DE19512153A1

DE19512153A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Pumpenverschleiß

Info

Publication number: DE19512153A1
Application number: DE19512153A
Authority: DE
Inventors: Dean E Miller
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1995-10-05
Also published as: JP3484255B2; US5563351A; JPH07280688A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vor richtung und ein Verfahren zum Anzeigen von Pumpeneffizienz bzw. -wirkungsgrad, und insbesondere auf das Anzeigen eines Fehlers, und zwar ansprechend auf Effizienzverluste in einer Pumpe.

Hintergrundtechnik

Viele Arbeitsmaschinen schließen Hydrauliksysteme für das Betreiben bzw. Laufen von Motoren oder das Ausfahren und Zurückziehen von Zylindern ein. Diese Hydrauliksysteme schließen Pumpen ein, die drehende Gruppen besitzen, die im Laufe der Zeit verschleißen und schließlich versagen. Falls das Versagen einer Pumpe katastrophisch ist, kann wesentlicher Schaden bzw. Bruchstücke in das Hydrauliksystem eingeführt werden, was Schaden für andere Komponenten verursacht. Falls jedoch ein drohendes Versagen vorhergesagt wird, oder vor dem katastrophischen Versagen abgefühlt bzw. erfaßt wird, kann die Pumpe ersetzt werden, bevor Schaden für andere Komponenten verursacht wird. Die Reparatur kann ebenfalls zu dem günstigsten Zeitpunkt angesetzt werden, um Produktivitätsverluste während der Reparatur zu verringern.

Ein Beispiel für eine drehende Gruppe bzw. Drehgruppe ist in Fig. 1 dargestellt. Die gezeigte drehende Gruppe ist eine Axialkolbentyppumpe, die einen externen Gehäuseabfluß besitzt. Wenn die Pumpe zu verschleißen beginnt, steigen die volumetrischen Ineffezienzen. Diese Ineffizienzen werden klassifiziert bzw. typifiziert, und zwar durch Strömungsmittellecks, um die Stirnseite des Gleitschuhs, der Kugelbüchse, der Kolbenwand, der Anschlußplattentrommelschnittstelle und der Verdrängungssteuereinrichtung. Das leckende Strömungsmittel tritt dann durch den externen Gehäuseabfluß aus dem Gehäuse aus. Durch Abfühlen der Strömungsmittelströmung durch den Gehäuseabfluß kann eine Anzeige des Ausmaßes der Leckage erhalten werden. Diese Information kann dann verwendet werden, um die verblei bende Pumplebensdauer abzuschätzen.

Viele herkömmliche Strömungsmeßgeräte, wie zum Beispiel Turbinen- oder Schaufelströmungssensoren können einen we sentlichen Rückdruck erzeugen. Dieser Rückdruck oder Gegendruck auf das Pumpengehäuse verursacht eine Druckdifferenz bzw. Druckdifferential zwischen dem Auslaß und dem Einlaß, was dazu neigt, den Gleitschuh weg von dem Kolben zu ziehen. Zusätzlich können Wellen dichtungen durch übermäßigen Rückdruck beschädigt werden. Außerdem können Pumpenverdrängungssteuervorrichtungen, die konstruiert sind, zu dem Gehäuse abzufließen, zer störerische Effekte von dem hohen Rückdruck erleiden. Somit würden Strömungssensoren mit erheblichem Rückdruck eine vorzeitige Zerstörung der Pumpe oder Schwierigkeiten bei der Pumpenverdrängungssteuerung verursachen.

Ohne irgendein Verfahren oder Vorrichtung zum Erfassen der sich vergrößernden Ineffizienzen, wenn der Kompo nentenverschleiß fortschreitet, kann drohendes Versagen nicht leicht vorhergesagt werden und somit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von katastrophischen Versagen, was Schaden für andere Komponenten verursacht, erheblich. Ähnlich können Reparaturen nicht zur günstigsten Zeit angesetzt werden, um Produktivitätsverluste während der Reparatur zu verringern. Ähnlich führt eine erhöhte Leckage zu erhöhtem Treibstoffverbrauch und zu einer erniedrigten Produktivität, die sonst nicht detektiert werden könnte.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung sieht ein System vor zum Anzeigen des Ausmaßes von Pumpenverschleiß, und zwar ansprechend auf Effizienzverluste. Diese Information wird dann verwendet für Zwecke des Ansetzens bzw. Planens von Reparaturen zu den günstigsten Zeitpunkten, die die Maschinenproduktivität nicht stören.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, um Verschleiß einer Pumpe zu detektieren. Die Vorrichtung weist folgendes auf: einen Gehäuseabfluß, der mit dem Pumpengehäuse verbunden ist, einen Strömungs sensor zum Erzeugen von Signalen, die Gehäuseabflußströ mung anzeigen, einen Prozessor zum Bestimmen bzw. Fest stellen, ob der Pumpenverschleiß ein vorbestimmtes Niveau überschritten hat, und zum Anzeigen eines Fehlers, und zwar ansprechend darauf, daß der Pumpenverschleiß ein vorbestimmtes Niveau überschreitet.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Ver fahren vorgesehen zum Bestimmen des Verschleißes einer Pumpe, die einen Gehäuseabfluß besitzt, und folgende Schritte aufweist: Messen der Strömung von Strömungsmit tel in dem Gehäuseabfluß, Vergleichen der Strömung mit einer vorbestimmten Konstanten und Anzeigen eines Fehlers, und zwar ansprechend darauf, daß die Strömung die vorbestimmte Konstante überschreitet.

Die Erfindung weist ebenfalls andere Merkmale und Vor teile auf, die aus einer genaueren Studie der Zeichnung und der Beschreibung offenbar werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für ein besseres Verstehen der Erfindung wird auf die Begleitzeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung einer Axialkolbenpumpe, die einen Gehäuseabfluß besitzt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine Darstellung der Venturi und Drucksensoran ordnung; und

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Algorithmus, der in Ver bindung mit einem erfindungsgemäßen Ausführungs beispiel verwendet wird.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein Hydrauliksystem zur Verwendung in einer Arbeitsmaschine allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. Eine Hydraulikpumpe 12 be sitzt eine Einlaßleitung 14, die mit einem Hydrauliktank 16 verbunden ist, und eine Hauptentladungsleitung 18, die mit einer Gruppe von Ventilen 20 verbunden ist, die unter Druck gesetztes bzw. stehendes Hydraulikströmungsmittel zu den Geräten oder Werkzeugen, die von einem Operator bzw. einer Bedienungsperson ausgewählt wurden, leiten. Die Hauptentladungs- bzw. Hauptablaß- oder Hauptabflußleitung 18 ist vorteilhafterweise mit einem Begrenzungsventil 22 verbunden. Ein externer Gehäuseabfluß 24 sieht eine Leitung für Strömungsmittel vor, um von dem Pumpengehäuse zu dem Hydrauliktank 16 zu strömen. Wie in Verbindung mit Fig. 1 erklärt wurde, erhöht sich die Strömung durch den Gehäuseabfluß 24, wenn die Pumpe verschleißt. Bei einem Schwellenniveau, wird die Pumpe als verschlissen betrachtet und eine Ersetzung sollte bei der nächsten möglichen Wartung durchgeführt werden. Ähnlich, falls die Größe der Strömung mit einer wesentlichen Rate erhöht wird, könnte dies ein drohendes katastrophisches Versagen anzeigen. Ein Strömungsmeßgerät 26 ist in der Gehäuseabflußleitung angeordnet.

Das Strömungsmeßgerät 26 weist eine oder mehrere Ein richtungen zum Erzeugen von elektrischen Signalen auf, die die Größe der Strömung in dem Gehäuseabfluß 24 an zeigen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die elektrischen Signale von dem Strömungsmesser 26 an einen Mikroprozessor 28 geliefert, und zwar zusammen mit Signalen von einem Entladungsdrucksensor 30 und einem Einlaßtemperatursensor 32.

In den Fig. 3 und 4 ist der Ort der verschiedenen Senso ren gezeigt. Der Einlaßtemperatursensor 32 wird durch die Bezeichnung T1 dargestellt und der Hauptentladungsdruck sensor 30 wird durch die Bezeichnung PD angezeigt. Das Strömungsmeßgerät 26 weist vorteilhafterweise ein Venturi 34 und ein Paar von Venturi-Drucksensoren 36, 38 auf, die durch die Bezeichnung P1 und P2 angezeigt werden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Hauptentla dungsdrucksensor 30 und die Venturi-Drucksensoren 36, 38 pulsbreitenmodulierte Drucksensoren eines in der Technik bekannten Typs, die Signale erzeugen, die Arbeitszyklen bzw. "duty cycles" besitzen, und zwar proportional zu den abgefühlten Druckniveaus bzw. -pegeln. Es wird erwogen, daß das Paar von Venturi-Drucksensoren 36, 38 durch ein einzelnes Differentialdrucksignal ersetzt werden kann, das den Druckabfall in dem Venturi 34 mißt.

Jedoch durch die Verwendung von zwei Venturi-Drucksenso ren 36, 38 wird eine Anzeige für den Gehäuseabflußdruck ebenfalls vorgesehen.

Das Strömungsmittel aus dem Gehäuseabfluß 24 fließt von dem Venturi 34 zur Kontaminierungs- bzw. Verunreinigungs anzeigevorrichtung, die durch die Bezeichnung CD iden tifiziert wird und wird kombiniert mit Strömungsmittel von den anderen Pumpengehäusenabflüssen, bevor es zurück zu dem Hydrauliktank 16 über einen Filter 40 strömt.

Es wird erwogen, daß Signale von dem Entladungsdrucksen sor 30 und dem Einlaßtemperatursensor 32 ebenfalls beim Leisten von anderen Funktionen verwendet werden können. Zum Beispiel zeigt das Einlaßtemperatursensorsignal die Öltemperatur an, und das Entladungs- oder Ablaß- bzw. Abflußdrucksignal kann durch eine elektronische Pumpensteuerung verwendet werden.

In Bezug auf Fig. 5 wird ein Flußdiagramm eines Algo rithmus, der in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel verwendet wird, dargestellt. Der Mikroprozessor 28 empfängt Signale 100 von dem Haupt entladungsdrucksensor 30, dem Einlaßtemperatursensor 32 und den Venturi-Drucksensoren 36, 38.

Der Mikroprozessor 28 vergleicht den Hauptentladungsdruck und die Einlaßtemperatur mit entsprechenden Konstanten im Block 102. Falls der Hauptentladungsdruck und die Ein laßtemperatur ihre entsprechenden Konstanten überschrei ten, fährt die Steuerung fort zum Block 104. Die Kon stanten werden ausgewählt, um den Standardbetriebszustand der Pumpe anzuzeigen. Somit werden Daten, für die War nungen erzeugt werden sollen, nur untersucht, wenn sich die Pumpe in einem vordefinierten Betriebszustand befin det. Dies stellt sicher, daß die abgefühlten Daten ver gleichbar sind. Zum Beispiel, wenn das Hydrauliksystem zuerst aktiviert wird, können die Strömungen, die in dem Gehäuseabfluß gemessen werden, nicht echt mit Strömungen verglichen werden, die abgefühlt wurden, wenn die Pumpe sich in dem Standardbetriebszustand befindet. Es sei bemerkt, daß Maximumwerte verwendet werden könnten, so daß Gehäuseabflußströmungen nicht beachtet werden, wenn der Entladungsdruck oder die Einlaßtemperatur zu hoch ist.

Falls sich die Pumpe in dem Standardbetriebszustand be findet, wird die Strömungsmittelströmungsrate in dem Ge häuseabfluß 24 berechnet bei 104, und zwar ansprechend auf die Signale von den Venturi-Drucksensoren 36, 38 auf eine in der Technik der Fluiddynamik bekannten Art und Weise. Die berechneten Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten werden in einer (nicht gezeigten) Speichereinrichtung gespeichert, die mit dem Mikroprozessor 28 verbunden ist. Die gespeicherten Strömungsraten werden dann verwendet, um eine Optimierungsfitgleichung ("best-fit"-Gleichung) abzuleiten, und zwar durch Verwendung einer Standardregressionstechnik, wie zum Beispiel der kleinsten Quadrate. Die Optimierungsfitgleichung wird verwendet, um die Veränderungsrate in der Größe der Gehäuseabflußströmung im Block 106 zu berechnen. Die Veränderungsrate wird ebenfalls im Speicher gespeichert.

Falls entweder die Strömung oder die Veränderungsrate der Strömung entsprechende Konstanten übersteigen, erzeugt der Mikroprozessor 28 ein elektrisches Signal, um einen Fehler im Block 110 anzuzeigen. Wie oben erwähnt wurde, werden die Konstanten ausgewählt, um den Grad bzw. das Ausmaß von akzeptablem Verschleiß zu identifizieren und, um drohendes Versagen vorherzusagen. Die genauen Werte werden durch den Systemkonstrukteur ausgewählt, und zwar auf der Grundlage von empirischen Testdaten bezüglich der Gehäuseabflußströmung in Abhängigkeit von Pumpenverschleiß. Die Werte werden ausgewählt, um einen Fehler anzuzeigen, wenn der gewünschte Betrag von Verschleiß erreicht wird, um drohende katastrophische Versagen bzw. Ausfälle anzuzeigen. Falls die Schwellen zu niedrig sind, dann wird die Pumpe ersetzt oder repariert werden, wenn sie noch ein wesentlich nutzbares Leben bzw. eine nutzbare Lebensdauer besitzt; jedoch falls die Schwellen zu hoch sind, gibt es ein erhöhtes Risiko von katastrophischen Versagen.

Die Fehleranzeige wird als eine Flagge bzw. Statusbit (flag) gespeichert, was anzeigt, daß die Pumpe übermäßig verschlissen ist. Zusätzlich wird ein Anzeigelicht (nicht gezeigt) beleuchtet, und zwar in dem Operatorabteil auf einer in der Technik bekannten Weise. Zum Beispiel kann ein Licht erleuchtet werden, das die Botschaft "Warte das hydraulische System bald" aufweist. Auf das gespeicherte Statusbit kann ebenfalls zugegriffen werden, und zwar durch ein Service- bzw. Wartungswerkzeug von einem in der Technik bekannten Typ, um Service bzw. Wartungs- und Diagnostikinformation herunterzuladen. Ähnlich kann das Statusbit an einen entfernten Ort über eine HF-Kommuni kationsverbindung (radio frequency), die in der Technik bekannt ist, geschickt werden.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Im Betrieb wird die vorliegende Erfindung verwendet, und zwar auf einer Arbeitsmaschine, die hydraulisch betrie bene Geräte oder Werkzeuge besitzt, um drohendes Versagen der Hydraulikpumpe vorherzusagen. Die abgefühlten Daten werden verwendet, um ein drohendes Versagen vorherzusagen, um eine Ersetzung der Pumpe zu erlauben, bevor Schaden an anderen Komponenten verursacht wird. Die Reparatur kann ebenfalls zu dem günstigsten Zeitpunkt festgesetzt werden, um Produktivitätsverluste während der Reparatur zu verringern.

Die Drucksensoren, die mit dem Venturi assoziiert sind, erzeugen Signale, um die Hydraulikströmungsmittelströmung durch den Gehäuseabfluß zu berechnen. Das Niveau bzw. der Pegel von Strömungsmittelströmung und seine Verände rungsrate werden dann verwendet, von einem Prozessor, um eine Fehleranzeige zu erzeugen, falls ein Versagen er wartet wird oder die Pumpe übermäßig verschlissen ist. Die Fehleranzeige kann die Form des Beleuchtens eines Warn lichtes in dem Operatorabteil annehmen, was den Operator davon unterrichtet, das Hydrauliksystem bald warten zu lassen. Analog kann die Fehleranzeige ein Statusbit sein, das in dem Prozessor gespeichert wird, um die Existenz eines Problems mit der Hydraulikpumpe anzuzeigen. Auf das Statusbit (flag) könnte dann durch ein Servicewerkzeug zugegriffen werden, das mit dem Prozessor verbunden wird, wenn die Maschine sich einer Routinewartung unterzieht. Alternativ könnte das Statusbit an einen entfernten Ort über eine Radioverbindung übertragen werden, um ein drohendes Versagen an das Management- oder Servicepersonal anzuzeigen.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einer Studie der Zeichnungen, der Offenbarung und der angefügten Patentansprüche enthalten werden.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Eine Vorrichtung wird vorgesehen zum Detektieren von Verschleiß in einer Pumpe. Die Vorrichtung weist fol gendes auf: einen Gehäuseabfluß, der mit dem Pumpen gehäuse verbunden ist, einen Strömungssensor zum Erzeugen von Signalen, die die Gehäuseabflußströmung anzeigen, einen Prozessor zum Bestimmen, ob der Pumpenverschleiß ein vorbestimmtes Niveau überschritten hat, und zum An zeigen eines Fehlers, und zwar ansprechend darauf, daß der Pumpenverschleiß ein vorbestimmtes Niveau übersteigt.

Claims

1. Vorrichtung zum Detektieren von Verschleiß in einer Pumpe, die ein Gehäuse besitzt, die folgendes auf weist:
einen Gehäuseabfluß, der mit dem Pumpengehäuse verbunden ist;
einen Strömungssensor, der mit dem Gehäuseabfluß verbunden ist, wobei der Strömungssensor Signale erzeugt, die die Gehäuseabflußströmung anzeigen;
Prozessormittel zum Bestimmen bzw. Feststellen, ob der Pumpenverschleiß ein vorbestimmtes Niveau bzw. einen vorbestimmten Pegel überschritten hat, und zwar ansprechend auf die Signale; und
Mittel zum Anzeigen eines Fehlers, und zwar anspre chend darauf, daß der Pumpenverschleiß das vorbe stimmte Niveau überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strömungssen sor ein Venturi aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Strömungssen sor zwei Drucksensoren aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Strömungssen sor einen Differentialdrucksensor aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strömungs sensor weniger als 5 psi an Rück- bzw. Gegendruck erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter folgendes aufweist: Mittel zum Bestimmen, daß sich die Pumpe in einem vorbestimmten Betriebszustand befindet, und wobei die Prozessormittel bestimmen, ob der Pum penverschleiß ein vorbestimmtes Niveau überschritten hat, und zwar ansprechend darauf, daß sich die Pumpe in dem vordefinierten Betriebszustand befindet.

7. Vorrichtung zum Detektieren von Verschleiß in einer Pumpe, die ein Gehäuse besitzt, die folgendes auf weist:
einen Gehäuseabfluß, der mit dem Pumpengehäuse ver bunden ist;
einen Strömungssensor, der mit dem Gehäuseabfluß verbunden ist, wobei der Strömungssensor Druck signale erzeugt, die die Gehäuseabflußströmung an zeigen;
Mittel zum Berechnen einer Strömungsrate bzw. -ge schwindigkeit, und zwar ansprechend auf die Druck signale;
Speichermittel zum Speichern der Strömungsrate;
Mittel zum Vergleichen der Strömungsrate mit einer vorbestimmten Konstante; und
Mittel zum Anzeigen eines Fehlers, und zwar anspre chend darauf, daß die Strömungsrate die vorbestimmte Konstante überschreitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die weiter folgendes aufweist:
Mittel zum Berechnen der Veränderungsrate der Strö mungsmittelrate bzw. -geschwindigkeit;
Mittel zum Vergleichen der Veränderungsrate mit einer zweiten vorbestimmten Konstante; und
Mittel zum Anzeigen eines Fehlers, und zwar an sprechend darauf, daß die Veränderungsrate die zweite vorbestimmte Konstante überschreitet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Strömungs sensor ein Venturi aufweist.

10. Verfahren zum Bestimmen des Verschleißes einer Pumpe, die ein Gehäuse besitzt, das folgende Schritte auf weist:
Messen der Strömungsmittelströmung in dem Gehäuse abfluß;
Vergleichen der Strömung mit einer vorbestimmten Konstante; und
Anzeigen eines Fehlers, und zwar ansprechend darauf, daß die Strömung die vorbestimmte Konstante über schreitet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Vergleichens der Strömung mit einer vorbestimmten Konstante durchgeführt wird, und zwar ansprechend darauf, daß sich die Pumpe in einem vorbestimmten Betriebszustand befindet.

12. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter folgende Schritte aufweist:
Berechnen der Veränderungsrate der Strömungsrate;
Vergleichen der Veränderungsrate mit einer zweiten vorbestimmten Konstante; und
Anzeigen eines Fehlers, und zwar ansprechend darauf, daß die Veränderungsrate die zweite vorbestimmte Konstante überschreitet.