SE508847C3 - Sätt och anordning för att beräkna inre bromsenergi - Google Patents

Description

961028 P:\l687026.DOC SP/LN 508 847 kylvätskeströmning pá grund av läckor i systemet eller en dålig pump. Höga bromsfriktionmaterialtemperaturer kan också orsaka för snabb bromsnötning och bromsbortfall. Kun- skap om den inre bromstemperaturen och den absorberade effekten kan sålunda ge värdefulla indikationer om broms- drift och kvarvarande bromslivslängd. Det är emellertid inte praktiskt att direkt avkänna dessa inre bromsenergi- driftparametrar i bromsens inre miljö.

Sammandrag av uppfinningen Allmänt sett avser uppfinningen ett sätt och en an- ordning för att genomföra sättet att bestämma inre broms- energiparametrar för en vätskekyld broms på en arbetsmaskin avkända maskindrift- med utgångspunkt från lätt (externt) parametrar. En termisk modell av bromsen ästadkommes; maskindriftparametrar relaterade till bromsdriften avkänns och införs i modellen; en beräknad inre bromstemperatur (TEIB) rarna; och signaler för TEIB alstras för att ge indikatio- bestäms i modellen baserat på de avkända paramet- ner på bromsdriften och/eller - tillståndet. Den beräknade inre bromstemperaturen är användbar i sig själv som en in- dikering av bromsdriften och återstående livslängd, men uppfinningen kan innefatta det ytterligare steget att be- (BRKP) den beräknade inre bromstemperaturen med utgångspunkt från (TEIB) räkna absorberad bromseffekt och att alstra signaler för BRKP.

Enligt en ytterligare aspekt innefattar uppfinningen möjligheten att åstadkomma en termisk modell av bromsen, innefattande en yttre cylinder med försumbar massa och med högt termiskt motstånd, en solid cylindrisk bromsmassa centrerad koaxiellt i den yttre cylindern och en ringformig flödespassage mellan den yttre cylindern och bromsmassan, genom vilken kylvätska, såsom olja, strömmar. Att med ut- gàngspunkt från de avkända maskindriftparametrarna bestämma temperaturen hos oljan till bromsen (TbQ,oljetemperaturen (Tbout) ut ur bromsen och oljeströmningshastigheten genom W Ü 961028 P:\1G87026 .DOC SP/LW 508 847 (BOF); att definiera en första bromsenergisystem- gräns för modellen, bromsen innefattande den yttre cylindern, och en andra bromsenergisystemgräns för modellen, innefattande bromsmassan; att bestämma den beräknade inre bromstempera- turen (TEIB) de kännarbaserade parametrarna från de första och andra systemgränserna och (Tbufi, (Tbmm) och (BOF); samt att alstra signaler för TEIB, vilka kan användas för att indikera bromsdrift och/eller -tillstànd. I en ytter- ligare form innefattar uppfinningen det ytterligare steget att bestämma absorberad bromseffekt (BRKP) fràn den beräk- (TEIB) metrar samt att alstra signaler för BRKP. nade inre bromstemperaturen och kännarbaserade para- Uppfinningen innefattar även andra drag och fördelar som kommer att framgå vid ett mera detaljerat studium av ritningarna och beskrivningen.

Ritningsförteckning Fig 1 är en schematisk illustration av en oljekyld broms och ett som exempel valt system enligt föreliggande uppfinning för att bestämma inre bromsenergi; fig 2 är en schematisk bild av en modell av en olje- kyld broms för att genomföra sättet enligt föreliggande uppfinning; fig 3 är ett parti av modellen enligt fig 2 och representerar en annan systemgräns; fig 4 är ett flödesschema, som visar en algoritm för genomförande av föreliggande uppfinning; fig 5 och 6 är grafiska bilder av bromsenergiutgàngs- data alstrade av systemet och sättet enligt uppfinningen under olika bromsförhàllanden; och fig 7 och 8 representerar flerdimensionella histogram som kan användas för att avgöra bromsenergiutgàngsdata som alstrats med hjälp av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av en föredragen utföringsform I fig 1 illustreras ett oljekylt bromssystem 10 en- ligt föreliggande uppfinning för ett hjul på en arbets- BJ U: 961028 P:\16B702G.DOC SP/LW 508 847 maskin. I bromssystemet 10 är ett fordonshjul 14 försett med en broms 16, exempelvis en trumbroms eller en broms av skivtyp, som förses med kylolja genom en inloppsledning 18. d v s inne- Bromskomponenterna är ”inre” eller ”interna”, slutna i ett hus eller hölje hos bromsen 16, vilket inne- håller kyloljan omkring den. Efter att ha passerat genom bromsen 16 strömmar kyloljan genom en utloppsledning 20 till en värmeväxlare 22, där den kyls med hjälp av ett annat fluidum, såsom luft eller vatten, innan den åter- cirkuleras genom bromssystemet med hjälp av en pump 24. Vid den illustrerade utföringsformen drivs pumpen 24 av fordo- nets ej visade huvudmotor, och oljeströmningshastigheten genom bromsen 16 är en funktion av motorhastigheten.

En oljeinloppstemperaturkännare 26 är anordnad vid inloppsledningen 18 i ett läge för att avkänna temperaturen hos den kylolja som går in i bromsen 16. Pâ motsvarande sätt finns en oljeutloppstemperaturkännare 28 i anslutning till utloppsledningen 20 i ett läge för att avkänna tempe- raturen hos den kylolja som lämnar bromsen 16. Kännarna 26, 28 är kända anordningar, vilka kan alstra elektriska eller andra signaler som representerar den avkända temperaturen, exempelvis termoelementanordningar, som alstrar en mot den avkända temperaturen proportionell, elektrisk signal. De elektriska signalerna går via kommunikationsledningar 30 till en omvandlingsmodul 32, där de omvandlas till en digi- tal form anpassad till mikroprocessorbaserade anordningar.

Massflödeshastigheten för den kylolja som cirkulerar genom bromsen 16 varierar med motorhastigheten vid den illustrerade utföringsformen. En hastighets- eller varv- talskännare 34 är anordnad på pumpen 24 för att alstra en signal som indikerar pumphastighet. Motorbastigheten kan alternativt avkännas direkt från motorn med kända varv- talsanordningar och en motsvarande signal matas till om- vandlingsmodulen 32. Signalen matas till omvandlingsmodulen 32 för omvandling till digital form.

W Ü 961028 P: \lS8702S .DOC SP/LW 508 847 Det är uppenbart att andra avkända maskinparametrar kan utnyttjas för att alstra signaler, från vilka oljeströmningshastigheten kan bestämmas, beroende på det sätt pà vilket oljan cirkuleras genom bromsen; motorhastig- heten är en föredragen utföringsform, där oljeflödeshastig- heten är en funktion av motorhastigheten.

Digitala signaler alstrade av omvandlingsmodulen 32 matas sedan till en digital lagrings- och bearbetningsan- ordning, såsom en datormodul 36, där en databaserad modell av bromsen och en algoritm baserad pà modellen lagras och (TEIB) och som en option den effektmängd som absorberas av bromsen 16 (BRKP). beräkningarna är en VIMS huvudmodul, utförs för att beräkna den inre bromstemperaturen Ett exempel pà en dator som kan utföra de krävda som är tillgänglig från Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, USA. De beräknade utgångsvärdena lagras i datorns 36 minne och används av datormodulen 36 för att alstra signaler som representerar TEIB och BRKP. Dessa signaler överförs till en eller flera indikatorer eller displayer 38, som finns ombord på fordo- net 12 för historisk och/eller realtidsvisning för en for- donsoperatör eller för servicepersonal. Sådana indikatorer eller displayer 38 kan bestå av kända anordningar, såsom ljus, mätare, ljudvarningar, datadisplayer med grafisk in- formation och liknande.

Vid en ytterligare utföringsform av uppfinningen överförs de digitala signaler som alstras av omvandlingsmo- dulen 32 till en fordonsmonterad datalagringsmodul 40, där de lagras i ett minne och/eller spelas in pà ett fysiskt datalagringsmedium, såsom en floppy disc eller ett PC data- kort 42. Den inspelade informationen i datalagringsmodulen 40 laddas ned periodiskt, exempelvis vid slutet av varje dag, i en dator 44 på ett annat ställe. Datorn 44 lagrar och kör bromsmodellen och den beräkning som är nödvändig för att beräkna inre bromstemperatur och bromseffekt base- rat pà avkänd parameterdata från systemet 10 och alstrar W U 961028 P:\1687026.DOC SP/LH 508 847 signaler som representerar temperatur och effekt. De beräk- nade värdena kan lagras, och signalerna kan användas för att alstra värden på en tillhörande datordisplay 44a för servicepersonal eller för diagnostiskt beslutsfattande baserat på trendanalys.

Vid ytterligare en utföringsform av uppfinningen sänds de av omvandlingsmodulen 32 alstrade signalerna till en ombordsändare 46 för radiofrekvenssändning till en på avstånd anordnad mottagare 48. Mottagaren 48 matar de in- kommande signalerna till datorn 44 för bearbetning på ovan beskrivet sätt.

Fastän det illustrerade systemet beskrivits för an- vändning med en oljekyld broms, är det kompatibelt med sådana vätskekylda system som utnyttjar andra kylmedel än olja.

Såsom framgår av fig 2, kan bromssystemet överföras till en modell på följande sätt: en yttre cylinder 50 med försumbar massa och högt termiskt motstånd omger en bromsmassa 52, som anses vara en solid, cylindrisk kärna, koaxiellt centrerad i den yttre cylindern, och en ringfor- mig oljeflödespassage definieras mellan den yttre cylindern 50 och bromsmassan 52. Bromsmassan 52 utgör en modell av de inre bromskomponenter som direkt uppvärms av överföringen av kinetisk energi till termisk energi genom friktion i bromsen. Modellen antar att kinetisk energi absorberas från någon mekanism av bromsmassan; i ett skivbromssystem utgör exempelvis bromsmassan 52 en modell för en skiva, som absorberar energi från tångkomponenter. Den ringformiga öppningen mellan den yttre cylindern 50 och bromsmassan 52 är en modell för passagen för kylolja genom bromsen, varvid den termiska energi som utvecklas i bromsmassan 52 överförs till oljan vid dess strömning genom bromsen. Bromsmodellen kan användas som en modell för olika kända typer av brom- sar, och den är inte begränsad till bromsar av skivtyp. 961028 P:\l6G7026 .DOC SP/LW sus s¿7 Sättet enligt föreliggande uppfinning utnyttjar ett minimiantal av lätt avkända, yttre parametrar (exempelvis Tbim Tbmm, motorhastighet) och bromsmodellen för att be- stämma inre bromstemperatur och absorberad bromseffekt ba- serat pà dessa kännarvärden. Den följande diskussionen av modellen och dess användning är baserad pà de kännarvärden och ett antal konstanta och beräknade värden som definieras i tabellen nedan: Ingångsvärden Typ av värde ESPD = motorhastighet (varv/min) kännare TBin = bromsoljetemperatur in (°C) kännare TBout = bromsoljetemperatur ut (°C) kännare Kbr = värmeöverföringskoefficient hos bromsmassan (kW/°C) konstant MBR = bromsarbetsmassa (kg) konstant Kof = flödeskonstant för bromsolje- pump (liter/s-rpm) konstant CPoil = specifikt värme för oljan (kJ/°C, kg) konstant CPbrk = specifikt värme hos broms- massan ( (kJ/°C, kg) konstant OD = oljetäthet (kg/liter) konstant TBavg = medelbromsoljetemperatur (°C) beräknat BOF = bromsoljeflöde (liter/sek) beräknat RHL = strålvärmeförlust (kw) beräknat CHL = konvektionsvärmeförlust (kW) beräknat dT/dt = tidshastighetsändring hos bromsmassetemperaturen (°C/s) beräknat Utgångsvärden TEIB = beräknad inre bromstemperatur (°C) utgángsvärde BRKP = effekt absorberad av bromsarna (kw) utgàngsvârde U 961028 P:\168702E.DOC SP/LW 508 847 Antaganden -RHL << BRKP, CHL << BRKP -RHL z 0, CHL 2 0 -likformig bromstemperaturfördelning Definition av förhållanden För fallet med en kyloljepump driven direkt fràn for- donsmotorn BoF = Kof * EsPD även TBaVg = (Train + TBwg/z Bromsmodellen enligt fig 2 illustrerar en första systemgräns, som omger den som en modell avbildade bromsen i dess helhet, definierad av den yttre cylindern 50. Från termodynamikens första lag (2E=0) med systemgränsen enligt fig 2: BRKP” = RHL + CHL + (TEM- TBm)*B0F*oD*cPM¿+dT/dt”*MBR*CPmk (1) Såsom framgår av fig 3, definieras en andra system- gräns av bromsmassan 52. Ånyo används termodynamikens första lag, denna gång med systemgränsen enligt fig 3: BRKP/t = dT/dt/t * CPbrk * MBR + (TEIB/t Tbavg) * Kb, (2) och (2) och lösning för den inre bromstemperaturen fås följande förhål- Genom kombination av ekvationerna (l) lande TEIB/t = Tßavgfi-[Urßouc-Tsin) * BoP * 0D *cpoifl + Kb, (3) Genom numerisk differentiering pà ekvation (3) fás dl = (IIUIg_;_IElBbl) alt/m” At (4) 961028 P: \lG87D2G .DOC SP/LH 508 847 där At är samplings- eller utföringshastigheten hos modellen, exempelvis en mätning per sekund. Genom extrapolering med en halv At fås: als <3 * a: > - a: at” __at,,-,,,__<1;,,-,¿, 2 (s) Alla termerna är nu definierade för lösning för BRKP/t från antingen ekvation (1) eller ekvation (2). Genom att bromsen görs till en modell, såsom visas i fig 2, och genom att bromsenergisystemgränserna definieras enligt fig 2 och 3, ástadkommes sålunda ett sätt att bestämma inre bromstemperatur och absorberad effekt baserat på de lätt avkända ingångsvärdena för TBH, TBmn och motorhastighet eller andra parametrar, som bestämmer oljeflödeshastighet.

Fig 4 visar sättet enligt uppfinningen som ett flödesschema som det skulle utföras av en dator med använd- ning av modellen och dess ovan beskrivna algoritmer. I block 100 utnyttjas en ursprunglig bromsmassetemperatur för att påbörja den iterativa processen. Denna temperatur kan vara ett lagrat bristvärde eller en temperaturavläsning från oljeutgångstemperaturkännaren 28. I block 110 uppsam- las kännardata från oljetemperaturkännarna 26, 28 och motorhastighetskännaren 34 med en förutbestämd samplings- frekvens, och dessa kännardata överförs till digitala vär- den med de riktiga enheterna (grader Celsius eller i block 120. Tidsvärdet t läggs till i block och de lagrade värdena för bromssystemparameterkon- varv/minut) 130, stanterna förs från block 140 till block 150, där TBNm och BOF beräknas. I blocken 160, 170, 180 och 190 utförs model- len och beräknas ekvationerna (3), (4), (5) och (1) (2) med de resultat som lagras i block 200 och/eller eller används för att alstra signaler representerande TEIB och W U 961028 P:\l687026 .DOC SP/LH 508 847 BRKP. Systemet återvänder därpå till block 110 för att ånyo starta den iterativa algoritmen.

I fig 5 och 6 visas utseendet på en dator i Lotus 123 för Windows V4.0l vid utförandet av sättet enligt förelig- gande uppfinning. Eftersom figurerna visar skärmutseenden, är ingen översättning av fig 5 och 6 gjord. Konstanta vär- den för bromsmodellen var baserade pà beräkningar för bromssystem av den typ som utnyttjas av Caterpillar Inc. på stora landsvägs- och terrànggàende truckar i 200-tonsklas- sen. Andra konstanter använda vid simuleringen beräknades för rimliga maskindriftvärden vid bromsförhàllanden (TBÜV TBMÉ, motorhastighet) och olika tids- och transienteffekt- faktorer. Resultaten utnyttjades för att alstra databilder 44a, varvid fig 4 representerar resultaten av ett bromssys- tem som åstadkommer 945 kW bromseffekt vid 1500 varv/minut.

Bilden i fig 5 motsvarar den i fig 4 med undantag av att vid 60 sekunder efter begynnande bromsning växlades motor- hastigheten till 1800 varv/minut och ökade bromsbehovet (TEIB) bromseffekt (BRKP) vid tiden t visas tydligt på skärmen med till 1130 kW. Resultaten av bromskärntemperatur och resultaten vid den sist mätta punkten listade i botten- tabellen.

Det är uppenbart för fackmannen på området att skärm- bilderna 44a i fig 5 och 6 lätt kan åstadkommas med sättet och anordningen enlivt fig 1 - 4 med användning av känd da- tor- och kännarutrustning.

Industriell användbarhet Den beräknade inre bromstemperaturen (TEIB) kan över- vakas av fordonsoperatören i realtid pà indikatorn 38, så- som visas i fig 1, varvid temperaturer över ett visst värde ger operatören en varning för skadlig bromsdrift eller en felfunktion i bromssystemet. Observerade trender för TEIB över en tidsperiod kan utnyttjas för förutsägelser om bromskomponentlivslängd; exempelvis kan felaktig användning av bromsarna eller minskat oljeflöde på grund av läckor 961028 P:\16B702G .DOC SP/LH ll 508 847 eller pumpslitage indikeras. Den beräknade bromseffekten BRKP kan lagras pà eller vid sidan av maskinen och användas som ett ingàngsvärde till en modell för förutsägning av bromslivslängd liksom till en dynamisk fordonsmodell.

Realtids- och/eller historiska bilder av de avkända maskinparametrarna, den inre bromstemperaturen och bromsef- fekten, såsom illustreras i fig 5 och 6, kan som ytterli- gare exempel alstras och visas pá eller vid sidan av en maskin för övervakning av en maskinoperatör eller en drift- ledare. Historiska trender för TEIB och BRKP kan lagras, exempelvis i minnet hos den dator i vilken bromsmodellen utförs, och periodiskt visas och avläsas för att bestämma om bromsarna arbetar riktigt över den avsedda tidsperioden.

Trender för TEIB och BRKP kan också indikera återstående bromslivslängd; en lång trend av högt TEIB och/eller BRKP skulle exempelvis kunna jämföras med tidigare bestämda för- utsägelser för bromslivslängd för en beräkning av återstå- ende bromslivslängd.

Ett möjligt sätt att åstadkomma trender för TEIB och BRKP är med flerdimensionella histogramtrender av den typ som visas i fig 7 och 8. De i fig 7 och 8 visade histogram- men görs för en maskin, då dess bromssystem underhålls. Över en bestämd trendperiod, exempelvis vid tidpunkter eller räkningar baserat på bromstillfällen, kan TEIB, BRKP och varaktigheten hos varje bromsning kontinuerligt över- vakas och beräknas och kan signaler alstras för att upp- datera histogrammen med användning av kända metoder, såsom histogramcellackumulering. Histogramvärden kan tid efter annan sändas till en basstationdator, som beräknar för- brukad bromslivslängd eller förutsäger återstående bromslivslängd med utgångspunkt från den konsumerade bromslivslängden, bestämd från tidigare trender eller histogramdata alstrade vid fältprover. Övervakningspersonal eller diagnostisk mjukvara vid basstationen kan då beräkna 961028 P : \1.6B7026 .DOC SP/LW 508 847 12 när bromsunderhàll skall ske, då den återstående bromslivs- längden är mindre än en förutbestämd säkerhetsmarginal.

Den ovan beskrivna bromsmodellen kan naturligtvis ut- föras av en dator med antingen en dedicerad digitalkrets eller en allmänt tillgänglig mikroprocessor med lämpligt utförd mjukvara.

Beskrivningen ovan är blott av en illustrativ ut- föringsform och är ej avsedd att begränsa uppfinningen, som definieras av de efterföljande patentkraven.

Claims (14)

20 25 35 95102! PAIGINJZG .DOC SP/DU 13 508 847 PATENTKRAV

1. Sätt att bestämma inre bromsenergi för ett vätske- kylt bromssystem (10) pä en arbetsmaskin frän avkända maskindriftsparametrar, innefattande följande steg: att tillhandahålla en datormodul (36) innehållande en termisk modell av bromsen (16); att avkånna maskindriftparametrar relaterade till bromsdriften och att föra in de avkända parametrarna till modellen; och 'att bestämma en beräknad inre bromstemperatur (TEIB)- från modellen baserat på de avkända parametrarna samt att alstra signaler för TEIB, vilka kan användas för att indi- kera bromsdrift och/eller -tillstånd.

2. Sätt enligt krav 1, varvid de avkända parametrarna innefattar temperaturen hos kylmedel till bromsen (TBUJ, temperaturen hos kylmedel ut från bromsen (TBMR) och en eller flera ytterligare parametrar från vilka kyl- medelsströmningshastigheten genom bromsen (BOF) kan bestäm- mas.

3. Sätt enligt krav 2, varvid kylmedelsströmningshas- tigheten genom bromsen (16) är en funktion av motorhastig- het och den ytterligare avkända parametern år motorhastig- het (ESPD).

4. Sätt enligt krav 1, ytterligare innefattande ste- get att bestämma den effekt som absorberas av bromsen (BRKP) från TEIB som en funktion av ândringshastigheten hos TEIB (dT/dt) och att alstra signaler för BRKP, användas för att indikera bromsdrift och/eller vilka kan -tillstånd.

5. Sätt enligt krav 1, varvid steget att alstra sig- naler för TEIB innefattar steget att alstra en display (38) av beräknad inre bromstemperatur (TEIB) på arbetsmaskinen.

6. Sätt enligt krav 1, varvid steget att alstra sig- naler för TEIB innefattar steget att alstra en display (44a) av beräknad inre bromstemperaturen (TEIB) pä avstånd från maskinen. 10 15 20 25 30 35 96102! P:\ÅGI7DIG.DOC SP/UI 508 847 14

7. Sätt enligt krav 6, varvid den termiska modellen av bromsen (16) lagras i en digital processanordning (14) på avstånd från maskinen, signaler som representerar de av- kända maskindriftparametrarna alstras av kännare (26, 28, 34) pá maskinen och signalerna levereras till den termiska modellen på avstånd från maskinen för att bestämma den be- räknade inre bromstemperaturen (TEIB).

8. Anordning för att bestämma inre bromsenergi för ett vätskekylt bromssystem (10) pà en arbetsmaskin från lätt avkânda maskindriftparametrar, innefattande: en termisk modell av bromsen (16) lagrad i en digital lagrings- och processanordning; kännare (26, 28, 34) på maskinen för att alstra sig- naler, till bromsdrift; organ för att mottaga kânnarsignalerna och föra in som representerar maskindriftparametrar relaterade dem i bromsmodellen; samt organ för att utföra modellen med de avkânda paramet- rarna för att bestämma en beräknad inre bromstemperatur (TEIB) och organ för att alstra signaler av TEIB, som kan utnyttjas för att indikera bromsdrift och/eller -tillstànd.

9. Anordning enligt krav 8, varvid kånnarna (26, 28, 34) innefattar en bromsinloppstemperaturkännare (26), en bromsutgångstemperaturkännare (28) och en eller flera ytterligare kännare, från vilka kylmedelsströmningshastig- heten genom bromsen (16) kan bestämmas.

10. Anordning enligt krav 9, varvid kylmedelsström- ningshastigheten genom bromsen (16) år en funktion av motorhastigheten och den ytterligare kânnaren âr en motor- hastighetskännare (34).

11. Anordning enligt krav 8, ytterligare innefattande organ för att bestämma den effekt som absorberas av bromsen (BRKP) från den beräknade inre bromstemperaturen (TEIB) och organ för att alstra signaler för BRKP, vilka kan användas för att indikera bromsdrift och/eller tillstànd. 10 96102! P: \1S0702í .DOC SP/LH 15 508 847

12. Anordning enligt krav 8, varvid organet för att alstra signaler för TEIB innefattar organ för att visa den beräknade inre bromstemperaturen (TEIB) ombord på maskinen.

13. Anordning enligt krav 8, där organet för att alstra signaler för TEIB innefattar organ för att visa den beräknade inre bromstemperaturen (TEIB) på avstånd från maskinen.

14. Anordning enligt krav 13, varvid den termiska modellen för bromsen (16) är lagrad i en digital process- anordning (44) pà avstånd från maskinen och de signaler som alstras av kânnarna (26, 28, 34) på maskinen levereras från maskinen till bromsmodellen för att bestämma den beräknade inre bromstemperaturen (TEIB).