber Betriebspunktänderung und veränderten oder veränderlichen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel der Umgebungstemperatur sehr robuste Diagnose beziehungsweise sehr robuste Zustandsüberwachung anzugeben.
-
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren mit einer Auswerteeinheit, zur Diagnose und/oder Zustandsüberwachung bei rotierenden Maschinen, insbesondere bei hydrostatischen Verdrängereinheiten, insbesondere bei als Pumpe und/oder als Motor betriebbaren Axialkolbenmaschinen erreicht. Das Verfahren weist die Schritte Ermitteln eines Arbeitspunktes der rotierenden Maschinen durch ein modellbasiertes Verfahren über ein Modul der Auswerteeinheit und Analysieren eines durch die Maschine erzeugten Körperschalls durch ein funktionales Verfahren über einen Klassifikator der Auswerteeinheit und Ermitteln einer Klassifikation des analysierten Körperschalls über den Klassifikator der Auswerteeinheit auf. Erfindungsgemäß wird die Klassifikation auf den aktuellen Arbeitspunkt der Maschine adaptiert.
-
Beispielsweise ist es derzeit sehr schwierig, allein mit Hilfe modellbasierter Verfahren zur Zustandsüberwachung von Verdrängereinheiten den Ermüdungsverschleiß an Wälzlagern, zum Beispiel Pittingbildung (Grübchenbildung) zu erkennen. Mit einer Kombination verschiedener Verfahrensarten und somit durch eine Kombination von Messdaten und Systemwissen gelingt dies besser. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei Verdrängereinheiten, sondern allgemein bei rotierenden Maschinen wie zum Beispiel bei hydrostatischen Verdrängereinheiten, zum Beispiel Axialkolbenmaschinen oder Radialkolbenmaschinen, bei Getrieben, bei Elektromotoren zur robusten Diagnose und Zustandsüberwachung anwendbar. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet sind zum Beispiel Baumaschinen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.
-
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der durch die Maschine erzeugte Körperschall durch einen Beschleunigungssensor gemessen.
-
In einem nicht beanspruchten Aspekt der Erfindung können ein funktionales Diagnoseverfahren und ein wissensbasiertes Diagnoseverfahren kombiniert werden.
-
Es können auch ein funktionales Diagnoseverfahren und ein modellbasiertes Diagnoseverfahren kombiniert werden.
-
In einem weiteren nicht beanspruchten Aspekt der Erfindung können auch ein modellbasiertes Diagnoseverfahren und ein wissensbasiertes Diagnoseverfahren kombiniert werden.
-
In einem bevorzugten Aspekt der Erfindung können das funktionale Diagnoseverfahren und das modellbasierte Diagnoseverfahren mit einem zusätzlichen wissensbasierten Diagnoseverfahren kombiniert werden.
-
Bei diesem Verfahren können der Ermittlung des Arbeitspunktes einer hydrostatischen Maschine die aktuelle Drehzahl und der aktuelle Druck zugrundeliegen.
-
Ist das Hubvolumen der hydrostatischen Maschine veränderbar, so liegt der Ermittlung des Arbeitspunktes außer den aktuellen Werten von Drehzahl und Druck bevorzugt auch der aktuelle Wert des Hubvolumens zugrunde.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen
- 1 eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise mit dem Hinweis auf die Kombination zweier Diagnoseverfahren,
- 2 die Axialkolbenpumpe mit dem Hinweis auf die Kombination zweier anderer Diagnoseverfahren,
- 3 die Axialkolbenpumpe mit dem Hinweis auf die Kombination zweier nochmals anderer Diagnoseverfahren,
- 4 die Axialkolbenpumpe mit dem Hinweis auf die Kombination dreier Diagnoseverfahren und
- 5 ein Schaltbild eine hydrostatischen Pumpe mit verschiedenen Sensoren und einer Auswerteeinheit zur Zustandsüberwachung.
-
Die Axialkolbenpumpe gemäß den 1 bis 4 ist in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Hubvolumen und mit einer Förderrichtung ausgeführt. Sie umfasst ein topfartiges Gehäuse 10, eine das offene Ende des Gehäuses 10 verschließende Anschlussplatte 11, eine Antriebswelle 25, eine Zylindertrommel 16, eine Steuerplatte 24, die sich zwischen der Zylindertrommel 16 und der Anschlussplatte 11 befindet und relativ zur Anschlussplatte feststeht, sowie eine in ihrer Neigung bezüglich der Achse der Antriebswelle verstellbare Schrägscheibe 19.
-
Die Antriebswelle 25 ist im Boden des Gehäuses 10 und in der Anschlussplatte über Wälzlager drehbar gelagert und greift zentriert durch die Zylindertrommel 16 hindurch. diese ist mit der Antriebswelle 25 drehfest, jedoch axial beweglich verbunden und kann deshalb ohne Spiel an der Steuerplatte 24 anliegen.
-
In der Zylindertrommel 16 sind gelichmäßig über den Umfang verteilt mehrere Zylinderbohrungen 17 ausgebildet, die leicht schräg gegen die Achse der Antriebswelle angestellt sind. In jeder Zylinderbohrung 17 ist jeweils ein Kolben 18 axial beweglich geführt. Die Kolben 18 weisen an dem der Schrägscheibe 19 zugewandten ende einen kugelförmigen Kopf 26 auf. der in eine korrespondierenden Ausnehmung eines Gleitschuhs 27 eintaucht, so dass zwischen Kolben und Gleitschuh ein Kugelgelenk gebildet ist. Mittels des Gleitschuhs stützt sich ein Kolben an der Schrägscheibe 19 ab. Bei Drehung der Zylindertrommel 16 führen die Kolben in den Zylinderbohrungen eine Hubbewegung aus. Die Größe des Hubs wird dabei von der Neigung der Schrägscheibe 19 vorgegeben. Zur Verstellung der Neigung der Schrägscheibe 19 ist eine Stellvorrichtung 28 vorgesehen.
-
Die Steueröffnungen der Steuerplatte 24 sind auf ihrer der Zylindertrommel 16 abgewandten Seite offen zu einem Saugkanals 20 und zu einem Förderkanalkanal 21, die in der Anschlussplatte ausgebildet sind und zu Anschlussöffnungen an der Anschlussplatte führen. Die Zylinderbohrungen 17 sind über Durchlässe zu der der Steuerplatte 24 zugekehrten Stirnfläche der Zylindertrommel 16 hin offen. Die Durchlässe überstreichen bei Drehung der Zylindertrommel 16 die Steueröffnungen der Steuerplatte 24 und werden während eines Umlaufs nacheinander mit dem Saugkanal und dem Förderkanal der Anschlussplatte verbunden.
-
Für die Axialkolbenpumpe gemäß den 1 bis 4 ist eine Zustandsüberwachung vorgesehen. Der Zustand der Axialkolbenpumpe wird also laufend diagnostiziert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind dabei ein funktionales Diagnoseverfahren 30 und ein wissensbasiertes Diagnoseverfahren 31 miteinander kombiniert, wie dies durch zwei an der Pumpe angeheftete rechteckige Kästchen angedeutet ist.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 sind ein funktionales Diagnoseverfahren 30 und ein modellbasiertes Diagnoseverfahren 32 miteinander kombiniert, wie dies wiederum durch zwei an der Pumpe angeheftete rechteckige Kästchen angedeutet ist.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind ein wissensbasiertes Diagnoseverfahren 31 und ein modellbasiertes Diagnoseverfahren 32 miteinander kombiniert, wie dies wiederum durch zwei an der Pumpe angeheftete rechteckige Kästchen angedeutet ist.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 schließlich sind ein funktionales Diagnoseverfahren 30 und ein wissensbasiertes Diagnoseverfahren 31 und ein modellbasiertes Diagnoseverfahren 32 miteinander kombiniert, wie dies durch drei an der Pumpe angeheftete rechteckige Kästchen angedeutet ist.
-
Im Betrieb hydraulischer und anderer rotierender Maschinen wird durch diese Körperschall emittiert. Durch Verwendung von Klassifikationsverfahren, zum Beispiel Support-Vector-Maschine, künstliche neuronale Netzwerke und andere, können Verschleißfehler in derartigen Maschinen anhand gemessener Körperschallemissionen erkannt werden. Dazu werden Merkmale im Zeit- oder Frequenzbereich gebildet, zum Beispiel Wavelet- oder Fourier-Koeffizienten. Diese Verfahren weisen bezüglich des Arbeitspunktes der Maschine Schwächen bezüglich der Robustheit der Ergebnisse auf. Durch Adaption des Klassifikationsverfahrens auf den aktuellen Arbeitspunkt und durch Diagnosemerkmale, die aus dem Modell der Maschine gewonnen werden, wird die Robustheit der Verfahren deutlich erhöht.
-
In 5 ist das Zusammenwirken verschiedener Diagnoseverfahren zur Zustandsüberwachung einer hydrostatischen Pumpe näher dargestellt.
-
Gemäß 5 saugt eine Hydropumpe 40, die zum Beispiel eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise sein möge, Druckmittel aus einem Tank 41 an und gibt es in eine Druckleitung 42 ab, über die hydraulische Verbraucher mit Druckmittel versorgt werden. Die Pumpe wird über eine Antriebswelle 43 angetrieben, deren Drehzahl von einem Drehzahlsensor 44 erfasst wird. Der Schwenkwinkel α der Schrägscheibe wird von einem Schwenkwinkelsensor 45 erfasst. Der Druck in der Druckleitung 42 wird von einem Drucksensor 46 erfasst. Schließlich ist am Gehäuse der Pumpe noch ein Beschleunigungssensor 47 befestigt, von dem Vibrationen des Gehäuses und damit ein Körperschall erfasst werden.
-
Der Pumpe 40 ist eine Auswerteeinheit 50 für ein hybrides Condition Monitoring zugeordnet. Diese Auswerteeinheit umfasst einen Klassifikator 51, dem die von dem Beschleunigungssensor 47 aufgenommen Messdaten des Körperschalls über eine Leitung 52 zugeführt werden. Die Abtastfrequenz dieser Messdaten muss entsprechend dem Shannon-Nyquist'schen Abtasttheorem ausreichend hoch gewählt werden. Zum Beispiel sollte die Abtastfrequenz 2 kHz und höher sein. Entsprechend ist die Leitung 52 eine HF-Leitung. Die Messdaten des Körperschalls werden im Klassifikator 51 zum Beispiel durch Filterung und Signaltransformation aufbereitet.
-
Die Auswerteeinheit 50 umfasst außerdem ein Modul 53 mit einem Modell der Pumpe für Arbeitspunkt-Adaption und zur Gewinnung von Diagnosemerkmalen aus dem Modell. Diesem Modul werden die Ausgangssignale des Drehzahlsensors 44 über eine Leitung 54, des Schwenkwinkelsensors 45 über eine Leitung 55 und des Drucksensors 46 über eine Leitung 56 zugeführt. Durch diese Ausgangssignale für die Drehzahl, den Druck und den Schwenkwinkel ist der Arbeitspunkt der Maschine bestimmt. Der Arbeitspunkt kann mit einer deutlich geringeren Frequenz abgetastet werden als der Körperschall, zum Beispiel mit dem CAN-Bus Standard 100Hz. Dies ermöglicht die einfache Implementierung zum Beispiel in mobile Anwendungen an fahrbaren Geräten der Land- und Forstwirtschaft und der Baumaschinenindustrie, in denen eine CAN-Bus-Anbindung ohnehin vorhanden ist. Auch in industriellen Anwendungen mit anderen Bussystemen, zum Beispiel mit EtherCat, FlexRay, Industrial-Ethernet, ProfiBus, und so weiter, ist die Einbindung einfach möglich.
-
Die Merkmale für die Arbeitspunkt-Adaption werden von dem Modul 53 an den Klassifikator 52 übertragen. Durch die Information über den Arbeitspunkt wird somit die Adaption des Klassifikationsverfahrens, welches zum Beispiel auf Arbeitspunkte aus dem gesamten Betriebskennfeld der Maschine trainiert wird, ermöglicht. Dadurch wird die Klassifikationsgüte beziehungsweise die Robustheit der Klassifikation erhöht.
-
In dem Ausführungsbeispiel nach 5 sind also ein modellbasiertes Verfahren zur Ermittlung und ein Funktionelles Verfahren mit Signalanalyse miteinander kombiniert.
-
Am Ausgang des Klassifikators 51 steht das Klassifikationsergebnis, aus dem eine Diagnose oder eine Prognose abgeleitet werden können, zur Verfügung.
