DE102007047500A1

DE102007047500A1 - Verfahren und Vorrichtung zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE102007047500A1
Application number: DE102007047500A
Authority: DE
Inventors: Jan Leilich; Eberhard Schlücker
Original assignee: Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Current assignee: Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-04-09
Also published as: WO2009043589A3; WO2009043589A2; EP2205828A2

Abstract

Bei einem Verfahren zur In-situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Pumpen einschließlich Exzenterschneckenpumpen, wird derart vorgegangen, dass die Erfassung und Überwachung der Betriebszustände an der Antriebswelle (1) der Arbeitsmaschine erfolgt und mittels Dehnungssensoren, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen (2, 3), durchgeführt wird, die so angeordnet und angebracht werden, dass sie die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (Fax) der Antriebswelle (1) ermöglichen. Bei einer zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung ist die Anordnung derart getroffen, dass sie als wenigstens zweiteilige Klemmschelle (4) zur lösbaren Anbringung an der Antriebswelle (1) ausgebildet ist, die innenseitig mit Dehungssensoren, insbesondere mit Dehnungsmessstreifen (2, 3), in einer solchen Anordnung und Anbringung versehen ist, dass diese die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (Fax) der Antriebswelle (1) ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Pumpen einschließlich Exzenterschneckenpumpen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft außerdem eine zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Arbeitsmaschinen der zur Rede stehenden Art, insbesondere Exzenterschneckenpumpen, werden seit geraumer Zeit als sog. Downhole-Pumpen in der Erdölförderung eingesetzt. Um deren Betrieb wirtschaftlich optimal zu gestalten und Störungen frühzeitig zu erkennen, sind bereits einige Überwachungsverfahren sowie -vorrichtungen zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände solcher Arbeitsmaschinen bekannt. Diese sind allerdings zu teuer oder nicht zuverlässig genug, so dass aus diesem Grund kaum eine praktische Anwendung erfolgte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Vermeidung der geschilderten Nachteile ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels denen auf einfa che und schnelle Weise die In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände der jeweiligen Arbeitsmaschine, insbesondere einer Pumpe einschließlich einer Exzenterschneckenpumpe, möglich ist, um dadurch einen optimalen Maschinenbetrieb zu erzielen, falsche Betriebszustände zu vermeiden sowie eine frühzeitige Erkenntnis über Verschleiß zur erreichen, so dass unvorhergesehene Pumpenausfälle verhindert werden können.
Die Merkmale des zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Verfahrens der Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1, während die Merkmale der zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffenen Vorrichtung gemäß der Erfindung in Anspruch 7 beschrieben sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, die Erfassung und Überwachung der Betriebszustände an der Antriebswelle der Arbeitsmaschine durchzuführen, und zwar mittels Dehnungssensoren, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen, die so angeordnet und angebracht werden, dass sie die Erfassung von Drehmoment und Axiallast der Antriebswelle ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Dehnungssensoren direkt auf der Antriebswelle der Arbeitsmaschine angebracht.
Stattdessen und/oder zusätzlich hierzu ist es auch vorteilhaft, die Dehnungssensoren an einer gesonderten, die Antriebswelle lösbar umschließenden Vorrichtung anzubringen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die von den Dehnungssensoren erfassten Messsignale mittels eines Verstärkers verstärkt werden. Als Verstärker kann hierbei ein beliebiges System zur Anwendung kommen. Lediglich des Beispiels halber sei in diesem Zusammenhang das im Handel erhältliche V-Link-System von Microstrain erwähnt.
In Ausgestaltung der Erfindung können die Messsignale sodann drahtlos an einen Empfänger übertragen werden.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Integration der Messsignalerfassung sowie deren Auswertung in einem Personalcomputer. Wenn dann die Gesamtheit der erfassten Daten um solche Parameter, wie Förderdruck, Fördertemperatur sowie Fördermenge, gemessen am Antriebskopf der Arbeitsmaschine, erweitert wird, ergibt sich hieraus eine umfassende Überwachung und In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände der Arbeitsmaschine.
Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung gemäß der Erfindung ist als wenigstens zweiteilige Klemmschelle ausgebildet, die zur klemmenden, jedoch lösbaren Anbringung an der Antriebswelle der Arbeitsmaschine vorgesehen und innenseitig mit Dehnungssensoren, insbesondere mit Dehnungsmessstreifen, in einer solchen Anordnung und Anbringung versehen ist, dass diese die Erfassung von Drehmoment und Axiallast der Antriebswelle ermöglichen.
Zweckmäßigerweise sind die Dehnungssensoren in Vollbrückenschaltung an der Klemmschelle angeordnet. Eine besonders gute Handhabung ergibt sich, wenn die Klemmschelle dünnwandig ausgebildet ist.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Klemmschelle aus einem Material mit geringem spezifischen Gewicht, insbesondere aus Aluminium, besteht.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Klemmschelle als längliches Bauteil ausgebildet ist, dass eine axial verlaufende Taillierung aufweist. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise die Empfindlichkeit der als Messvorrichtung dienenden Klemmschelle nach Wunsch zu erhöhen.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Klemmschelle bei bestimmten Anwendungsfällen auszuwuchten, um dadurch unerwünschte Fremdeinflüsse bei den erfassten Messwerten auszuschließen.
Aus den auf diese Weise erzielten Messwerten sowie deren zeitlicher Änderung kann nun mit geringem Aufwand auf wesentliche Werte des Betriebszustandes der Arbeitsmaschine, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe, geschlossen werden, und zwar insbesondere auf den

– Pumpenwirkungsgrad,
– Veränderung des Fluidpegels im Wellengehäuse,
– Quellvorgänge in der Pumpe,
– Anstreifen der Antriebswelle im Wellengehäuse,
– Trockenlauf der Pumpe,
– Pumpenverschleiß usw.

Insgesamt wird hierdurch ein optimaler Pumpenbetrieb ermöglicht. Außerdem lassen sich falsche Betriebszustände vermeiden. Nicht zuletzt lässt sich eine frühzeitige Erkenntnis über Pumpenverschleiß erzielen, so dass unvorhergesehene Pumpenausfälle vermieden werden können.
Wie leicht erkennbar, kann die Erfindung mit Vorteil nicht nur bei den erwähnten Exzenterschneckenpumpen angewendet werden, sondern auch bei Pumpen allgemein, d. h. insbesondere bei solchen Arbeitsmaschinen, deren Wirkprinzip eine Axiallast an der Antriebswelle erzeugt. In diesem Zusammenhang seien lediglich des Beispiels halber Schraubenspindelpumpen, schräg verzahnte Drehkolbenpumpen usw., d. h. ganz allgemein rotierende Verdrängerpumpen genannt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 perspektivisch einen Teil der Antriebswelle einer Exzenterschneckenpumpe mit direkt auf die Antriebswelle applizierten Dehnungsmessstreifen zur Erfassung des Drehmomentes sowie der Axiallast der Antriebswelle;
2a eine Hälfte der Klemmschelle in Draufsicht bzw. Innenansicht;
2b in Seitenansicht;
2c in Stirnansicht und
2d in perspektivischer Darstellung,
3 perspektivisch die auf der Antriebswelle angebrachte Klemmschelle einschließlich ihrer Verkabelung und
4 schematisch im Diagramm die in einem Feldversuch erzielten Messwerte zur Darstellung des Verlaufs von Drehmoment und Axiallast der Antriebswelle über der Zeit.
Wie aus der Zeichnung, insbesondere 1, ersichtlich, erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Erfassung der Betriebszustände an der Antriebswelle 1 einer nicht näher dargestellten Exzenterschneckenpumpe. Hierbei erfolgt die Erfassung mittels zweier Sätze von Dehnungsmessstreifen 2, 3. Diese sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel direkt auf der Antriebswelle 1 auf deren Außenumfang angebracht, und zwar auf der selben Höhe, derart, dass der Satz aus jeweils um 180 Grad versetzt angebrachten Dehnungsmessstreifen 2 das Drehmoment M der Antriebswelle erfassen kann, während der Satz aus gleichfalls um 180 Grad gegeneinander versetzt angebrachten Dehnungsmessstreifen 3 die Axiallast F_ax der Antriebswelle 1 erfassen kann.
Wie deutlich aus 1 ersichtlich, sind hierbei die jeweiligen Dehnungsmessstreifen 2, 3 selbst gegeneinander um 90 Grad versetzt an der Antriebswelle 1 angebracht.
Die eigentliche Messvorrichtung zur Erfassung des Drehmomentes M sowie der Axiallast F_ax der Antriebswelle 1 ist schematisch in 2 und 3 dargestellt und besteht beim gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Klemmschelle 4. Diese dient zur lösbaren Anbringung an der Antriebswelle 1 und ist zu diesem Zweck aus zwei Teilen, einem Oberteil 5 sowie einem Unterteil 6, gebildet. Hierbei weist das Oberteil 5 der Klemmschelle 4 innenseitig Dehnungsmessstreifensätze 2 bzw. 3 in Vollbrückenschaltung in einer solchen Anordnung und Anbringung auf, dass diese Dehnungsmessstreifen 2, 3 die Erfassung des Drehmomentes M sowie der Axiallast F_ax der Antriebswelle 1 ermöglichen.
Wie dargestellt, ist die Anbringung der Klemmschelle 4 an der Antriebswelle 1 leicht und schnell möglich, indem diese mit ihrem Oberteil 5 und Unterteil 6 um die Antriebswelle 1 gelegt und mittels Schrauben 7 lösbar miteinander verbunden werden.
Die konstruktive Ausbildung der Klemmschelle 4 ist im Einzelnen deutlich aus 2 ersichtlich. Hierbei ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Klemmschelle 4 dünnwandig ausgebildet ist und aus einem Material mit geringem spezifischem Gewicht, im vorliegenden Fall aus Aluminium besteht.
Die Klemmschelle 4 ist als lang gestrecktes Bauteil mit mittiger, axial verlaufender Taillierung ausgebildet, wobei die Dehnungsmessstreifensätze 2, 3 in der aus 2a ersichtlichen Weise auf der Höhe der Taillierung angebracht sind.
Aus 4 ist im Diagramm ein typischer Signalverlauf der erfassten Messwerte im Anlaufbetrieb ersichtlich.
Hinsichtlich vorstehend nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird ausdrücklich auf die Ansprüche sowie die Zeichnung verwiesen.

Claims

Verfahren zur In-Situ-Bestimmung der Betriebszustände von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Pumpen einschließlich Exzenterschneckenpumpen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung und Überwachung der Betriebszustände an der Antriebswelle (1) der Arbeitsmaschine erfolgt und mittels Dehnungssensoren, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen (2, 3), durchgeführt wird, die so angeordnet und angebracht werden, dass sie die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (F_ax) der Antriebswelle (1) ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (2, 3) direkt auf der Antriebswelle (1) der Arbeitsmaschine angebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (2, 3) an einer gesonderten, die Antriebswelle (1) klemmend, jedoch lösbar umschließenden Vorrichtung (4) angebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Dehnungssensoren (2, 3) erfassten Messsignale mittels eines Verstärkers verstärkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale drahtlos an einen Empfänger übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration der Messsignalerfassung sowie die Messsignalauswertung in einem Personalcomputer erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als wenigstens zweiteilige Klemmschelle (4) zur klemmenden, jedoch lösbaren Anbringung an der Antriebswelle (1) ausgebildet ist, die innenseitig mit Dehnungssensoren, insbesondere mit Dehnungsmessstreifen (2, 3), in einer solchen Anordnung und Anbringung versehen ist, dass diese die Erfassung von Drehmoment (M) und Axiallast (F_ax) der Antriebswelle (1) ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (2, 3) in Vollbrückenschaltung an der Klemmschelle (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) dünnwandig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) aus einem Material mit geringem spezifischen Gewicht, insbesondere aus Aluminium, besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) als längliches Bauteil ausgebildet ist, das eine axial verlaufende Taillierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschelle (4) ausgewuchtet ist.