EP2118501A1 - Verfahren zur automatischen zustandsbestimmung eines hydraulikaggregates - Google Patents

Verfahren zur automatischen zustandsbestimmung eines hydraulikaggregates

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EP2118501A1
EP2118501A1 EP08701388A EP08701388A EP2118501A1 EP 2118501 A1 EP2118501 A1 EP 2118501A1 EP 08701388 A EP08701388 A EP 08701388A EP 08701388 A EP08701388 A EP 08701388A EP 2118501 A1 EP2118501 A1 EP 2118501A1
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EP
European Patent Office
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wear
pressure
hydraulic
unit
load
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EP08701388A
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English (en)
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EP2118501B1 (de
Inventor
Bernd Thelen
Paul-Heinz Wagner
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Wagner Vermoegensverwaltungs GmbH and Co KG
Original Assignee
Wagner Vermoegensverwaltungs GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2118501A1 publication Critical patent/EP2118501A1/de
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Publication of EP2118501B1 publication Critical patent/EP2118501B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B19/00—Testing; Calibrating; Fault detection or monitoring; Simulation or modelling of fluid-pressure systems or apparatus not otherwise provided for
    • F15B19/005—Fault detection or monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B51/00—Testing machines, pumps, or pumping installations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
    • B25B21/004—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose of the ratchet type
    • B25B21/005—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose of the ratchet type driven by a radially acting hydraulic or pneumatic piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F04C2270/16—Wear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F04C2270/86—Detection

Definitions

  • the invention relates to a method for automatically determining the state of a hydraulic unit for supplying a hydraulic cylinder for performing load strokes.
  • DE 10 2004 017979 A1 describes a method for the angle-controlled turning of a part, in which a hydraulic unit supplies a pressure for the hydraulic cylinder of a power wrench.
  • the hydraulic unit is provided with a control device which switches over a control valve as a function of the pressure generated.
  • the pressure increases at each load stroke initially with a higher pitch and then with a lower slope until the end stop of the hydraulic cylinder is reached.
  • the maintenance is carried out at regular time intervals or after a certain number of operating hours of the device.
  • Such interva 11 specific fixing of maintenance works only to a small extent on the actual workload of the device. Thus, it is disregarded whether the hydraulic implement has performed only light strokes or possibly was operated up to the load limit.
  • Condition Monitoring For complex systems that are subject to different load conditions, Condition Monitoring has been developed to determine the state of the system in order to avoid system failures. The state determined indicates how far away the monitored system is from a fault or failure that can be expected soon This enables early detection of creeping system changes and limitation of causes.Condition monitoring enables condition-based plant maintenance and replaces the previous preventive maintenance that has been maintained at fixed maintenance intervals In addition, the possibility of online status diagnostics.
  • the invention has for its object to provide a method for automatically determining the state of a hydraulic power unit, which allows a realistic state determination.
  • a wear-determining characteristic number is calculated for at least one unit component from the pressure of the duration of operation since start-up, that a degree of wear is determined from the characteristic number and a wear limit defined for the unit component and that for the entire unit under the Wear levels of all aggregate components determines the maximum and from this a total degree of wear is formed.
  • the magnitude of the resulting pressure provides information about the applied power, from which, in conjunction with the duration of the load stroke, the work or an associated quantity can be determined.
  • the method thus distinguishes the load strokes according to the resistance that was opposed to them. Therefore, heavy load strokes are rated higher than smooth load strokes.
  • the inventive method is particularly suitable for hydraulic units for operating hydraulic power Schauber for tightening screws, nuts and similar rotatable parts.
  • the pressure which arises during a load stroke depends on the resistance which the part of the rotation to be rotated opposes.
  • the degree of wear indicates the accumulated workload. This means that, since the last maintenance, all the operations performed on the hydraulic unit will increase the degree of wear, depending on the work done.
  • a heavy-duty hydraulic power unit reaches the upper limit, the wear limit, earlier than a hydraulic power-limited unit, with the same number of operating hours.
  • the degree of wear is to a certain extent a measure of the device's "fatigue level.”
  • the degree of wear can be used to calculate the number of operating hours remaining until the next maintenance operation, which is automatically calculated in the control unit of the hydraulic power unit
  • the average weight of the previous workload shall be used as a basis for the work to be carried out in the future.
  • the time integral of the pressure is formed for the ratio.
  • a simplified embodiment provides that the pressure and the duration of a load stroke are processed as parameters for the determination or further development of the degree of wear.
  • the pressure and the duration of a load stroke are processed as parameters for the determination or further development of the state variable. This may conveniently be done so that the product of pressure and duration is formed to obtain a load size of the respective load stroke. To this load size of the previous accumulated degree of wear is increased.
  • Pressure and duration of the load strokes are not necessarily the only parameters that influence the state quantity.
  • the extraction of the state variable can also include the number of load strokes or the temperature of the hydraulic medium.
  • the type of involvement can be done in different ways. For example, each parameter may be weighted.
  • the signals from sensors which display error messages can also be included in the extraction of the state variable. For example, the frequent exceeding of a limit temperature would lead to an unscheduled increase in the state quantity. It is also possible to measure the operating time of the hydraulic unit below and above a limit temperature. An example of this is: The hydraulic power unit has run for 50 hours, of which 30 hours are above 50 ° C.
  • the invention further relates to a hydraulic unit for supplying a hydraulic cylinder for performing load strokes according to claim 7.
  • the hydraulic power unit can acquire and store other monitored parameters, such as the number of operating hours from the beginning and last servicing, the product of operating time, current and voltage of the motor as electrical work, the product of operating time of the motor, pressure and volumetric flow as hydraulic work, the product of temperature and time, the current peak value, the voltage peak and / or the minimum voltage value, the temperature peak value, the pressure peak value as well as the product of volume flow and time to determine the accumulated pumped volume.
  • a self-test of the hydraulic unit In addition to the state determination, other functions may be provided, such as a self-test of the hydraulic unit.
  • the two hoses flow and return are connected and the maximum pressure is set to a predetermined value, for. B. 400 bar, set. Due to the elasticity of the tubes sealed at the ends, the pressure builds up linearly with time, according to a reference curve that is recorded or stored. Then it is checked whether the measured Kurzve has the predetermined course of the reference curve.
  • a diagnostic connector can be plugged into the control unit to read out wear-relevant data or the entire device history. In this way, the state of the unit is available at any time. The fault diagnosis is facilitated because the device caches critical conditions.
  • a networking of the controller with the Internet or another data network is possible.
  • the data from the aggregate transmitted daily to a maintenance server.
  • Parameter adjustments can be stored on the maintenance server and automatically programmed at the next diagnosis.
  • FIG. 1 shows a schematic embodiment of a screwing device with a hydraulic unit and a power screwdriver for rotating a screw
  • Fig. 2 is a schematic representation of the power wrench
  • Piston cylinder drive contains,
  • Fig. 3 is a view of the entire hydraulic unit including
  • a power wrench 10 is shown schematically.
  • This has a hydraulic piston-cylinder drive 11 with a hydraulic cylinder 12 and a piston 13 movable therein.
  • the piston is connected to a piston rod 14, and the end of the piston rod engages a lever 15 which engages with a latching pawl 15a on the toothing of a ratchet wheel 17.
  • the ratchet wheel 17 is part of a ring piece 18, which has a socket 19 for inserting a key nut or a screw head to be rotated. By reciprocating movement of the piston 13, the ring piece 18 is rotated, and with this the screw.
  • the Ring piece 18 is mounted in a housing 20 which also contains the piston cylinder drive 11.
  • the pressure for the piston-cylinder drive 11 is supplied by the hydraulic unit 25 shown in FIG. 1, which has a positive displacement pump 26, e.g. B. includes a gear pump, a speed-controlled synchronous motor and a tank.
  • the motor drives the pump 26.
  • the hydraulic unit 25 is connected to a pressure line 28 and a return line 29. These two lines are connected via a control valve 30 to the piston-cylinder drive 11. By switching the control valve 30, the piston 13 can be moved either forward or backward.
  • control unit 31 For controlling the hydraulic unit 25 and the control valve 30, the control unit 31 is provided. This includes a frequency converter that generates a variable drive frequency for the motor. The control unit 31 thus determines the speed of the pump 26. The pump speed determines the volume flow, which is the pressure line 28 is supplied.
  • a pressure sensor 32 is provided which measures the hydraulic pressure p in the pressure line.
  • the pressure sensor is connected via a line 33 to the control unit 31.
  • the hydraulic unit 25 has a housing 35 containing the hydraulic oil.
  • a pump is housed, which is designed as a submersible pump and the pressure for the hose system 28, 29 generates. It is a volumetric pump of a gear pump or more, distributed pump segments, which are driven by a motor.
  • an adjustable pressure relief valve 36 and a shoulder 37 for the tubes 28 and 29 At the front end of the housing 35 is an adjustable pressure relief valve 36 and a shoulder 37 for the tubes 28 and 29. There is also the pressure sensor 32 for the pressure line 28 is provided. Another pressure sensor is provided for the return line 29.
  • the control unit 31 has a housing, in the top of which a display 40 is arranged.
  • the housing is connected to a remote control 41, with which a manual control of the control valve 30 can take place.
  • the programming unit 42 which forms a user interface with the keyboard and the display, can be connected to the control unit.
  • FIG. 4 shows the course of the pressure p over the time ⁇ at several successive load strokes of the power shifter. It is the pressure that is measured by the pressure sensor 32.
  • FIG. 4 shows the load strokes LH1-LH4 of the piston.
  • Each load stroke has an initial section 45, in which a relatively steep increase in pressure takes place to overcome the friction or to reach the state in which the preceding load stroke has been completed.
  • the piston 13 At the end of the load stroke, the piston 13 abuts against the front stop of the cylinder (FIG. 2). This creates a steep pressure build-up represented by section 47.
  • a sloping section 48 in which the return stroke of the piston takes place and the pressure p goes back to 0.
  • the height of the resulting pressure is determined and stored at each load stroke. This is the pressure p of section 47 at the switchover from the load stroke to the return stroke takes place.
  • the level of pressure reached is a parameter for determining the workload.
  • Another parameter for determining the workload is the duration of the load stroke. In this case, the duration from the beginning of the starting section 45 to the end of the section 46 can be evaluated. However, it is also possible to evaluate only the duration of section 46 or to include the duration of section 48, which represents the return stroke. Preferably, the duration of the two sections 45 and 46 is evaluated.
  • the control unit 31 forms the product of the pressure level and duration of the load stroke and sums the products thus formed from load stroke to load stroke, so that a state variable is obtained which indicates the wear. If this state variable has reached a predetermined value, a maintenance or inspection is due. The difference between the wear limit and the instantaneous value can be displayed to determine the proximity of the upcoming maintenance time.
  • the described extraction of the state quantity indicating the accumulated workload is not necessarily the sole criterion for determining the time of the next maintenance. Regardless of the accumulated workload, the number of load strokes may represent an alternative or additional criterion. Other criteria, such as As the temperature of the hydraulic medium can be used to perform an emergency shutdown or included in the state determination, for example, by load strokes, in which the temperature exceeds a threshold, receive an additional weighting.
  • FIGS. 1-4 A second embodiment of the invention will be described below, reference being also made to FIGS. 1-4. From the actual load of the hydraulic power pack, parameters are calculated that allow conclusions to be drawn about the (wear) condition of individual power unit components. For this purpose, the pressure-time characteristic curve (FIG. 4) recorded during screwing is essentially consulted, possibly also with oil temperature and further measured data acquired continuously.
  • the pressure-time characteristic curve contains the data relevant to the wear of the unit, regardless of the periphery used for the screw connection (hoses, hydraulic drives, screwdrivers %) and regardless of the screwdriving cases (torque, friction torque, inclination ).

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Abstract

Ein Hydraulikaggregat zur Versorgung eines Hydraulikzylinders in aufeinanderfolgenden Lasthüben (LHl, LH2,LH3, LH4) wird auf seine Arbeitslast hin überwacht, um eine automatische Zustandsbestimmung des Aggregates zu bewirken. Hierzu wird bei jedem Lasthub das Zeitintegral des Druckes ermittelt. Druck und Dauer werden zu einer Kennzahl verarbeitet, welche den Verschleiß angibt. Dadurch ist jederzeit eine Zustandsdiagnose des Hydraulikaggregates möglich.

Description

Verfahren zur automatischen Zustandsbestimmunq eines Hvdraulikaqqreqates
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zustandsbestimmung eines Hydraulikaggregates zur Versorgung eines Hydraulikzylinders zur Durchführung von Lasthüben.
In DE 10 2004 017979 Al ist ein Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines Teiles beschrieben, bei dem ein Hydraulikaggregat einen Druck für den Hydraulikzylinder eines Kraftschraubers liefert. Das Hydraulikaggregat ist mit einem Steuergerät versehen, welches in Abhängigkeit von dem erzeugten Druck ein Steuerventil umschaltet. Der Druck steigt bei jedem Lasthub zunächst mit höherer Steigung und anschließend mit geringerer Steigung, bis der Endanschlag des Hydraulikzylinders erreicht ist. Bei modernen Maschinen und Arbeitsgerätschaften ist es erforderlich, regelmäßig Wartungen vorzunehmen, bei denen das Gerät untersucht wird, um eventuelle Fehler oder bevorstehende Fehler festzustellen. Bei einer derartigen Wartung werden auch Verschleißteile ausgewechselt. Normalerweise erfolgen die Wartungen in regelmäßigen Zeitintervallen bzw. nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden des Gerätes. Eine solche interva 11 bestimmte Festlegung von Wartungsarbeiten orientiert sich nur in geringem Umfang an der tatsächlichen Arbeitslast des Gerätes. So bleibt unberücksichtigt, ob das hydraulische Arbeitsgerät nur leichte Arbeitshübe ausgeführt hat oder eventuell bis an die Belastungsgrenze betrieben wurde.
Für komplexe Anlagen, die unterschiedlichen Lastzuständen unterliegen, wurde das „Condition Monitoring" entwickelt, bei dem eine Zustandsbestimmung erfolgt, um Anlagenausfälle zu vermeiden. Der ermittelte Zustand gibt an, wie weit die überwachte Anlage noch von einem demnächst zu erwartenden Fehler oder Ausfall entfernt ist. Auf diese Weise ist eine frühe Erkennung schleichender Systemveränderungen und eine Eingrenzung der Ursachen möglich. Das Condition Monitoring ermöglicht eine zustandsorientierte Instandhaltung der Anlage und löst die bisher übliche präventive Instandhaltung ab, bei der die Maschine in festen Wartungsintervallen gewartet wurde. Das Condition Monitoring bietet darüber hinaus die Möglichkeit einer Online-Zustandsdiagnose.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Zustandsbestimmung eines Hydraulikaggregates anzugeben, das eine realitätsnahe Zustandsbestimmung ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach ist vorgesehen, dass für mindestens eine Aggregatekomponente aus dem Druck der Dauer des Betriebes seit Inbetriebnahme eine verschleißbestimmende Kennzahl berechnet wird, dass aus der Kennzahl und einer für die Aggregatekomponente festgelegten Verschleißgrenze ein Verschleißgrad bestimmt wird und dass für das gesamte Aggregat unter den Verschleißgraden aller Aggregatekomponenten das Maximum ermittelt und daraus ein Gesamt-Verschleißgrad gebildet wird.
Die Höhe des entstandenen Druckes gibt Aufschluss über die aufgebrachte Leistung, aus der in Verbindung mit der Dauer des Lasthubes die Arbeit oder eine damit verbundene Größe bestimmt werden kann. Das Verfahren unterscheidet also die Lasthübe entsprechend dem Widerstand, der ihnen entgegengesetzt wurde. Daher werden schwergängige Lasthübe höher bewertet als leichtgängige Lasthübe.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Hydraulikaggregate zum Betrieb hydraulischer Kraftsch rauber zum Anziehen von Schrauben, Muttern und ähnlichen drehbaren Teilen. Hierbei hängt der während eines Lasthubes entstehende Druck von dem Widerstand ab, den das zu drehende Teil der Drehung entgegensetzt.
Der Verschleißgrad gibt die akkumulierte Arbeitslast an. Dies bedeutet, dass seit der letzten Wartung alle Arbeitsvorgänge, die mit dem Hydraulikaggregat durchgeführt werden, zur Vergrößerung des Verschleißgrades beitragen, und zwar entsprechend der aufgebrachten Arbeit. Ein Hydraulikaggregat, mit dem Schwerarbeit durchgeführt wurde, erreicht den oberen Grenzwert, die Verschleißgrenze, früher als ein Hydraulikaggregat mit dem nur leichtgängige Arbeit durchgeführt wurde, jeweils bei gleicher Anzahl von Betriebsstunden. Der Verschleißgrad ist gewissermaßen ein Maß für die „Erschöpfung" des Gerätes. Aus dem Verschleißgrad kann die Anzahl der noch bis zum nächsten Wartungsvorgang möglichen Betriebsstunden berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt automatisch in dem Steuergerät des Hydraulikaggregates. Die Anzeige der noch verfügbaren Betriebsstunden ist auf Knopfdruck abrufbar. Bei der Berechnung der noch verfügbaren Betriebsstunden wird die mittlere Schwere der bisherigen Arbeitslast für die zukünftig noch durchzuführenden Arbeiten zugrundegelegt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird für die Kennzahl das Zeitintegral des Druckes gebildet. Hierbei wird die Fläche unter der Druckkurve, die sich bei den Lasthüben ergibt, ausgewertet. Eine vereinfachte Ausführungsform sieht vor, dass der Druck und die Dauer eines Lasthubes als Parameter für die Bestimmung bzw. Weiterentwicklung des Verschleißgrades verarbeitet werden.
Der Druck und die Dauer eines Lasthubes werden als Parameter für die Bestimmung bzw. Weiterentwicklung der Zustandsgröße verarbeitet. Dies kann zweckmäßigerweise so geschehen, dass das Produkt aus Druck und Dauer gebildet wird, um eine Lastgröße des jeweiligen Lasthubes zu erhalten. Um diese Lastgröße wird der bisherige akkumulierte Verschleißgrad erhöht.
Druck und Dauer der Lasthübe sind nicht notwendigerweise die einzigen Parameter, die die Zustandsgröße beeinflussen. Beispielsweise kann die Gewinnung der Zustandsgröße außerdem die Anzahl der Lasthübe einbezogen werden oder auch die Temperatur des Hydraulikmediums. Die Art der Einbeziehung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann jeder Parameter mit einer Gewichtung versehen werden.
Auch die Signale von Sensoren, welche Fehlermeldungen anzeigen, können in die Gewinnung der Zustandsgröße einbezogen werden. Beispielsweise würde die häufige Überschreitung einer Grenztemperatur zu einer außerplanmäßigen Erhöhung der Zustandsgröße führen. Ferner besteht die Möglichkeit, die Betriebsdauer des Hydraulikaggregates unterhalb und oberhalb einer Grenztemperatur zu messen. Ein Beispiel hierfür ist: Das Hydraulikaggregat hat 50 Arbeitsstunden gelaufen, davon 30 Stunden über 50 0C.
Die Erfindung betrifft ferner ein Hydraulikaggregat zur Versorgung eines Hydraulikzylinders zur Durchführung von Lasthüben entsprechend dem Patentanspruch 7. Das Hydraulikaggregat kann weitere überwachte Parameter erfassen und speichern, wie beispielsweise die Anzahl der Betriebsstunden von Anbeginn an und von der letzten Wartung an, das Produkt aus Betriebsdauer, Strom und Spannung des Motors als elektrische Arbeit, das Produkt aus Betriebsdauer des Motors, Druck und Volumenstrom als hydraulische Arbeit, das Produkt aus Temperatur und Zeit, den Stromspitzenwert, den Spannungsspitzenwert und/oder den Spannungsmindestwert, den Temperaturspitzenwert, den Druckspitzenwert sowie das Produkt aus Volumenstrom und Zeit zur Ermittlung des akkumulierten gepumpten Volumens.
Außer der Zustandsbestimmung können weitere Funktionen vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Selbsttest des Hydraulikaggregates. Hierzu werden die beiden Schläuche Vorlauf und Rücklauf angeschlossen und der Höchstdruck wird auf einen vorgegebenen Wert, z. B. 400 bar, eingestellt. Durch die Elastizität der an den Enden verschlossenen Schläuche baut der Druck sich linear mit der Zeit auf, entsprechend einer Referenzkurve, die aufgezeichnet bzw. gespeichert wird. Dann wird geprüft, ob die gemessene Kurzve den vorgegebenen Verlauf der Referenzkurve hat.
Geprüft werden außerdem die Betriebsbereitschaft der Drucksensoren für Vorhub und Rückhub, der Stromfluss des Motors, der Druckaufbau, nämlich Funktion des Hauptventils, Funktion der Zahnradpumpe, Funktion der Anzahl der Pumpenelemente sowie die Druckentlastung, nämlich Funktion des Entlastungsventils.
An das Steuergerät kann ein Diagnosestecker angesteckt werden zum Auslesen verschleißrelevanter Daten bzw. der gesamten Gerätehistorie. Auf diese Weise ist der Zustand des Aggregats jederzeit abrufbar. Die Fehlerdiagnose wird erleichtert, da das Gerät kritische Bedingungen zwischenspeichert.
Auch eine Vernetzung des Steuergeräts mit dem Internet oder einem anderen Datennetz ist möglich. Hier können die Daten aus dem Aggregat beispielsweise täglich an einen Wartungsserver übermittelt werden. Parameter-Anpassungen können auf dem Wartungsserver hinterlegt werden und bei der nächsten Diagnose automatisch einprogrammiert werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Schraubvorrichtung mit einem Hydraulikaggregat und einem Kraftschrauber zum Drehen einer Schraube,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Kraftschraubers, der den
Kolbenzylinderantrieb enthält,
Fig. 3 eine Ansicht des gesamten Hydraulikaggregats einschließlich
Fernbedienung und Programmiereinheit und
Fig. 4 ein Zeitdiagramm des Druckverlaufs bei mehreren aufeinanderfolgenden Lasthüben.
In den Figuren 1 und 2 ist schematisch ein Kraftschrauber 10 dargestellt. Dieser weist einen hydraulischen Kolbenzylinderantrieb 11 mit einem Hydraulikzylinder 12 und einem darin bewegbarem Kolben 13 auf. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange 14 verbunden, und das Ende der Kolbenstange greift an einem Hebel 15 an, welcher mit einer Rastklinke 15a an der Verzahnung eines Ratschenrades 17 angreift. Das Ratschenrad 17 ist Bestandteil eines Ringstücks 18, das eine Fassung 19 zum Einstecken einer Schlüsselnuss oder eines zu drehenden Schraubkopfes aufweist. Durch hin- und hergehendes Bewegen des Kolbens 13 wird das Ringstück 18, und mit diesem die Schraube gedreht. Das Ringstück 18 ist in einem Gehäuse 20 gelagert, das auch den Kolbenzylinderantrieb 11 enthält.
Der Druck für den Kolbenzylinderantrieb 11 wird von dem in Fig. 1 dargestellten Hydraulikaggregat 25 geliefert, das eine Verdrängerpumpe 26, z. B. eine Zahnradpumpe, einen drehzahlgesteuerten Synchronmotor und einen Tank enthält. Der Motor treibt die Pumpe 26 an. Das Hydraulikaggregat 25 ist einer Druckleitung 28 und einer Rücklaufleitung 29 angeschlossen. Diese beiden Leitungen sind über ein Steuerventil 30 mit dem Kolbenzylinderantrieb 11 verbunden. Durch Umschalten des Steuerventils 30 kann der Kolben 13 entweder vorwärts oder rückwärts bewegt werden.
Zur Steuerung des Hydraulikaggregats 25 und des Steuerventils 30 ist das Steuergerät 31 vorgesehen. Dieses enthält einen Frequenzumrichter, der eine variierbare Antriebsfrequenz für den Motor erzeugt. Das Steuergerät 31 bestimmt somit die Drehzahl der Pumpe 26. Die Pumpendrehzahl bestimmt den Volumenstrom, der der Druckleitung 28 zugeführt wird.
An der Druckleitung 28 ist ein Drucksensor 32 vorgesehen, der den Hydraulikdruck p in der Druckleitung misst. Der Drucksensor ist über eine Leitung 33 mit dem Steuergerät 31 verbunden.
Das Hydraulikaggregat 25 weist ein Gehäuse 35 auf, welches das Hydrauliköl enthält. In dem Gehäuse 35 ist eine Pumpe untergebracht, die als Tauchpumpe ausgebildet ist und den Druck für das Schlauchsystem 28, 29 erzeugt. Es handelt sich um eine volumetrische Pumpe aus einer Zahnradpumpe oder mehreren, verteilt angeordneten Pumpsegmenten, die von einem Motor angetrieben werden.
An der vorderen Stirnseite des Gehäuses 35 befindet sich ein einstellbares Überdruckventil 36 und ein Ansatz 37 für die Schläuche 28 und 29. Dort ist auch der Drucksensor 32 für die Druckleitung 28 vorgesehen. Ein weiterer Drucksensor ist für die Rücklaufleitung 29 vorgesehen.
Das Steuergerät 31 weist ein Gehäuse auf, in dessen Oberseite ein Display 40 angeordnet ist. Das Gehäuse ist mit einer Fernbedienung 41 verbunden, mit der eine manuelle Steuerung des Steuerventils 30 erfolgen kann.
An das Steuergerät kann ferner die Programmiereinheit 42 angeschlossen werden, die eine Benutzerschnittstelle bildet mit Tastatur und Display.
Figur 4 zeigt den Verlauf des Druckes p über der Zeit τ bei mehreren aufeinanderfolgenden Lasthüben des Kraftsch raubers. Es handelt sich um den Druck, der vom Drucksensor 32 gemessen wird.
In Figur 4 sind die Lasthübe LHl - LH4 des Kolbens dargestellt. Jeder Lasthub weist einen Anfangsabschnitt 45 auf, in dem ein relativ steiler Druckanstieg erfolgt zur Überwindung der Reibung bzw. zum Erreichen des Zustandes, bei dem der vorhergehende Lasthub beendet worden war. Es folgt ein Abschnitt 46, in dem die Schraube gedreht wird. Am Ende des Lasthubes stößt der Kolben 13 gegen den vorderen Anschlag des Zylinders (Fig. 2). Dadurch entsteht ein steiler Druckaufbau, der durch den Abschnitt 47 repräsentiert wird. Durch Detektion des steilen Abschnitts 47 wird der Blockierzustand am Ende des Lasthubes erkannt. Daran schließt sich ein abfallender Abschnitt 48 an, in dem der Rückhub des Kolbens erfolgt und der Druck p wieder auf 0 geht.
Bei jedem der Lasthübe LHl - LH4 ist der Anfangsabschnitt 45 gegenüber dem vorhergehenden Lasthub verlängert, bis das bei dem Abschnitt 47 erreichte Drehmoment von neuem erreicht wird. Erst dann beginnt der Abschnitt 46, in dem die Schraube gegen einen Drehwiderstand gedreht wird.
Bei einer Ausführungsform wird bei jedem Lasthub die Höhe des entstandenen Druckes ermittelt und gespeichert. Dies ist der Druck p des Abschnitts 47, bei dem die Umschaltung vom Lasthub zum Rückhub erfolgt. Hierbei kann entweder der Anfangspunkt oder der Endpunkt des kurzen Abschnitts 47 ausgewählt werden. Die Höhe des erreichten Druckes ist ein Parameter zur Bestimmung der Arbeitslast. Ein anderer Parameter zur Bestimmung der Arbeitslast ist die Dauer des Lasthubes. Hierbei kann die Dauer vom Beginn des Anfangsabschnitts 45 bis zum Ende des Abschnitts 46 ausgewertet werden. Es ist aber auch möglich, nur die Dauer des Abschnitts 46 auszuwerten oder auch die Dauer des Abschnitts 48, die den Rückhub repräsentiert, einzubeziehen. Vorzugsweise wird die Dauer der beiden Abschnitte 45 und 46 ausgewertet.
Das Steuergerät 31 bildet das Produkt aus Druckhöhe und Dauer des Lasthubes und summiert die so gebildeten Produkte von Lasthub zu Lasthub, so dass eine Zustandsgröße gewonnen wird, welche den Verschleiß angibt. Wenn diese Zustandsgröße einen vorgegebenen Wert erreicht hat, ist eine Wartung bzw. Inspektion fällig. Die Differenz zwischen der Verschleißgrenze und dem augenblicklichen Wert kann angezeigt werden, um daraus die Nähe des bevorstehenden Wartungszeitpunktes zu bestimmen.
Die beschriebene Gewinnung der Zustandsgröße, die die akkumulierte Arbeitslast angibt, stellt nicht notwendigerweise das einzige Kriterium zur Bestimmung des Zeitpunkts der nächsten Wartung dar. Unabhängig von der akkumulierten Arbeitslast kann die Anzahl der Lasthübe ein alternatives oder zusätzliches Kriterium darstellen. Andere Kriterien, wie z. B. die Temperatur des Hydraulikmediums, können zur Durchführung einer Notabschaltung benutzt werden oder in die Zustandsbestimmung mit einbezogen werden, beispielsweise indem Lasthübe, in denen die Temperatur einen Schwellenwert übersteigt, eine zusätzliche Gewichtung erhalten.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei ebenfalls auf die Figuren 1 - 4 Bezug genommen wird: Aus der Ist-Belastung des Hydraulikaggregates werden Kenngrößen errechnet, die Rückschlüsse auf den (Verschleiß-)Zustand einzelner Aggregatekomponenten zulassen. Hierfür werden im wesentlichen die bei Verschraubungen erfasste Druck-Zeit-Kennlinie (Fig. 4) hinzugezogen, dazu eventuell noch Öltemperatur sowie weitere laufend erfasste Messdaten.
Die Druck-Zeit-Kennlinie enthält unabhängig von der für die Verschraubung verwendeten Peripherie (Schläuche, Hydraulikantriebe, Schraubgeräte ...) und unabhängig von den Schraubfällen (Drehmoment, Reibmoment, Steigung ...) die für den Verschleiß des Aggregates relevanten Daten.
Auswirkung auf den Verschleiß nehmen insbesondere hohe Drücke, Druckspitzen, Druckschwankungen, das gepumpte Volumen sowie die hydraulische Leistung; der Einfluss vieler dieser Werte ändert sich darüber hinaus mit der Arbeitstemperatur, die durch die Öltemperatur hinreichend genau angenähert ist.
Der Verschleiß einzelner Komponenten hängt unterschiedlich von diesen Kenngrößen ab, so wird eine Dichtung vorwiegend mechanisch bei Druckänderungen beansprucht, ein Pumpenelement dagegen hauptsächlich von der (mechanischen und damit hydraulischen) Arbeit, die es verrichtet.
Da sich eine Komponente kontinuierlich mit ihrem Verschleiß über die Zeit verändert, ergibt ein Integral dieser Kenngrößen über den zeitlichen Verlauf eine gute Aussage über ihren Verschleiß.
Daher wird die den Verschleiß einer Aggregatekomponente K| bestimmende Kennzal Z1 seit Inbetriebnahme ( τ = 0) bis zum Zeitpunkt τwie folgt berechnet:
mit: p(τ) : Momentandruck zum Zeitpunkt τ
— - — : Ableitung von p(τ) zum Zeitpunkt τ („Steigung", dτ
„Änderung")
q(τ) : Volumenstrom zum Zeitpunkt τ (aus p(τ) )
(Baureihenspezifisch zu errechnen)
>9(τ) : Öltemperatur zum Zeitpunkt τ
bO ι,bl ι,b2 ι,bi t,b4 ι : Komponentenabhängige Gewichtungsfaktoren und Exponenten für die einzelnen Kennzahlen
Zu jeder Komponente Ki wird die Kennzahl für die Verschleißgrenze zif0 bestimmt, an der eine Wartung notwendig wird. Dann wird für jede Komponente mit
g, = 100% ■ —
Zι,0
ein Verschleißgrad gι in Prozent ermittelt.
Für das Gesamtaggregat ist das Maximum der Verschleißgrade aller n Einzelkomponenten maßgeblich, also
G = max(g, )\"ι=1

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur automatischen Zustandsbestimmung eines Hydraulikaggregates (25) zur Versorgung eines Hydraulikzylinders (12) zur Durchführung von Lasthüben, mit einem unter Druck stehenden Hydraulikmedium,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für mindestens eine Aggregatekomponente (Kj) aus dem Druck (p ( τ )) der Dauer des Betriebes seit Inbetriebnahme eine verschleißbestimmende Kennzahl (Z1) berechnet wird, dass aus der Kennzahl und einer für die Aggregatekomponente festgelegten Verschleißgrenze (zι, 0) ein Verschleißgrad (g{) bestimmt wird und dass für das gesamte Aggregat unter den Verschleißgraden (gθ aller
Aggregatekomponenten das Maximum ermittelt und daraus ein Gesamt-Verschleißgrad (G) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennzahl (Z1) aus dem Zeitintegral des Druckes (p ( τ )) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gewinnung der Zustandsgröße die Temperatur des Hydraulikmediums einbezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren für Fehlermeldungen vorgesehen sind und dass die Anzahl der Fehlermeldungen in die Gewinnung der Zustandsgröße einbezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Lasthub das Produkt aus Druck und Dauer gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdauer des Hydraulikaggregates (25) unterhalb und oberhalb einer Grenztemperatur gemessen und ausgewertet wird.
7. Hydraulikaggregat zur Versorgung eines Hydraulikzylinders (12) zur Durchführung von Lasthüben, mit einer Pumpe (26), einem Steuerventil (30), einem den Druck während eines Lasthubes messenden Drucksensor (32) und einem Steuergerät (31), das eine Anzeigevorrichtung (40) aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass es für mindestens eine Aggregatekomponente (K|) aus dem Druck (p (τ )) und der Zeitdauer des Betriebes seit Inbetriebnahme eine verschleißbestimmende Kennzahl (zi) berechnet, aus der Kennzahl und einer für die Aggregatekomponente festgelegten Verschleißgrenze (z,, 0), einen Verschleißgrad (g,) bestimmt und für das gesamte Aggregat unter den Verschleißgraden (gι) aller
Aggregatekomponenten das Maximum und daraus einen Gesamt-Verschleißgrad (G) bildet.
8. Hydraulikaggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (31) derart ausgebildet ist, dass es geeignet ist, einen automatischen Selbsttest durchzuführen, bei dem die Pumpe (26) einen Druck aufbaut, dessen zeitlicher Verlauf zur Bestimmung von Fehlern auswertbar ist.
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