Verdrängermaschine und hydraulische Anordnung mit hydrostatischer

Verdrängermaschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose des Zustandes einer hydraulischen Verdrängermaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im Bezug auf Fehler und Verschleißvorgänge und eine hydraulische Anordnung mit einer

hydraulischen Verdrängermaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Mit dem Ausfall einer hydrostatischen Verdrängermaschine, beispielsweise einer Verdrängerpumpe oder eines Verdrängermotors, über die in einem bestimmungsgemäßen Betrieb ein Verbraucher mit hydraulischer oder mechanischer Leistung versorgt wird, geht häufig eine Störung oder sogar ein Ausfall des Verbrauchers oder eines gesamten Systems einher. Die Folge kann eine Produktionsunterbrechung oder die Unterbrechung von Arbeitsprozessen sein. Kosten die mit dieser Unterbrechung verbunden sind, sind meist um ein vielfaches höher als Kosten, die zur Behebung des eigentlichen Schadens an der Verdrängermaschine anfallen. Es ist daher von Bedeutung, den Zustand, insbesondere den Verschleiß- beziehungsweise Fehlerzustand von Verdrängermaschinen diagnostizieren zu können, so dass eine Wartung oder ein Austausch der Verdrängermaschine rechtzeitig vor deren Ausfall möglich ist.

Neben der Verhinderung des Ausfalls ist eine frühzeitige Erkennung eines verschleißbedingten Wirkungsgradverlustes von Vorteil. Ohne die Diagnose der Verdrängermaschine bleibt dieser Wirkungsgradverlust in der Regel unerkannt. So wird der fortschreitend abnehmende Wirkungsgrad, beispielsweise einer Verdrängerpumpe, von der Pumpenregelung einfach über eine Erhöhung der Drehzahl kompensiert. Ein derart schleichend zunehmender Verschleiß bleibt ohne Diagnose unentdeckt und führt zu einem kontinuierlich steigenden Energiebedarf. Gelingt es dagegen, die Verdrängermaschine beziehungsweise deren Verschleißzustand geeignet und mit wenig Aufwand zu diagnostizieren, können beträchtliche Energiekosten eingespart werden. Aus dem Stand der Technik sind hierfür mobile Diagnosegeräte mit implementierten Diagnoseverfahren - sogenannte Werkstatt-Tester - bekannt. Ein derartiges Gerät ist beispielsweise der Hydraulik-Tester SCLV-PTQ des Herstellers Parker Hannifin gemäß dessen Katalog 4054-2 des Jahres 2010. Dessen Diagnoseverfahren führt eine modellgestützte Bestimmung des Wirkungsgrades der Verdrängermaschine auf Basis einer Vermessung einer Vielzahl von Prozessgrößen der Verdrängermaschine aus.

Nachteilig an diesem wirkungsgradbasierten Verfahren ist, dass vor einer möglichen Diagnose zur Absicherung des mathematischen Modells für eine Vielzahl von Arbeitspunkten der Verdrängermaschine Feldmessungen durchgeführt werden müssen. Dabei sind die Prozessgrößen Druckmittelvolumeneingangsstrom, Druckmittelvolumenaus- gangsstrom, Eingangsdruck, Ausgangsdruck, Drehzahl und Drehmoment der Antriebswelle (bei einer Pumpe) beziehungsweise Drehmoment der Abtriebswelle (bei einem Motor) der Verdrängermaschine zu ermitteln. Bereits dies stellt einen erheblichen Aufwand dar. Zum diesem Aufwand für die Modellbildung beziehungsweise

Absicherung kommt hinzu, dass für jede Diagnose beziehungsweise Vermessung der Verdrängermaschine das Diagnosegerät aufwändig an der Verdrängermaschine montiert werden muss, um die genannten Volumenströme und Drücke zu bestimmen und eine Aussage über die Leistung beziehungsweise den Wirkungsgrad machen zu können. Dabei kann es zu Produktions- beziehungsweise Betriebsunterbrechungen mit dem damit verbundenen Aufwand für Personal und Material kommen oder es müssen zu dessen Vermeidung redundante Verdrängermaschinen bereitgehalten werden.

Jerome J. Palazzolo et al. beschreiben in Ihrer Veröffentlichung„Leakage Fault

Detection Method for Axial-Piston Variable Displacement Pumps" ein Diagnoseverfahren, dass eine Signalform von Messsignalen bezogen auf periodische Abweichungen ermittelt. Dadurch können zwar Schäden oder Montagefehler einzelner Kolben detektiert werden, nicht aber ein auf die gesamte Verdrängermaschine bezogener Verschleiß diagnostiziert werden.

Die Aufgabe des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose und der vorliegenden erfindungsgemäßen hydraulischen Anordnung ist es daher, ein Verfahren beziehungsweise eine hydraulische Anordnung bereitzustellen, bei dem beziehungsweise bei der ein Aufwand zur Diagnose einer hydraulischen Verdrangernnaschine verringert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine hydraulische Anordnung mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche.

Ein Verfahren zur Diagnose, insbesondere zur Zustands- und / oder zur Fehlerdiagnose, einer hydrostatischen Verdrängermaschine, über die ein Verbraucher je nach Betriebsart der Maschine mit hydraulischer oder mechanischer Energie versorgbar ist, und die ein Gehäuse und zumindest einen darin angeordneten hydrostatischen Arbeitsraum hat, der insbesondere in einem bestimmungsgemäßen Betrieb der hydrostatischen Verdrängermaschine eine Leckage in das Gehäuse aufweist, weist erfindungsgemäß folgende Schritte auf:„Verstellung, insbesondere Erhöhung, einer Last der hydrostatischen Verdrängermaschine gemäß einer Sprungfunktion"; und „Diagnose beziehungsweise„Condition Monitoring" der hydrostatischen Verdrängermaschine in Abhängigkeit einer Sprungantwort eines Gehäusedrucks der hydrostatischen Verdrängermaschine".

Gegenüber dem herkömmlichen wirkungsgradbasierten Verfahren aus dem Stand der Technik, bei dem zur Vermessung von Kenngrößen des Wirkungsgrades für eine Vielzahl von Arbeits- oder Betriebspunkten der Verdrängermaschine eine Vermessung der Prozessgrößen Druckmittelvolumenausgangsstrom, Druckmittelvolumeneingangs- strom, Eingangsdruck, Ausgangsdruck, Drehzahl und Drehmoment der Antriebswelle (bei einer als Pumpe ausgebildeten Verdrängermaschine) beziehungsweise Drehmoment der Abtriebswelle (bei einer als Motor ausgebildeten Verdrängermaschine) erfolgen muss, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass sowohl zur Anpassung des Modells als auch für die Diagnose lediglich die Sprungantwort des Gehäusedrucks zu messen ist. Die Anzahl der Messgrößen, und damit ein verfahrenstechnischer und ein vorrichtungstechnischer Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist somit vor und während der Diagnose deutlich verringert. Die Messgröße Gehäusedruck bietet zudem den großen Vorteil, dass sie verglichen mit dem beim herkömmlichen Verfahren zu bestimmenden Hochdruck der Verdrängermaschine niedrig ist und dadurch günstige Druckbestimmungseinheiten beziehungsweise Drucksensoren Verwendung finden können. Dies stellt eine bedeutende Möglichkeit zur Verringerung eines vorrichtungstechnischen Aufwandes dar. Gegenüber dem leckagebasierten Verfahren des Standes der Technik (Palazzolo et al.) weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass ein Verschleißzustand der gesamten Verdrängermaschine und nicht nur einzelner Bauteile der Maschine diagnostizierbar ist. So kann eine stetige Abnutzung beziehungsweise Veränderung hydrostatisch entlasteter oder volumenstromführender Kontaktstellen der Maschine auf einfache Weise erkannt beziehungsweise diagnostiziert werden.

Der Gehäusedruck ist dabei insbesondere ein Gehäuseinnendruck beziehungsweise ein Leckagedruck. Unter der Sprungfunktion ist eine zeitlich zumindest abschnittsweise schnelle Verstellung der Last zu verstehen. Die Verstellung der Last kann dabei über eine Verstellung eines Betriebsparameters eines Verbrauchers der Verdrängermaschine oder über eine Verstellung eines Betriebsparameters der hydrostatischen

Verdrängermaschine selbst erfolgen.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens, die eine verstellbare hydrostatische Verdrängermaschine voraussetzt, erfolgt der Schritt„Verstellung der Last der hydrostatischen Verdrängermaschine gemäß der Sprungfunktion" durch einen Schritt„Verstellung eines geometrischen Volumens des zumindest einen oder zumindest eines hydrostatischen Arbeitsraums" gemäß der Sprungfunktion.

Für den Fall, dass die verstellbare hydrostatische Verdrängermaschine als Pumpe arbeitet beziehungsweise als Pumpe ausgebildet ist, wird das geometrische Volumen des Arbeitsraums bei dessen Verstellung bevorzugt vergrößert. Insbesondere bei konstanter Drehzahl der Pumpe und konstantem Verbraucher führt dies gemäß der Sprungfunktion zu einer entsprechenden Vergrößerung eines Druckmittelvolumenstroms der Pumpe, worauf hin sich ein höherer Druck im Arbeitsraum der Pumpe ergibt. Dieser höhere Druck führt in Folge zu einer verstärkten Leckage aus dem Arbeitsraum in das Gehäuse der Pumpe. Wird die Leckage nicht in gleicher Weise direkt abgeführt, kommt es zu einer Erhöhung des Gehäusedrucks in Form der Sprungantwort. Diese wird zur Diagnose als Maß für die Leckage beziehungsweise für den Verschleiß der Pumpe ausgewertet. Wird die verstellbare hydrostatische Verdrängermaschine als Motor betrieben beziehungsweise ist sie als Motor ausgebildet, wird das geometrische Volumen des Arbeitsraums bei dessen Verstellung bevorzugt verkleinert. Insbesondere bei einem konstanten Eingangs-Druckmittelvolumenstrom des Motors und konstantem Verbraucher resultieren daraus ebenso eine Erhöhung des Druckes im Arbeitsraum und die verstärkte Leckage des Druckmittels aus dem Arbeitsraum in das Gehäuse des Motors. Auch in diesem Fall ergibt sich die Sprungantwort des Gehäusedruckes, die zur Diagnose ausgewertet wird.

Ist die verstellbare hydrostatische Verdrängermaschine beispielsweise als Axialkolbenmaschine in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauweise oder in Tilting-Cup- Bauweise ausgeführt, kann der Schritt„Verstellung des geometrischen Volumens des Arbeitsraums" vorrichtungstechnisch besonders einfach durch einen Schritt„Verstellung eines Schwenkwinkels" gemäß der Sprungfunktion erfolgen.

Für den Fall, dass die hydrostatische Verdrängermaschine als Konstantpumpe ausgebildet ist, so dass ihr Arbeitsraum beziehungsweise dessen geometrisches Volumen nicht verstellbar ist, erfolgt der Schritt„Verstellung der Last der hydrostatischen

Verdrängermaschine gemäß der Sprungfunktion" bevorzugt durch einen Schritt „Drosselung eines Hochdruckmittelvolumenstroms der Konstantpumpe gemäß der Sprungfunktion". Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit auch unabhängig von einer Verstellbarkeit der hydrostatischen Verdrängermaschine durchführbar.

Für den Fall, dass die hydrostatische Verdrängermaschine als Konstantmotor ausgebildet ist erfolgt der Schritt„Verstellung der Last der hydrostatischen Verdrängermaschine gemäß der Sprungfunktion" bevorzugt durch einen Schritt„Abbremsung des Konstantmotors". Dabei erfolgt die Abbremsung insbesondere durch eine Erhöhung eines Abtriebswiderstands des Motors und dessen Diagnose ist somit ebenso unabhängig von der Verstellbarkeit der hydrostatischen Verdrängermaschine durchführbar. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt vor dem Schritt „Diagnose in Abhängigkeit der Sprungantwort des Gehäusedrucks" ein Schritt „Ermittlung einer Abweichung der Sprungantwort von einer Sollsprungantwort".

Zur Bereitstellung der Sollsprungantwort weist das erfindungsgemäße Verfahren vor dem Schritt„Ermittlung einer Abweichung der Sprungantwort von einer Sollsprungantwort" vorteilhafterweise einen Schritt„Modellbasierte Berechnung der Sollsprungantwort in Abhängigkeit der Sprungfunktion" auf.

Eine Bestimmung beziehungsweise Messung des Gehäusedrucks liefert ein analoges Signal. Um die Verarbeitung dieses Signals durch das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren zu ermöglichen, weist dieses in einer bevorzugten Weiterbildung vor dem Schritt„Modellbasierte Berechnung der Sollsprungantwort in Abhängigkeit der

Sprungfunktion" einen Schritt„Digitalisierung der Sprungantwort" auf.

Um eine Qualität des Signals der erfassten Sprungantwort und damit die Diagnose der hydrostatischen Verdrängermaschine zu verbessern, weist das erfindungsgemäße Verfahren in einer vorteilhaften Weiterbildung nach dem Schritt„Digitalisierung der Sprungantwort" einen Schritt„Filterung der Sprungantwort" auf.

Um eine Robustheit des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens gegen Einflüsse des von der hydrostatischen Verdrängermaschine versorgten Verbrauchers zu erhöhen, weist das Verfahren in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung vor dem Schritt „Verstellung der Last der hydrostatischen Verdrängermaschine gemäß der Sprungfunktion" einen Schritt„Entkopplung der hydrostatischen Verdrängermaschine vom Verbraucher" und„Kopplung der hydrostatischen Verdrängermaschine mit einem Diagnoseverbraucher" auf. Der Diagnoseverbraucher ist dabei im Falle der als Pumpe ausgebildeten hydrostatischen Verdrängermaschine bevorzugt ein hydraulischer Verbraucher und im Falle der als Motor ausgebildeten hydrostatischen Verdrängermaschine bevorzugt ein Verbraucher mechanischer Energie mit einem gemäß der Sprungfunktion steuerbaren Verbrauchs- beziehungsweise Lastverhalten. Auf diese Weise ist es möglich, einen Verbrauchs- beziehungsweise Nutzungszyklus, in dem die Verdrängermaschine den Verbraucher bestimmungsgemäß versorgt, zu unterbrechen. Diese Unterbrechung ist dann für die Durchführung eines vom Verbraucher unbeeinflussten Diagnosezyklus des Verfahrens nutzbar, wodurch eine Robustheit des Diagnoseverfahrens beziehungsweise des Diagnoseergebnisses gegenüber Einflüssen des Verbrauchers gegeben ist. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren gemäß dem Stand der Technik, wie sie in kombinierten Sensoreinheiten mit Mediendurchfluss durch das gesamte System genutzt werden. In diesen Verfahren ist keine Entkopplung des Verbrauchers von der Verdrängermaschine vorgesehen, so dass die Diagnosefähigkeit und das Diagnoseergebnis immer auch vom Ein- fluss des Verbrauchers abhängen oder mit erheblichem Aufwand rechnerisch zu kompensieren sind. Durch zumindest je eine Diagnose mit entkoppeltem und gekoppeltem Verbraucher ist zudem eine Isolierung von Fehlern der hydrostatischen Verdrängermaschine von Fehlern einer die hydrostatische Verdrängermaschine und den Verbraucher umfassenden hydraulischen Anordnung ermöglicht. Auf diese Weise kann das Diagnoseverfahren auch zur Diagnose der hydraulischen Anordnung eingesetzt werden. Die Unterbrechung des Verbrauchs- beziehungsweise Nutzungszyklus kann zudem bei einer Initialisierung oder einer Anpassung des für den Verfahrensschritt „Modellbasierte Berechnung der Sollsprungantwort in Abhängigkeit der Sprungfunktion" benötigten mathematischen Modells genutzt werden. Besonders bevorzugt weist das Verfahren diesen Entkopplungsschritt auf, wenn der Betrieb des Verbrauchers eine kurze Unterbrechung, insbesondere eine wiederholt oder sogar periodisch eintretende Unterbrechung, zur Durchführung der Diagnose erlaubt.

Eine hydraulische Anordnung umfasst eine hydrostatische Verdrängermaschine, die zur Versorgung eines Verbrauchers mit diesem insbesondere mechanisch oder hydraulisch koppelbar ist. Die hydraulische Anordnung hat weiterhin eine Steuereinheit, über die eine Last der hydrostatischen Verdrängermaschine, insbesondere über ein von der Steuereinheit ansteuerbares Stellelement, verstellbar ist. Des Weiteren hat sie eine Druckbestimmungseinheit, insbesondere einen Drucksensor, über die beziehungsweise den ein Gehäusedruck der hydrostatischen Verdrängermaschine bestimmbar ist. Dieser Gehäusedruck ist insbesondere über eine Signalverbindung der hydraulischen Anordnung an die Steuereinheit meldbar. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dabei derart ausgestaltet, dass die Last gemäß einer Sprungfunktion verstellbar, insbesondere vergrößerbar ist, und eine Diagnose der hydrostatischen Verdrängermaschine, insbesondere eine Zustands- oder Fehlerdiagnose, in Abhängigkeit einer Sprungantwort des Gehäusedrucks durchführbar ist.

Die derart ausgestaltete Steuereinheit der erfindungsgemäßen hydraulischen Anordnung ermöglicht eine bedeutende vorrichtungstechnische Vereinfachung zur Diagnose der Verdrängermaschine: Anstatt gemäß dem vorbeschriebenen Stand der Technik eine Diagnose der Verdrängermaschine über eine Bestimmung ihres Wirkungsgrades und einer dafür nötigen Vermessung einer Vielzahl von Prozessgrößen vorzunehmen, müssen erfindungsgemäß nun nur noch zwei Messgrößen - der zeitliche Verlauf der Last und des Gehäusedruck - erfasst werden. Dieser Vorteil kommt sowohl bei der Bildung eines in der Steuereinheit zu implementierenden mathematischen Modells der Sprungantwort als Funktion der Sprungfunktion, als auch bei der eigentlichen Diagnose zum Tragen. Von großem Vorteil ist dabei, dass ein Heranziehen der Sprungantwort des Gehäusedrucks vorrichtungstechnisch besonders einfach umsetzbar ist. Im

Gegensatz zur gemäß dem Stand der Technik notwendigen Messung des Hochdrucks der Verdrängermaschine kann zur Bestimmung des Gehäusedrucks eine Bestimmungseinheit beziehungsweise ein Drucksensor des Niederdrucksegments gewählt werden. Somit sind günstige Drucksensoren mit einem Messbereich von beispielsweise 5 bis 30 bar einsetzbar. Ein großer Vorteil ist, dass diese bereits häufig in der Verdrängermaschine vorinstalliert sind, so dass ein Teil der notwendigen Vorrichtungen zur Diagnose der Verdrängermaschine bereits„on board" vorhanden sind. In diesem Fall ist der vorrichtungstechnische Aufwand zur Diagnose der Verdrängermaschine weiter verringert.

In einer bevorzugten Weiterbildung der hydraulischen Anordnung ist die hydrostatische Verdrängermaschine verstellbar. In diesem Fall ist die Verstellung der Last gemäß der Sprungfunktion vorrichtungstechnisch besonders einfach über eine Verstellung beziehungsweise Änderung eines geometrischen Volumens eines hydrostatischen Arbeitsraums der hydrostatischen Verdrängermaschine möglich. Die erfolgt bevorzugt über eine beispielsweise als Stellzylinder oder als Linearantrieb ausgebildete Stellvorrichtung der hydrostatischen Verdrängermaschine. Die Verdrängermaschine ist bevorzugt eine verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägscheiben oder Schrägachsen oder in Tilting Cup Bauweise oder eine verstellbare Radialkolbenmaschine. Da in den genannten Maschinen häufig bereits eine Vorrichtung zur Aufnahme des Verstellwinkels oder zur Messung der Verstellung des geometrischen Volumens des Arbeitsraum vorgesehen ist, ergibt sich auch hier der Vorteil, dass ein Teil der zur Diagnose notwendigen Vorrichtungen häufig bereits„on board" vorhanden sind. In diesem Fall ist der vorrichtungstechnische Aufwand zur Diagnose der Verdrängermaschine weiter verringert. Sollte dies nicht der Fall sein, ist die Verdrängermaschine mit wenig Aufwand entsprechend nachrüstbar.

In einer dazu alternativen Weiterbildung der hydraulischen Anordnung ist die hydrostatische Verdrängermaschine vorrichtungstechnisch einfacher als Konstantmaschine ausgebildet, so dass die Verstellung der Last nicht über eine Verstellung des geometrischen Volumens der Verdrängermaschine, sondern bevorzugt über eine Verstellung der Verbrauchslast erfolgt.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der hydraulischen Anordnung ist die hydrostatische Verdrängermaschine eine Pumpe. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die hydraulische Anordnung ein Wegeventil, insbesondere ein 3/2- Wegeventil, mit einer Verbraucherschaltstellung und einer Diagnoseschaltstellung aufweist. Über die Verbraucherschaltstellung des Wegeventils ist dann ein Hochdruckanschluss der Pumpe mit einem Druckmittelanschluss des Verbrauchers verbindbar. Über die Diagnoseschaltstellung des Wegeventils hingegen ist der Hochdruckanschluss der Pumpe - bei gleichzeitiger Entkopplung vom Verbraucher - mit einem Druckmittelanschluss eines Diagnoseverbrauchers verbindbar. Dies ermöglicht auf vorrichtungstechnisch einfache Weise eine Robustheit der Diagnose der Verdrängermaschine gegen Einflüsse des Verbrauchers. Zusätzlich kann eine Isolierung von Fehlern der gesamten hydraulischen Anordnung von den Fehlern der hydrostatischen Verdrängermaschine beziehungsweise der Pumpe erfolgen. Somit kann die Diagnose auch zur Diagnose der hydraulischen Anordnung eingesetzt werden. Der Diagnoseverbraucher ist dabei zur Beaufschlagung der Pumpe mit einer definierten Last gemäß der Sprungfunktion bevorzugt als Drossel, Blende oder Düse ausgebildet oder weist eine solche auf. Ist die Verdrängermaschine eine Verstellpumpe, so ist die Drossel, Blende oder Düse bevorzugt vorrichtungstechnisch einfach fest ausgebildet. Ist die hydrostatische Verdrängermaschine hingegen eine Konstantpumpe, so ist die Drossel, Blende oder Düse des Diagnoseverbrauchers bevorzugt verstellbar, so dass die Last gemäß der Sprungfunktion über die Verstellung der Drossel, Blende oder Düse verstellbar ist.

In einer alternativen bevorzugten Weiterbildung der hydraulischen Anordnung ist die hydrostatische Verdrängermaschine ein Motor. Zudem verfügt die hydraulische Anordnung eine über die Steuereinheit steuerbare Bremse, über die der Motor, insbesondere eine Abtriebswelle des Motors oder eine mit dieser gekoppelte Welle, mit einem Bremsmoment gemäß der Sprungfunktion beaufschlagbar ist. Besonders bevorzugt umfasst die hydraulische Anordnung diese Bremse, wenn der Motor als Konstantmotor ausgebildet ist. Um den Motor, ähnlich wie bereits vorbeschrieben die Pumpe, von seinem Verbraucher entkoppeln zu können, weist die hydraulische Anordnung in einer vorteilhaften Weiterbildung zudem eine Kupplungseinheit mit einer Betriebsschaltstellung und einer Diagnoseschaltstellung auf. Über die Betriebsschaltstellung ist dabei die Abtriebswelle des Motors mit einer Welle des Verbrauchers koppelbar. Über die Diagnoseschaltstellung hingegen ist die Abtriebswelle des Motors von dieser Welle entkoppelbar. Auf diese Weise kann eine Bremsung der Abtriebswelle unabhängig von der Last des Verbrauchers erfolgen. Die Bremse fungiert somit als Diagnoseverbraucher.

Die Varianten der hydraulischen Anordnung der Pumpe mit Wegeventil und des Motors mit Kupplungseinheit sind besonders bevorzugt, wenn der Betrieb der hydraulischen Anordnung eine kurze Betriebsunterbrechung, insbesondere eine wiederholt oder sogar periodisch eintretende Unterbrechungen, zur Durchführung der Diagnose erlaubt.

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydraulischen Anordnung und zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen hydraulischen Anordnung zusammen mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung; und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen hydraulischen

Anordnung zusammen mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Anordnung 1 zusammen mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 2 zur Diagnose einer als verstellbare hydrostatische Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgeführten hydrostatischen Verdrängermaschine 4.

Die hydraulische Anordnung 1 hat die Axialkolbenpumpe 4, einen Verbraucher 6 und eine Steuereinheit 8. In der Steuereinheit 8 ist das erfindungsgemäße Verfahren 2 implementiert. Der Verbraucher 6 beziehungsweise ein Druckmitteleingang 10 des Verbrauchers 6 ist über eine Hochdruckleitung 12 mit einem Hochdruckanschluss 14 der Axialkolbenpumpe 4 verbunden. Ein Niederdruckanschluss 16 der Axialkolbenpumpe 4 ist über eine Niederdruckleitung 18 mit einem Tank 20 verbunden. Ein Gehäuse 22 der Axialkolbenpumpe 4 weist zur Abfuhr eines Leckagestroms einen

Leckageanschluss 24 auf. Dieser ist über eine Leckageleitung 26 mit dem Tank 20 verbunden. Über eine Sensorleitung 28 ist eine als Drucksensor ausgebildete Bestimmungseinheit 30 an die Leckageleitung 26 angeschlossen. Das in der Steuereinheit 8 implementierte Verfahren 2 hat die Schritte Konditionierung beziehungsweise Digitalisierung einer Sprungantwort 32, Filterung der Sprungantwort 34, modellbasierte Berechnung einer Sollsprungantwort in Abhängigkeit der Sprungfunktion 36, Ermittlung einer Abweichung der Sprungantwort von der Sollsprungantwort 38, einen Schritt Diagnose in Abhängigkeit der Sprungantwort beziehungsweise der Abweichung 40 und einen Schritt Ausgabe der Diagnose 42. Weiterhin umfasst das Verfahren die Schritte iterative Modelloptimierung 44 und Initialisierung von Fehlergrenzen 46. Als einen zentralen Schritt zur Diagnose der Axialkolbenpumpe 4 weist das Verfahren 2 einen Schritt Verstellung einer Last der hydrostatischen Axialkolbenpumpe 4 (beziehungsweise der Verdrängermaschine) gemäß einer Sprungfunktion 48 auf.

Es folgt eine Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens 2 zur Diagnose der Axialkolbenpumpe 4: In einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand der hydraulischen Anordnung 1 saugt die Axialkolbenpumpe 4 gemäß ihrer Drehzahl und ihres Schwenkwinkels α über die Niederdruckleitung 18 aus dem Tank 20 Druckmittel an und fördert es über den Hochdruckanschluss 14 und die Hochdruckleitung 12 zu einem Druckmitteleingang 10 des Verbrauchers 6. Die Förderung des Druckmittels erfolgt dabei in einem offenen Kreislauf, so dass der Druckmittelvolumenstrom den Verbraucher 6 wieder zum Tank 20 hin verlässt. Die Axialkolbenpumpe 4 läuft dabei mit der konstanten Drehzahl n und mit dem über die Steuereinheit 8 konstant eingestellten Schwenkwinkel a, der in Figur 1 durch einen diagonalen Pfeil des Symbols der Axialkolbenpumpe 4 symbolisiert ist. Es soll nun eine Diagnose der Axialkolbenpumpe 4 auf Verschleiß erfolgen. Zu diesem Zweck wird der Schritt 48 des Verfahrens (Verstellung der Last der Axialkolbenpumpe 4 gemäß der Sprungfunktion) ausgeführt. Die Steuereinheit 8 übermittelt über eine Signalverbindung 49 die Sprungfunktion des Schwenkwinkels α an einen in Figur 1 nicht dargestellten Stellzylinder der Axialkolbenpumpe 4. Dieser führt die Verstellung des Schwenkwinkels α der Schrägscheibe Axialkolbenpumpe 4 gemäß der Sprungfunktion durch. Die Verstellung des Schwenkwinkels α erfolgt dabei in Richtung einer Vergrößerung eines geometrischen Hubvolumens der Arbeitsräume der Axialkolbenpumpe 4. Bei gleichbleibender Drehzahl der Axialkolbenpumpe 4 und Last des Verbrauchers 6 ergibt sich kurzfristig eine Erhöhung des Drucks in den Arbeitsräumen mit einem zeitlichen Verlauf. In Folge kommt es zu einer verstärkten Leckage aus den Arbeitsräumen in einen Innenraum des Gehäuses 22 der Axialkolbenpumpe 4. Versuche ergeben, dass mit der verstärkten Leckage eine

Druckerhöhung im Gehäuse 22 und damit in der Leckageleitung 26 einhergeht. Der Druck in der Leckageleitung 26 beziehungsweise im Gehäuse 22 wird durch den Drucksensor 30 aufgenommen. Da eine„Störung" des Betriebszustandes der Axialkolbenpumpe 4 gemäß der Sprungfunktion erfolgte, zeigt der Druck im Gehäuse 22 beziehungsweise in der Leckageleitung 26 ein Verhalten in Form einer Sprungantwort. Auf die Sprungfunktion beziehungsweise die spezifische zeitliche Änderung des Schwenkwinkels der Axialkolbenpumpe 4 reagiert somit der Leckagedruck mit einem spezifischen zeitlichen Verlauf. Dieser vom Drucksensor 30 aufgenommene Verlauf der Sprungantwort einerseits und die aufgeprägte Sprungfunktion des Schrittes 48 andererseits gehen über Signalverbindungen 31 und 47 zur Diagnose in das Verfahren 2 ein. Zunächst wird die Sprungantwort des Leckagedrucks vom Drucksensor 30 an die Steuereinheit 8 über die Signalverbindung 31 übergeben. Im Verfahrensschritt 32 (Konditionierung beziehungsweise Digitalisierung der Sprungantwort) wird das analoge Messsignal digitalisiert. Es erfolgt eine Weitergabe des digitalen Messsignals beziehungsweise der digitalisierten Sprungantwort an den Schritt 34 des Verfahrens 2, in dem die Sprungantwort gefiltert beziehungsweise von Rauschen befreit wird. Nach der Weitergabe der so aufbereiteten Sprungantwort erfolgt in Schritt 36 die modellbasierte Berechnung einer Sollsprungantwort, die den zeitlichen Verlauf des Leckagedruckes in einem Zustand der Axialkolbenpumpe 4 darstellt, in dem diese keinerlei Verschleiß aufweist, also fehlerfrei ist. Als Input zur Berechnung der Sollsprungantwort erhält der Verfahrensschritt 36 vom Verfahrensschritt 48 über die Signalverbindung 47 die

Sprungfunktion. Beide Sprungantworten, also die gemessene, digitalisierte und gefilterte Sprungantwort des Leckagedrucks, und die modellbasiert errechnete

Sollsprungantwort werden an den Verfahrensschritt 38 (Ermittlung der Abweichung der Sprungantwort von der Sollsprungantwort) übergeben. Vom Verfahrensschritt 46 (Initialisierung von Fehlergrenzen) gehen dabei die für die Diagnose eines garantierten Fehlers beziehungsweise Verschleißes notwendigen und in einem vorausgehenden Initialisierungsverfahren ermittelten Fehlergrenzen ein (Beschreibung weiter unten). Die Fehlergrenzen und die ermittelte Abweichung der Sprungantwort werden in Schritt 40 (Diagnose) verarbeitet und es erfolgt mit dem Schritt 42 eine Ausgabe des

Diagnoseergebnisses.

Zur Durchführung der Diagnose benötigt das Verfahren 2 beziehungsweise die

Steuereinheit 8 somit als Input die Sprungantwort des Leckagedrucks und die Sprungfunktion des Schwenkwinkels α der Axialkolbenpumpe 4. Diese beiden Größen beziehungsweise deren zeitlichen Verläufe sind vorrichtungstechnisch besonders einfach zu ermitteln. Besonders vorteilhaft ist dabei dass nicht der am Hochdruckanschluss 14 der Axialkolbenpumpe 4 anliegende Hochdruck sondern der bedeutend niedrigere Leckagedruck, der etwa im Bereich des Gehäusedrucks liegt, erfasst werden muss. Der Drucksensor 30 muss dabei lediglich für ein Messintervall von etwa 5 bis 30 bar ausgelegt sein und ist daher vergleichsweise kostengünstig. Die Sprungfunktion kann entweder wie in Figur 1 dargestellt direkt vom Verfahrensschritt 48 als Sollsprungfunktion in den Verfahrensschritt 36 eingehen oder über einen Winkelaufnehmer oder Wegaufnehmer (nicht dargestellt) der Axialkolbenpumpe 4 an den Verfahrensschritt 36

(Berechnung Sollsprungantwort) übermittelt werden. Derartige Winkel- oder Wegaufnehmer sind häufig bereits in verstellbaren Verdrängermaschinen vorgesehen. Ebenso ist in derartigen Maschinen häufig bereits der Drucksensor 30 vorgesehen. An dieser Stelle wird ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens 2 beziehungsweise der Steuereinheit 8 offenkundig: Die Diagnose erfolgt mit vorrichtungstechnisch besonders einfachen Mitteln, die häufig bereits in der Verdrängermaschine beziehungsweise in der Axialkolbenpumpe 4 vormontiert beziehungsweise„on-board" verfügbar sind. Sollten sie dies nicht sein, ist es mit vergleichsweise wenig Aufwand möglich, den Drucksensor 30 und den Winkel- beziehungsweise Wegaufnehmer zu installieren.

Gegenüber den mobilen Diagnosegeräten des Standes der Technik hat dies den Vorteil, dass die zur Diagnose notwendige Sensorik an der zu diagnostizierenden Verdrängermaschine vorliegt, sobald sie einmal installiert ist. Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren 2 beziehungsweise die erfindungsgemäße hydraulische Anordnung 1 wie weiter oben beschrieben den Vorteil, dass die Diagnose unabhängig von einer Ermittlung des Wirkungsgrades der Verdrängermaschine beziehungsweise Axialkolbenpumpe 4 erfolgen kann. Den in wirkungsgradbasierten Verfahren aufwändig in Feldmessungen zu bestimmenden vier bis sechs Prozessgrößen stehen die nur zwei Prozessgrößen des Leckagedrucks und des Schwenkwinkels des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der erfindungsgemäßen hydraulischen Anordnung gegenüber.

Ursächlich wird die Reduzierung der zu ermittelnden Prozessgrößen der Verdrängermaschine beziehungsweise der Axialkolbenpumpe 4 durch das im Schritt 36 implementierte mathematische Modell ermöglicht. Anstatt einer Modellierung des Wirkungsgrades in Abhängigkeit der sechs oben genannten Prozessgrößen und der Anpassung des Modells mit Hilfe der Vermessung mehrerer Arbeitspunkte erfolgt im erfindungsgemäßen Modell eine Modellierung des Leckageverhaltens von Volumenstrom führenden Kontaktstellen der Verdrängermaschine beziehungsweise der Axialkolbenpumpe 4. Zur Modellierung wird dabei ein geeignet strukturiertes mathematisches Modell ausgewählt, dessen Parameter durch den Verfahrensschritt 44 (Iterative Modelloptimierung) im Zuge einer geeigneten Anzahl von Versuchsmessungen optimiert werden. Hierzu wird eine Anzahl von zehn Messungen bevorzugt. Die Optimierung der Modellparameter erfolgt dabei in einem Zustand der Verdrängermaschine beziehungsweise Axialkolbenpumpe 4, in dem diese noch keinen Verschleiß aufweist. In diesem Zustand kann von einer 100%igen Modellgüte gesprochen werden, wenn im Verfahrensschritt 36 die durch das mathematische Modell errechnete Sollsprungantwort keine Abweichung von der an diesen Verfahrensschritt übermittelten digitalisierten und gefilterten realen Sprungantwort festgestellt werden kann. Die Optimierung der Modellparameter des Verfahrensschrittes 36 (Berechnung der Sollsprungantwort) wird durch die in Figur 1 gestrichelte Signalverbindung zwischen dem Verfahrensschritt 44 (Iterative Modelloptimierung) und dem diagonalen Pfeil des Verfahrensschritts 36 (Berechnung der Sollsprungantwort) symbolisiert. Für eine tatsächliche Beurteilung, ob die im Verfahrensschritt 38 ermittelte Abweichung der realen Sprungantwort von der Sollsprungantwort einem Fehler der diagnostizierten hydraulischen Verdrängermaschine beziehungsweise Axialkolbenpumpe 4 entspricht, gehen über den Verfahrensschritt 46 (Initialisierung der Fehlergrenzen) aus Sprungantworten fehlerhafter Verdrängermaschinen ermittelte Fehlergrenzen ins Verfahren ein.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydraulischen Anordnung 101 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 102 zur Diagnose des Zustandes der hydrostatischen Verdrängermaschine beziehungsweise der Axialkolbenpumpe 4 im Bezug auf Fehler und auf Verschleißvorgänge.

Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel der hydraulischen Anordnung gemäß Figur 1 weist die hydraulische Anordnung 101 gemäß Figur 2 zusätzlich einen

Diagnoseverbraucher 150 und ein 3/2-Wegeventil 152 auf. Das 3/2-Wegeventil 152 ist durch eine Signalverbindung 154 mit einer Steuereinheit 108 verbunden. Aufgrund der genannten zusätzlichen Komponenten der hydraulischen Anordnung 101 und einer Steuerung des 3/2-Wegeventils 152 durch die Steuereinheit 108 weicht auch das in Figur 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens 102 vom ersten

Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ab. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird bei der Beschreibung der Figur 2 überwiegend auf die vorrichtungs- und verfahrenstechnischen Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 eingegangen.

Ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel der hydraulischen Anordnung 1 gemäß Figur 1 ist der Hochdruckanschluss 14 der Axialkolbenpumpe 4 über die Hochdruckleitung 12 mit dem Druckmitteleingang 10 des Verbrauchers 6 verbunden. In dieser Hochdruck- leitung 12 ist das 3/2-Wegeventil 152 angeordnet. Dieses hat zwei Schaltstellungen: eine Verbraucherschaltstellung 151 , über die der Hochdruckanschluss 14 der Axialkolbenpumpe 4 mit dem Verbraucher 6 verbindbar ist, und eine Diagnoseschaltstellung 153, über die der Verbraucher 6 vom Hochdruckanschluss 14 der Axialkolbenpumpe 4 trennbar ist. Über die letztgenannte Schaltstellung ist der Hochdruckanschluss 14 zudem mit dem Diagnoseverbraucher 150 verbindbar. Eine Ansteuerung des 3/2-Wege- ventils 152 erfolgt dabei über die Steuereinheit 108 und die Signalverbindung 154, über die die Steuereinheit 108 auf einen Elektromagneten des 3/2-Wegeventils 152 einwirkt. Es folgt eine Beschreibung der Besonderheiten des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens 102 und der hydraulischen Anordnung 101 .

Es sei angenommen, dass die hydraulische Anordnung 101 den Verbraucher 6 nach dessen Anforderungen mit einem schwankenden Druckmittelvolumenstrom versorgt. Der Betrieb der Axialkolbenpumpe ist somit instationär. Ein Bediener der Steuereinheit 108 gibt nun über eine nicht dargestellte Benutzerschnittstelle die Anweisung, eine Diagnose durchzuführen. Auf eine Verlässlichkeit beziehungsweise Robustheit der Diagnose beziehungsweise des Diagnoseergebnisses würde sich die zeitlich

veränderliche Anforderung von Druckmittel durch den Verbraucher 6 nachteilig auswirken. Bevor die Diagnose durch den Verfahrensschritts„Verstellung gemäß der Sprungfunktion" 148 angestoßen wird, erfolgt daher ein Verfahrensschritt„Entkopplung beziehungsweise Trennung der Axialkolbenpumpe 4 vom Verbraucher 6" durch die Ansteuerung des 3/2-Wegeventils 152, so dass dieses in seine Diagnoseschaltstellung 153 verstellt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Diagnose der

Axialkolbenpumpe 4 völlig frei von Einflüssen des Verbrauchers 6 erfolgen kann. Eine für die Diagnose der Axialkolbenpumpe 4 notwendige Last der Axialkolbenpumpe wird dabei über den Diagnoseverbraucher 150 aufgeprägt. Dieser 150 ist als eine feste Drossel konstanten Querschnitts ausgebildet. Direkt im Anschluss an die Entkopplung der Axialkolbenpumpe 4 vom Verbraucher 6 und der Verbindung der Axialkolbenpumpe 4 mit dem Diagnoseverbraucher 150 erfolgt der Verfahrensschritt 148 (Verstellung der Last gemäß der Sprungfunktion). Dazu wird der Schwenkwinkel α der verstellbaren Axialkolbenpumpe 4 in Form einer zeitlichen Sprungfunktion verstellt. Die Verstellung erfolgt dabei schnell und in Richtung eines größeren Hubvolumens. Wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 erhöht sich dadurch der Druck in den Arbeitsräumen was zu einer erhöhten Leckage aus den Arbeitsräumen in den

Innenraum des Gehäuses 22 der Axialkolbenpumpe 4 führt. Mit dieser erhöhten Leckage steigt der Gehäuseinnendruck beziehungsweise der Leckagedruck, der in der Leckageleitung 26 von der Druckbestimmungseinheit beziehungsweise dem

Drucksensor 30 erfasst wird. Es erfolgt nun analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 mit dem Verfahrensschritt 32 (Digitalisierung der Sprungantwort), dem Verfahrensschritt 34 (Filterung der digitalisierten Sprungantwort) die Berechnung der Sollsprungantwort im Verfahrensschritt 36. Es wird dabei angenommen, dass die Modellparameter des im Verfahrensschritt 36 implementierten mathematischen Modells der Sprungantwort bereits wie zuvor im Ausführungsbeispiel 1 gemäß Figur 1 beschrieben im Verfahrensschritt 44 (Iterative Modelloptimierung) durchgeführt wurde. Analog dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt im Verfahrensschritt 38 die Ermittlung der Abweichung der Sprungantwort von der berechneten Sollsprungantwort und daraufhin die Diagnose der Axialkolbenpumpe 4 im Verfahrensschritt 40. Die Ausgabe des Diagnoseergebnisses erfolgt dann im Verfahrensschritt 42. Nach der Durchführung des Diagnoseverfahrens erfolgt automatisch ein Verstellen des 3/2-Wegeventils in dessen Verbraucherschaltstellung 151 , so dass einerseits der Diagnoseverbraucher 150 von der Axialkolbenpumpe 4 getrennt beziehungsweise entkoppelt wird und andererseits der bestimmungsgemäße Verbraucher 6 wieder über die

Axialkolbenpumpe 4 und die Hochdruckleitung 12 mit Druckmittel versorgt wird.

Abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Schritt Verstellung der Last gemäß einer Sprungfunktion ein bestimmungsgemäßes Stellsignal zur Versorgung des Verbrauchers 6 durch die Axialkolbenpumpe 4 sein, so dass keinerlei Unterbrechung der Druckmittelversorgung des Verbrauchers 6 erfolgen muss. Besonders geeignet sind dafür Verbraucher, die beispielsweise periodische Betriebszyklen aufweisen, wie beispielsweise periodisch arbeitende Maschinen, insbesondere Spritzgussmaschinen. Hier kann ein für den Produktionsbetrieb benötigtes periodisches schnelles Verstellen des Druckmittelvolumenstroms unmittelbar als Sprungfunktion zur Diagnose der Axialkolbenpumpe 4 genutzt werden. Auf diese Weise ist ein Diagnosezyklus elegant in den Verbrauchs- beziehungsweise Nutzungs- beziehungsweise

Betriebszyklus integrierbar. Generell kann die Entkopplung des Verbrauchers von der hydrostatischen Verdrangernnaschine zur Onlineadaption fehlertoleranter Regelungskonzepte

hydraulischer Maschinen und Systeme genutzt werden.

Alternativ oder ergänzend zu den gezeigten Ausführungsbeispielen kann das

Diagnoseverfahren auf Feldhardware implementiert sein. Beispielsweise ist eine

Einbindung der Diagnose und insbesondere der Diagnoseausgabe in ein

Feldbussystem denkbar, was eine zentralisierte Überwachung auch mehrerer

Verdrängermaschinen und eine optimale Wartungsplanung ermöglicht.

Offenbart ist ein Verfahren zur Diagnose, insbesondere zur Zustands- und / oder Fehlerdiagnose, einer hydrostatischen Verdrängermaschine. Die Diagnose erfolgt dabei erfindungsgemäß in Abhängigkeit einer Sprungantwort eines Gehäusedruckes, die aus einer Verstellung einer Last der hydrostatischen Verdrängermaschine gemäß einer Sprungfunktion resultiert.

Offenbart ist weiterhin eine hydraulische Anordnung mit einer hydrostatischen

Verdrängermaschine zur Versorgung eines Verbrauchers und mit einer Steuereinheit, wobei erfindungsgemäß über die Steuereinheit eine Last der Verdrängermaschine gemäß einer Sprungfunktion verstellbar und eine Diagnose der hydrostatischen

Verdrängermaschine in Abhängigkeit einer Sprungantwort eines Gehäusedrucks durchführbar ist.