DE102021208743A1

DE102021208743A1 - Verfahren zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium

Info

Publication number: DE102021208743A1
Application number: DE102021208743.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Breisch; Klaus Wagner
Original assignee: Herbert Haenchen GmbH
Current assignee: Herbert Haenchen GmbH
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium an einer zwischen einem Verschluss (6) und einer Kolbenstange (5) eines Hydraulikzylinders (1) angeordneten Dichtungseinrichtung (8) mit zumindest zwei Dichtungen (9, 10), von denen eine erste Dichtung (9) näher an einer stangenseitigen Kammer (4) des Hydraulikzylinders (1) angeordnet ist als eine zweite Dichtung (10), und bei dem- eine Änderung einer zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) auftretenden und damit durch die erste Dichtung (9) hindurchtretenden Menge an Hydraulikmedium über die Zeit erfasst wird,- ein Signal erzeugt wird, sofern die erfasste Änderung der zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) auftretenden Menge an Hydraulikmedium einen vordefinierten Grenzwert übersteigt und dadurch auf einen Verschleiß, insbesondere der ersten Dichtung (9), geschlossen werden kann.Hierdurch kann ein Verschleiß vorausschauend berechnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium an einer zwischen einem Verschluss und einer Kolbenstange eines Hydraulikzylinders angeordnete Dichtungseinrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Leckageerfassungseinrichtung mit einem Drucksensor sowie einen Hydraulikzylinder mit einer solchen Leckageerfassungseinrichtung.
Aus der DE 10 2019 133 491 A1 ist eine Vorrichtung zur Leckageerkennung bei einem Hydraulikzylinder bekannt, mit einem ersten Drucksensor zum Erfassen eines Druckwerts in einer ersten Druckkammer eines Hydraulikzylinders, einem zweiten Drucksensor zum Erfassen eines Druckwerts in einer zweiten Druckkammer des Hydrauliksensors, einer Auswerteeinheit zum kontinuierlichen Erfassen der Druckwerte des ersten und zweiten Drucksensors, die aufgrund der erfassten Druckwerte der beiden Sensoren eine von der Norm abweichende Leckage, vorzugsweise eine innere Leckage, des Hydraulikzylinders erkennt. Hierdurch soll es möglich sein, Leckagen, insbesondere an Kolbendichtungen, bereits frühzeitig daran zu erkennen, wenn diese erst einen unmerklichen geringen Wirkungsgradverlust mit sich bringen und insbesondere auch von außen noch keine sichtbaren Anzeichen für eine Leckage erkennbar sind.
Aus der DE 10 2018 118 955 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer fluidisch arbeitenden Vorrichtung zum Handhaben, Bewegen oder Spannen von Gegenständen sowie eine Vorrichtung bekannt, die einen Zylinder aufweist, in welchem ein Kolben translatorisch verstellbar angeordnet ist. Der Kolben begrenzt dabei einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum, die unabhängig voneinander entlüftbar, sperrbar und/oder mit einem Arbeitsdruck belüftbar sind, so dass der Kolben zwischen zwei Hubendlagen hin- und her verfahrbar ist. Die Vorrichtung ist darüber hinaus zur Bestimmung einer Leckage am Kolben vom ersten Druckraum hin zum zweiten Druckraum ausgebildet. Hierdurch soll eine ausreichende Krafterhaltung auf zuverlässige Art und Weise bestimmt werden können.
Aus der DE 10 2013 224 819 A1 ist ein Hydraulikzylinder mit einem Messsystem zur Bestimmung einer Position eines in dem Hydraulikzylinder verstellbaren Kolbens bekannt, wobei der Kolben eine erste Kammer von einer zweiten Kammer trennt. Weiter weist der Hydraulikzylinder einen Ultraschallsensor auf, von dem Ultraschallwellen gleichermaßen aussendbar und empfangbar sind, so dass für einen Messvorgang sich die Ultraschallwellen in der ersten Kammer ausbreiten, die über eine Öffnung mit der Atmosphäre verbunden ist. Hierdurch soll ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage in einem Dichtelement eines Hydraulikzylinders geschaffen werden, mit welchem sich auf einfache Art und Weise und mit hoher Genauigkeit eine solche Leckage feststellen lassen soll.
Dichtungen in Hydraulikzylindern, beispielsweise Kolbendichtungen oder Dichtungen in einem Verschluss zur Führung einer Kolbenstange des Kolbens, unterliegen üblicherweise einem Verschleiß und müssen während der Lebensdauer des Hydraulikzylinders gewechselt werden, um eine ungewollte Leckage und insbesondere auch ein ungewolltes Austreten von Hydraulikmedium in die Umgebung zuverlässig vermeiden zu können. Sind derartige Dichtungen nämlich undicht, so kann es aufgrund des hohen Hydraulikdrucks und einer ständig nachfördernden Hydraulikpumpe vergleichsweise schnell zu hohen Leckagemengen kommen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hydraulikzylindern sind die Einrichtungen zur Erfassung einer Leckage an Hydraulikmedium üblicherweise derart ausgebildet, dass diese Wirkungsgradverluste vermeiden sollen, das heißt beispielsweise zwischen zwei mit Druck beaufschlagbaren Kammern des Hydraulikzylinders liegen. Eine Leckage von Hydraulikmedium nach außen wird üblicherweise erst dann erkannt, sofern tatsächlich Hydraulikmedium austritt und es dadurch bereits zu spät ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium an einem Hydraulikzylinder anzugeben, mittels welchem eindeutig und vorausschauend eine sich anbahnende Leckage ermitteln lässt, ohne dass diese bereits durch ein unkontrolliertes Austreten von Hydraulikmedium in die Umgebung zu einer Beeinträchtigung der Umwelt führen konnte.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, nicht wie bislang üblich zur Detektion bzw. Erfassung einer Leckage von Hydraulikmedium einen Drucksensor zu verwenden und aufgrund eines nachlassenden Drucks auf eine Leckage zu schließen, sondern als einen eine Leckagewarnanzeige auslösenden Parameter eine Mengenänderung einer durch eine Dichtung hindurchtretende Menge an Hydraulikmedium zu verwenden und diese mit vordefinierten Grenzwerten zu vergleichen, bei deren Erreichen bzw. Überschreiten vergleichsweise zuverlässig auf eine Leckage geschlossen werden kann. Die Mengenänderung der durch die Dichtung hindurchtretende Menge an Hydraulikmedium kann dabei über eine Druckänderung erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium an einer zwischen einem Verschluss und einer Kolbenstange eines Hydraulikzylinders angeordneten Dichtungseinrichtung mit zumindest zwei Dichtungen, von denen eine erste Dichtung (Primärdichtung) näher an einer stangenseitigen Kammer des Hydraulikzylinders angeordnet ist, als eine zweite Dichtung (Sekundärdichtung), wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leckage durch eine Änderung des zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung auftretenden Drucks und damit durch die erste Dichtung hindurchtretenden Menge an Hydrauliköl über die Zeit erfasst. Zusätzlich wird ein Signal, insbesondere ein Warnsignal, erzeugt, sofern die erfasste Änderung der zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung auftretenden Menge an Hydrauliköl einen vordefinierten Grenzwert übersteigt und dadurch auf einen Verschleiß von Komponenten des Hydraulikzylinders, insbesondere der ersten Dichtung, geschlossen werden kann.
Im Betrieb des Hydraulikzylinders, der eine kolbenseitige Kammer und eine stangenseitige Kammer aufweist, die durch den Kolben getrennt sind, kann üblicherweise eine gewisse Leckage an der ersten Dichtung im Verschluss auftreten, die dann über eine Leckölleitung drucklos oder mit bis zu 5 bar Überdruck, ab- und in ein Hydraulikreservoir rückgeführt wird. Die Menge der Leckage an Hydraulikmedium an der ersten Dichtung ist dabei abhängig vom Bewegungsablauf des Kolbens und kann von 0 l/min (keine Leckage) über wenige Tropfen je Minute oder Stunden bis hin zu einem ständigen fließenden Hydraulikmediumstrom betragen. Dabei ist zu beachten, dass eine Leckage an der ersten Dichtung grundsätzlich nicht schädlich ist und auch auftreten darf. Nimmt eine derartige Leckage an der ersten Dichtung jedoch über die Zeit hin zu, so ist dies ein zuverlässiges Anzeichen für einen Verschleiß, der frühzeitig erkannt werden sollte. Dabei ist es nicht relevant, wie hoch die gemessene Leckagemenge an Hydraulikmedium insgesamt ist, sondern ob sich die Leckage über die Betriebsdauer verändert und dadurch die zuvor beschriebenen Anzeichen für den Verschleiß zeigt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird genau dieser Aspekt überwacht, nämlich eine Änderung der Menge an Hydraulikmedium in einer zwischen der ersten und zweiten Dichtung liegenden Kammer, woraus einfach und kostengünstig auf einen zunehmenden Verschleiß, insbesondere der ersten Dichtung, geschlossen werden kann, so dass diese bereits vor dem völligen Versagen, was unkontrollierte Folgekosten auslösen könnte, ausgetauscht werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals möglich, einen sich nur ankündigenden Verschleiß der ersten Dichtung der Dichteinrichtung des Hydraulikzylinders durch eine Mengenänderung an durch diese erste Dichtung tretendem Hydraulikmedium zu bestimmen, ohne dass dabei die erste Dichtung bereits sofort ausgetauscht werden müsste. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich so der Hydraulikzylinder langfristig zuverlässig betreiben und es bleibt einer Wartungsmannschaft üblicherweise aufgrund der frühzeitigen Verschleißanzeige genügend Zeit, sich auf nahekommende Wartungsarbeiten einzurichten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung liegende Kammer kommunizierend mit einem Drucksensor und einem Überdruckventil verbunden. Über den Drucksensor und das Überdruckventil können dabei Parameter erfasst werden, die auf eine Änderung der Menge an Hydraulikmedium und damit einem sich ankündigenden Verschleiß von Dichtungen im Hydraulikzylinder schließen lassen.
Zweckmäßig öffnet das Überdruckventil bei einem Druck p_K zwischen 1 bar und 5 bar. Die Öffnungsdrücke zwischen 1 und 5 bar können dabei individuell, insbesondere durch eine entsprechende Vorspannkraft einer Feder, gewählt und an die jeweilige Anwendung des Hydraulikzylinders bzw. an den jeweiligen Hydraulikzylinder adaptiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Druckverlauf des Hydraulikmediums am Drucksensor, das heißt in der Kammer, über die Zeit hinweg erfasst, wobei bei einem Öffnen des Überdruckventils ein plötzlicher Druckabfall Δp_X = p_K - p₀ in bar gemessen wird. Der Druckabfall ereignet sich dabei innerhalb der Öffnungszeit Δt_X von wenigen ms, in welchen das Überdruckventil geöffnet ist. Aus dem Druckabfall und der Öffnungszeit wird nun ein Gradient G berechnet, mit G = Δp_x/Δt_x, der mit einem vordefinierten Gradienten G_v verglichen wird, wobei der vordefinierte Gradient G_v üblicherweise bei einem Öffnen des Überdruckventils auftritt, so dass mit dem berechneten Gradienten G und dem Vergleich vergleichsweise zuverlässig auf das Öffnen des Überdruckventils geschlossen werden kann.
Im Betrieb des Hydraulikzylinders erfolgt üblicherweise ein Durchtritt von Hydraulikmedium über die erste Dichtung in die zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung liegende Kammer, in der sich dann beginnend von Null langsam ein Druck aufbaut, da sich die Kammer füllt und das Hydraulikmedium aus der Kammer nicht frei ablaufen kann. Dabei ist nicht unbedingt ein gleichmäßiger Anstieg, sondern eher ein schwankender Verlauf bzw. Druckanstieg zu erwarten. Je nach einer Hubbewegung des Kolbens im Hydraulikzylinder oder aber auch Temperatureinflüssen kann der Druck p in der Kammer gegebenenfalls auch rückläufig sein. Wenn der Druck p des Hydraulikmediums in der Kammer jedoch soweit angestiegen ist, dass der Öffnungsdruck des Überdruckventils erreicht wird, öffnet letzteres und das Hydraulikmedium spritzt in kurzer Zeit ab. Dieses Abspritzen erfolgt in einem Zeitintervall t_x innerhalb von ms und reduziert den Druck p in der Kammer von p_k, der dem Öffnungsdruck des Überdruckventils entspricht, auf p₀. Dabei ist Δt_X die Öffnungszeit, Δp_X der Druckabfall, wodurch gilt, Δp_X = p_k - p₀. Der Druck p_k, bei welchem das Überdruckventil öffnet, ist dabei innerhalb gewisser Toleranzgrenzen üblicherweise gleich. Der aus den Werten Δp_X und Δt_X berechnete Gradient entspricht dabei einem Gefälle der Druckkurve über die Zeit, wobei ein vordefiniertes Gefälle, welches dem vordefinierten Gradienten G_v entspricht, typisch für ein durch ein Öffnen des Überdruckventils ausgelöstes Gefälle ist. Entspricht somit der berechnete Gradient dem vordefinierten Gradienten zumindest mit vordefinierten Toleranzen, so kann vergleichsweise zuverlässig auf das Öffnen des Überdruckventils geschlossen werden.
Zweckmäßig werden die Zeitpunkte t, an denen das Überdruckventil öffnet, über den berechneten Gradienten G ermittelt und aufgezeichnet. Sofern der berechnete Gradient G im Wesentlichen dem vordefinierten Gradienten G_v entspricht, kann an genau diesem Zeitpunkt vergleichsweise zuverlässig von einem geöffneten Überdruckventil ausgegangen werden, wobei für die weitere Berechnung in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zeit innerhalb des zeitlich vergleichsweise kleinen Intervalls Δt_X als Zeitpunkt für die Öffnung genommen werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun ein Leckageindex L_I nach der Formel L_I = 1/(t_n - t_n-1) berechnet, wobei t_n dem Zeitpunkt des Öffnens des Überdruckventils zu einem ersten Zeitpunkt und t_n-1 dem Öffnen des Überdruckventils zu einem direkt vorhergehenden Zeitpunkt entspricht. Anschließend wird ein Signal erzeugt, beispielsweise ein Warnsignal, sofern der berechnete Leckageindex L_I einen vordefinierten Leckageindex-Grenzwert L_G unterschreitet. Für die Leckage eines Hydraulikzylinders ist es dabei nicht maßgebend, ob die Leckagemenge groß oder klein ist, sofern diese im Wesentlichen gleichbleibt. Problematisch jedoch wird es, wenn der Leckageindex L_I steigt und damit ein Zeitintervall zwischen zwei Abspritzzeitpunkten, an welchem das Überdruckventil öffnet, einen vordefinierten Leckageindex-Grenzwert L_G unterschreitet.
In diesem Fall ist beispielsweise eine Ampelkennzeichnung möglich, bei der mit beispielsweise gelb angezeigt wird, ein sich anbahnender Verschleiß, insbesondere der ersten Dichtung vorliegt und bei der rot mit angezeigt wird, dass der Hydraulikzylinder sich einem kritischen Verschleißzustand nähert oder diesen bereits erreicht hat und deshalb stillgelegt werden muss.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, erstmals einen sich nur anbahnenden Verschleiß vergleichsweise exakt zu detektieren, ohne dass bis dato bereits ein zu großer Verschleiß oder eine Leckage an Hydraulikmedium nach außen aufgetreten ist.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Leckageerfassungseinrichtung mit einem Drucksensor, einem Überdruckventil und einer Rechnereinrichtung anzugeben, wobei die Rechnereinrichtung zur Durchführung des in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Diese Leckageerfassungseinrichtung mit der Rechnereinrichtung, dem Drucksensor und dem Überdruckventil kann dabei als vorgefertigte Baugruppe angeboten und beispielsweise an entsprechende Hydraulikzylinder angebaut werden, so dass mit der erfindungsgemäßen Leckageerfassungseinrichtung auch herkömmliche Hydraulikzylinder vergleichsweise einfach nachrüstbar sind.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Hydraulikzylinder mit einer in einem Verschluss geführten Kolbenstange eines Kolbens zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium an einer zwischen dem Verschluss und der Kolbenstange des Hydraulikzylinders angeordneten Dichtungseinrichtung mit zumindest zwei Dichtungen anzugeben, bei denen die erste Dichtung näher an der stangenseitigen Kammer des Hydraulikzylinders angeordnet ist als die zweite Einrichtung. Der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder besitzt dabei die im vorherigen Absatz beschriebene Leckageerfassungseinrichtung mit der Rechnereinrichtung, dem Drucksensor und dem Überdruckventil und beispielsweise zusätzlich noch eine Warnanzeige, die zur Aussendung eines optischen und/oder akustischen Warnsignals ausgebildet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder und der erfindungsgemäßen Leckageerfassungseinrichtung kann somit ein Hydraulikzylinder langfristig zuverlässig betrieben werden, da eine sich anbahnende Leckage verbunden mit einem sich anbahnenden Verschleiß bereits frühzeitig erkannt und dadurch frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders sind der Drucksensor über eine erste Leitung und das Überdruckventil über eine separate zweite Leitung mit einer zwischen der ersten und der zweiten Dichtung liegenden Kammer verbunden. In diesem Fall besitzt somit die Kammer zwei Ausgänge, nämlich einmal verbunden mit der ersten Leitung und das andere Mal verbunden mit der zweiten Leitung. Alternativ hierzu ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Drucksensor über eine erste Leitung mit der zwischen der ersten und der zweiten Dichtung liegenden Kammer verbunden ist, während das Überdruckventil über eine Abzweigleitung mit der ersten Leitung verbunden ist. Dies bietet den großen Vorteil, dass die Kammer im Verschluss des Hydraulikzylinders lediglich mit einer einzigen Leitung fluidisch verbunden werden muss. Weiter bietet dies den großen Vorteil, dass durch die kompakte Zusammenfassung des Überdruckventils und des Drucksensors eine vorgefertigte und als Nachrüstsatz anbietbare Baugruppe für bereits vorhandene Hydraulikzylinder angeboten werden kann. Da die Kammer üblicherweise bereits eine Leckageleitung und damit auch einen Anschluss für eine derartige Leckageleitung aufweist, ist die zuletzt genannte Ausführungsform besonders vorteilhaft, da die erste Leitung des Überdruckventils direkt, beispielsweise mit einer Hohlschraube, in den Anschluss für die Leckageleitung eingeschraubt werden kann.
Zweckmäßig ist das Überdruckventil als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet. Derartige federbeaufschlagte Rückschlagventile sind bereits mannigfaltig bekannt und in nahezu beliebiger Ausführung kostengünstig herstellbar.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder,
2 eine Detaildarstellung aus 1 mit einem über eine erste Leitung angeschlossenen Drucksensor und einem über eine zweite Leitung angeschlossenen Rückschlagventil,
3 eine Darstellung wie in 2, mit einem über eine erste Leitung angeschlossenen Überdruckventil und Drucksensor,
4 eine beispielhafte Darstellung eines Druckverlaufs p in der Kammer über die Zeit, aufgezeichnet von dem Drucksensor,
5 eine beispielhafte Kurve kumulierter Zeitpunkte abgetragen über eine Zeitachse an welchen das Überdruckventil öffnet,
6 beispielhafte unterschiedliche Leckageindexe L_I, abgetragen über die Zeit.

Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder 1 einen Kolben 2 auf, der eine kolbenseitige Kammer 3 von einer stangenseitigen Kammer 4 trennt. Geführt ist der Kolben 2 über eine Kolbenstange 5, welche wiederum in einem Verschluss 6 geführt ist. Der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder 1 kann dabei stellvertretend für alle Größen und Typen von Hydraulikzylindern stehen. Die stangenseitige Kammer 4 wird dabei gegenüber einer Umgebung 7 über eine Dichteinrichtung 8 mit zumindest einer ersten Dichtung 9 und einer zweiten Dichtung 10 abgedeckt (vgl. auch die 2 und 3). Darüber hinaus kann selbstverständlich noch eine weitere Dichtung 11 oder insgesamt weitere Dichtungen vorgesehen sein.
In der kolbenseitigen Kammer 3 liegt dabei ein Druck zum Verstellen des Kolbens 2 an, wobei der Kolben 2 über Kolbendichtringe 12 die stangenseitige Kammer 4 zur kolbenseitigen Kammer 3 abdichtet.
Trotzdem kann es im üblichen Betrieb des erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders 1 zu einem Übertritt von Hydraulikmedium aus der kolbenseitigen Kammer 3 zur stangenseitigen Kammer 4 kommen, weshalb die Dichteinrichtung 8 und insbesondere die erste und zweite Dichtung 9, 10 derselben zuverlässig arbeiten müssen, um ein unerwünschtes und unkontrolliertes Austreten von Hydraulikmedium in die Umgebung 7 zuverlässig ausschließen zu können. Die Dichtungen 9, 10, 11 werden dabei üblicherweise sogar turnusmäßig ausgetauscht, um einem übergroßem Verschleiß zuvorzukommen.
Die vorliegende Erfindung gibt nun ein Verfahren an, mittels welchem ein Verschleiß zumindest der ersten Dichtung 9 zuverlässig ermittelt und damit ein unkontrolliertes Austreten von Hydraulikmedium zuverlässig vermieden werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es sogar erstmals möglich, einen beginnenden Verschleiß zu detektieren bzw. zu erfassen, der entsprechenden Wartungskräften genügend Zeit zur Reparatur einräumt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Änderung einer zwischen der ersten Dichtung 9 und der zweiten Dichtung 10 auftretenden und damit von der stangenseitigen Kammer 4 über die erste Dichtung 9 in eine zwischen der ersten Dichtung 9 und der zweiten Dichtung 10 liegende Kammer 13 hindurchtretende Menge an Hydraulikmedium über eine Druckänderung über die Zeit erfasst. Über eine Rechnereinrichtung 14 wird dann ein Signal erzeugt, sofern die erfasste Änderung der zwischen der ersten Dichtung 9 und der zweiten Dichtung 10 auftretenden Menge an Hydraulikmedium bzw. die Druckänderung einen vordefinierten Grenzwert übersteigt und dadurch auf einen Verschleiß, insbesondere der ersten Dichtung 9 zuverlässig geschlossen werden kann.
Die zwischen der ersten und zweiten Dichtung 9, 10 liegende Kammer 13, welche ein vergleichsweise kleines Volumen in der Art eines spaltförmigen Ringraums aufweist, ist dabei mit einem Überdruckventil 15 sowie mit einem Drucksensor 16 kommunizierend verbunden.
Das Überdruckventil 15 kann beispielsweise als federbeaufschlagtes Rückschlagventil ausgebildet sein und beispielsweise bei einem Druck p_k zwischen 1 bar und 5 bar öffnen. Über den Drucksensor 16 wird ein Druckverlauf in der Kammer 13 zwischen der ersten und zweiten Dichtung 9, 10 über die Zeit erfasst (vgl. 4), wobei bei einem Öffnen des Überdruckventils 15 ein Druckabfall Δp_X = p_k - p₀ innerhalb einer Öffnungszeit Δt_x erfolgt. Der Druck bzw. Druckabfall Δp_x wird dabei in bar erfasst, während die Öffnungszeit Δt_x in ms erfasst wird. Die durch die erste Dichtung 9 in die Kammer 13 hindurchgetretene Menge an Hydraulikmedium kann aus der Kammer 13 nicht frei ablaufen, wodurch sich ein Druck p in der Kammer 13 aufbaut. Der Druck p in der Kammer 13 bzw. in einer ersten Leitung 17 zum Drucksensor 16 bzw. einer zweiten Leitung 18 zum Überdruckventil 15 steigt dabei langsam an, da sich die Leitungen 17, 18 sowie die Kammer 13 füllen. Die erste Leitung 17 ist dabei über einen ersten (Lecköl-)Anschluss mit dem Hydraulikzylinder 1 verbunden, während die zweite Leitung 18 über einen zweiten (Lecköl-)Anschluss mit dem Hydraulikzylinder 1 verbunden ist. Dabei ist kein gleichmäßiger Anstieg, sondern ein entsprechend der 4 gezeigter schwankender Druckanstieg zu erwarten, der sowohl von der Hubbewegung des Kolbens 2 als auch von Temperatureinflüssen beeinflusst und sogar rückläufig sein kann.
Ist der Druck in der Kammer 13 bzw. der zweiten Leitung 18 soweit angestiegen, dass der Druck p_k, das heißt der Öffnungsdruck des Überdruckventil 15 erreicht ist, öffnet dies, wodurch das Hydraulikmedium in kurzer Zeit abspritzt und ein plötzlicher Druckabfall Δp_X = p_k - p₀ innerhalb einer Öffnungszeit Δt_x innerhalb von wenigen ms erfolgt. Aus dem Druckabfall Δp_X und der Öffnungszeit Δt_X wird ein Gradient G berechnet, der ein Gefälle der Druckkurve entsprechend der 4 wiedergibt. Dabei wird der berechnete Gradient G mit einem vordefinierten Gradienten G_v verglichen, der üblicherweise bei einem Öffnen des Überdruckventils 15 auftritt, so dass mit dem berechneten Gradienten G sofern dieser im Wesentlichen dem vordefinierten Gradienten G_v entspricht, zuverlässig auf ein geöffnetes Überdruckventil 15 geschlossen werden kann. Gemäß der 4 sind dabei zwei Bereiche 19 eingezeichnet, in welchen der berechnete Gradient G = Δp_x/Δt_x dem vordefinierten und für das Öffnen des Überdruckventils 15 typischen Gradienten G_v entspricht. Die Bereiche 19 sind somit typisch für das Abspritzen des Hydraulikmediums durch das Öffnen des Überdruckventils 15. Der Öffnungsdruck p_k des Überdruckventils 15 ist dabei in Abhängigkeit der anwendungsabhängigen Einbausituation mit gewissen Toleranzen immer gleich und wird vom Drucksensor 16 und der Rechnereinrichtung 14 erfasst.
Entsprechend der 5 werden nun die einzelnen Zeitpunkte t, an denen das Überdruckventil 15 öffnet, über den berechneten Gradienten G ermittelt und über eine Zeitachse aufgetragen. Summiert man die einzelnen Zeitpunkte t, so ergibt sich ein zunehmender Verlauf mit gleichzeitig variabler Steigung. Problematisch für den erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder 1 ist es dabei nicht, wenn ein hoher Summenwert auftritt, so dass dieser nicht als ein Warnsignal auslösender Grenzwert hinterlegt werden kann. Ein Verschleiß der ersten Dichtung 9 und damit indirekt auch des Hydraulikzylinders 1 kann jedoch zuverlässig dadurch angezeigt werden, dass die Summe der Abspritzzeitpunkte, das heißt der Zeitpunkte t, an welchen das Überdruckventil 15 öffnet, über die Zeit stark zunehmen, wie dies gemäß der 5 im Bereich zwischen 150 und 160 der Fall ist.
Um dies zuverlässig zu erfassen wird ein Leckageindex L_I entsprechend der Formel L_l = 1/(t₁ -t_n-1) berechnet, wobei t_n der Zeitpunkt des Öffnens des Überdruckventils 15 und t_n-1 ein direkt zuvor liegender Zeitpunkt ist, an welchem das Überdruckventil 15 geöffnet ist. Von der Rechnereinrichtung 14 wird dann ein entsprechendes Warnsignal erzeugt, sofern der berechnete Leckageindex L_I, der gemäß der 6 dargestellt ist, einen vordefinierten Leckageindex-Grenzwert L_G unterschreitet. Der Leckageindex-Grenzwert L_G kann gemäß der 6 beispielsweise bei 0,1 liegen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit erstmals möglich, einen noch in der Zukunft liegenden Verschleiß bereits frühzeitig zu erfassen und beispielsweise entsprechend vorbeugend zu agieren bzw. zu reagieren.
Dabei kann erfindungsgemäß auch eine Leckageerfassungseinrichtung 20 angegeben werden, mit einem Drucksensor 16, einem Überdruckventil 15 und einer Rechnereinrichtung 14, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Eine derartige Leckageerfassungseinrichtung 20 kann dabei als vorgefertigte Baugruppe ausgebildet und beispielsweise als separater Block auch bereits an bestehende und nicht erfindungsgemäße Hydraulikzylinder angebaut werden.
Der Drucksensor 16 kann dabei entsprechend der 1 über eine erste Leitung 17 an die Kammer 13 des Verschlusses 6 angebunden sein, während das Überdruckventil 15 über eine separat dazu ausgebildete Leitung 18 und einen separaten Anschluss an die Kammer 13 angebunden ist, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist.
Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Drucksensor 16 über eine erste Leitung 17 mit der zwischen der ersten Dichtung 9 und der zweiten Dichtung 10 liegenden Kammer 13 verbunden ist, während das Überdruckventil 15 über eine als Abzweigleitung ausgebildete zweite Leitung 18 mit der ersten Leitung 17 verbunden ist, wie dies gemäß der 3 dargestellt ist. Die gemäß der 3 dargestellte Ausführungsform bietet dabei den großen Vorteil, dass ein ohnehin bereits an herkömmlichen Hydraulikzylindern vorhandener Anschluss für eine Leckage-Hydraulikmediumleitung nunmehr zum Anschluss der erfindungsgemäßen Leckageerfassungseinrichtung 20 genutzt werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder 1 ist somit ein langfristig zuverlässiger Betrieb desselben möglich, da ein nahender Verschleiß bereits frühzeitig mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der beispielsweise erfindungsgemäßen Leckageerfassungseinrichtung 20 detektiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019133491 A1 [0002]
DE 102018118955 A1 [0003]
DE 102013224819 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Detektion einer Leckage von Hydraulikmedium an einer zwischen einem Verschluss (6) und einer Kolbenstange (5) eines Hydraulikzylinders (1) angeordneten Dichtungseinrichtung (8) mit zumindest zwei Dichtungen (9, 10), von denen eine erste Dichtung (9) näher an einer stangenseitigen Kammer (4) des Hydraulikzylinders (1) angeordnet ist als eine zweite Dichtung (10), und bei dem - eine Änderung einer zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) auftretenden und damit durch die erste Dichtung (9) hindurchtretenden Menge an Hydraulikmedium über die Zeit erfasst wird, - ein Signal erzeugt wird, sofern die erfasste Änderung der zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) auftretenden Menge an Hydraulikmedium einen vordefinierten Grenzwert übersteigt und dadurch auf einen Verschleiß der ersten Dichtung (9) geschlossen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) liegende Kammer (13) kommunizierend mit einem Drucksensor (16) und einem Überdruckventil (15) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (15) bei einem Druck p_K von 1 bar ≤ p_K ≤ 5 bar öffnet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Druckverlauf am Drucksensor (16) über die Zeit erfasst wird, wobei bei einem Öffnen des Überdruckventils (15) ein Druckabfall Δp_x = p_K - p₀ [bar] innerhalb einer Öffnungszeit Δt_x[ms] erfolgt, - dass ein Gradient G = Δp_x/Δt_x berechnet wird, - dass der berechnete Gradient G mit einem vordefinierten Gradienten Gv verglichen wird, der bei einem Öffnen des Überdruckventils (15) auftritt, sodass mit dem berechneten Gradienten G auf das Öffnen des Überdruckventils (15) geschlossen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zeitpunkte t, an denen das Überdruckventil (15) öffnet, über den berechneten Gradienten G ermittelt und aufgezeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Leckageindex L_I nach der Formel L_I = 1/(t_n - t_n-1) berechnet wird, mit t_n = Zeitpunkt des Öffnens des Überdruckventils (15) und t_n-1 = vorheriger Zeitpunkt des Öffnens des Überdruckventils (15), - dass das Signal erzeugt wird, sofern der berechnete Leckageindex L_I einen vordefinierten Leckageindex-Grenzwert L_G unterschreitet.
Leckageerfassungseinrichtung (20) mit einem Drucksensor (16), einem Überdruckventil (15) und einer Rechnereinrichtung (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Hydraulikzylinder (1) mit einer in einem Verschluss (6) geführten Kolbenstange (5) eines Kolbens (2), wobei zwischen dem Verschluss (6) und der Kolbenstange (5) eine Dichtungseinrichtung (8) mit zumindest zwei Dichtungen (9, 10) angeordnet ist, von denen die erste Dichtung (9) näher an einer stangenseitigen Kammer (4) des Hydraulikzylinders (1) angeordnet ist als die zweite Dichtung (10) und mit einer Leckageerfassungseinrichtung (20) nach Anspruch 7.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (16) über eine erste Leitung (17) und das Überdruckventil (15) über eine separate zweite Leitung (18) mit einer zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) liegenden Kammer (13) verbunden sind.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (16) über eine erste Leitung (17) mit einer zwischen der ersten Dichtung (9) und der zweiten Dichtung (10) liegenden Kammer (13) verbunden ist, während das Überdruckventil (15) über eine als Abzweigleitung ausgebildete zweite Leitung (18) mit der ersten Leitung (17) verbunden ist.
Hydraulikzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (15) als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet ist.