Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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388 12 Messtechnik in der Hydraulik
erstellt. Die Sekundärkalibrierung der Sensoren sollte 1mal pro Jahr wiederholt
werden.
12.2.4 Der PC als Messgerät
Der in Abb. 12.53 dargestellte Aufbau zeigt das schematische Signalflussbild
einer Messanordnung unter Nutzung eines PC mit Schnittstellenkarte. Die Mess-
werte können z. B. mittels Notebook und PCMCIA (Personal Computer Memory
Card International Association) verarbeitet und ausgewertet werden.
Die Messkarten besitzen oft mehrere genormte Spannungseingänge von |0 – 10
V|,
die bei entsprechender Konfiguration von handelsüblichen Sensoren genutzt wer-
den können. Wichtig für die Messungen ist die Berücksichtigung der kleinsten
Schrittweite, die der kleinsten darstellbaren Spannungsänderung
U' des Mess-
systems entspricht. Besitzt die Messkarte z. B. eine Auflösung von 12 bit, kann
U' mit Gl. (12.29) berechnet werden.
12
12
'
bit
hMessbereic
U
(12.29)
Die Verwendung derartiger Messanordnungen ist vor allem für die laborative
Messpraxis von Bedeutung, da unter Einsatz geeigneter Software auf die Bedürf-
nisse des Anwenders speziell zugeschnittene Programme eingesetzt werden kön-
nen.
Abb. 12.53 Schema einer Messstrecke mit Notebook und PCMCIA-Karte
12.2 Hydraulikmessgeräte 389
Der Desktop kann als virtuelles Messgerät gestaltet werden. Die Messwertver-
arbeitung und -auswertung ist sehr individuell und flexibel möglich. In derartigen
Messaufbauten können nahezu alle in der Hydraulik üblichen Sensoren an-
geschlossen werden. Der in Abb. 12.53 eingezeichnete D/A Wandler für den
Volumenstrom und die Drehzahl wurden bewusst gewählt, um die Messwertver-
arbeitung in der PCMCIA-Karte für die digitalen Signale ohne Anwendung sehr
zeitintensiver Messroutinen durchführen zu können.
Abb. 12.54 Datenerfassunggerät NI USB-6229 (NATIONAL INSTRUMENTS)
Ebenso können externe Multifunktions-Datenerfassungsgeräte an den PC an-
geschlossen werden. Das in Abb. 12.54 dargestellte System von NATIONAL
INSTRUMENTS [12.45] kann u. a. mit LabView, Visual Basic 6 und C/C++
betrieben werden. Unter Nutzung der Software ist der Anwender in einer sehr
komfortablen Situation, da er umfassende Mathematikmodule nutzen kann und
sich selbst virtuelle Messgeräte erstellen kann. Allerdings ist der dazu erforder-
liche Aufwand nicht zu unterschätzen, vor allem wenn keine ausreichenden Pro-
grammierkenntnisse vorhanden sind.
In Abb. 12.55 ist ein Beispiel eines Bildschirmes des Notebook dargestellt, das
mit einem LabView Programm erstellt wurde. So können u. a. die Messdaten
grafisch dargestellt und in ASC II-Code ausgegeben und mit MS-Excel oder ande-
ren Programmen weiter verarbeitet werden.
In Kraftfahrzeugen werden modifizierte Sensoren verbaut, die den ent-
sprechenden Medien, der Belastung und der Lebensdauer des Kfz angepasst sind.
Bedingt durch die Stückzahlen können auch preislich günstige Sensoren ver-
wendet werden, die eine ausreichende Genauigkeit aufweisen. Des Weiteren sind
die Sensoren in Regelsysteme integriert, die unterschiedliche Aufgabenstellungen
ermöglichen und mit Hilfe der Bussysteme verbunden sind.
In der Vergangenheit waren die meisten Messgeräte schon von der Anschauung
her als solche erkennbar. Durch den zunehmenden Einsatz von Bussystemen und
den Gebrauch von Laptops haben sich neue Kategorien von Messadaptern heraus-
gebildet. In Abb. 12.56 sind zwei Systeme dargestellt, die unterschiedliche Auf-
gaben haben. Die Multibox (Abb. 12.56 a) gestattet den Anschluss von vier
Sensoren. Die Daten werden in der Box aufbereitet und die Datenübertragung an
390 12 Messtechnik in der Hydraulik
den PC erfolgt mittels USB-Kabel. Ein modifiziertes Gerät besitzt einen internen
Speicher (SD-Karte) und kann so die Messdaten speichern und als autonomer
Datenlogger arbeiten. Konfiguration und Programmierung erfolgen mit dem an-
geschlossenen PC, danach kann die USB-Verbindung getrennt werden. Der Ein-
satz als Datenlogger ist vor allem im mobilen Bereich bei der Erprobung von
Maschinen von Interesse [12.46, 12.47].
Abb. 12.55 Programm LabVIEW und Auswertebildschirm [12.27]
Die in Abb. 12.56 b dargestellte CAN-Adapterbox stellt eine Schnittstelle zwi-
schen herkömmlichen analogen Signalen bzw. Signalen von Frequenzsensoren
(Drehzahl und Volumenstrom) und der reinen Digitaltechnik dar. Die Signale der
angeschlossenen Sensoren werden automatisch digitalisiert und über das
CANopen-Protokoll digital zum Messgerät übertragen oder aber wunschweise
auch in den Datenstrom der zu prüfenden Anlage oder Maschine eingebunden.
Diese Kategorie von Messgeräten wird zukünftig beträchtlich an Bedeutung ge-
winnen.
a b
Abb. 2.55 Messadapter (Hydrotechnik). a Multibox b CAN Adapterbox
12.3 Software 391
12.3 Software
Derzeit handelsübliche Hydrotester sind entweder sehr einfache Messgeräte zur
Anzeige von hydraulischen Messgrößen oder sehr vielseitig einsetzbare Mess-
geräte, die einen integrierten Messwertspeicher haben und eine sofortige grafische
Darstellung der Messdaten ermöglichen bzw. die Daten auf einen PC übertragen.
Dazu sind entsprechende Software und Datenkabel notwendig, die den Daten-
transfer ermöglichen [12.28]. Zu den in Abb. 12.38 und Abb. 12.39 dargestellten
Messgeräten gibt es PC-Programme, die unter verschiedenen Betriebssystemen
eine relativ umfassende Auswertung gestatten [12.29]. Der Schwerpunkt liegt auf
der zeitbezogenen gleichzeitigen Darstellung der Messgrößen oder den aus ein-
fachen Rechenoperationen gewonnenen Kenngrößen, wie z. B. volumetrischer
Wirkungsgrad oder hydraulische Leistung. Durch mehrmalige Glättung, Zoom-
funktion und numerische Anzeige von grafisch ausgewählten Daten ergeben sich
weitere Anwendungen. In Abb. 12.57 ist ein Datenschrieb als Anwendungsbei-
spiel dargestellt [12.48]. Sind komplexere mathematische Auswertungen not-
wendig, so empfiehlt es sich, die Daten in ASC II-Code zu konvertieren und
mathematisch orientierte Software zu nutzen [12.30].
Abb. 12.57 Beispiel für eine Datenoberfläche HYDROcom 6 (Hydrotechnik)
13 Diagnose und Zuverlässigkeit
Die Abnutzung ist eine Hauptursache für die Schädigung von Maschinenbauteilen.
Sie führt u. a. zur Veränderung der Abmessungen, der Form oder der Ober-
flächenbeschaffenheit und damit zur Veränderung der Eigenschaft jeweiliger Bau-
gruppen, in denen die Einzelteile eingesetzt sind. Die Abnutzung kann auf mikro-
geometrische Bereiche und Maschinenteile begrenzt bleiben, sie kann aber auch
zur völligen Zerstörung der Baugruppen führen. Der Abnutzungsprozess ist von
sehr vielen Faktoren abhängig, so dass, bedingt durch den stochastischen Charak-
ter, keine allgemeingültigen Gesetze zu erwarten sind. Es können nur Aussagen
unter definierten Bedingungen gemacht werden. Da bei sämtlichen mechanisch
bewegten Maschinenbauteilen Abnutzung auftritt, ist sie bzw. ihre zeitliche Ände-
rung die zentrale Größe zur Beurteilung des technischen Zustandes.
13.1 Allgemeine Grundlagen
Jedes technische Objekt unterliegt einer Schädigung, wobei gemäß Abb. 13.1 die
Abnutzung der Oberbegriff für eine Veränderung ist, die sich aus Verschleiß, Kor-
rosion, Ermüdung und/oder Alterung ergibt. Die einsatzbedingte Beanspruchung
hat jeweils eine charakteristische Abnutzung zur Folge, die bei Überlastung (star-
ke übermäßige Beanspruchung) ihren zeitlichen Verlauf ändert.
Abb. 13.1 Schädigungsarten für technische Objekte nach [13.1]
D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik,
DOI 10.1007/978-3-642-17243-4_13, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
394 13 Diagnose und Zuverlässigkeit
Die eingesetzten Materialien und die Einsatzbedingungen bestimmen die zu-
treffenden Abnutzungsarten. In [13.2] wurde nachgewiesen, dass zumindest für
Hydraulikpumpen und -motoren der Verschleiß die charakteristische Kenngröße
für die Abnutzung ist. Außerdem geht schon aus der Definition der Begriffe in
Abb. 13.1 hervor, welche Anteile zu berücksichtigen sind.
Grundlegend ist zu unterscheiden, ob eine Analyse von Ausfalldaten erfolgen
soll oder der zeitliche Verlauf der Schädigung von Interesse ist. Erster Fall ist für
den Anwender und Betreiber von Maschinen mit hydraulischen Baugruppen we-
niger interessant, da er Aussagen über konkrete Einzelobjekte benötigt und Mit-
telwerte dafür nicht geeignet sind. Für den Hersteller von Hydraulikbaugruppen
dagegen ist dieser Sachverhalt schon von Interesse, da so die Zuverlässigkeit ins-
gesamt mit den in Abb. 13.2 dargestellten Kategorien erfasst werden kann.
Abb. 13.2 Ausfallverhalten technischer Objekte
Der Grundgedanke der Auswertung von Ausfalldaten beruht auf der mathema-
tischen Statistik [u. a. 13.3–13.5, 13.11]. Nach Klassierung der vorhandenen Aus-
falldaten können unter Berücksichtigung von Tabelle 13.1 die in Tabelle 13.2 dar-
gestellten Zuverlässigkeitskenngrößen berechnet werden.
Tabelle 13.1 Schädigungsarten und zugehöriger mathematischer Verteilungstyp
Schädigungsart Verteilungstyp
Verschleiß
Korrosion
Ermüdung
Reine Zufallsausfälle
Frühausfälle
Normalverteilung, Weibullverteilung
Normalverteilung
Lognormalverteilung, Weibullverteilung
Exponentialverteilung
Lognormalverteilung
Mischschädigung Normalverteilung, Weibullverteilung, Exponentialverteilung
13.1 Allgemeine Grundlagen 395
Tabelle 13.2 Grundbeziehungen zur Bestimmung von Zuverlässigkeitskenngrößen
Kenngröße theoretisch empirisch
Verteilungsdichte der Aus-
fallzeitpunkte
dt
dF
f
t
t
)(
)(
(13.1)
tN
n
f
t
t
'
'
|
0
)(
)(
(13.2)
Überlebenswahr-
scheinlichkeit
³
f
t
tt
dtfR
)()(
(13.3)
0
)(
)(
N
N
R
t
t
| (13.4)
Ausfallwahrscheinlichkeit
)()(
1
tt
RF (13.5)
0
)(
)(
N
n
F
t
t
|
(13.6)
Ausfallrate
)(
)(
)(
t
t
t
R
f
O
(13.7)
tN
n
t
t
t
'
'
|
)(
)(
)(
O
(13.8)
Mittlere Zeit bis zum ersten
Ausfall
³
f
0
)(1
dtRt
t
(13.9)
¦
|
0
1
0
1
1
N
i
i
t
N
t (13.10)
N
0
Anzahl der ausgefallenen Elemente, N
(t)
Anzahl der zum Zeitpunkt t ausgefallenen Elemente,
n Anzahl aller betrachteten Elemente, n
(t)
Anzahl der bis zum Zeitpunkt t betrachteten Elemente
Für den ausgewählten Verteilungstyp muss ein statistischer Test hinsichtlich einer
möglichen Ablehnung der Funktion durchgeführt werden [13.5]. Der nunmehr be-
kannte Funktionstyp gestattet Verallgemeinerungen über die untersuchten Bau-
gruppen. Dabei ist es zweckmäßig, die Zeitachse leistungsbezogen zu gestalten,
was u. a. durch Betriebsstundenzähler oder den Kraftstoffverbrauch in Fahrzeugen
möglich wird. In Abb. 13.3 ist für ausgewählte Zuverlässigkeitskenngrößen der
qualitative Verlauf dargestellt, der das Anliegen der Untersuchungen verdeutlicht.
Abb. 13.3 Verteilungsdichte der Ausfallzeitpunkte
)(t
f , Überlebenswahrscheinlichkeit
)(t
R
und Ausfallrate
)(t
O
in Abhängigkeit von der Einsatzzeit t
Für viele Betreiber von Maschinen mit hydrostatischen Antrieben ist es not-
wendig, den Schädigungszustand der wesentlichen hydraulischen Baugruppen zu
kennen.
396 13 Diagnose und Zuverlässigkeit
Abb. 13.4 Abnutzung als Funktion von der Abb. 13.5 Einflussfaktoren auf den Lecköl-
Nutzungsdauer t strom
Generell kann der zeitliche Verlauf der Abnutzung, die in der Technik oft mit ei-
ner Vergrößerung von Spaltmaßen verbunden ist, gemäß Abb. 13.4 dargestellt
werden. Die zunehmende Abnutzung durch Verschleiß äußert sich bei rotatori-
schen hydraulischen Baugruppen durch Zunahme des Leckvolumenstromes, der
seinerseits vom Betriebspunkt abhängig ist (s. Kap. 3 und 6). In Abb. 13.5 ist der
Zusammenhang qualitativ dargestellt
Für die Beurteilung von Baugruppen mit mehreren Verschleißpaarungen ist es
zweckmäßig, solche charakteristischen Paarungen auszuwählen, die am besten den
effektiven Einsatz der Baugruppen charakterisieren. So gilt z. B. als wesentliche
Größe für hydraulische Baugruppen der volumetrische Wirkungsgrad. Eine Be-
urteilung des Zustandes der Baugruppen setzt eine zeitliche Analyse der Ver-
schleißänderung voraus. Werden hierzu, wie in Abb. 13.5 dargestellt, absolute
Messwerte verwendet, besteht das Problem, dass die Aussagen nur reproduzierbar
und vergleichbar sind, wenn immer wieder unter gleichen Bedingungen (Druck,
Drehzahl, Viskosität des Fluides) gemessen wird. Da diese Forderung nur unter
Laborbedingungen einzuhalten ist, wird der Schädigungszustand S eingeführt, der
den Quotienten des äußeren Leckölstromes von neuen und verschlissenen Bau-
gruppen Q
L1
/Q
Lx
darstellt [13.2, 13.6 und 13.7]. Die dimensionslose Kennzahl S
drückt betriebspunkt-unabhängig den technischen Zustand aus. Wird der
Schädigungszustand als Funktion der Einsatzzeit betrachtet, ergibt sich der in
Abb. 13.6 dargestellte Sachverhalt. Die Aussonderungsgrenze ist dabei vom Be-
treiber der Maschinen oder Anlage aus technischen (Verschleißgrenzmaße)
und/oder ökonomischen (Energieeinsatz, Ausfallkosten, Reparaturfähigkeit der
jeweiligen Hydraulikbaugruppe) Gesichtspunkten festzulegen. In Abb. 13.6 ist die
sich aus den Messwerten ergebende Ausgleichsgerade (voll gezeichnete Linie)
eingezeichnet. Aus dem bis zum Erreichen des Aussonderungsgrenzwertes extra-
polierten Wert kann die noch nutzbare Restnutzungsdauer ermittelt werden, wenn
zukünftig davon ausgegangen wird, dass sich die Einsatzbedingungen nicht ändern
(Verlängerung der Ausgleichsgeraden). Ändern sich dagegen die Einsatz-
bedingungen dahingehend, dass eine Erhöhung der Belastung eintritt, so verkürzt
sich die zu erwartende Lebensdauer. Ein Beispiel dafür ist gestrichelt ein-
gezeichnet. Dieser Sachverhalt kann ebenfalls erfasst werden, indem
13.2 Hydraulikdiagnose 397
mathematisch mit den Mitteln der Wahrscheinlichkeitsrechnung untersucht wird,
ob die Funktion der letzten Messwerte zufällig von einer Funktion aus weiter
zurückliegenden Werte abweicht.
Lx
L
Q
Q
S
1
(13.1)
1L
Q Leckölstrom neuer Baugruppe für definierten Betriebspunkt
Lx
Q Leckölstrom verschlissener Baugruppe für definierten Betriebspunkt.
Abb. 13.6 Schädigungszustand für Hydrauliksysteme
Aus den so gewonnen Ergebnissen können notwendige Maßnahmen zur Zuver-
lässigkeitserhöhung und Optimierung der Instandhaltung abgeleitet werden.
Die unmittelbare Umsetzung dieser allgemeinen Erkenntnisse setzt voraus, dass
Messwerte unter konkreten Bedingungen so analysiert werden, dass der Schädi-
gungszustand als Grundlage für eine Restnutzungsdauerprognose dient.
13.2 Hydraulikdiagnose
In Abb. 13.7 sind die prinzipiellen Möglichkeiten der Diagnose dargestellt, wobei
zwischen permanenter und periodischer Diagnose unterschieden wird. Erstere ge-
winnt durch immer komplexere Hydrauliksysteme zunehmend an Bedeutung, da
sowohl sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt werden können, als auch eine
ständige Überwachung der Hydraulikanlage möglich wird.
Die Umsetzung dieser Erkenntnisse setzt voraus, dass Messtechnik an den Ma-
schinen angeschlossen werden kann. Was für Druck, Temperatur und Drehzahl re-
lativ einfach ist, bereitet dagegen für den Volumenstrom erhebliche Probleme, da