EP4261413B1 - Vorrichtung und verfahren zum ermitteln eines zustandes, insbesondere eines verschleisszustandes, einer verdrängereinheit - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ermitteln eines zustandes, insbesondere eines verschleisszustandes, einer verdrängereinheit Download PDF

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EP4261413B1
EP4261413B1 EP23164766.0A EP23164766A EP4261413B1 EP 4261413 B1 EP4261413 B1 EP 4261413B1 EP 23164766 A EP23164766 A EP 23164766A EP 4261413 B1 EP4261413 B1 EP 4261413B1
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EP
European Patent Office
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fluid
displacement unit
pressure
condition
fluid line
Prior art date
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EP4261413A1 (de
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Tobias DOHMEN
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Hydac Fluidtechnik GmbH
Original Assignee
Hydac Fluidtechnik GmbH
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    • F04B51/00—Testing machines, pumps, or pumping installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a condition in the form of a wear condition of a displacement unit.
  • the device has a recording unit that has sensors mounted on and in the axial piston machine for recording operating data, in particular a pressure in a high-pressure line of the axial piston machine, and for recording monitoring data.
  • the operating data and the monitoring data are each analyzed in the time domain or in the time and frequency domain by an evaluation device connected to the recording unit.
  • an evaluation device connected to the recording unit.
  • the analyzed operating and monitoring data are linked, and an output unit connected to the diagnostic unit can trigger a pre-alarm, which indicates the next upcoming maintenance, and a main alarm with respect to a machine condition. which indicates a machine condition that is critical for further operation and can activate an emergency switch.
  • the invention is based on the object of providing a device for determining the state of wear of a To provide a displacement unit that allows for accurate condition determination with reduced effort in carrying out the condition determination.
  • the device has a fluid line connected to a high-pressure side of the displacement unit; at least one fluid device fluidically connected to the fluid line, which enables a fluid pressure build-up upstream of itself in the fluid line; in each case a pressure sensor which detects a system variable in the form of the fluid pressure in the fluid line upstream of the respective fluid device; and an evaluation device which is configured such that it determines the condition, in particular the wear condition, of the displacement unit as a function of at least one system variable.
  • a fluid pressure can be built up, maintained and, if necessary, reduced again in the fluid line as a system variable depending on a corresponding control of the displacement unit, wherein in the corresponding curve of the fluid pressure a change in the curve which is significant for the state of the respective displacement unit can be recognized which characterizes a characteristic operating point of the displacement unit at which the theoretical volume flow of the displacement unit corresponds to its volumetric losses, and wherein a comparison of system variables, in particular the fluid pressure, at the operating point or at least one parameter dependent thereon, in particular of the displacement unit, with corresponding reference values allows a precise conclusion to be drawn about the state of the displacement unit.
  • the fluid pressure change can occur during a diagnostic run, a start-up or shutdown of a fluid device in the form of the consumer arrangement.
  • the system variables are processed exclusively in the time domain by means of the evaluation device, whereby, in relation to the at least partial processing in the frequency domain, less computing power can be provided by the evaluation device and a lower sampling frequency of the sensors, and smaller amounts of data need to be processed. This means that the state can be determined with little effort.
  • the device is provided outside the displacement unit, which means that the device can be combined with any displacement unit at any time, for example, it can be retrofitted after the displacement unit has been sold.
  • a further fluid device which divides the fluid line into a fluid line part connected to the displacement unit and a further fluid line part and which is designed in such a way that it allows a transfer of fluid pressure from one fluid line part to the further fluid line part, in particular from a predeterminable pressure threshold, and blocks it in the opposite direction.
  • a temperature sensor is provided which, as a further system variable, measures the temperature of the of the fluid flowing through the displacement unit. This fluid temperature can be detected by the temperature sensor in the fluid line or in a tank from which the displacement unit draws fluid in and/or from which the consumer arrangement discharges fluid.
  • the displacement unit is designed to be hydrostatic and/or speed-adjustable.
  • the displacement unit is designed as a pump, preferably as a fixed-displacement pump.
  • the fluid used can be hydraulic fluid, in particular hydraulic oil, so that the fluid components of the device are accordingly designed as hydraulic components.
  • the respective fluid device in the form of a fluid control device can be configured such that the fluid pressure upstream in the fluid line is built up at least to a predeterminable pressure and/or by corresponding control of the respective fluid device.
  • a fluid device is designed as a consumer assembly operable at a nominal pressure, which is connected to the fluid line, in particular to an end of the fluid line facing away from the displacement unit.
  • the consumer assembly can have a controllable valve device that, when appropriately controlled, enables the aforementioned pressure buildup and/or a pressure relief valve set to the nominal pressure, which protects the consumer assembly against a pressure above the nominal pressure.
  • a device determines a drive speed of the displacement unit, which is included as a further system variable in the determination of the state.
  • the device can be designed as a speed sensor that measures the speed at the displacement unit or at a device driving the displacement unit. Electric motor is detected. The speed of the electric motor and the displacement unit can be the same.
  • a hydraulic accumulator is provided which is connected to the fluid line, in particular the further fluid line part, for the purpose of compensating a pressure drop.
  • the nominal or load pressure of the consumer arrangement is detected, preferably by means of the additional pressure sensor, which is included as a system variable in determining the state.
  • the additional fluid pressure detected by the additional pressure sensor can correspond to the nominal or load pressure of the consumer arrangement.
  • a device that determines a pivot angle of the displacement unit, which is incorporated as a further system variable in determining the state.
  • the displacement unit is designed as a variable-displacement pump, for example, an axial piston pump.
  • the invention also relates to a method for determining a condition, in particular a wear condition, of a displacement unit, in particular using a device as described above, comprising the following method steps: building up a fluid pressure in a fluid line upstream of at least one fluid device fluidically connected to the fluid line, wherein the fluid line is connected to the high-pressure side of the displacement unit; detecting a system variable in the form of the respective fluid pressure in the fluid line upstream of the respective fluid device; determining the condition of the displacement unit as a function of at least one system variable, and that for determining the condition of the displacement unit, at least one operating point of the displacement unit which is characteristic of the condition is determined by the theoretical volume flow Q th of the displacer unit corresponding to its volumetric losses Q leak .
  • the state is also determined as a function of at least one of the following additional system variables: a drive speed of the displacer unit; a pivot angle of the displacer unit; and a temperature of the fluid flowing through the displacer unit.
  • the drive speed of the displacement unit is determined at least in one of the following ways: detected by means of a speed sensor; derived from a signal attributable to an electrical control of the electric motor for driving the displacement unit; and derived from sound signals emitted by the displacement unit.
  • At least one of the following change processes is carried out over a period of time: the drive speed of the displacement unit is changed; a nominal or load pressure of a consumer arrangement connected to the fluid line, in particular to the end of the fluid line facing away from the displacement unit, is changed; and a pivot angle of the displacement unit is changed.
  • the drive speed, the nominal or load pressure, and/or the pivot angle are increased and/or decreased during the change process, preferably initially increased and subsequently decreased again, or vice versa.
  • the sampling period of the respective curve of the fluid pressure or a curve dependent thereon during the increase or decrease the drive speed of the displacement unit up to 3 seconds, preferably approx. 0.5 or 2.5 seconds, and/or the sampling rate 100 to 300 Hertz, preferably 200 Hertz.
  • the drive speed of the displacement unit is reduced, in particular in a ramp-like manner, starting from a positive value in the direction of zero within the scope of the change process, during which the curve profile of at least one respective fluid pressure is initially substantially constant, in particular corresponding to the nominal pressure value of the consumer arrangement, and subsequently begins to decrease when a certain speed is undershot, which represents the significant change in the curve.
  • the future state, in particular the wear state, and/or the remaining service life of the displacer unit is estimated based on a temporal analysis of the change in at least one system variable at the operating point or a parameter dependent thereon, in particular the displacement unit. Accordingly, the device according to the invention and the method according to the invention can be used to determine the future state, in particular the wear state, and/or the remaining service life of the displacement unit.
  • DAD pressure-knee-speed.
  • the theoretical volume flow Q th of the displacer unit corresponds to its internal leakage flow Q Leck , so that the volumetric efficiency ⁇ vol of the displacer unit is zero.
  • the device shown for determining a condition, in particular a wear condition, of a displacement unit 8 has, according to a first exemplary embodiment, a pressure supply connection P and a fluid line 12, 14 connected at one end to the pressure supply connection P.
  • the fluid devices 18 each enable a fluid pressure build-up upstream of themselves in the fluid line 12, 14, and the evaluation device 24 is configured such that it determines the condition, in particular the wear condition, of the displacement unit 8 as a function of at least one system variable p, p' .
  • the hydrostatic displacement unit 8 is connected to the pressure supply connection P, i.e., one end of the fluid line 12, 14, with its high-pressure side.
  • the displacement unit 8 is designed as a speed-controlled pump 10, preferably as a fixed-displacement pump, which is driven by an electric motor 26.
  • a consumer connection A is provided, to which a fluid device (not shown in the figures) is fluidically connected.
  • This fluid device can be designed as a consumer arrangement operable at a nominal pressure p Nominal .
  • a further fluid device 18 is connected to the fluid line 12, 14 and divides the fluid line 12, 14 into a fluid line part 12 fluidically connected to the pressure supply connection P and a further fluid line part 14 fluidically connected to the consumer connection A.
  • the further fluid device 18 is designed such that it allows fluid pressure to be passed on from the pressure supply connection P to the consumer connection A above a predeterminable pressure threshold, which in particular corresponds approximately to the nominal pressure p nominal of the consumer arrangement, and permanently blocks fluid pressure from the consumer connection A to the pressure supply connection P.
  • the further fluid device 18 is designed as a check valve 28, in particular a spring-actuated one, which opens in the direction of the consumer connection A.
  • a device 30 for determining the drive speed n of the pump 10 is provided, which is designed as a speed sensor 32 for detecting the speed n of the electric motor 26.
  • a pressure sensor 20 is also provided, which is connected to the fluid line part 12 and detects a fluid pressure p in the fluid line part 12.
  • a temperature sensor 34 which can detect the fluid temperature T in the fluid line part 12, can also be connected to the fluid line part 12.
  • a hydraulic accumulator 36 can be connected to the further fluid line part 14 to compensate for any pressure losses in the further fluid line part 14, for example due to leakage flows from the consumer arrangement.
  • the speed sensor 32, the pressure sensor 20, and the temperature sensor 34 are electrically connected to the evaluation device 24.
  • the drive speed n of the pump 10, the fluid pressure p and the temperature T thus recorded each represent a further system variable which is included in the determination of the state by means of the evaluation device 24.
  • a further pressure sensor 22 is connected to the further fluid line part 14 and detects a further fluid pressure p' in the further fluid line part 14, which is included as a further system variable in determining the state.
  • the further pressure sensor 22 is electrically connected to the evaluation device 24.
  • the further fluid pressure p' can correspond to the nominal pressure p nominal of the consumer arrangement. A pressure loss when flowing through the check valve 28 results in a pressure difference, so that the pressure p is greater than the pressure p' by the pressure difference. With a good design of the check valve 28, the pressure difference is rather small.
  • a characteristic operating point of the pump 10 is determined, in which the theoretical volume flow Q th of the pump 10 corresponds to its volumetric losses Q leak , i.e. the volumetric efficiency ⁇ vol of the pump 10 is zero.
  • the drive speed n of the pump 10 is measured within a Fig. 2 shown change process over a period of time [s] from approximately zero to a predeterminable speed value n [ min -1 ] and then reduced again to approximately zero.
  • the speed n can be increased at least to such an extent that the fluid pressure p prevailing on the high-pressure side of the pump 10 reaches at least the nominal pressure p nominal of the consumer arrangement.
  • the drive speed n is detected during the change process by means of the speed sensor 32 and can describe a substantially triangular curve n V , thus in principle can have an increasing ramp followed by a decreasing ramp 41.
  • the drive speed n is determined by means of the pressure sensor 20 in the fluid line part 12.
  • Fig. 3 shown fluid pressure curve p V and by means of the temperature sensor 34 the temperature T in the fluid line part 12 is detected.
  • the fluid pressure curve p' V or p Nenn,V in the further fluid line part 14 is also detected by means of the further pressure sensor 22.
  • the sampling period AZ of the respective fluid pressure curve during the reduction of the drive speed n of the pump 10 can be as in Fig. 3
  • the time interval can be approximately 0.5 seconds, or, as not shown in the figures, 2.5 seconds, for example, with the sampling rate being approximately 200 Hertz. The same can apply to the period of increasing the drive speed n.
  • each system variable n, p, p', T can be subjected to data filtering 40, for example, an average of the respective system variable values n, p, p', T can be formed from the last recorded system variable values n, p, p', T in the sense of a moving average.
  • the fluid pressure curve p V [bar] of the pressure sensor 20 shown which is plotted against time [s], is essentially trapezoidal, i.e. it has an ascending and a descending ramp 42, between which the fluid pressure curve p V has an essentially constant part 44 and in particular corresponds to the nominal pressure curve p Nenn,V of the consumer arrangement.
  • the fluid pressure curve p V describes a significant change in its curve 46 in the form of a bend, which characterizes the aforementioned characteristic operating point.
  • the significant change in the curve 46 results from the fact that any pump, when the drive speed falls below a certain value n , namely the drive speed n DAD at the specified operating point, is no longer in the
  • the fluid pressure p' or nominal pressure p Nenn of the consumer arrangement prevailing in the fluid flow direction behind the check valve 28 is applied, so that the volume flow via the check valve 28 comes to a complete standstill when the specific drive speed n is undershot and the check valve 28 closes.
  • the fluid pressure p also continues to fall, whereby the fluid pressure p' or p Nenn can be maintained at least briefly by means of the hydraulic accumulator 36 due to the check valve 28 closing in the direction of the pressure supply connection P.
  • a part of the falling ramp 41 of the speed n [ min -1 ] and at the bottom, at least partially, the essentially constant part 44 and the falling ramp 42 of the fluid pressure p [bar] dependent on the speed n of several pumps 10 are shown in principle, which differ in terms of their wear state.
  • the speed n and the fluid pressure p are each plotted against time [s].
  • the various wear states of the pumps 10 are shown in Fig. 4 This can be seen in the fact that the fluid pressure p of the most worn pump 10 drops at a higher speed n and the fluid pressure p of the least worn pump 10 drops at a relatively lower speed n , in each case with the formation of the significant change 46 in the pressure curve p V .
  • the speed n equals zero
  • the respective fluid pressure p delivered by each pump 10 is also zero, regardless of their respective state of wear. In an ideal pump, the pressure would still be present; of course, the pumped volume flow would be zero.
  • the said operating point is located in the fluid pressure curve p V by the evaluation device 24 by means of an evaluation algorithm 48.
  • a temporal change curve is determined by means of the evaluation algorithm 48, in particular by calculating the pressure gradient by means of (backward) difference quotient formation.
  • p ⁇ V dp V dt of the fluid pressure of the pressure sensor 20.
  • the significant change 46 of the pressure curve p V is located in the change curve ⁇ V by performing an intermediate comparison 48 of the change curve ⁇ V with corresponding reference values 49 in the form of limit values.
  • the significant change 46 in the pressure curve p V [bar] is determined according to Fig. 5 by performing an intermediate comparison 48 of the pressure curve p V with reference values 49 in the form of limit values ⁇ p RV,min , ⁇ p RV,max , between which the significant change in the curve 46 can be found.
  • the pressure curve p V is plotted against the speed n [ min -1 ].
  • the additional fluid pressure p' or p Nenn measured by the additional pressure sensor 20 is included in the calculation of the limit values ⁇ p RV,min , ⁇ p RV,max .
  • the fluid pressure p DAD in the respective localized significant change in the curve 26, i.e. at the operating point, is marked with a cross.
  • pattern recognition can be used to evaluate the respective curve progression.
  • Pattern recognition can be implemented using artificial intelligence, neural networks, and/or machine learning.
  • the parameter ⁇ Q Leck ⁇ p p of the pump 10 temperature dependent.
  • Fig. 6 The temperature dependence of the parameter ⁇ of the pump 10 is shown in which a first to third parameter ⁇ of the pump 10 is plotted at a first T 1 , a second T 2 , or a third T 3 temperature against the wear condition of the pump.
  • T 3 in particular equal to approximately 70°C, is greater than T 2 , in particular equal to approximately 50°C, greater than T 1 , in particular equal to approximately 30°C.
  • the wear condition is divided into different zones along the x-axis: New 88, Zone I (green), Zone II (yellow), Zone III (light red), and Zone IV (dark red), with the wear condition increasing with increasing zone numbering.
  • the color assignment of the zones is based on a traffic light, which can serve as an indicator 54 of the wear condition for a user.
  • the viscosity value of the hydraulic fluid at temperature T 1 corresponds approximately to twice the viscosity value of the hydraulic fluid at Temperature T 2 , which in turn corresponds to approximately twice the viscosity of the hydraulic fluid at temperature T 3 . Accordingly, the calculated parameter ⁇ of the pump 10 and the corresponding reference parameter ⁇ are compared with each other in the final comparison 60, taking into account the measured fluid temperature T.
  • the state of the pump 10 is then determined, which can be forwarded by the evaluation device 24 via a state output 66 to a display 54, which displays the state of the pump 10 to a user and which can be designed in particular as the traffic light mentioned above.
  • a buffer 68 for recorded system variables n , p, p', T and a memory 70 for system variables n DAD , p DAD , T DAD present at the operating point and/or at least the one parameter dependent on system variables, in particular of the pump 10, can be provided.
  • a future wear state and/or the remaining service life 74 of the pump 10 can also be estimated by performing a (trend) analysis 72 based on a temporal analysis of the system variables n DAD , p DAD , T DAD at the operating point or of the parameter dependent on system variables.
  • the pump 10, the electric motor 26, which drives the pump 10 via a shaft, and a power electronics 78, such as a frequency converter 80 or an inverter, which controls the electric motor 26, are part of a variable-speed electro-hydraulic unit 76 ( Fig. 8 ).
  • a machine control 82 is provided, for example for controlling the consumer arrangement, such as a programmable logic controller or a (main) control unit, which provides at least one desired variable, such as a rotational speed, a volume flow, a position, a pressure and/or a speed, etc.
  • the machine control can be configured either as in Fig. 8 shown with the power electronics 78 or as not shown in the figures with the evaluation device 24 and transmits at least the target value there.
  • the evaluation device 24 requests the execution of the method according to the invention by issuing a request 84 from the power electronics 78, for example, after a predeterminable number of operating hours of the consumer arrangement.
  • the power electronics 78 subsequently confirms the request 84 by issuing a confirmation 86 and, if a suitable state of the consumer arrangement is present, initiates the method by a corresponding change process, for example, a corresponding change in the drive speed n of the pump 10.
  • a suitable system state exists, for example, when the system is not operating under load and/or is about to be shut down.
  • the drive speed n of the displacement unit 8 can also be specified as constant, the fluid pressure p dependent on the drive speed n can be detected and the detected fluid pressure p or a parameter dependent thereon, in particular of the displacement unit 8, can be compared with at least one corresponding reference value.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes in Form eines Verschleißzustandes einer Verdrängereinheit.
  • Aus EP 1 960 666 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zustandsüberwachung bei Axialkolbenmaschinen bekannt. Die Vorrichtung hat eine Erfassungseinheit, die an und in der Axialkolbenmaschine angebrachte Sensoren zur Erfassung von Betriebsdaten, insbesondere einem Druck in einer Hochdruckleitung der Axialkolbenmaschine, und zur Erfassung von Überwachungsdaten aufweist. Die Betriebsdaten und die Überwachungsdaten werden jeweils mittels einer mit der Erfassungseinheit verbundenen Auswerteeinrichtung im Zeit- bzw. im Zeit- und Frequenzbereich analysiert. In einer sich an die Auswerteeinrichtung anschließenden Diagnoseeinheit werden die analysierten Betriebs- und Überwachungsdaten verknüpft und von einer sich wiederum an die Diagnoseeinheit anschließenden Ausgabeeinheit sind in Bezug auf einen Maschinenzustand ein Voralarm, der eine anstehende nächste Wartung kennzeichnet, und ein Hauptalarm auslösbar, der einen für den weiteren Betrieb kritischen Maschinenzustand anzeigt und einen Notschalter betätigen kann.
  • Durch DE 10 2015 206 403 A1 ist eine Vorrichtung nebst Verfahren zur Leckagemessung für eine hydraulische Anordnung bei einer Verdrängereinheit bekannt, mit
    • einer an eine Hochdruckseite der Verdrängereinheit angeschlossenen Fluidleitung,
    • zumindest einer mit der Fluidleitung fluidisch verbundenen Fluideinrichtung, die stromaufwärts von sich in der Fluidleitung einen Fluiddruckaufbau ermöglicht,
    • jeweils einem Drucksensor, der in der Fluidleitung stromaufwärts vor der jeweiligen Fluideinrichtung eine Systemgröße in Form des Fluiddrucks (p, p') erfasst,
    • einer Auswerteeinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass diese in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße (p, p') den Zustand der Verdrängereinheit ermittelt,
    • einer weiteren Fluideinrichtung, welche die Fluidleitung in einen mit der Verdrängereinheit verbundenen Fluidleitungsteil und einen weiteren Fluidleitungsteil unterteilt und welche derart eingerichtet ist, dass diese eine Fluiddruckweitergabe von dem einen Fluidleitungsteil in den weiteren Fluidleitungsteil, insbesondere ab einer vorgebbaren Druckschwelle, zulässt und in die entgegengesetzte Richtung blockiert.
  • Durch DE 10 2020 112 660 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines momentanen Verschleißzustandes einer hydrostatischen Maschine bekannt. Vergleichbare Vorrichtungen und Verfahren ergeben sich auch aus DE 10 2011 075 870 A1 , DE 10 2019 170 820 A1 und DE 10 2020 127 285 B3 .
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ermitteln des Verschleißzustandes einer Verdrängereinheit bereitzustellen, die bei verringertem Aufwand im Hinblick auf die Durchführung der Zustandsermittlung eine genaue Zustandsermittlung zulässt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 in seiner Gesamtheit gelöst.
  • Gemäß Anspruch 1 hat die Vorrichtung eine an eine Hochdruckseite der Verdrängereinheit angeschlossene Fluidleitung; zumindest eine mit der Fluidleitung fluidisch verbundene Fluideinrichtung, die stromaufwärts von sich in der Fluidleitung einen Fluiddruckaufbau ermöglicht; jeweils einen Drucksensor, der in der Fluidleitung stromaufwärts vor der jeweiligen Fluideinrichtung eine Systemgröße in Form des Fluiddrucks erfasst; und eine Auswerteeinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass diese in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße den Zustand, insbesondere den Verschleißzustand, der Verdrängereinheit ermittelt.
  • Dabei ist zunächst erkannt worden, dass eine jeweilige Verdrängereinheit mit zunehmendem Verschleiß in Relation zu deren Neuzustand zum Erzeugen eines vorgegebenen Fluiddrucks zumindest bereichsweise mit einer höheren Drehzahl anzutreiben ist oder anders formuliert bei vorgegebener Drehzahl zumindest bereichsweise einen geringeren Fluiddruck abgibt. Die dahingehenden Erkenntnisse sind grundlegend für die vorliegende Erfindung, die in Anspruch 1 wiedergegeben ist.
  • Durch die Merkmale des Anspruchs 1, insbesondere aufgrund der Fluideinrichtung, kann in der Fluidleitung in Abhängigkeit einer entsprechenden Ansteuerung der Verdrängereinheit ein Fluiddruck als eine Systemgröße aufgebaut, gehalten und gegebenenfalls wieder abgebaut werden, wobei in dem dahingehenden Kurvenverlauf des Fluiddrucks eine für den Zustand der jeweiligen Verdrängereinheit signifikante Verlaufsänderung erkennbar ist, die einen charakteristischen Betriebspunkt der Verdrängereinheit kennzeichnet, in dem der theoretische Volumenstrom der Verdrängereinheit ihren volumetrischen Verlusten entspricht, und wobei ein Vergleich von Systemgrößen, insbesondere des Fluiddrucks, im Betriebspunkt oder zumindest eines von diesen abhängigen Parameters, insbesondere der Verdrängereinheit, mit entsprechenden Referenzwerten einen genauen Rückschluss auf den Zustand der Verdrängereinheit zulässt. Die Fluiddruckänderung kann während eines Diagnoselaufes, eines Hochfahrens oder Abschaltens einer Fluideinrichtung in Form der Verbraucheranordnung stattfinden. Die Systemgrößen werden dabei mittels der Auswerteeinrichtung ausschließlich im Zeitbereich verarbeitet, wodurch in Relation zur zumindest teilweisen Verarbeitung im Frequenzbereich eine geringere Rechenleistung der Auswerteeinrichtung und eine geringere Abtastfrequenz der Sensorik bereitgestellt werden kann sowie geringere Datenmengen zu verarbeiten sind. Dadurch kann die Zustandsermittlung mit geringem Aufwand durchgeführt werden. Zudem ist die Vorrichtung außerhalb der Verdrängereinheit vorgesehen, wodurch die Vorrichtung jederzeit mit jedweder Verdrängereinheit kombinierbar ist, beispielsweise nach Verkauf der Verdrängereinheit nachrüstbar ist.
  • Des Weiteren ist eine weitere Fluideinrichtung vorgesehen, welche die Fluidleitung in einen mit der Verdrängereinheit verbundenen Fluidleitungsteil und einen weiteren Fluidleitungsteil unterteilt und welche derart eingerichtet ist, dass diese eine Fluiddruckweitergabe von dem einen Fluidleitungsteil in den weiteren Fluidleitungsteil, insbesondere ab einer vorgebbaren Druckschwelle, zulässt und in die entgegengesetzte Richtung blockiert.
  • Ferner ist ein Temperatursensor vorgesehen, der als eine weitere Systemgröße eine in die Ermittlung des Zustandes miteinfließende Temperatur des durch die Verdrängereinheit strömenden Fluids erfasst. Diese Fluidtemperatur kann der Temperatursensor in der Fluidleitung oder in einem Tank erfassen, aus dem die Verdrängereinheit Fluid ansaugt und/oder indem die Verbraucheranordnung Fluid abführt.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Verdrängereinheit hydrostatisch und/oder drehzahlregelbar ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Verdrängereinheit als Pumpe ausgebildet, vorzugsweise als Konstantpumpe. Das verwendete Fluid kann Hydraulikflüssigkeit sein, insbesondere Hydrauliköl, so dass die Fluidkomponenten der Vorrichtung entsprechend als Hydraulikkomponenten ausgebildet sind.
  • Die jeweilige Fluideinrichtung in Form einer Fluidsteuereinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass der Fluiddruck stromaufwärts in der Fluidleitung zumindest bis zu einem vorgebbaren Druck und/oder durch entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Fluideinrichtung aufgebaut wird.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Fluideinrichtung als eine mit einem Nenndruck betreibbare Verbraucheranordnung ausgebildet, die an die Fluidleitung, insbesondere an ein der Verdrängereinheit abgewandtes Ende der Fluidleitung, angeschlossen ist. Die Verbraucheranordnung kann eine ansteuerbare Ventileinrichtung aufweisen, die bei entsprechender Ansteuerung den genannten Druckaufbau ermöglicht und/oder ein auf den Nenndruck eingestelltes Druckbegrenzungsventil aufweisen, das die Verbraucheranordnung gegen einen Druck über dem Nenndruck absichert.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung vorgesehen, die eine Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit ermittelt, die als weitere Systemgröße in die Ermittlung des Zustandes mit einfließt. Die Einrichtung kann als Drehzahlsensor ausgebildet sein, der die Drehzahl an der Verdrängereinheit oder an einem die Verdrängereinheit antreibenden Elektromotor erfasst. Dabei können sich die Drehzahl des Elektromotors und der Verdrängereinheit entsprechen.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Hydrospeicher vorgesehen, der an die Fluidleitung, insbesondere den weiteren Fluidleitungsteil, angeschlossen ist zwecks Ausgleichs eines Druckabfalls.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird, vorzugsweise mittels des weiteren Drucksensors, der Nenn- oder Lastdruck der Verbraucheranordnung erfasst, der als Systemgröße in die Ermittlung des Zustandes miteinfließt. Der mittels des weiteren Drucksensors erfasste weitere Fluiddruck kann dem Nenn- oder Lastdruck der Verbraucheranordnung entsprechen.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung vorgesehen, die einen Schwenkwinkel der Verdrängereinheit ermittelt, der als weitere Systemgröße in die Ermittlung des Zustandes mit einfließt. Dabei ist die Verdrängereinheit als Verstellpumpe, beispielsweise als Axialkolbenpumpe, ausgebildet.
  • Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes, insbesondere eines Verschleißzustandes, einer Verdrängereinheit, insbesondere unter Verwendung einer vorstehenden Vorrichtung, mit folgenden Verfahrensschritten: Aufbauen eines Fluiddrucks in einer Fluidleitung stromaufwärts vor zumindest einer mit der Fluidleitung fluidisch verbundenen Fluideinrichtung, wobei die Fluidleitung an die Hochdruckseite der Verdrängereinheit angeschlossen ist; Erfassen einer Systemgröße in Form des jeweiligen Fluiddrucks in der Fluidleitung stromaufwärts vor der jeweiligen Fluideinrichtung; Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße, und dass zum Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit zumindest ein für den Zustand charakteristischer Betriebspunkt der Verdrängereinheit ermittelt wird, indem der theoretische Volumenstrom Qth der Verdrängereinheit ihren volumetrischen Verlusten QLeck entspricht.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zustand zudem in Abhängigkeit zumindest einer der folgenden weiteren Systemgrößen ermittelt: einer Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit; eines Schwenkwinkels der Verdrängereinheit; und einer Temperatur des durch die Verdrängereinheit strömenden Fluids.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit zumindest nach einer der folgenden Möglichkeiten ermittelt: mittels eines Drehzahlsensors erfasst; aus einem einer elektrischen Ansteuerung des Elektromotors zum Antreiben der Verdrängereinheit zuordenbaren Signal abgeleitet; und aus von der Verdrängereinheit abgegebenen Schallsignalen abgeleitet.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zum Ermitteln des Betriebspunktes zumindest einer der folgenden Änderungsprozesse über eine Zeitspanne durchgeführt: die Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit wird geändert; ein Nenn- oder Lastdruck einer Verbraucheranordnung wird geändert, die an die Fluidleitung, insbesondere an das der Verdrängereinheit abgewandte Ende der Fluidleitung, angeschlossen ist; und ein Schwenkwinkel der Verdrängereinheit wird geändert. Besonders bevorzugt wird die Antriebsdrehzahl, der Nenn- oder Lastdruck und/oder der Schwenkwinkel während des Änderungsprozesses erhöht und/oder abgesenkt, vorzugsweise zunächst erhöht und darauffolgend wieder abgesenkt oder umgekehrt.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Abtastzeitraum des jeweiligen Kurvenverlaufs des Fluiddrucks oder einem von diesem abhängigen Kurvenverlauf während des Steigerns oder Verringerns der Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit bis zu 3 Sekunden, vorzugsweise ca. 0,5 oder 2,5 Sekunden, und/oder die Abtastrate 100 bis 300 Hertz, vorzugsweise 200 Hertz.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird im Rahmen des Änderungsprozesses die Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit ausgehend von einem positiven Wert in Richtung Null, insbesondere rampenförmig, verringert, währenddessen der Kurvenverlauf zumindest eines jeweiligen Fluiddrucks zunächst im Wesentlichen konstant, insbesondere entsprechend dem Nenndruckwert der Verbraucheranordnung, ist und darauffolgend bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beginnt abzufallen, was die signifikante Verlaufsänderung darstellt.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird basierend auf einer zeitlichen Analyse der Änderung zumindest einer Systemgröße im Betriebspunkt oder eines davon abhängigen Parameters, insbesondere der Verdrängereinheit, der zukünftige Zustand, insbesondere Verschleißzustand, und/oder die Restlebensdauer der Verdrängereinheit geschätzt. Entsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des zukünftigen Zustandes, insbesondere Verschleißzustandes, und/oder der Restelebensdauer der Verdrängereinheit dienen.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung der Antriebsdrehzahl nDAD der Verdrängereinheit im Betriebspunkt, des jeweiligen Fluiddrucks pDAD im Betriebspunkt und gegebenenfalls des geometrischen Fördervolumens Vg der Verdrängereinheit, ein Parameter berechnet, insbesondere der Parameter λ = n DAD ⋅ V g p DAD
    Figure imgb0001
     der Verdrängereinheit. Dabei steht "DAD" für Druck-Abknick-Drehzahl. Weil der Leckagestrom der Verdrängereinheit bei zunehmender Temperatur aufgrund der abnehmenden Viskosität der Hydraulikflüssigkeit zunimmt, ist der Parameter λ = Q Leck Δ p p
    Figure imgb0002
     der Verdrängereinheit temperaturabhängig und wird unter Ausführen des Schlussvergleichs in Abhängigkeit derselben Temperatur mit einem Referenz-Parameter λ der Verdrängereinheit verglichen.
  • Im Folgenden wird die für die vorliegende Erfindung grundlegende Formel des volumetrischen Wirkungsgrades ηvol [%] näher erläutert: η vol = Q eff Q th = Q th − Q Leck Q th = Q th − λ ⋅ Δ p P Q th
    Figure imgb0003
     Dabei steht
    • Qeff für den tatsächlichen, also effektiven Volumenstrom der Verdrängereinheit,
    • Qth für den berechneten, theoretischen Volumenstrom der Verdrängereinheit,
    • QLeck für den internen Leckagestrom der Verdrängereinheit,
    • λ für den charakteristischen Parameter der Verdrängereinheit, und
    • ΔpP für die über der Verdrängereinheit abfallende Druckdifferenz, die dem Fluiddruck p auf der Hochdruckseite der Verdrängereinheit entspricht, wenn die Verdrängereinheit aus einem Tank ansaugt, in dem Umgebungsdruck herrscht.
  • In dem genannten charakteristischen Betriebspunkt mit der Antriebsdrehzahl nDAD und dem Fluiddruck pDAD entspricht der theoretische Volumenstrom Qth der Verdrängereinheit ihrem internen Leckagestrom QLeck, so dass der volumetrische Wirkungsgrad ηvol der Verdrängereinheit gleich Null ist. Dabei entspricht Qth = Vg · n = QLeck = λ · ΔpP , wobei Vg für das geometrische Fördervolumen der Verdrängereinheit und n für die Antriebsdrehzahl der Verdrängereinheit steht.
  • Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes, insbesondere Verschleißzustandes, einer Verdrängereinheit anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
    • Fig. 1
    teilweise in der Art eines hydraulischen Schaltplans und teilweise in Blockdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustandes einer Verdrängereinheit;
    Fig. 2
    einen über der Zeit aufgetragenen Drehzahlkurvenverlauf für eine Verdrängereinheit nach Fig. 1;
    Fig. 3
    einen über der Zeit aufgetragenen Druckkurvenverlauf auf der Hochdruckseite der Verdrängereinheit nach Fig. 1, der von dem Drehzahlkurvenverlauf nach Fig. 2 abhängig ist;
    Fig. 4
    oben einen teilweisen Drehzahlkurvenverlauf gemäß Fig. 2 und unten davon abhängige teilweise Druckkurvenverläufe gemäß Fig. 3 von verschiedene Verschleißzustände aufweisenden Verdrängereinheiten, wobei die Druckkurvenverläufe im Bereich ihrer jeweiligen signifikanten Verlaufsänderung abgebildet sind, die einen für den Zustand charakteristischen Betriebspunkt der jeweiligen Verdrängereinheit kennzeichnen;
    Fig. 5
    einen im Bereich der signifikanten Verlaufsänderung vergrößerten und über der Drehzahl der Verdrängereinheit aufgetragenen Druckkurvenverlauf;
    Fig. 6
    über dem Verschleißzustand der Verdrängereinheit aufgetragene Kurvenverläufe des Parameters λ der Verdrängereinheit in Abhängigkeit der Temperatur des die Verdrängereinheit durchströmenden Fluids; und
    Fig. 7 und 8
    in jeweils einer Blockdarstellung den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustandes, insbesondere eines Verschleißzustandes, einer Verdrängereinheit 8 weist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einen Druckversorgungsanschluss P und eine mit einem Ende an den Druckversorgungsanschluss P angeschlossene Fluidleitung 12, 14 auf. Zudem sind zwei mit der Fluidleitung 12, 14 fluidisch verbundene Fluideinrichtungen 18 (in den Figuren ist nur eine dargestellt) und jeweils ein Drucksensor 20, 22, der in der Fluidleitung 12, 14 stromaufwärts vor jeder Fluideinrichtung 18 eine Systemgröße in Form des Fluiddrucks p, p' erfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung 24 vorgesehen. Die Fluideinrichtungen 18 ermöglichen jeweils stromaufwärts von sich in der Fluidleitung 12, 14 einen Fluiddruckaufbau und die Auswerteeinrichtung 24 ist derart eingerichtet, dass diese in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße p, p' den Zustand, insbesondere den Verschleißzustand, der Verdrängereinheit 8 ermittelt.
  • An den Druckversorgungsanschluss P, also das eine Ende der Fluidleitung 12, 14, ist mit ihrer Hochdruckseite die hydrostatische Verdrängereinheit 8 angeschlossen. Die Verdrängereinheit 8 ist als drehzahlgeregelte Pumpe 10, vorzugsweise als Konstantpumpe, ausgebildet, die mittels eines Elektromotors 26 antreibbar ist.
  • An dem anderen Ende der Fluidleitung 12, 14 ist ein Verbraucheranschluss A vorgesehen, an den eine in den Figuren nicht gezeigte Fluideinrichtung fluidisch angeschlossen ist. Diese Fluideinrichtung kann als eine mit einem Nenndruck pNenn betreibbare Verbraucheranordnung ausgebildet sein. Eine weitere Fluideinrichtung 18 ist in die Fluidleitung 12, 14 geschaltet und unterteilt die Fluidleitung 12, 14 in einen mit dem Druckversorgungsanschluss P fluidisch verbundenen Fluidleitungsteil 12 und einen mit dem Verbraucheranschluss A fluidisch verbundenen weiteren Fluidleitungsteil 14. Die weitere Fluideinrichtung 18 ist derart eingerichtet, dass diese eine Fluiddruckweitergabe von dem Druckversorgungsanschluss P zu dem Verbraucheranschluss A ab einer vorgebbaren Druckschwelle zulässt, die insbesondere in etwa dem Nenndruck pNenn der Verbraucheranordnung entspricht, und von dem Verbraucheranschluss A zu dem Druckversorgungsanschluss P permanent blockiert. Die weitere Fluideinrichtung 18 ist als, insbesondere federkraftbetätigtes, Rückschlagventil 28 ausgebildet, das in Richtung des Verbraucheranschlusses A öffnet.
  • Es ist eine Einrichtung 30 zum Ermitteln der Antriebsdrehzahl n der Pumpe 10 vorgesehen, die als Drehzahlsensor 32 zum Erfassen der Drehzahl n des Elektromotors 26 ausgebildet ist. Zudem ist ein Drucksensor 20 vorgesehen, der an den Fluidleitungsteil 12 angeschlossen ist und in dem Fluidleitungsteil 12 einen Fluiddruck p erfasst. Ebenfalls an den Fluidleitungsteil 12 angeschlossen sein kann ein Temperatursensor 34, der in dem Fluidleitungsteil 12 die Fluidtemperatur T erfassen kann. Zudem kann an den weiteren Fluidleitungsteil 14 ein Hydrospeicher 36 zum Ausgleichen von etwaigen Druckverlusten in dem weiteren Fluidleitungsteil 14 angeschlossen sein, beispielsweise aufgrund von Leckageströmen seitens der Verbraucheranordnung. Der Drehzahlsensor 32, der Drucksensor 20 und der Temperatursensor 34 sind elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 24 verbunden. Die so erfasste Antriebsdrehzahl n der Pumpe 10, der Fluiddruck p und die Temperatur T stellen jeweils eine weitere Systemgröße dar, die in die Ermittlung des Zustandes mittels der Auswerteeinrichtung 24 miteinfließen.
  • Für ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gelten die voranstehenden Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel entsprechend.
  • Zusätzlich ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel an den weiteren Fluidleitungsteil 14 ein weiterer Drucksensor 22 angeschlossen und erfasst in dem weiteren Fluidleitungsteil 14 einen weiteren Fluiddruck p', der als weitere Systemgröße in die Ermittlung des Zustandes miteinfließt. Der weitere Drucksensor 22 ist elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 24 verbunden. Der weitere Fluiddruck p' kann dem Nenndruck pNenn der Verbraucheranordnung entsprechen. Durch einen Druckverlust bei Durchströmen des Rückschlagventils 28 kommt es zu einer Druckdifferenz, so dass der Druck p um die Druckdifferenz größer ist als der Druck p'. Bei guter Auslegung des Rückschlagventils 28 ist die Druckdifferenz eher gering.
  • Im Folgenden wird das von der Auswerteeinrichtung 24 im Zeitbereich durchgeführte, erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
    Zum Ermitteln des Zustandes der Pumpe 10 wird ein charakteristischer Betriebspunkt der Pumpe 10 ermittelt, in dem der theoretische Volumenstrom Qth der Pumpe 10 ihren volumetrischen Verlusten QLeck entspricht, das heißt der volumetrische Wirkungsgrad ηvol der Pumpe 10 Null ist.
  • Zum Ermitteln dieses Betriebspunktes wird die Antriebsdrehzahl n der Pumpe 10 im Rahmen eines in Fig. 2 gezeigten Änderungsprozesses über eine Zeitspanne [s] von ca. Null bis zu einem vorgebbaren Drehzahlwert n [min -1] gesteigert und wieder auf ca. Null reduziert. Die Drehzahl n kann dabei zumindest derart gesteigert werden, dass der auf der Hochdruckseite der Pumpe 10 herrschende Fluiddruck p zumindest den Nenndruck pNenn der Verbraucheranordnung erreicht. Die Antriebsdrehzahl n wird während des Änderungsprozesses mittels des Drehzahlsensors 32 erfasst und kann einen im Wesentlichen dreieckförmigen Verlauf nV beschreiben, kann also prinzipiell eine ansteigende Rampe aufweisen, an die sich eine abfallende Rampe 41 anschließt. Gleichzeitig zu der dahingehend geänderten Antriebsdrehzahl n wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel mittels des Drucksensors 20 in dem Fluidleitungsteil 12 ein in Fig. 3 gezeigter Fluiddruckverlauf pV und mittels des Temperatursensors 34 die Temperatur T in dem Fluidleitungsteil 12 erfasst. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird zudem mittels des weiteren Drucksensors 22 der Fluiddruckverlauf p'V oder pNenn,V in dem weiteren Fluidleitungsteil 14 erfasst. Der Abtastzeitraum AZ des jeweiligen Fluiddruckverlaufs während des Reduzierens der Antriebsdrehzahl n der Pumpe 10 kann wie in Fig. 3 gezeigt ca. 0,5 Sekunden oder wie in den Fig. nicht dargestellt beispielsweise 2,5 Sekunden betragen, wobei die Abtastrate in etwa 200 Hertz betragen kann. Gleiches kann für den Zeitraum des Steigerns der Antriebsdrehzahl n gelten.
  • Nach der Erfassung 38 (Fig. 7) der Systemgrößen n, p, p', T können die Werte jeder Systemgröße n, p, p', T einer Datenfilterung 40 unterzogen werden, beispielsweise kann ein Mittelwert der jeweiligen Systemgrößenwerte n, p, p', T aus den letzten erfassten Systemgrößenwerten n, p, p', T im Sinne eines gleitenden Durchschnittes gebildet werden.
  • Der in Fig. 3 gezeigte Fluiddruckverlauf pV [bar] des Drucksensors 20, der über der Zeit [s] aufgetragen ist, ist im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet, weißt also eine ansteigende und eine abfallende 42 Rampe auf, zwischen denen der Fluiddruckverlauf pV einen im Wesentlichen konstanten Teil 44 aufweist und insbesondere dem Nenndruckverlauf pNenn,V der Verbraucheranordnung entspricht. Der Fluiddruckverlauf pV beschreibt im Übergang von seinem im Wesentlichen konstant verlaufenden Teil 44 zu seiner ansteigenden oder abfallenden 42 Rampe eine signifikante Verlaufsänderung 46 in Form eines Abknickens, die den vorstehend genannten charakteristischen Betriebspunkt kennzeichnet.
  • Die signifikante Verlaufsänderung 46 ergibt sich daraus, dass jede beliebige Pumpe ab Unterschreiten einer bestimmten Antriebsdrehzahl n, nämlich der Antriebsdrehzahl nDAD im genannten Betriebspunkt nicht mehr in der Lage ist den in Fluidflussrichtung hinter dem Rückschlagventil 28 herrschenden Fluiddruck p' oder Nenndruck pNenn der Verbraucheranordnung aufzubringen, so dass der Volumenstrom über das Rückschlagventil 28 bei Unterschreiten der bestimmten Antriebsdrehzahl n vollständig zum Erliegen kommt und das Rückschlagventil 28 schließt. Bei einer ausgehend von der bestimmten Drehzahl nDAD weiter abfallenden Drehzahl n fällt auch der Fluiddruck p immer weiter ab, wobei der Fluiddruck p' oder pNenn aufgrund des in Richtung des Druckversorgungsanschlusses P schließenden Rückschlagventils 28 zumindest kurzfristig mittels des Hydrospeichers 36 aufrechterhalten werden kann.
  • In Fig. 4 sind oben ein Teil der abfallenden Rampe 41 der Drehzahl n [min -1] sowie unten zumindest teilweise der im Wesentlichen konstante Teil 44 und die abfallende Rampe 42 des von der Drehzahl n abhängigen Fluiddrucks p [bar] mehrerer Pumpen 10 prinzipiell dargestellt, die sich hinsichtlich ihres Verschleißzustandes unterscheiden. Die Drehzahl n und der Fluiddruck p sind jeweils über der Zeit [s] aufgetragen. Die verschiedenen Verschleißzustände der Pumpen 10 sind in Fig. 4 daran zu erkennen, dass der Fluiddruck p der am stärksten verschlissenen Pumpe 10 bereits bei einer höheren Drehzahl n und der Fluiddruck p der am wenigsten verschlissenen Pumpe 10 bei einer in Relation dazu geringeren Drehzahl n abfällt, jeweils unter Ausbildung der signifikanten Verlaufsänderung 46 des Druckkurvenverlaufs pV. Bei Erreichen der Drehzahl n gleich Null ist der von jeder Pumpe 10 abgegebene jeweilige Fluiddruck p ebenfalls Null, unabhängig von deren jeweiligem Verschleißzustand. Bei einer idealen Pumpe wäre der Druck noch vorhanden; selbstredend wäre der geförderte Volumenstrom gleich Null.
  • Der genannte Betriebspunkt wird in dem Fluiddruckverlauf pV von der Auswerteeinrichtung 24 mittels eines Auswertealgorithmus 48 lokalisiert.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird mittels des Auswertealgorithmus 48, insbesondere durch Berechnung des Druckgradienten mittels (Rückwärts-)Differenzquotientenbildung, ein zeitlicher Änderungsverlauf p ˙ V = dp V dt
    Figure imgb0004
     des Fluiddrucks des Drucksensors 20 erzeugt. Darauffolgend wird in dem Änderungsverlauf ṗV unter Durchführen eines Zwischenvergleichs 48 des Änderungsverlaufs ṗV mit entsprechenden Referenzwerten 49 in Form von Grenzwerten die signifikante Verlaufsänderung 46 des Druckkurvenverlaufs pV lokalisiert.
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird die signifikante Verlaufsänderung 46 in dem Druckkurvenverlauf pV [bar] gemäß Fig. 5 unter Durchführen eines Zwischenvergleichs 48 des Druckkurvenverlauf pV mit Referenzwerten 49 in Form von Grenzwerten ΔpRV,min, ΔpRV,max lokalisiert, zwischen denen die signifikante Verlaufsänderung 46 zu finden ist. In Fig. 5 ist der Druckkurvenverlauf pV über der Drehzahl n [min -1] aufgetragen. In die Berechnung der Grenzwerte ΔpRV,min, ΔpRV,max fließt der mittels des weiteren Drucksensors 20 erfasste weitere Fluiddruck p' oder pNenn mit ein. In Fig. 5 ist der Fluiddruck pDAD in der jeweiligen lokalisierten signifikanten Verlaufsänderung 26, also im Betriebspunkt, mit einem Kreuz gekennzeichnet.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Anwendung von Grenzwerten kann zur Auswertung des jeweiligen Kurvenverlaufs eine Mustererkennung eingesetzt werden. Die Mustererkennung kann im Rahmen von künstlicher Intelligenz, neuronaler Netze und/oder Machine Learning implementiert sein.
  • Wie vorstehend aufgezeigt, wird bei der dahingehenden Lokalisierung der signifikanten Verlaufsänderung 46 regelmäßig nicht nur ein Fluiddruckwert pDAD ermittelt, sondern mehrere, die beispielsweise zwischen die Grenzwerte fallen. Daher können die mehreren ermittelten Fluiddruckwerte pDAD einer weiteren Mittelwertbildung 50 unterzogen werden, um einen gemittelten Fluiddruckwert pDAD im Betriebspunkt zu erhalten.
  • Nachdem anhand der signifikanten Verlaufsänderung 46 des Fluiddrucks p der Betriebspunkt ermittelt worden ist, wird entweder unter Durchführung eines Schlussvergleichs 60 zumindest eine Systemgröße nDAD, pDAD, TDAD im Betriebspunkt jeweils direkt mit zumindest einer entsprechenden Referenz-Systemgröße verglichen und/oder unter Verwendung der erfassten Systemgrößen Drehzahl nDAD und Fluiddruck pDAD im Betriebspunkt sowie eines Pumpenparameters 56, gegebenenfalls in Form des geometrischen Fördervolumens Vg der Pumpe 10, eine Berechnung 62 zumindest eines Parameters, gegebenenfalls in Form des Parameters λ = n DAD ⋅ V g p DAD l min ⋅ bar
    Figure imgb0005
     der Pumpe 10, durchgeführt, der zumindest mit einem entsprechenden Referenz-Parameter 64 verglichen wird.
  • Weil der Leckagestrom QLeck der Pumpe 10 aufgrund der abnehmenden Viskosität der Hydraulikflüssigkeit bei zunehmender Temperatur T zunimmt, ist der Parameter λ = Q Leck Δ p p
    Figure imgb0006
     der Pumpe 10 temperaturabhängig. In Fig. 6 ist die dahingehende Temperaturabhängigkeit des Parameters λ der Pumpe 10 dargestellt, in dem ein erster bis dritter Parameter λ der Pumpe 10 bei einer ersten T 1 bzw. zweiten T 2 bzw. dritten T 3 Temperatur über dem Verschleißzustand der Pumpe aufgetragen ist. Dabei ist T 3, insbesondere gleich ca. 70°C, größer als T 2, insbesondere gleich ca. 50°C, größer als T 1, insbesondere gleich ca. 30°C. Der Verschleißzustand ist dabei entlang der x-Achse in verschiedene Zonen eingeteilt: Neu 88, Zone I (Grün), Zone II (Gelb), Zone III (Hellrot) und Zone IV (Dunkelrot), wobei der Verschleißzustand mit zunehmender Zonennummerierung zunimmt. Die farbliche Zuordnung der Zonen ist an eine Ampel angelehnt, die als Anzeige 54 des Verschleißzustandes für einen Benutzer dienen kann. Der Viskositätswert der Hydraulikflüssigkeit bei der Temperatur T 1 entspricht in etwa dem Zweifachen des Viskositätswertes der Hydraulikflüssigkeit bei der Temperatur T 2, der wiederum in etwa dem Zweifachen der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit bei der Temperatur T 3 entspricht. Entsprechend werden der berechnete Parameter λ der Pumpe 10 und der entsprechende Referenz-Parameter λ unter Einbezug der gemessenen Fluidtemperatur T bei dem Schlussvergleich 60 miteinander verglichen.
  • Basierend auf dem Ergebnis des jeweiligen Schlussvergleiches 60 wird dann der Zustand der Pumpe 10 festgestellt, der von der Auswerteeinrichtung 24 über eine Zustandsausgabe 66 an eine Anzeige 54 weitergeleitet werden kann, die einem Benutzer den Zustand der Pumpe 10 anzeigt und die insbesondere als die vorstehend genannte Ampel ausgebildet sein kann.
  • Es kann zudem ein Zwischenspeicher 68 für erfasste Systemgrößen n, p, p', T und ein Speicher 70 für im Betriebspunkt vorliegende Systemgrößen nDAD, pDAD, TDAD und/oder zumindest den einen von Systemgrößen abhängigen Parameter, insbesondere der Pumpe 10, vorgesehen sein. Auch kann unter Durchführen einer (Trend-)Analyse 72 basierend auf einer zeitlichen Analyse der Systemgrößen nDAD, pDAD, TDAD im Betriebspunkt oder des von Systemgrößen abhängigen Parameters ein zukünftiger Verschleißzustand und/oder die Restlebensdauer 74 der Pumpe 10 geschätzt werden.
  • Die Pumpe 10, der Elektromotor 26, der über eine Welle die Pumpe 10 antreibt, und eine Leistungselektronik 78, wie beispielsweise ein Frequenzumrichter 80 oder ein Inverter, die den Elektromotor 26 ansteuert, sind Teil eines drehzahlvariablen elektro-hydraulischen Aggregates 76 (Fig. 8).
  • Des Weiteren ist eine Maschinensteuerung 82, beispielsweise zur Ansteuerung der Verbraucheranordnung, vorgesehen, wie beispielsweise eine Speicherprogrammierbare Steuerung oder ein (Haupt-)Steuergerät, die zumindest eine Sollgröße, wie beispielsweise eine Drehzahl, einen Volumenstrom, eine Position, einen Druck und/oder eine Geschwindigkeit etc. vorgibt. Die Maschinensteuerung kann entweder wie in Fig. 8 dargestellt mit der Leistungselektronik 78 oder wie in den Figuren nicht gezeigt mit der Auswerteeinrichtung 24 kommunizierend verbunden sein und übermittelt dorthin zumindest die Sollgröße.
  • Die Auswerteeinrichtung 24 fordert unter Durchführung einer Anfrage 84 bei der Leistungselektronik 78 die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an, beispielsweise nach einer vorgebbaren Anzahl von Betriebsstunden der Verbraucheranordnung. Die Leistungselektronik 78 bestätigt darauffolgend unter Abgabe einer Bestätigung 86 die Anfrage 84 und leitet bei einem Vorliegen eines passenden Zustandes der Verbraucheranordnung das Verfahren durch einen entsprechenden Änderungsprozess, beispielsweise eine entsprechende Änderung der Antriebsdrehzahl n der Pumpe 10, ein. Ein passender Systemzustand liegt beispielsweise vor, wenn das System nicht unter Last betrieben wird und/oder demnächst heruntergefahren wird.
  • Zum Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit 8 kann ebenso die Antriebsdrehzahl n der Verdrängereinheit 8 konstant vorgegeben werden, der von der Antriebsdrehzahl n abhängige Fluiddruck p erfasst werden und der erfasste Fluiddruck p oder ein von diesem abhängiger Parameter, insbesondere der Verdrängereinheit 8, mit zumindest einem entsprechenden Referenzwert verglichen werden.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustandes in Form eines Verschleißzustandes einer Verdrängereinheit (8), mit
    - einer an eine Hochdruckseite der Verdrängereinheit (8) angeschlossenen Fluidleitung (12, 14),
    - zumindest einer mit der Fluidleitung (12, 14) fluidisch verbundenen Fluideinrichtung (18), die stromaufwärts von sich in der Fluidleitung (12, 14) einen Fluiddruckaufbau ermöglicht,
    - jeweils einem Drucksensor (20, 22), der in der Fluidleitung stromaufwärts vor der jeweiligen Fluideinrichtung (18) eine Systemgröße in Form des Fluiddrucks (p, p') erfasst,
    - einer Auswerteeinrichtung (24), die derart eingerichtet ist, dass diese in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße (p, p') den Zustand der Verdrängereinheit (8) ermittelt,
    - einer weiteren Fluideinrichtung (18), welche die Fluidleitung in einen mit der Verdrängereinheit (8) verbundenen Fluidleitungsteil (12) und einen weiteren Fluidleitungsteil (14) unterteilt und welche derart eingerichtet ist, dass diese eine Fluiddruckweitergabe von dem einen Fluidleitungsteil (12) in den weiteren Fluidleitungsteil (14), insbesondere ab einer vorgebbaren Druckschwelle, zulässt und in die entgegengesetzte Richtung blockiert, und
    - einem Temperatursensor (34), der als eine weitere Systemgröße eine in die Ermittlung des Zustandes mit einfließende Temperatur (T) des durch die Verdrängereinheit (8) strömenden Fluids erfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluideinrichtung als eine mit einem Nenndruck (pNenn ) betreibbare Verbraucheranordnung ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Fluideinrichtung (18) als Rückschlagventil (28) ausgebildet ist, das von der Verdrängereinheit (8) weg in Richtung eines Verbraucheranschlusses (A) öffnet.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest eine der folgenden Komponenten vorgesehen ist:
    - eine Einrichtung (30), die eine Drehzahl (n) der Verdrängereinheit (8) ermittelt, die als weitere Systemgröße in die Ermittlung des Zustandes mit einfließt; und
    - ein an die weitere Fluidleitung (14) angeschlossener Hydrospeicher (36).
  5. Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes in Form eines Verschleißzustandes einer Verdrängereinheit (8) unter Verwendung einer Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, mit folgenden Verfahrensschritten:
    - Aufbauen eines Fluiddrucks (p, p') in einer Fluidleitung (12, 14) stromaufwärts vor zumindest einer mit der Fluidleitung fluidisch verbundenen Fluideinrichtung (18), wobei die Fluidleitung (12, 14) an eine Hochdruckseite der Verdrängereinheit (8) angeschlossen ist,
    - Erfassen einer Systemgröße in Form des jeweiligen Fluiddrucks (p, p') in der Fluidleitung (12, 14) stromaufwärts vor der jeweiligen Fluideinrichtung (18),
    - Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit (8) in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße (p, p'), und dass zum
    - Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit 8) zumindest ein für den Zustand charakteristischer Betriebspunkt der Verdrängereinheit (8) ermittelt wird, in dem der theoretische Volumenstrom (Qth ) der Verdrängereinheit (8) ihren volumetrischen Verlusten (QLeck) entspricht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand zudem in Abhängigkeit zumindest einer der folgenden weiteren Systemgrößen ermittelt wird:
    - einer Drehzahl (n) der Verdrängereinheit (8); und
    - einer Temperatur (T) des durch die Verdrängereinheit (8) strömenden Fluids.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit (8), zumindest die eine Systemgröße (n, p, p', T) mit zumindest einer entsprechenden Referenz-Systemgröße verglichen wird und/oder in Abhängigkeit zumindest der einen Systemgröße (n, p, p', T) ein Parameter (λ), insbesondere der Verdrängereinheit (8), ermittelt wird, der mit zumindest einem entsprechenden Referenz-Parameter verglichen wird, wobei basierend auf dem Ergebnis dieses jeweiligen Schlussvergleichs (60) der Zustand der Verdrängereinheit (8) festgestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Betriebspunktes zumindest einer der folgenden Änderungsprozesse über eine Zeitspanne durchgeführt wird:
    - die Drehzahl (n) der Verdrängereinheit (8) geändert wird; und
    - ein Nenn- (pNenn ) oder Lastdruck einer als Verbraucheranordnung ausgebildeten Fluideinrichtung geändert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchlaufens des jeweiligen Änderungsprozesses ein Kurvenverlauf (pV ) zumindest eines jeweiligen Fluiddrucks (p, p') oder ein davon abhängiger Kurvenverlauf (ṗV , ΔpRV,V ) zumindest teilweise ermittelt und unter dessen Verwendung eine signifikante Verlaufsänderung in diesem Kurvenverlauf (pV ) des Fluiddrucks (p, p') lokalisiert wird, die den Betriebspunkt kennzeichnet.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der von zumindest einem jeweiligen Fluiddruck (p, p') abhängige Kurvenverlauf (ṗV , ΔpRV,V ) die zeitliche Änderung (ṗV ) zumindest eines jeweiligen Fluiddrucks (p, p') oder die Druckdifferenz (ΔpRV,V ) zwischen einem weiteren Fluiddruck (p'), der mittels eines weiteren Drucksensors (22) in einem weiteren Fluidleitungsteil (12) erfasst wird, und einem Fluiddruck (p) beschreibt, der mittels eines Drucksensors (20) in einem Fluidleitungsteil (20) erfasst wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Lokalisieren der signifikaten Verlaufsänderung der ermittelte Kurvenverlauf (pV, ṗV, ΔpRV,V ) zumindest teilweise unter Durchführen eines Zwischenvergleichs (48) mit zumindest einem entsprechenden Referenzwert verglichen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schlussvergleich (60) die jeweilige in dem Betriebspunkt vorliegende Systemgröße (nDAD, pDAD, TDAD ) verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Zustandes der Verdrängereinheit (8) die Drehzahl (n) der Verdrängereinheit (8) konstant vorgegeben wird, der von der Drehzahl (n) abhängige jeweilige Fluiddruck (p, p') ermittelt wird und der ermittelte jeweilige Fluiddruck (p, p') oder ein von diesem abhängiger Parameter, insbesondere der Verdrängereinheit (8), mit zumindest einem entsprechenden Referenzwert verglichen wird.
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