WO2008012070A2

WO2008012070A2 - Verfahren und vorrichtung zur schwingungsanalyse an einer maschine

Info

Publication number: WO2008012070A2
Application number: PCT/EP2007/006576
Authority: WO
Inventors: Thomas Kunze; Christian Stammen
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2008-01-31
Also published as: DE102007034344A1; WO2008012070A3

Abstract

Bei einem Verfahren zur Schwingungsanalyse an einer Maschine (2), insbesondere an einer Axialkolbenmaschine (2), wird ein an der an einer beliebigen Betriebsanlage (62) angeschlossenen Maschine (2) erfasstes Schwingungsverhalten in einem aktuellen Maschinenzustand mit einer Übertragungsfunktion in ein Schwingungsverhalten umgewandelt, welches der an eine Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) im aktuellen Maschinenzustand entspricht. Die Übertragungsfunktion wird als Quotient aus einem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) in einem Maschinenausgangszustand und einem Schwingungsverhalten der an eine weitere beliebige Betriebsanlage (64) angeschlossenen Maschine (2) im Maschinenausgangszustand gebildet, um das Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) im aktuellen Zustand mit dem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) im Maschinenausgangszustand zu vergleichen. Des weiteren wird eine Vorrichtung (72) und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsanalyse an einer

Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Schwingungsanalyse an einer Maschine, insbesondere an einer Axialkolbenmaschine, auf eine Vorrichtung und ein Computerprogramm zur Durchführung der Verfahren.

Maschinen, insbesondere Kolbenmaschinen wie z. B. Axialkolbenmaschinen, sind in industriellen Anlagen, insbesondere hydraulischen Anlagen, in einer Vielzahl technischer Anwendungen einsetzbar. Als Pumpen einsetzbare Axialkolbenmaschinen sind sowohl in stationären als auch in mobiler Anwendungen beispielsweise als Pressen, Werkzeugmaschinen oder Kunststoffspritzmaschinen bzw. als hydraulische Antriebe für Bagger und Krane nutzbar.

Da hydraulische Anlagen eine Vielzahl von Anlagenkomponenten, wie Ventile, Pumpen, Motoren, Speicher und Zylinder umfassen, kommt es durch hohe mechanische Belastungen und Verschmutzung beispielsweise eines Hydraulikfluids vergleichsweise häufig zu mechanischem Verschleiß von Anlagenkomponenten. Ein derartiger Verschleiß führt zu Fehlfunktionen und zu Wartungsarbeiten auch an der Axialkolbenmaschine, welche eine

Anlagenkomponente darstellt. Wartungsarbeiten umfassen insbesondere den Austausch, die Reparatur und/oder die Reinigung von Anlagenkomponenten. Dadurch entstehen kostenintensive Stillstandszeiten. Die Stillstandszeiten wiederum resultieren beispielsweise in einer

Produktionslinie in einem verringerten Produktionsausstoß sowie in hohen Kosten für das Herunter- und Hochfahren der Produktionslinie . Die Planung von Stillstandszeiten spielt wirtschaftlich eine immer größer werdende Rolle, um Kosten, welche durch ungeplante Ausfälle industrieller Anlagen entstehen, zu vermeiden. Den funktionellen Zustand der Anlage und der Anlagenkomponenten durch Zustandsdiagnose und

Fehleranalyse zu kennen, mindert somit das Risiko von unerwarteten Ausfällen und wirkt sich kostensparend aus.

Aus der Druckschrift DE 103 34 817 Al sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fehlererkennung an einer Pumpe bekannt, wobei die Amplitude einer für die Pumpe charakteristischen Frequenz eines über einen Drucksensor ermittelten Drucksignals nach einer Frequenzanalyse mit einer Referenzamplitude verglichen wird. Die Erkennung eines Fehlers an der Pumpe lediglich mit Hilfe der für die Pumpe charakteristischen Frequenz, welche der Eigenfrequenz der Pumpe entspricht, ist jedoch vergleichsweise ungenau, vor allem in Hinblick darauf, dass die Pumpe in einer Anlage eingebaut ist, welche einen nicht unerheblichen Störfaktor bei der Fehlererkennung darstellt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein entsprechendes Computerprogramm zur Schwingungsanalyse an einer Maschine anzugeben, womit an der Maschine auftretende Fehlfunktionen und das Verschleißverhalten der Maschine besonders einfach und zuverlässig analysierbar sind.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche. Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand hierauf rückbezogenen Unteransprüche .

Bezüglich des digitalen Speichermediums, der Computerprogramme und des Computerprogramm-Produkts wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 17 bis 20.

Die erfindungsgemäßen Verfahren betreffen Schwingungsanalysen an einer Maschine, insbesondere an einer Kolbenmaschine wie z. B. einer Axialkolbenmaschine. Eines der Verfahren umfasst einen Vergleich eines Schwingungsverhaltens einer Maschine im aktuellen Zustand, welche an eine beliebige Betriebsanlage angeschlossen ist, mit dem Schwingungsverhalten der an eine Referenzanlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand. Zur Durchführung des Vergleichs wird das Schwingungsverhalten der an die beliebige Betriebsanlage angeschlossenen Maschine im aktuellen Zustand mit einer Übertragungsfunktion zur Umformung in ein

Schwingungsverhalten beaufschlagt, welches der Maschine im aktuellen Zustand derart entspricht, als wäre die Maschine an die Referenzanlage angeschlossen gewesen, und welche zum Vergleich mit dem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand geeignet ist. Mit der Übertragungsfunktion wird der Einfluss der Betriebsanlage auf das Schwingungsverhalten der Maschine kompensiert. Die Übertragungsfunktion wird aus dem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand und dem Schwingungsverhalten der an die beliebige Betriebsanlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand errechnet.

Das andere erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Vergleich eines Schwingungsverhaltens einer an eine Anlage angeschlossenen Maschine im aktuellen Zustand mit einem Schwingungsverhalten, welches einer an die Anlage angeschlossenen Referenzmaschine im Maschinenausgangszustand entspricht. Zur Durchführung des Vergleichs wird das Schwingungsverhalten der an die Anlage angeschlossenen Maschine im aktuellen Zustand mit einer Übertragungsfunktion zur Umformung in ein Schwingungsverhalten beaufschlagt, welches der an die Anlage angeschlossenen Referenzmaschine im aktuellen Zustand entspricht und zum Vergleich mit dem

Schwingungsverhalten der an die Anlage angeschlossenen Referenzmaschine im Maschinenausgangszustand geeignet ist. Die Übertragungsfunktion wird aus dem Schwingungsverhalten der an die Anlage angeschlossenen Referenzmaschine im Maschinenausgangszustand und einem Schwingungsverhalten einer an die Anlage angeschlossenen, weiteren Maschine gleichen Typs im Maschinenausgangszustand errechnet .

Dabei sind die Maschine und die Referenzmaschine gleichen Typs. Der Maschinenausgangszustand beschreibt einen

Zustand der Maschine, wobei die Maschine unmittelbar nach deren Fertigstellung in Betrieb genommen wird. Im Maschinenausgangszustand ist die Maschine frei von Abnutzungs- und Verschleißerscheinungen. Der aktuelle Zustand beschreibt einen Zustand der Maschine, welche bereits seit einiger Zeit in einer Anlage in Betrieb ist, und somit möglicherweise Verschleißerscheinungen aufweist und aufgrund der Verschleißerscheinungen fehlerbehaftet ist. Unter einer Referenzanlage ist ein Prüfstand mit beispielsweise als Rohrleitungen ausgeführten Maschinenanschlüssen zu verstehen, woran die Maschine anschließbar ist und dessen Eigenschaften und Schwingungsverhalten bekannt sind. Unter einer Betriebsanlage ist eine beliebige stationäre oder mobile, industrielle Anlage mit Maschinenanschlüssen zu verstehen, worin die Maschine als Anlagenkomponente hinsichtlich des Verwendungszwecks eingesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren umfasst eine Erfassungseinheit zur Aufnahme eines Schwingungssignals, welches an der Maschine, an insbesondere als Rohrleitungen ausgeführten Maschinenanschlüssen, an der Anlage, an der Referenzanlage und/oder an der Betriebsanlage detektierbar ist. Um die Maschine zur Detektion des Schwingungssignals in einem vorgegebenen Betriebspunkt zu betreiben, weist die Vorrichtung eine Reglereinheit auf, welche an der Maschine einen vorgegebenen Betriebszustand einstellt und beibehält. Zur Ermittlung eines das Schwingungsverhalten der Maschine kennzeichnenden Frequenzspektrums weist die Vorrichtung ferner eine Verarbeitungseinheit auf, welche das Frequenzspektrum aus dem Schwingungssignal errechnet und in Anwendung einer vorgegebenen Übertragungsfunktion weiterverarbeitet. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, das von der Verarbeitungseinheit verarbeitete Schwingungssignal als Schwingungsverhalten der Maschine auszuwerten.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Einfluss einer beliebigen Betriebsanlage auf das Schwingungsverhalten einer an die Betriebsanlage angeschlossenen Maschine mittels der Übertragungsfunktion kompensierbar ist. Des Weiteren eignet sich die Übertragungsfunktion zur Rückrechnung des Schwingungsverhaltens der an die Betriebsanlage angeschlossenen Maschine, um das Schwingungsverhalten der Maschine zu ermitteln, welches die Maschine aufzeigen würde, wenn diese an die Referenzanlage angeschlossen wäre. Ferner erfordert eine Rückrechnung mit Hilfe der Übertragungsfunktion besonders geringen Rechenaufwand. Zudem ist mit der Erfindung eine Fehlerfrüherkennung an einer in einer industriellen Anlage als Anlagenkomponente angeschlossenen Maschine besonders wirkungsvoll zur Vermeidung ungeplanter Ausfälle der industriellen Anlage durchführbar .

Durch die Rückrechnung des Schwingungsverhaltens der an der Betriebsanlage angeschlossenen, möglicherweise fehlerbehafteten Maschine im aktuellen Zustand auf das Schwingungsverhalten der Maschine im aktuellen Zustand, welches die Maschine aufzeigen würde, wenn sie an eine Referenzanlage angeschlossen wäre, ist außerdem ein Vergleich mit einer an die Referenzanlage angeschlossenen, fehlerfreien Maschine im Maschinenausgangszustand zur Ermittlung von Fehlerfunktionen, beispielsweise mechanischem Verschleiß, an der Maschine im aktuellen Zustand besonders einfach durchführbar. Darüber hinaus erlaubt die Erfindung einen geplanten Prozess mit koordinierten und vorhersehbaren Ausfallzeiten für Wartungs- und Reinigungsarbeiten, wodurch eine besonders hohe Kosteneinsparung erreichbar ist .

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung wird das Schwingungsverhalten der Maschine oder Referenzmaschine aus einem als Drucksignal und/oder Körperschallsignal ausgebildeten Schwingungssignal ermittelt. Das Schwingungssignal wird zweckmäßigerweise unmittelbar an der Maschine, an deren Anschlussverbindungen zu der Betriebsanlage oder der Referenzanlage und/oder unmittelbar an der Betriebsanlage oder der Referenzanlage gemessen. Bei einer Axialkolbenmaschine stellt das als Drucksignal ausgebildete Schwingungssignal eine Überlagerung von Einzelschwingungen der in der Axialkolbenmaschine auftretenden Volumenströme dar.

Somit ist die Erfassungseinheit zur Erfassung des Schwingungssignals zweckmäßigerweise direkt in den Maschine integrierbar. Alternativ ist die Erfassungseinheit an den Anschlussverbindungen der Maschine zur Betriebsanlage oder Referenzanlage oder an der Betriebsanlage oder Referenzanlage selbst angeordnet .

In zweckmäßiger Weiterbildung umfasst die Erfassungseinheit einen z. B. piezoresistiven Drucksensor zur Erfassung der Druckpulsationen der Volumenströme. Die Druckpulsationen werden zweckmäßigerweise sekundär- oder förderseitig an der beispielsweise als Pumpe ausgebildeten Maschine erfasst. Vorzugsweise ist der Drucksensor über einen Anschlussadapter mit zwischen der Maschine und der Betriebsanlage oder der Referenzanlage angeordneten Anschlussverbindungen gekoppelt.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist die Erfassungseinheit zum Empfang von Körperschallsignalen an der Maschine ausgebildet . Dazu umfasst die Erfassungseinheit vorzugsweise einen Schallwandler zur Aufnahme und Umwandlung der Körperschallsignale in ein elektrisches Signal . Gemäß vorteilhafter Weiterbildung wird das als Zeitsignal ausgebildete Schwingungssignal der Maschine nach der Messung mittels der Fast-Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum umgeformt. Im Frequenzspektrum sind lokale Maxima kennzeichnend für das Schwingungsverhalten der Maschine, insbesondere der Axialkolbenmaschine. Die lokalen Maxima - auch bezeichnet als Peaks - geben AufSchluss über die Anregungsfrequenzen der Maschine. Die Anregungsfrequenzen f bilden sich aus dem Produkt über die Kolbenzahl k, die Drehzahl n der Maschine und einem ganzzahligen Vielfachen i: f = n*k*i, i = 1,2,3,...

Zweckmäßigerweise werden zur Ermittlung der Übertragungsfunktion, welche als Quotient aus dem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand und dem Schwingungsverhalten der an die weitere beliebige Betriebsanlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand gebildet wird, lediglich die lokalen Maxima der entsprechenden Frequenzspektren berücksichtigt. Somit ergibt sich eine diskrete Übertragungsfunktion, womit besonders zuverlässige Ergebnisse erreichbar sind. Im Gegensatz dazu würden bei einer kontinuierlichen Übertragungsfunktion vergleichsweise kleine Werte neben den lokalen Maxima berücksichtigt werden, welche als Divisor bei der Bildung der Übertragungsfunktion zu unerwünschten Peaks führen würden .

Vorzugsweise wird die Maschine für die Zeit der Erfassung des Schwingungssignals in einem beliebigen, aber vorgegebenen Betriebszustand gefahren. Der Betriebszustand wird zweckmäßigerweise durch Einstellen und Konstanthalten einer Drehzahl der Maschine und/oder eines Druckes eines durch die beispielsweise als Pumpe ausgebildete Maschine zu pumpenden Fluids bestimmt. Neben Drehzahl und Druck sollte auch die Temperatur und damit die Viskosität der Flüssigkeit in einem gewissen Rahmen konstant gehalten werden. Somit bestehen gleiche Fluideigenschaften.

In zweckmäßiger Weiterbildung wird der Betriebszustand über eine Reglereinheit an der Maschine eingestellt. Dazu erfasst die Reglereinheit als Eingangsgröße vorzugsweise die Drehzahl und/oder den Druck des Fluids und errechnet aus der Eingangsgröße eine Reglergröße, um den Betriebszustand hinsichtlich der Drehzahl bzw. des Druckes des Fluids konstant zu halten. Zweckmäßigerweise steuert die Reglereinheit die als Motor ausgebildete Maschine oder einen die Maschine antreibenden Motor mit der Reglergröße an.

Das Verfahren zur Schwingungsanalyse ist zweckmäßigerweise auf mehrere Maschinen gleich Typs übertragbar. Dazu wird vorzugsweise das Schwingungsverhalten der an eine Anlage angeschlossenen Maschine im Maschinenausgangszustand mit einer weiteren abwechselnd an derselben Anlage angeschlossenen Maschine gleichen Typs im Maschinenausgangszustand verglichen und eine maschinenspezifische Übertragungsfunktion gebildet. Dadurch wird der Einfluss der Unterschiede in den Frequenzspektren der Maschine und der weiteren Maschine gleich Typs kompensiert. Somit sind das Schwingungsverhalten und Fehlfunktionen an der weiteren Maschine gleichen Typs, welche in einem aktuellen Zustand an eine beliebige Betriebsanlage anschließbar ist, durch Rückrechnung über die Übertragungsfunktion zur Kompensation des Einflusses der Betriebsanlage und über die maschinenspezifische Übertragungsfunktion analysierbar bzw. erkennbar.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine

Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise,

Fig. 2 eine Kolbentrommel mit Schrägscheibe nach Fig. 1,

Fig. 3 in einem Prinzipschaltbild eine Vorrichtung zur Schwingungsanalyse an einer Maschine,

Fig. 4A einen Graph der Volumenstrom-Pulsationen über den Drehwinkel φ einer Axialkolbenmaschine mit einer Kolbenanzahl von drei Kolben,

Fig. 4B einen Graph der Volumenstrom-Pulsationen über den Drehwinkel φ einer Axialkolbenmaschine mit einer Kolbenanzahl von vier Kolben,

Fig. 4C einen Graph der Volumenstrom-Pulsationen über den Drehwinkel φ einer Axialkolbenmaschine mit einer Kolbenanzahl von fünf Kolben,

Fig. 5 einen Graph der Druckpulsationen einer Maschine im Zeitbereich bei unterschiedlichen Drehzahlen,

Fig. 6 einen Graph der Druckpulsation der Maschine nach Fig. 5 im Frequenzbereich bei unterschiedlichen Drehzahlen, Fig. 7 einen Graph der Druckpulsation der Maschine nach Fig. 5 im Frequenzbereich mit vergrößertem Peak nach Fig. 6,

Fig. 8 einen Graph der Druckpulsationen einer abwechselnd an verschiedene Anlagen angeschlossenen Maschine im Frequenzbereich,

Fig. 9 einen Graph der Druckpulsationen einer abwechselnd an verschiedene Anlagen angeschlossenen, weiteren Maschine gleichen Typs im Frequenzbereich,

Fig. 10 schematisch die Herleitung der

Übertragungsfunktion aus gemessenen Drucksignalen einer abwechselnd an eine Referenzanlage und an eine beliebige Betriebsanlage angeschlossenen Maschine,

Fig. 11 schematisch die Rückrechnung des Drucksignals der an eine beliebige Betriebsanlage angeschlossenen Maschine zur Kompensation des Anlageneinflusses mit der Übertragungsfunktion nach Fig. 10,

Fig. 12 schematisch die Fehlererkennung und den

Vergleich des Schwingungsverhaltens der an die Betriebsanlage angeschlossenen Maschine nach Fig. 11 mit dem Schwingungsverhalten der an die

Referenzanlage angeschlossenen Maschine nach Fig. 10 und Fig. 13 einen Graph der Druckpulsationen der fehlerfreien und fehlerbehafteten Maschine nach Fig. 3.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Axialkolbenmaschine 2 in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Verdrängungsvolumen dargestellt. Die Axialkolbenmaschine 2 umfasst als wesentliche Bauteile ein hohlzylindrisches Gehäuse 4 mit einem stirnseitig offenen Ende 6, einem am Gehäuse 4, das Ende 6 verschließenden Gehäusedeckel 8 sowie eine auch als Hubscheibe bezeichnete Schrägscheibe 10, eine Steuerplatte 12, eine Welle 14 und eine

Zylindertrommel 16. Die Welle 14 ist im Gehäuse 4 drehbar gelagert und greift zentriert durch die Zylindertrommel 16 hindurch. Die Zylindertrommel 16 ist mit der Welle 14 drehfest, jedoch axial beweglich und dadurch von der Welle 14 abziehbar verbunden. Die Welle 14 ist auf beiden Seiten der Zylindertrommel 16 in jeweils einem Wälzlager 18,20 gelagert. In der Zylindertrommel 16 sind über den Umfang verteilt mehrere Zylinderbohrungen 22 ausgebildet. In jeder Zylinderbohrung 22 ist jeweils ein Kolben 24 axial beweglich eingesetzt. Die Kolben 24 weisen jeweils an der von dem Gehäusedeckel 8 abgewandten Seite einen kugelförmigen Kopf 26 auf, welcher mit einer korrespondierenden Ausnehmung eines Gleitschuhs 28 zu einer Gelenkverbindung zusammenwirkt. Mittels des Gleitschuhs 28 stützt sich der Kolben 24 an der

Schrägscheibe 10 ab. Bei einer Drehung der Zylindertrommel 16 führen die Kolben 24 daher in den Zylinderbohrungen 22 Hubbewegungen aus. Die Höhe jedes Hubs wird dabei durch eine Stellung der Schrägscheibe 10 vorgegeben, wobei die Stellung der Schrägscheibe 10 durch eine Stellvorrichtung 30 einstellbar ist.

In Fig. 1 nicht erkennbare Steueröffnungen der Steuerplatte 12 stehen auf der von der Zylindertrommel 16 abgewandten Seite der Steuerplatte 12 in permanentem Kontakt mit zumindest einem in Fig.l nicht dargestellten Hochdruck- oder Niederdruckanschluss .

Die Zylinderbohrungen 22 sind über Öffnungen 32 zu der Stirnfläche der Zylindertrommel 16 hin offen. Die Öffnungen 32 überstreichen bei einer Rotation der Zylindertrommel 16 eine dichtende Umgebung der Steuerplatte 12 und werden dabei während eines Umlaufs alternierend mit den in Fig. 1 nicht erkennbaren Steueröffnungen der Steuerplatte 12 verbunden.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Axialkolbenmaschine ist allgemein bekannt und nachstehend bei einem Einsatz der als Pumpe ausgebildeten

Axialkolbenmaschine auf das Wesentliche beschränkt. Die Axialkolbenmaschine 2 ist beispielsweise für den Betrieb mit Öl als Hydraulik-Fluid vorgesehen. Über die Welle 14 wird die Zylindertrommel 16 zusammen mit den Kolben 24 in Drehung versetzt. Wenn durch Betätigung der

Stellvorrichtung 30 die Schrägscheibe 10 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 16 verschwenkt ist, wie gezeigt in Fig. 2, vollführen sämtliche Kolben 24 Hubbewegungen in den Zylinderbohrungen 22. Bei einer in oder entgegen einem Pfeil 34 (nicht in Fig. 1 dargestellt) gerichteten Drehung der Zylindertrommel 16 um die Welle 14 um 360° durchläuft jeder Kolben 24 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über die Öffnungen 32, die in den Figuren 1 und 2 nicht erkennbaren Steueröffnungen der Steuerplatte 12 und den in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellten Hochdruck- bzw. Niederdruckanschluss erfolgen.

Während des Betriebs der Axialkolbenmaschine 2 kommt es an verschiedenen tribologischen Kontakten der Axialkolbenmaschine 2 zu Verschleiß. Insbesondere an der Kontaktstelle Kolben-Zylinder 36 (Fig. 1) kommt es zu Abrasion und Adhäsion, welche Löcher und Riefen am Kolben und/oder Zylinder erzeugen. Des Weiteren kommt es durch Abrasion, Adhäsion und Oberflächenzerrüttung an der Kontaktstelle Zylindertrommel - Steuerplatte 38 zu Rissen, Kratzern, Materialübertag, Riefen und Löchern. Ferner kommt es an der Kontaktstelle Kolbenschuh - Wiege 40 zu Abrasion. An vielen anderen Kontaktstellen, wie beispielsweise an der Wiegelagerung 42, der Kontaktstelle Kolbenschuh - Kolben 44 sowie am Niederhalter 46, kommt es durch tribochemische Reaktionen zur Bildung von Oxidschichten. Daneben kann insbesondere nahe der Umsteuerung Verschleiß durch Kavitation auftreten.

Fig. 3 zeigt in einem Prinzipschaltbild einen Prüfstand für die von einem Motor 48 betreibbare Axialkolbenmaschine 2, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als Pumpe ausbildet ist und ein Fluid von einem Tank 50 durch Rohrleitungen 52,54,56 in einen Tank 58 pumpt. Die Axialkolbenmaschine 2 ist sekundärseitig an die Rohrleitung 54 angeschlossen und mit als Rohrleitungen unterschiedlicher Rohrlänge ausgebildeten Anlagen 60,62,64 gekoppelt. Dabei stellen die Anlage 60 die Referenzanlage und die Anlagen 62,64 weitere beliebige Betriebsanlagen dar. Die Anlagen 60,62,64 sind über Ventile 66,68,70 schaltbar. Das Verfahren lässt sich an diesem Prüfstand ohne Umbau der Pumpe untersuchen, da unterschiedliche nachgeschaltete Anlagen nachgebildet werden können. Ein solcher Prüfstand mit verschiedenen Rohrlängen ist für das Verfahren nicht zwingende Voraussetzung.

Zur Durchführung der Schwingungsanalyse und zur Detektion von Fehlfunktionen wie beispielsweise Verschleiß an der Axialkolbenmaschine 2 umfasst eine in Fig. 3 schematisch dargestellte Vorrichtung 72 eine Erfassungseinheit 74, womit ein als Drucksignal ausgebildetes Schwingungssignal eines durch die Rohrleitung 56 geleiteten Volumenstromes messbar ist. Zur Erfassung der Druckpulsation umfasst die Erfassungseinheit 74 einen in Fig. 3 nicht gezeigten Drucksensor, welcher über einen Anschlussadapter 76 mit der Rohrleitung 56 gekoppelt ist und womit Veränderungen des Volumenstromes durch Umschalten zwischen den Anlagen 60,62,64 als Druckpulsationssignal darstellbar sind.

Um ein Frequenzspektrum des mit der Erfassungseinheit 74 detektierten Schwingungssignals zu erhalten, umfasst die Vorrichtung 72 eine Verarbeitungseinheit 78, welche das Frequenzspektrum über die Fast-Fourier-Transformation des Schwingungssignals errechnet. Eine Auswerteeinheit 80 der Vorrichtung 72 errechnet aus dem Quotienten zweier Frequenzspektren eine Übertragungsfunktion, welche zur

Kompensation von Anlageneinflüssen und zur Fehlererkennung erforderlich ist und in Fig. 10 im Detail erläutert ist.

Um eine genaue und fehlerfreie Schwingungsanalyse durch Aufnahme des Schwingungssignals an der Erfassungseinheit 74 durchzuführen, ist es notwendig, die Axialkolbenmaschine 2 während der Durchführung der Schwingungsanalyse in einem gleichbleibenden und konstanten Betriebszustand zu fahren. Dazu weist die Vorrichtung 72 eine Reglereinheit 82 auf, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel zum einen den Druck des Volumenstromes in der förderseitig zur Axialkolbenmaschine 2 angeordneten Rohrleitung 54 über eine Eingangsleitung 84 erfasst. Zum anderen erfasst die Reglereinheit 82 über eine Eingangsleitung 86 eine Drehzahl der Axialkolbenmaschine 2. Um die Axialkolbenmaschine 2 während der Durchführung der Schwingungsanalyse in einem gleichbleibenden Betriebszustand zu fahren, steuert die Reglereinheit 82 im gezeigten Ausführungsbeispiel den die Axialkolbenmaschine 2 antreibenden Motor 48 zur Einstellung und Beibehaltung der Drehzahl der Axialkolbenmaschine 2 und des Druckes des Volumenstroms über eine Ausgangsleitung 88 an. Des Weiteren steuert die Reglereinheit 82 die in Fig. 3 nicht dargestellte Stellvorrichtung (Fig. 1), welche mit der in Fig. 1 gezeigten Schrägscheibe der Axialkolbenmaschine mechanisch gekoppelt ist, zur Einstellung des Druckes des Volumenstroms über eine Ausgangsleitung 90 an.

Figuren 4A, 4B und 4C zeigen Graphen der Volumenstrom- Pulsationen über den Drehwinkel φ einer

Axialkolbenmaschine mit unterschiedlicher Kolbenanzahl. In hydraulischen Verdrängereinheiten, insbesondere bei Axialkolbenmaschinen, zeigen sich bei näherer Betrachtung Ungleichförmigkeiten im geförderten Volumenstrom. Eine derartige Ungleichförmigkeit deutet auf eine Überlagerung einzelner Volumenströme hin. Jeder in der Axialkolbenmaschine angeordnete Kolben erzeugt durch Kolbenhübe einen Volumenstrom mit annähernd sinusförmigem Verlauf. So zeigen Figuren 4A, 4B und 4C idealisiert die aus der Überlagerung einzelner Volumenströme resultierenden Pulsationen einer Axialkolbenmaschine mit drei, vier bzw. fünf Kolben. Aus der Überlagerung der einzelnen Volumenströme resultiert als Gesamtheit ein in Fig. 4B angedeuteter mittlerer Volumenstrom Qmittei •

In Fig. 5 sind in drei Graphen Drucksignale für gemessene Pulsationen einer Axialkolbenmaschine über die Zeit aufgetragen. Die Graphen unterscheiden sich insbesondere in der an der Axialkolbenmaschine eingestellten Drehzahl .

Da die Drucksignale im Zeitbereich (Fig. 5) vergleichsweise geringe Aussagekraft besitzen, werden die Drucksignale mittels der Fast-Fourier-Transformation umgeformt. Fig. 6 zeigt die resultierenden Frequenzspektren der bei unterschiedlicher Drehzahl der Axialkolbenmaschine erfassten Drucksignale. In Fig. 6 sind lokale Maxima, auch bezeichnet als Peaks, deutlich erkennbar, welche AufSchluss über die Anregungsfrequenzen f der Axialkolbenmaschine geben. Die Anregungsfrequenzen f werden auch als Pumpenordnungen bezeichnet und treten bei dem Produkt aus Kolbenzahl k, Drehzahl n der Maschine sowie deren ganzzahligen Vielfachen auf: f = n*k*i, i = 1,2,3, ...

Um den Unterschied der Frequenzspektren der Drucksignale zu erkennen, ist ein in Fig. 6 gezeigter Peak bei 55Hz in Fig. 7 vergrößert dargestellt.

Die Figuren 8 und 9 zeigen Graphen der Druckpulsationen der abwechselnd an die in Fig. 3 gezeigten Anlagen 60,62,64 angeschlossenen Axialkolbenmaschine 2 (Fig. 3). Die Unterschiede der Frequenzspektren der Drucksignale sind durch die durch die lokalen Maxima gelegten Kurven erkennbar. Dabei ist beispielsweise - wie in der Legende bezeichnet - das Frequenzspektrum des Drucksignals, welches gemessen wurde, als die Axialkolbenmaschine 2 an die Anlage 60 angeschlossen war, in einer Kurve mit kleinen Quadraten gekennzeichnet .

Um eine Schwingungsanalyse und eine damit verbundene Fehlererkennung an der Maschine durchzuführen, ist es zunächst notwendig, den Einfluss der Betriebsanlage zu kompensieren, woran die Maschine angeschlossen ist (Fig. 3) . Zur Kompensation des Einflusses der Betriebsanlage ist eine Übertragungsfunktion erforderlich, deren Herleitung in Fig. 10 schematisch dargestellt ist.

Dazu ist die als Pumpe ausgebildete Axialkolbenmaschine 2 (Fig. 3) abwechselnd an die Referenzanlage 60 (Fig. 3) und an die Betriebsanlage 62 (Fig. 3) angeschlossen (Kasten A in Fig. 10) . Die Axialkolbenmaschine 2 sei zunächst fehlerfrei . Das aus den Drucksignalen der an die Referenzanlage 60 bzw. an die Betriebsanlage 62 angeschlossenen Axialkolbenmaschine 2 ermittelte Übertragungsverhalten (Kasten B in Fig. 10) wird mittels FFT (Fast-Fourier-Transformation) (Kasten C in Fig. 10) zum Erhalt entsprechender Frequenzspektren G_x (jω) und G₂ (jω) umgeformt (Kasten D in Fig. 10) . Darauffolgend wird das Frequenzspektrum Gi (jω) , welches die an die Referenzanlage 60 angeschlossene Axialkolbenmaschine 2 liefert, als Dividend durch das Frequenzspektrum G₂(jω), welches die an die Betriebsanlage 62 angeschlossene Axialkolbenmaschine 2 liefert, zum Erhalt der Übertragungsfunktion dividiert (Kasten E in Fig. 10) . Die Übertragungsfunktion (Kasten F in Fig. 10) beschreibt nur das Verhältnis der beiden Frequenzspektren G_x (jω) und

G₂ (jω) zur Kompensation des Anlageneinflusses. Aus einer Multiplikation des Frequenzspektrums G₂ (jω) mit der Übertragungsfunktion würde sich unmittelbar das Frequenzspektrum Gi (jω) errechnen lassen.

Fig. 11 zeigt schematisch die Rückrechnung des Drucksignals der an eine weitere beliebige Betriebsanlage 64 (Fig. 3) angeschlossenen, nun fehlerbehafteten Axialkolbenmaschine 2. Um eine Fehlererkennung an der an die Betriebsanlage 64 angeschlossenen, fehlerbehafteten Axialkolbenmaschine 2 durchzuführen, ist der Einfluss der Betriebsanlage 64 in Anwendung der Übertragungsfunktion nach Fig. 10 zu kompensieren. Dazu wird das Frequenzspektrum G₃ (jω) (Kasten G in Fig. 11), welches die an die Betriebsanlage 64 angeschlossene, fehlerbehaftete Axialkolbenmaschine 2 liefert, mit der Übertragungsfunktion nach Fig. 10 multipliziert (Kasten H in Fig. 11) . Die Multiplikation liefert ein Frequenzspektrum G₄ (jω), welches der fehlerbehafteten Axialkolbenmaschine 2 entspricht (Kasten I in Fig. 12), als wäre die fehlerbehaftete Axialkolbenmaschine 2 an die Referenzanlage 60 angeschlossen gewesen. Das

Frequenzspektrum G₄ (jω) unterscheidet sich somit lediglich durch den Fehler in der fehlerbehafteten

Axialkolbenmaschine 2 von dem Frequenzspektrum Gi (jω) der fehlerfreien Axialkolbenmaschine 2 (Kasten J in Fig. 12) . Ein in Fig. 12 schematisch gezeigter Vergleich der Frequenzspektren G₄ (jω) und G₁ (jω) ist somit aus dem Verhältnis der jeweiligen Druckpegel (Fig. 13) besonders einfach durchführbar.

Fig. 13 zeigt die durch den Fehler in der fehlerbehafteten Axialkolbenmaschine 2 (Fig. 3) hervorgerufenen Veränderungen und die Unterscheidbarkeit zwischen dem fehlerfreien (mit Quadraten gekennzeichneter Graph) und dem fehlerbehafteten Zustand (mit Sternchen und Dreiecken gekennzeichnete Graphen) der an die Referenzanlage 60 angeschlossenen Axialkolbenmaschine 2.

Dabei unterscheiden sich die in Fig. 13 mit Dreiecken und mit Sternchen gekennzeichneten Graphen dadurch, dass der mit Sternchen gekennzeichnete Graph durch Messung der Drucksignale der an die Referenzanlage 60 angeschlossenen, fehlerbehafteten Axialkolbenmaschine 2 ermittelt wurde. Im Gegensatz dazu wurde der mit Dreiecken gekennzeichnete Graph durch Messung der Drucksignale der an die

Betriebsanlage 64 angeschlossenen, fehlerbehafteten Axialkolbenmaschine 2 ermittelt- und in Anwendung der Übertragungsfunktion nach Fig. 10 zur Kompensation des Einflusses der Betriebsanlage 64 auf die Referenzanlage 60 umgerechnet (Fig. 11) .

Mit dem Verfahren kann also eine Schwingungsanalyse an einer bestimmten Maschine bei konstantem Betriebszustand beispielsweise hinsichtlich der Drehzahl und/oder des Druckes des durch von der Maschine geförderten Fluids in verschiedenen Anlagen durchgeführt und der Verschleißzustand des Maschine festgestellt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel, insbesondere nicht auf eine als Axialkolbenmaschine und/oder als Pumpe ausgebildete Maschine, beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Schwingungsanalyse an einer Maschine (2), insbesondere an einer Kolbenmaschine (2) , wobei ein an der an einer beliebigen Betriebsanlage (62) angeschlossenen Maschine (2) erfasstes

Schwingungsverhalten in einem aktuellen Maschinenzustand mit einer Übertragungsfunktion in ein Schwingungsverhalten umgewandelt wird, welches der an eine Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) im aktuellen Maschinenzustand entspricht und wobei die Übertragungsfunktion als Quotient aus dem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) in einem Maschinenausgangszustand und einem Schwingungsverhalten der an eine weitere beliebige Betriebsanlage (64) angeschlossenen Maschine (2) im Maschinenausgangszustand gebildet wird, um das Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) im aktuellen Zustand mit dem Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) angeschlossenen Maschine (2) im Maschinenausgangszustand zu vergleichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten aus einem an der Maschine (2) und/oder an der Betriebsanlage (62,64) oder Referenzanlage (60) gemessenen Schwingungssignal ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssignal mittels Fast-Fourier- Transformation in ein das Schwingungsverhaltens kennzeichnendes Frequenzspektrum umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion aus lokalen Maxima der entsprechenden Frequenzspektren ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssignal während eines Betriebszustands der Maschine (2) ermittelt wird, wobei eine Drehzahl der Maschine (2) und/oder ein Druck und/oder eine Viskosität eines durch die als Pumpe ausgebildete Maschine (2) zu pumpenden Fluids konstant gehalten werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebzustand von einer an die Maschine (2) angeschlossenen Reglereinheit (82) durch Ansteuerung der Maschine (2) oder eines die Maschine (2) antreibenden Motors (48) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten der an die Referenzanlage (60) oder die Betriebsanlage (62,64) angeschlossenen Maschine (2) mit dem Schwingungsverhalten einer weiteren an die Referenzanlage (60) bzw. die Betriebsanlage (62,64) angeschlossenen Maschine (2) desselben Typs mittels einer maschinenspezifischen Übertragungsfunktion verglichen wird.

8. Verfahren zur Schwingungsanalyse an einer Maschine (2), insbesondere an einer Kolbenmaschine (2), wobei ein an der an einer Anlage (60,62,64) angeschlossenen Maschine (2) erfasstes Schwingungsverhalten in einem aktuellen Maschinenzustand mit einer Übertragungsfunktion in ein Schwingungsverhalten umgewandelt wird, welches einer an die Anlage (60,62,64) angeschlossenen Referenzmaschine (2) gleichen Typs im aktuellen Maschinenzustand entspricht und wobei die Übertragungsfunktion als Quotient aus dem Schwingungsverhalten der an die Anlage (60,62,64) angeschlossenen Referenzmaschine (2) in einem Maschinenausgangszustand und einem Schwingungsverhalten einer an die Anlage (60,62,64) angeschlossenen, weiteren Maschine (2) gleichen Typs im Maschinenausgangszustand gebildet wird, um das Schwingungsverhalten der an die Anlage (60,62,64) angeschlossenen Referenzmaschine (2) im aktuellen Zustand mit dem Schwingungsverhalten der an die Anlage (60,62,64) angeschlossenen Referenzmaschine (2) im Maschinenausgangszustand zu vergleichen.

9. Vorrichtung (72) zur Schwingungsanalyse an einer Maschine (2), insbesondere an einer Kolbenmaschine (2), mit einer Erfassungseinheit (74) zur Erfassung eines Schwingungssignals, mit einer Verarbeitungseinheit (78) zur Ermittlung eines Frequenzspektrums aus dem Schwingungssignal und zur Multiplikation des Frequenzspektrums mit einer vorgegebenen Übertragungsfunktion, mit einer Auswerteeinheit (80) zur Auswertung des

Schwingungsverhaltens der Maschine (2), und mit einer Reglereinheit (82), welche dazu ausgebildet ist, an der Maschine (2) einen vorgegebenen Betriebszustand einzustellen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (74) in die Maschine (2) integrierbar und/oder mit einer an die Maschine (2) anschließbaren Betriebsanlage (62,64) oder Referenzanlage (60) koppelbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (74) zur Messung von Druckpulsationen und/oder zum Empfang von Körperschallsignalen ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (74) einen, insbesondere piezoresistiven, Drucksensor zur Messung von

Druckpulsationen umfasst .

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor über einen Anschlussadapter (76) sekundärseitig an die Maschine (2) anschließbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (74) einen Schallwandler zum Empfang und Umwandlung von Körperschallsignalen umfasst .

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (82) zur Einstellung des Betriebszustands an der Maschine (2) mit dieser oder mit einem die Maschine (2) antreibenden Motor (48) elektrisch leitend verbindbar ist .

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (82) dazu ausgebildet ist, den Betriebszustand der Maschine (2) hinsichtlich einer Drehzahl der Maschine (2) und/oder eines Druckes eines durch die als Pumpe ausgebildete Maschine (2) transportierten Fluids einzustellen.

17. Digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, welche derart mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, dass ein Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 7 oder 8 ausgeführt wird.

18. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 8, wenn das Computerprogramm in einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.

19. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 8, wenn das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.

20. Computerprogramm-Produkt mit auf maschinenlesbaren Datenträger gespeicherten Programmcode-Mitteln, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 8, wenn das Computerprogramm-Produkt in einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.