DE202010018015U1

DE202010018015U1 - System zum Erkennen von Schäden an Arbeitsflüssigkeiten umfassenden Kolben-Membranpumpen

Info

Publication number: DE202010018015U1
Application number: DE202010018015.5U
Authority: DE
Original assignee: Aker Wirth GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2013-12-06
Anticipated expiration: 2020-11-13

Abstract

System zum Erkennen von Schäden an einer Kolben-Membranpumpe (100), die eine Arbeitsflüssigkeit umfasst, im laufenden Betrieb, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Drucksensor (20) zur Erfassung des Drucks der Arbeitsflüssigkeit während des Betriebs der Kolben-Membranpumpe (100) umfasst, welcher an eine Datenverarbeitungseinrichtung (21) angeschlossen ist, die mit einer vorgegebenen Auslesefrequenz Istwerte des Drucks aufnimmt und als Funktion der Zeit in einem Istwert-Datenspeicher abspeichert, dass ein Sollwert-Datenspeicher vorgesehen ist, in welchem der zeitliche Verlauf von Druckdaten einer unbeschädigten Kolben-Membranpumpe abgespeichert ist, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Rechenroutine umfasst, die an die Sollwerte eine obere und eine untere Hüllkurve anpasst, deren Abstand zueinander vorgebbar ist, und überprüft, ob die Istwerte zwischen den beiden Hüllkurven liegen und im Falle des Überschreitens einer bestimmten Anzahl oder einer bestimmten Rate von abweichenden Istwerten ein Alarmsignal erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Erkennen von Schäden an Arbeitsflüssigkeiten umfassenden Kolben-Membranpumpen.
Kolben-Membranpumpen dienen der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen. Ihr Funktionsprinzip ähnelt der Kolbenpumpe, wobei jedoch das fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt ist. Durch diese Trennmembran ist somit der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt. Auch ist das Fördermedium von schädlichen Einflüssen des Antriebs getrennt.
Bei einer Kolben-Membranpumpe wird die oszillierende Bewegung des Kolbens über ein Arbeitsmedium auf die Membran übertragen. Als Arbeitsflüssigkeit kann Wasser mit einem wasserlöslichen Mineralzusatz oder insbesondere ein Hydrauliköl verwendet werden. Dementsprechend wird das Volumen, welches mit der Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist, auch „Ölvorlage” bezeichnet. Durch das konstante Volumen der Ölvorlage zwischen Kolben und Membran bewirkt die Bewegung des Kolbens direkt einen Ausschlag der Membran und ruft somit Saug- und Druckimpulse hervor.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße System für derartige Kolben-Membranpumpen jedweder Größe und jedweden Verwendungszwecks geeignet. Insbesondere bezieht sich die Erfindung jedoch auf Kolben-Membranpumpen, die zur Förderung von Schlamm bei Erdarbeiten vorgesehen sind. Derartige Kolben-Membranpumpen sind für den Dauereinsatz konzipiert und müssen zuverlässig über lange Zeiträume, bis hin zu Jahren, möglichst störungsfrei arbeiten, da ein Austausch einer defekten Kolben-Membranpumpe aufgrund deren Größe regelmäßig mit einem erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand verbunden ist.
Darüber hinaus können bei diesen Kolben-Membranpumpen Membranschäden besonders schwerwiegende Folgen haben. Denn zum einen tritt bei einem Membranschaden die Arbeitsflüssigkeit in die Membrankammer ein und vermischt sich mit dem geförderten Schlamm, was aufwendige Reinigungsmaßnahmen erfordert. Andererseits tritt Schlamm in die Ölvorlage über, wodurch die gesamte Pumpe verunreinigt und der Antriebskolben beschädigt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zum Erkennen von Schäden an Arbeitsflüssigkeiten umfassenden Kolben-Membranpumpen zu schaffen, welches Schäden bereits erkennen lässt, bevor diese ein Ausmaß annehmen, welches eine sofortige Stillsetzung der Kolben-Membranpumpe erfordert oder gar ein Membranschaden in einem Umfang auftritt, der zu einer Vermischung von Arbeitsflüssigkeit und dem zu fördernden Medium, insbesondere dem Schlamm führt.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene System gelöst.
Erfindungsgemäß wird während des Betriebs der Druck der Arbeitsflüssigkeit in Abhängigkeit der Zeit gemessen und mit einem Sollwertverlauf verglichen. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung wird ein Signal, beispielsweise ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgelöst.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich das Auftreten von Schäden in einer signifikanten Veränderung des Druckverlaufs der Arbeitsflüssigkeit ankündigt. Insbesondere verändert sich der im Falle einer unbeschädigten Kolben-Membranpumpe in einer charakteristischen Weise um einen Mittelwert schwankende Druck der Arbeitsflüssigkeit während eines Saug- oder Drucktaktes bei der Ankündigung eines Schadens signifikant. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass der Verlauf der signifikanten Änderung sogar Rückschlüsse auf die Art des sich abzeichnenden Schadens zulässt. So zeigt ein beginnender Verschleiß beispielsweise eines Kreuzkopf-Lagers der Kolben-Membranpumpe eine charakteristisch andere Änderung des Wertverlaufs als ein beginnender Verschleiß eines Pleuellagers. Ein drohender Membranriss führt zu einer wiederum charakteristisch abweichenden Veränderung des Istwerts des Druckverlaufs, und zwar bevor ein Membranversagen in einem Ausmaß stattfindet, welches eine Vermischung der Arbeitsflüssigkeit mit der zu pumpenden Flüssigkeit führt.
Der Sollwertverlauf des Drucks der Arbeitsflüssigkeit wird vorzugsweise beim Betrieb einer neuen oder zumindest unbeschädigten Kolben-Membranpumpe für eine Zeit aufgenommen, die zumindest eine Mehrzahl von Saug- und Pumptakten umfasst. Durch Mittelwertsbildung kann dann ein optimaler Sollwertverlauf berechnet und im Datenspeicher abgespeichert werden. Die während des Betriebs der Kolben-Membranpumpe erfassten Ist-Druckwerte während eines Saug- oder Drucktaktes werden dann mit dem Sollverlauf des Saug-Taktes bzw. des Druck-Taktes verglichen.
Basierend auf den aufgenommenen und gegebenenfalls durch Überlagerung gemittelten Sollwertdaten können obere und untere Hüllkurven ermittelt werden, zwischen denen der zeitliche Verlauf der Istwerte beim Betrieb der Kolben-Membranpumpe erwartet werden. Versuche haben gezeigt, dass sich ein Schaden ankündigt, wenn eine empirisch zu bestimmende Mindestzahl von Istwerten pro Zeiteinheit außerhalb des Bereichs zwischen den Hüllkurven liegt.
Die Druckdaten werden vorzugsweise mit einer Frequenz von etwa 1 bis 8, besonders bevorzugt etwa 4 kHz aufgenommen. Versuche haben gezeigt, dass eine derartige Abtastrate einerseits zu einer für eine zuverlässige Erfassung von sich anbahnenden Schäden ausreichenden Zeitauflösung führt, ohne dass andererseits zur Speicherung der Daten auch über einen längeren Zeitraum und in der Größenordnung von einem Jahr ein allzu großes und damit aufwendiges Speichermedium benötigt wird.
Zur Speicherung werden die Druckdaten vorzugsweise mit einer 16 bit-Auflösung digitalisiert.
Das erfindungsgemäße System zum Erkennen von Schäden an einer Kolben-Membranpumpe mit einer Arbeitsflüssigkeit im laufenden Betrieb umfasst erfindungsgemäß einen Drucksensor zur Erfassung des Drucks der Arbeitsflüssigkeit während des Betriebs der Kolben-Membranpumpe.
Der Drucksensor ist an eine Datenverarbeitungseinrichtung angeschlossen, die mit einer vorgegebenen Auslesefrequenz diskrete Istwerte des Drucks aufnimmt und als Funktion der Zeit in einem Istwert-Datenspeicher abspeichert.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße System einen Sollwert-Datenspeicher, in welchem der zeitliche Verlauf von Druckdaten einer unbeschädigten Kolben-Membranpumpe abgespeichert ist. Darüber hinaus ist eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen, die eine Rechenroutine umfasst, die an die Sollwerte eine obere und eine untere Hüllkurve anpasst, deren Abstand zueinander vorgebbar ist, und überprüft, ob die Istwerte zwischen den beiden Hüllkurven liegen und im Falle des Überschreitens einer bestimmten Anzahl oder Rate von abweichenden Istwerten ein Alarmsignal erzeugt.
Die Datenverarbeitungseinrichtung ist derart konzipiert, dass die Auslesefrequenz zwischen 1 und 8, vorzugsweise 4 kHz beträgt.
Handelt es sich bei der Kolben-Membranpumpe um eine solche zur Förderung von Schlamm, so weist der Drucksensor vorzugsweise einen Messbereich von etwa minus 5 bis plus 400 bar auf. Grundsätzlich gilt, dass die verwendeten Drucksensoren Messbereiche aufweisen müssen, dass der im Betrieb zu erwartende Druck der Arbeitsflüssigkeit innerhalb des Messbereichs liegt.
Für den Fall, dass es sich um eine Mehrfach-Kolben-Membranpumpe handelt, ist vorzugsweise für jedes Arbeitsvolumen ein separater Drucksensor vorgesehen.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Membranpumpe, die zur Förderung von Schlamm vorgesehen ist;
2 den Ausschnitt II in 1 in einer vergrößerten Darstellung;
3 den Druck der Arbeitsflüssigkeit als Funktion der Zeit in einem zwei Druck- und zwei Saugtakte umfassenden Zeitintervall bei unbeschädigter Kolben-Membranpumpe;
4 den Druckverlauf in Abhängigkeit der Zeit bei einem sich ankündigenden Membranschaden;
5 den Druckverlauf bei einem Saugtakt beim Membranriss;
6 den Druckverlauf bei einem Kreuzkopf-Lagerschaden;
7 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Druckverlaufs im mittleren Saugtakt in 6;
8 den Druckverlauf bei einem Pleuellagerschaden sowie
9 den Druckverlauf im zweiten Saugtakt gemäß 8 in einer vergrößerten Einzeldarstellung.
Die in 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Kolben-Membranpumpe ist – in der Zeichnung nicht erkennbar – als Drei-Kolben-Membranpumpe ausgebildet. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den mittleren Pumpenteil. Die beiden weiteren Pumpenteile sind entsprechend ausgebildet.
Die dargestellte Kolben-Membranpumpe 100 ist zum Pumpen von Schlamm vorgesehen. Sie umfasst eine motorisch angetriebene Kurbelwelle 1, auf deren mittleren Kurbelzapfen 2 ein Pleuel 3 mit Hilfe eines Pleuellagers 4, welches als Rollenlager ausgebildet ist, gelagert ist. An dem anderen Ende des Pleuels 4 ist ein Kreuzkopf 5 über ein ebenfalls als Rollenlager ausgebildetes Kreuzkopflager 6 gelagert. Der Kreuzkopf 5 umfasst Gleitschuhe 7, welche seiner linearen Lagerung an den Gleitlagerwandungen 8 dienen.
An dem Kreuzkopf ist eine Kolbenstange 9 einenends befestigt. Das andere Ende der Kolbenstange 9 trägt einen Kolben 10, der in einem Zylinder 11 arbeitet. In 1 ist der untere Totpunkt dargestellt.
Der Zylinder 11 mündet in ein Arbeitsflüssigkeitsvolumen 12, welches mit einer Arbeitsflüssigkeit, meist einem Hydrauliköl, gefüllt ist. Die in der Zeichnung nicht dargestellte Arbeitsflüssigkeit – auch Ölvorlage genannt – füllt das Arbeitsvolumen bis zu einer Membran 13, die in einer Membrankammer 14 angeordnet ist.
Die Membrankammer 14 umfasst einen in der Zeichnung unten dargestellten Einlass 15, an den ein Einlass-Rückschlagventil 16 angeflanscht ist. Es ist derart konzipiert, dass es bei einer Strömung des zu fördernden Schlamms in Richtung des Pfeils P1 öffnet.
Auf der dem Einlass 15 gegenüberliegenden Seite umfasst die Membrankammer 14 einen Auslass 17, an den ein Auslass-Rückschlagventil angeflanscht ist. Es öffnet ebenfalls bei einer Strömung des zu fördernden Schlamms in Richtung des Pfeils P2.
Eine Drehbetätigung der Kurbelwelle 1 führt dazu, dass die Arbeitsflüssigkeit in dem Arbeitsflüssigkeitsvolumen 12 hin und her bewegt und die Membran damit abwechselnd gemäß 1 und 2 nach rechts oder nach links ausgelenkt wird. Eine Auslenkung nach links führt zu einem Schließen des Auslass-Rückschlagventils und zu einem Ansaugen von Schlamm durch das geöffnete Einlass-Rückschlagventil 16. Diese Pumpphase ist als „Saugtakt” bezeichnet. Die anschließende Verlagerung des Kolbens gemäß 1 und 2 nach rechts führt zu einem Schließen des Einlass-Rückschlagventils 16 und einer Abgabe eines dem Hubraum entsprechenden Volumens 18 an Schlamm über das nun geöffnete Auslass-Rückschlagventil 18 unter Verlagerung der Membran gemäß 1 und 2 nach rechts.
Wie insbesondere in 2 erkennbar ist, ist an einem einen Teil des Arbeitsflüssigkeitsvolumens 12 bildenden Rohrkrümmer 19 ein Drucksensor 20 angeordnet. Er kommuniziert mit dem Arbeitsflüssigkeitsvolumen 12 und ist derart konzipiert, dass mit ihm der Druck der Arbeitsflüssigkeit möglichst exakt in einer 4 kHz Abtastrate erfasst werden kann.
Wie in 2 lediglich schematisch dargestellt wurde, ist der Drucksensor mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 21 verbunden. Diese nimmt in der 4 kHz-Abtastfrequenz Istwerte des Drucks auf und speichert sie als Funktion in der Zeit in einem Datenspeicher ab. Ferner umfasst die Datenverarbeitungseinrichtung 21 einen Sollwert-Datenspeicher, in welchem der zeitliche Verlauf von Druckdaten einer unbeschädigten Kolben-Membranpumpe abgespeichert ist.
Schließlich ist die Datenverarbeitungseinrichtung mit einer Rechenroutine versehen, die an die Sollwerte eine obere und eine untere Hüllkurve anpasst, deren Abstand zueinander vorgebbar ist, und überprüft, ob die Istwerte zwischen den beiden Hüllkurven liegen. Im Falle des Überschreitens einer bestimmten Anzahl oder einer bestimmten Rate von abweichenden Istwerten erzeugt die Datenverarbeitungseinrichtung ein Signal an einem Signalausgang 22.
An einer derartigen Kolben-Membranpumpe aufgenommene Druckdaten weisen beispielsweise einen in 3 dargestellten Verlauf auf. Erkennbar ist deutlich, dass die Druckdaten während eines Saugtaktes – unten dargestellt – und während eines Drucktaktes – oben dargestellt – in einer charakteristischen Weise um einen Mittelwert oszillieren. In 3 ist der zeitliche Verlauf des Druckes bei einer unbeschädigten Membranpumpe wiedergegeben.
In 4 ist dargestellt, wie sich der charakteristische Druckverlauf bei der Ankündigung eines Membranschadens ändert. Am Ende des in 4 rechts dargestellten Saugtaktes ist deutlich ein plateauförmiges Minimum erkennbar. Es war bereits erkennbar, bevor ein vollständiger Riss, der ein Vermischen von Arbeitsflüssigkeit und Schlamm zur Folge hat, auftrat. Die Erfassung des in 4 dargestellten Druckverlaufs kann daher verwendet werden, um die Kolben-Membranpumpe stillsetzen zu können, bevor größere Schäden entstehen.
Der Druckverlauf bei einer vollständig gerissenen Membran ist zur Verdeutlichung in 5 dargestellt.
Wie die 6 und 7 sowie 8 und 9 zeigen, verändern auch andere Schäden den Druckverlauf der Arbeitsflüssigkeit beispielsweise in einem Saugtakt charakteristisch. 6 und 8 zeigen größere, hochfrequente Druckschwankungen zu Beginn eines Saugtakts, die auf einen Schaden des Kreuzkopflagers hindeuten. Die über einen längeren Zeitraum hochfrequenten, zum Ende des Saugtakts hin größeren Schwankungen des Drucks, die in 8 und 9 dargestellt sind, signalisieren hingegen einen Schaden des Pleuellagers.
Durch Vergleich der während des Betriebs ermittelten Druck-Istwerte der Arbeitsflüssigkeit mit empirisch ermittelten, in der Datenverarbeitungseinrichtung 21 abgespeicherten, für bestimmte Schäden charakteristischen Druckverläufe lassen sich diese mit Hilfe des Verfahrens feststellen, bevor es zu Totalausfällen der Kolben-Membranpumpe kommt. Auch Folgeschäden lassen sich daher mit dem Verfahren und dem erfindungsgemäßen System wirksam vermeiden.
Bezugszeichenliste

100: Kolben-Membranpumpe
1: Kurbelwelle
2: Kurbelzapfen
3: Pleuel
4: Pleuellager
5: Kreuzkopf
6: Kreuzkopflager
7: Gleitschuhe
8: Gleitlagerwandung
9: Kolbenstange
10: Kolben
11: Zylinder
12: Arbeitsflüssigkeitsvolumen
13: Membran
14: Membrankammer
15: Einlass
16: Einlass-Rückschlagventil
17: Auslass
18: Auslass-Rückschlagventil
19: Rohrkrümmer
20: Drucksensor
21: Datenverarbeitungseinrichtung
22: Signalausgang

Claims

System zum Erkennen von Schäden an einer Kolben-Membranpumpe (100), die eine Arbeitsflüssigkeit umfasst, im laufenden Betrieb, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Drucksensor (20) zur Erfassung des Drucks der Arbeitsflüssigkeit während des Betriebs der Kolben-Membranpumpe (100) umfasst, welcher an eine Datenverarbeitungseinrichtung (21) angeschlossen ist, die mit einer vorgegebenen Auslesefrequenz Istwerte des Drucks aufnimmt und als Funktion der Zeit in einem Istwert-Datenspeicher abspeichert, dass ein Sollwert-Datenspeicher vorgesehen ist, in welchem der zeitliche Verlauf von Druckdaten einer unbeschädigten Kolben-Membranpumpe abgespeichert ist, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Rechenroutine umfasst, die an die Sollwerte eine obere und eine untere Hüllkurve anpasst, deren Abstand zueinander vorgebbar ist, und überprüft, ob die Istwerte zwischen den beiden Hüllkurven liegen und im Falle des Überschreitens einer bestimmten Anzahl oder einer bestimmten Rate von abweichenden Istwerten ein Alarmsignal erzeugt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslesefrequenz zwischen 1 und 8, vorzugsweise 4 kHz, beträgt.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor einen Messbereich von etwa minus 5 bis plus 400 bar aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Mehrzahl von Arbeitsflüssigkeitsvolumina (12) umfassende Mehrkammer-Kolbenmembranpumpen (100), dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Arbeitsflüssigkeitsvolumen (12) ein separater Drucksensor (20) vorgesehen ist.