DE102019001627A1 - Process for wear detection and predictive wear forecast of electromechanical actuators at the operating time of a machine with an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Verschleißerkennung und vorhersagbaren Verschleißprognose von elektromechanischen Aktuatoren (vor allem Drosselklappe, Abgasrückführungsventil, Abgasklappe und Überdruckventil am Turbolader oder anderen) zur Betriebszeit einer Maschine mit Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Motorsteuergerät, umfassend ein erstes Messverfahren zur Identifizierung des Aktuatorenverschleißes in Form von Bewegungsprofilen und der Anzahl der unterschiedlichen Aktuatorenbewegungen innerhalb einzelner Bewegungsprofile, wobei die Anzahl der unterschiedlichen Aktuatorenbewegungen mit Referenzdaten verglichen wird und eines zweiten Messverfahrens, das Produktionsfehler in der Weise erkennt, dass die elektromechanischen Aktuatoren mit einem Sprung stimuliert werden und die Sprungantwort, bzw. die Einschwingzeit der Ist-Position zur Soll-Position gemessen und bewertet wird.Described is a method for wear detection and predictable wear prognosis of electromechanical actuators (especially throttle valve, exhaust gas recirculation valve, exhaust gas valve and pressure relief valve on the turbocharger or others) for the operating time of a machine with an internal combustion engine with at least one engine control unit, comprising a first measuring method for identifying the actuator wear in the form of motion profiles and the number of different actuator movements within individual movement profiles, the number of different actuator movements being compared with reference data and a second measuring method which recognizes production errors in such a way that the electromechanical actuators are stimulated with a jump and the step response or the settling time of the Actual position to the target position is measured and evaluated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleißerkennung und prädiktiven Verschleißprognose von elektromechanischen Aktuatoren zur Betriebszeit einer Maschine mit Verbrennungsmotor.The invention relates to a method for wear detection and predictive wear forecast of electromechanical actuators at the operating time of a machine with an internal combustion engine.
Aus dem Stand der Technik sind keine Verfahren bekannt, es ist keine Verschleißerkennung möglich, da es kein integriertes Verfahren zur Verschleißerkennung gibt. Somit ist auch keine Verschleißprognose möglich.No methods are known from the prior art, wear detection is not possible since there is no integrated method for wear detection. This means that no wear forecast is possible.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Verschleißerkennung und prädiktiven Verschleißprognose von elektromechanischen Aktuatoren zur Betriebszeit einer Maschine mit Verbrennungsmotor zu schaffen.The invention has for its object to provide a method for wear detection and predictive wear forecast of electromechanical actuators at the operating time of a machine with an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.This object is achieved by the features of
Demnach wird ein Verfahren zur Verschleißerkennung und vorhersagbaren Verschleißprognose von elektromechanischen Aktuatoren (vor allem Drosselklappe, Abgasrückführungsventil, Abgasklappe und Überdruckventil am Turbolader oder anderen) zur Betriebszeit einer Maschine mit Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Motorsteuergerät, umfassend ein erstes Messverfahren zur Identifizierung des Aktuatorenverschleißes in Form von Bewegungsprofilen und der Anzahl der unterschiedlichen Aktuatorenbewegungen innerhalb einzelner Bewegungsprofile, wobei die Anzahl der unterschiedlichen Aktuatorenbewegungen mit Referenzdaten verglichen wird und eines zweiten Messverfahrens, das Produktionsfehler in der Weise erkennt, dass die elektromechanischen Aktuatoren mit einem Sprung stimuliert werden und die Sprungantwort, bzw. die Einschwingzeit der Ist-Position zur Soll-Position gemessen und bewertet wird, vorgeschlagenAccordingly, a method for wear detection and predictable wear prognosis of electromechanical actuators (especially throttle valve, exhaust gas recirculation valve, exhaust gas valve and pressure relief valve on the turbocharger or others) becomes the operating time of a machine with an internal combustion engine with at least one engine control unit, comprising a first measurement method for identifying the actuator wear in the form of motion profiles and the number of different actuator movements within individual movement profiles, the number of different actuator movements being compared with reference data and a second measuring method which recognizes production errors in such a way that the electromechanical actuators are stimulated with a jump and the step response or the settling time of the Actual position to the target position is measured and evaluated, proposed
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
-
-
test cycle 200 -
-
-
Das globale Verfahren kann in zwei unterschiedliche Messverfahren aufgeteilt werden, wie dies in
Das Messverfahren dient der Verschleißerkennung und Verschleißprognose der elektromechanischen Aktuatoren.The measurement procedure is used to detect and forecast wear on the electromechanical actuators.
Das Messverfahren
Nachfolgend wird das Messverfahren
- In
Phase 1 erfolgt die Definition des Testzyklus. Zunächst wird ein realer Test / Lastzyklus (Felddaten eines Gabel-Staplers) vermessen, welcher einem Worst-Case-Szenario - also dem schlimmsten Fall, der in Zukunft eintreten kann, entspricht - wie dies in
- In
phase 1 the test cycle is defined. First, a real test / load cycle (field data of a fork-lift truck) is measured, which corresponds to a worst-case scenario - the worst case scenario that can occur in the future - as instandard test cycle 200. Thetest cycle 200 is scaled in the next step so that it corresponds to a defined service life of the internal combustion engine. This is achieved by deleting constant valve positions (persistence of the valve for a long time, e.g. one second in one and the same position) from the discretized measurement data. All movements are (temporally) compressed to 200 ms operating time. The service life of the internal combustion engine can be simulated in a short time by compression and repeated repetition of the cycle.
Ein realer und anwendungsnaher Testzyklus (wie in dieser Beschreibung verwendet) ist einem synthetisierten Zyklus (nicht zusammenhängender bzw. statistischer Bewegungsstimulierung) zu bevorzugen. Denn der reale Testzyklus beinhaltet einen logischen und funktionalen Zusammenhang der verschiedenen Bewegungen. Anders ausgedrückt, bei einer realen Anwendung ist die Information der Bewegungsüberlagerung vorhanden.A real and application-oriented test cycle (as used in this description) is preferable to a synthesized cycle (non-contiguous or statistical movement stimulation). Because the real test cycle includes a logical and functional connection of the different movements. In other words, the information of the motion overlay is available in a real application.
Die Phase
In
In Phase
- nmaxpx =
- Maximale Bewegungsanzahl je Profil
- npx =
- Anzahl Bewegungen pro Profil
- tmax =
- Zeitschwelle [h]
- ct =
- Zeitkonstante = 3600
- TCycl =
- Dauer des Testzyklus200 [s]
- n maxpx =
- Maximum number of movements per profile
- n px =
- Number of movements per profile
- t max =
- Time threshold [h]
- c t =
- Time constant = 3600
- T Cycl =
- Test cycle duration 200 [s]
In Tabelle 2 wird das Ergebnis des Dauerbelastungstests mit Testzyk-Ius200 aufgezeigt.
Tabelle 2
Tabelle 3 stellt die kalibrierbare Schwellen der maximalen Bewegungsanzahl pro Bewegungsprofil (rechte Spalte) nach Formel 1 dar.
Tabelle 3
In Phase
- Der hier erschaffene Prozess (Reduktion der Profilbewegungen durch den Lastzyklus des Verbrennungsmotors) ist stetig und monoton fallend. Dies ist eine Folge aus der Unterabtastung (Abtastung bzw. Berechnung in Vielfachen des Beobachtungsintervalls). Die stark glättende Wirkung führt zu einem linearen Trend(-modell) (Geradengleichung). Der Prozess setzt sich aus Betriebszeit des Verbrennungsmotors und der verbleibenden Bewegungen je Aktuator je Profil zusammen. Zur periodischen Vorhersage der verbleibenden Bewegungen je Profil wird die Exponentielle Glättung verwendet (die Nummerierung bzw. Reihenfolge der Formeln entspricht der Berechnungsreihenfolge im Motorsteuergerät):
Berechnung 1 . Ordnung als Zwischenwert:- Z1t [%] =
- Zwischenwert
der Exponentiellen Glättung 1 . Ordnung - α =
- Glättungskonstante
für Exponentiellen Glättung 1 . Ordnung - Obsrv [%] =
- derzeitiger gemessener/berechneter Ist-Wert der verbleibenden Bewegungen
- Z1t-1 [%] =
- vorheriger Zwischenwert
Berechnung 2 . Ordnung:- Z2t [%] =
- Zwischenwert
der Exponentiellen Glättung 2 . Ordnung - ß =
- Glättungskonstante
für Exponentiellen Glättung 2 . Ordnung - Z1t [%] =
- Zwischenwert
der Exponentiellen Glättung 1 . Ordnung - Z2t-1 [%] =
- vorheriger Zwischenwert
- The process created here (reduction of the profile movements through the load cycle of the internal combustion engine) is steadily and monotonously falling. This is a consequence of the subsampling (sampling or calculation in multiples of the observation interval). The strong smoothing effect leads to a linear trend (model) (straight line equation). The process consists of the operating time of the internal combustion engine and the remaining movements per actuator per profile. Exponential smoothing is used to periodically predict the remaining movements per profile (the numbering or sequence of the formulas corresponds to the calculation sequence in the engine control unit):
-
calculation 1 , Order as an intermediate value:- Z1 t [%] =
- Intermediate value of
exponential smoothing 1 , order - α =
- Smoothing constant for
exponential smoothing 1 , order - O bsrv [%] =
- current measured / calculated actual value of the remaining movements
- Z1 t-1 [%] =
- previous intermediate value
-
-
calculation 2 , Order:- Z2 t [%] =
- Intermediate value of
exponential smoothing 2 , order - ß =
- Smoothing constant for
exponential smoothing 2 , order - Z1 t [%] =
- Intermediate value of
exponential smoothing 1 , order - Z2 t-1 [%] =
- previous intermediate value
Die Glättungskonstanten (α und ß) können mittels Felddaten und Simulation des Prozesses oder mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden.The smoothing constants (α and ß) can be determined using field data and simulation of the process or with the help of an optimization process.
Nachdem die Exponentielle Glättung berechnet wurde (für den gesamten Forecast Horizont), wird Formel 4 angewandt. Die aktuellen Glättungsfaktoren zum Zeitpunkt des Forecast Horizonts werden wiederum geglättet und mit dem Forecast Horizont multipliziert. Dazu wird der Y-Achsenabschnitt addiert und das Ergebnis ist der Forecast (verbleibende Restbewegungen) zum Zeitpunkt FCH (beispielsweise nach weiteren 100 Betriebsstunden wird der jeweilige Aktuator 70% seiner Gesamtbewegungen erreicht haben).
Berechnung des Ausfallzeitpunktes:
- Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Zeitpunkt des vollkommenen Verschleißes zu berechnen. Anders ausgedrückt, wann bzw. zu welchem Zeitpunkt wird das jeweilige Bauteil die maximale Bewegungsanzahl erreicht haben. Dies gelingt durch Anwendung der Formeln 5 bis 7. Es wird die Steigung m (mittlere Steigung) über den gesamten Forecast Horizont und der Y-Achsenabschnitt berechnet. Dann wird die Geradengleichung nach der (Rest-) Betriebszeit aufgelöst. obsrvMin entspricht in
diesem Fall 0 % Restbewegungen.- Forecasttime [h] =
- Betriebszeit in Stunden bis Erreichen der unteren Schwelle obsrvMin
- obsrvMin [%] =
- untere Schwelle des Verschleißes, hier: 0% Restbewegungen
- m =
- Steigung
- b [%] =
- Y-Achsenabschnitt
- Z1t+FCH[%] =
- Zwischenwert der Exp.
Glättung 1 . Ordnung zum Zeitpunkt FCH - FCH[h] =
- Forecast Horizont (z. B. 10 · 5 (Beobachtungsintervall) = 50 = FCH
- Z2t+FCH-1[%] =
- Zwischenwert der Exp.
Glättung 2 . Ordnung zum Zeitpunkt FCH-1 - Forecastvec[%]=
- Forecast Vektor der Länge FCH
- Tobserv[h] =
- Beobachtungsintervall, eine Forecast Berechnung je Tobserv
- Another possibility is to calculate the time of complete wear. In other words, when and at what point in time the respective component will have reached the maximum number of movements. This is achieved by using
formulas 5 to 7. The slope m (average slope) is calculated over the entire forecast horizon and the y-intercept. Then the straight line equation is solved after the (remaining) operating time. o bsrvMin corresponds to 0% residual movements in this case.- Forecast time [h] =
- Operating time in hours until the lower threshold is reached o bsrvMin
- o bsrvMin [%] =
- lower threshold of wear, here: 0% residual movements
- m =
- pitch
- b [%] =
- Y-intercept
- Z1 t + FCH [%] =
- Intermediate value of exp. Smoothing
1 , Order at time FCH - FCH [h] =
- Forecast horizon (e.g. 10 · 5 (observation interval) = 50 = FCH
- Z2 t + FCH-1 [%] =
- Intermediate value of exp. Smoothing
2 , Order at time FCH-1 - Forecast vec [%] =
- Forecast vector of length FCH
- T observ [h] =
- Observation interval , one forecast calculation per T observ
Mit:
Das Vorhersageergebnis wird während der Laufzeit permanent überwacht. Dazu wird der Prognosefehler (MAPE, Mean Absolut Percentage Error, siehe Formel 4) periodisch bestimmt. Zeichnet sich eine zu hohe Abweichung über mehrere Perioden ab, werden die Glättungskoeffizienten der Exponentiellen Glättung stärker angepasst, ist die Abweichung gering, werden die Glättungsfaktoren gering bis nicht angepasst.
- M =
- MAPE [%]
- n =
- Anzahl der Prognosen
- At =
- aktuell bestimmter Wert der verbleibenden Bewegungen [%]
- Ft =
- prognostizierter Wert der verbleibenden Bewegungen [%]
- M =
- MAPE [%]
- n =
- Number of forecasts
- A t =
- currently determined value of the remaining movements [%]
- F t =
- forecast value of the remaining movements [%]
Die Prognose der verbleibenden Bewegungen bzw. der restlichen Betriebszeit wird mit dem Regelwartungsintervall des Verbrennungsmotors abgeglichen. Kann ein Regelwartungsintervall zeitlich nicht erreicht werden, da die verbleibende Betriebszeit geringer ist als die Differenz aus Zeitpunkt des Regelwartungsintervalls und verbleibende Betriebszeit, wird der einzuhaltende Zeitpunkt der elektromechanischen Aktuatoren Wartung kommuniziert. Kann das Regelwartungsintervall zeitlich erreicht werden, wird der Status kommuniziert, dass die elektromechanischen Aktuatoren bei der nächsten Regelwartung getauscht werden sollten. Wird keine rechtzeitige Wartung der elektromechanischen Aktuatoren durchgeführt, wird ein Diagnosestatus aktiviert.The forecast of the remaining movements or the remaining operating time is compared with the regular maintenance interval of the internal combustion engine. If a regular maintenance interval cannot be reached due to the fact that the remaining operating time is less than the difference between the time of the regular maintenance interval and the remaining operating time, the time to be observed for the electromechanical actuator maintenance is communicated. If the regular maintenance interval can be reached, the status is communicated that the electromechanical actuators should be replaced during the next regular maintenance. If the electromechanical actuators are not serviced in good time, a diagnostic status is activated.
In
Nachfolgend wird das Messverfahren
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