CN102869243B - 林业机器的功率管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于林业机器的功率管理系统(5)。该功率管理系统(5)通过机器的液压系统的自动化控制提高了机器效率。控制器(10)从切削工具的速度传感器(140)接收信号并可以控制机器上的各种泵和马达的操作。

Description

林业机器的功率管理系统

技术领域

本发明涉及林业机器，尤其涉及被称为伐木归堆机的机器。本发明还涉及安装有剪切、加工头等的林业机器。更具体地，本发明涉及用于该机器的功率管理系统。

背景技术

被称为伐木归堆机的伐木联合机在林业中是众所周知的。举一个例子，见美国专利6,267,163。在典型的结构中，在车辆前部的悬臂上携带圆盘锯或其它切削工具。车辆可以是履带式的或轮式的，并可以具有汽油发动机或柴油发动机。发动机通常驱动两个或更多的可变排量液压泵，至少其中之一是用于车辆的推进的，其中之一是用于驱动切削工具的，以及其中之一是用于液压悬臂功能。悬臂功能包括多个液压驱动缸并用于提高、降低和倾斜旋转锯和工作臂。

在通常操作期间，可用于驱动泵的发动机功率是由该泵的特性和该泵经受的负载决定的。两个泵的排量是由操作者通过在驾驶室中提供合适的控制而手动控制的。一旦锯提高速度，锯驱动泵通常在全排量下操作，而主泵排量根据该操作者想要多快地操作机器或者通过其各种功能而施加在机器上的负载而由操作者控制。

但是，存在组合的泵负载的功率的总额比发动机能够提供的功率更多的情况。例如，考虑砍伐树木的操作。当机器接近树并且锯开始切削，锯速度将降低。然后，操作者可以命令从锯马达和/或泵的更多流量以增加锯速度。如果其它泵和马达（推进、悬臂功能等）也在最大排量，则组合的负载可能超过最大发动机功率，因此，使发动机停转。

功率管理问题的第一种已知的解决方案包含降低机器速度。操作员可以降低机器驱动切削的速度，从而降低锯功率和推进系统上的需求。这个方法防止锯速度下降太快，但具有降低生产率的缺点。

第二个已知的解决方案需要操作员调整推进或悬臂功能以防止发动机速度在切削期间下降太多。这个方法取决于操作者的及时干预。操作者还需要能够听到或感知锯、各种液压系统以及发动机以便估计它们的相关性能。这个解决方案有多个缺点：（1）切削通过树的速度对于操作员来说通常太快以致不能及时对功率需求的变化作出有效的反应；（2）现代驾驶室的声音和振动隔离可以阻止操作者有效的听到和感觉到发动机和液压系统如何对负载作出反应；（3）现代发动机上的额外的排放控制装置和更有效的消声器已经降低了从发动机排出的废气能量的量。其结果是对于操作者更难听到和准确地估计发动机负载的更安静的发动机。

第三个已知的解决方案在美国专利7,481,051（051专利）中描述。该专利公开了一种用于在操作期间限制分配到锯泵的最大功率的系统。这是经由在驾驶室中的控制完成的。限制经由锯泵汲取的最大功率部分解决了发动机停转的问题，但不利于生产。锯是伐木归堆机的主要工作工具，限制锯速度与机器目的是相反的。

051专利还建议根据主泵的排量设置减小锯泵行程。虽然这也将部分解决发动机停转的问题，但是它既不解决锯速降低的根本问题，也不对所有的机器液压系统优化功率管理。

最后，在现有技术中存在仍未解决的以提高效率为目的以协调的方式操作机器的液压系统的问题。操作者不能够在最有效的点同时操作每个液压系统。因此，用于管理机器的多个不同系统的功率的方法是需要的。

发明内容

本发明涉及用于林业机器的功率管理系统，包括控制器；切削工具；切削工具定位系统；推进系统；转向系统；以及用于计算发动机负载的发动机控制模块。然后，基于计算的发动机负载，控制器自动调整切削工具的速度、切削工具定位系统的功率和转向系统的功率中的至少一个。

本发明还涉及在在林业机器中管理功率的方法，包括以下步骤：计算发动机负载；以及当发动机负载超过预定值时，基于计算出的发动机负载，自动调整切削工具的速度、切削工具定位系统的功率、推进系统的功率和转向系统的功率中的至少一个。

本发明还涉及在林业机器中的功率管理的方法，包括以下步骤：计算发动机负载，检测锯的速度，以及基于切削工具的速度和计算出的发动机负载，自动调整切削工具的速度、切削工具定位系统的功率、推进系统的功率和转向系统的功率中的至少一个。

附图说明

图1是功率管理系统5的示意图；

图2是示出功率管理系统5的操作的流程图；

图3是示出包括优先级分配的功率管理系统5的操作的流程图。

具体实施方式

图1描述由控制器10协调的用于林业机器的功率管理系统5。为了示例性目的，贯穿本发明将参照伐木归堆机。如上所述，伐木归堆机是本领域中公知的一种林业机器类型。伐木归堆机具有安装在机器的框架的前部的持有切削工具的悬臂。通常来说，林业机器切削工具包括剪切机、圆盘锯或加工头。在伐木归堆机的情况下，切削工具145通常是圆盘锯。通过切削工具马达40使切削工具145旋转。由控制阀80控制切削工具马达40的压力。通过切削工具泵20提供切削工具马达40的流量。通过发动机130使切削工具泵20旋转。发动机130还使辅助泵25和可能存在的附加泵旋转。通过液压组件45和50提供用于诸如升降和倾斜的悬臂功能的力。通过液压组件55和60提供用于诸如聚拢和收集的收获功能的力。通过液压组件65提供用于转向功能的力。取决于不同应用，通过一个或多个泵（20，25，35）提供用于液压组件45、50、55、60和65的流量。

通过推进马达30提供用于转动机器的车轮的力。通过推进泵35提供用于推进马达30的流量。

在切削工具145上提供速度传感器140以提供切削工具旋转速度有多快的指示。速度传感器140可以是光学的、磁的或如本领域中公知的任何其它类型。虽然目前公开了应用圆盘锯，但是该方法和速度传感器可以很容易地应用于其它液压驱动的旋转器具，例如加工头、刷割草机、树桩研磨机、表土疏松机或扫帚。

提供液压控制阀80、85、90、95、100和105分别控制从泵20、25、35到液压组件45、50、55、60和65的流量的压力和方向。

控制器10以连接到泵20、25和35这样的方式来控制流量。这样的方法在电动液压（EH）类型系统中是公知的。例如，控制器10可以改变可变排量泵中的斜盘角度，以增加或减少来自泵的流量。控制器以类似的方式还连接到辅助泵。

控制器10还以连接到控制阀80、85、90、95、100和105这样的方式来控制从各个泵到各个液压设备中的压力。例如，控制器10以连接到控制阀80这样的方式控制从切削工具泵20到切削工具马达40的压力。

控制器10还以连接到速度传感器140这样的方式接收表示切削工具145速度的信号。传感器可以是光学的、磁的、或本领域中众所周知的任何其它类型的。

控制器还配置为从多个操作员控制器接收输入。操作员控制器可以是设备控制杆110、切削工具开关112、转向杆或转向盘115、和推进踏板120。设备控制杆110通常配置为控制悬臂提升和倾斜，以及设备的聚拢和收集功能。设备功能可以组合到一个控制杆110之中，或可以划分到如本领域中已知的额外的杆、开关或者按钮之中。

提升功能向上和向下升起悬臂并因此升起设备（在这种情况下是切削工具145）。倾斜功能枢转功能将整个悬臂/设备关于枢轴移动。作用于悬臂的提升和倾斜功能的目的是定位切削工具。因此，这两个功能可以称之为切削工具定位系统，虽然切削工具定位系统可以包括其它功能。

收集功能抓住将由设备处理的树。聚拢功能收集可以移动到下一个操作的多个树。

通过激活在操作者驾驶室中的开关112，切削工具145的操作开始。开关112可能在杆上、在仪表板上，或者在互动车辆显示屏上。开关112以连接到控制器10的方式，表示切削工具将要进行操作。然后，控制器10以操作切削工具泵20、控制阀80和切削工具马达40这样的方式旋转切削工具145。速度传感器140提供反馈信号给控制器10以指示切削工具的旋转速度。切削工具马达40优选地是变速马达。这使得马达具有用于高起动转矩的高排量。当达到期望的切削工具速度，切割工具马达的排量可以减少，从而降低操作它所需的能量。控制阀80配置为控制从切削工具泵20到切削工具马达40的压力。

该操作者通过启动推进踏板120表示期望的运动。通过未示出的正向/中性/反向的开关（FNR）可以表示期望的方向。控制器10以与操作者对推进踏板120和FNR开关的移动相一致的方式操作推进泵35和推进马达30。

控制器10还以连接到发动机控制模块（ECM）125这样的方式以接收诸如发动机负载的参数。ECM通过各种传感器连接到发动机130。ECM可以通过例如RPM、支管压力、燃油速率、或它们的组合计算在发动机上的负载。将计算出的发动机负载传递到控制器10。

风扇泵（未示出）和风扇液压马达（未示出）也可以表示功率管理系统上的另一种类型的负载。

控制器10也配置为解决推进系统和辅助液压系统同时负载之间的优先级。当发动机处于或接近最大负载时，存在来自推进系统和辅助液压系统的同时负载，控制器10可以给一个负载或另一个负载分配优先级。最大发动机负载定义为，例如，在90％以上。控制器10还配置为根据负载的大小一次性修改两个负载。例如，一个方法是将两个负载中较高的负载降低较大的量，并将较低的负载降低较小的量。例如，分别定义x和y作为辅助输入和推进输入。参数a和b是辅助负载和推进负载。这些负载可能是实际的负载或命令的负载。对优先次序化的输入将通过下式给出：

ax+by    （1）

如果a>b，该方法的输出将通过下式给出：

$[\left(\frac{b}{a+b}\right)x+\left(\frac{a}{a+b}y\right)]K---\left(2\right)$

参数K（例如增益）由控制器10选择。

如果a<b，该方法的输出将通过下式给出：

$[\left(\frac{a}{a+b}\right)x+\left(\frac{b}{a+b}y\right)]K---\left(3\right)$

如果a=b，该方法的输出将通过下式给出：

$[\left(\frac{a}{b}\right)x+\left(\frac{a}{a}\right)y]K---\left(4\right)$

图2示出了表示用于控制功率管理系统的方法的流程图。

该方法在方框210开始，其中系统确定发动机是否运行。这个可以通过例如接收发动机速度信号而实现。如果在方框210的决定为“是”，则该方法然后进行到方框220。

在方框220该方法确定发动机是否在最大功率运行。如果答案为“是”，则该方法进行到方框230，其中该系统降低辅助功能速度并返回到方框220。如果在220为“是”，则该方法在进行到方框220之前还进行到方框300，其中该系统设置切削工具压力到标准设定值。如果在方框220为“否”，则该方法进行到方框240。

在方框240该方法确定切削工具是否启动。如果在方框240的决定为“否”，则该方法返回到方框220。如果为“是”且在方框220的决定为“是”，则该方法进行到方框250，其中该方法降低切削工具流量，然后返回到方框220。如果在方框240为“是”，该方法还进行到方框260，其中该方法确定切削工具是否在工作速度。如果在方框260为“是”，则该方法进行到方框300。

在方框300该方法设置切削工具压力为标准设置，然后进行到方框220。

如果在方框260为“否”，则该方法进行到方框270，其中该方法确定切削工具工作速度（其被预设为可以设置为适当水平的限制）是否为高或低。如果为高，该方法进行到方框250。高的例子是标准设定速度以上5％。如果为低，则该方法进行到方框280。低的例子将是标准设定速度以下5％。

在方框280，该方法增加切削工具流量然后进行到方框290。该方法还在返回方框220之前从方框280进行到方框230。

在方框290，该方法提高切削工具压力，然后进行到方框220。

图3示出了表示用于控制包括液压推进系统的功率管理系统的方法的流程图。

该方法在方框210开始，其中该系统确定发动机是否运行。这可以通过例如接收发动机速度信号而实现。如果在方框210的决定为“是”，则该方法然后进行到方框220。

在方框220该方法确定发动机是否在最大功率运行。如果答案为“是”，则该方法进行到方框225。在这里，该方法计算用于辅助功能速度和推进流量的修改的输出。然后，该方法在返回到方框220之前进行到方框230和235，其中该系统减少辅助功能速度并减少推进系统流量。如果在220为“是”，则该方法在进行到方框220之前还进行到方框300，其中该系统设置切削工具压力为标准设定值。如果在方框220为“否”，则该方法进行到方框240。

在方框240该方法确定切削工具是否启动。如果在方框240的决定为“否”，则该方法返回到方框220。如果为“是”且在方框220的决定为“是”，则该方法进行到方框250，其中该方法降低切削工具流量，然后返回到方框220。如果在方框240为“是”，该方法还进行到方框260，其中该方法确定切削工具是否在工作速度。如果在方框260为“是”，则该方法进行到方框300。

在方框300该方法设置切削工具压力为标准设置，然后进行到方框220。

如果在方框260为“否”，则该方法进行到方框270，其中该方法确定切削工具工作速度是否为高或低。如果为高，该方法进行到方框250。如果为低，则该方法进行到方框280。

在方框280，该方法增加切削工具流量然后进行到方框290。该方法还从方框280进行到方框225，用于优先级分配。

在方框290，该方法提高切削工具压力，然后进行到方框220。

工业实用性

用于林业机器的功率管理系统5通过控制器10以控制由机器产生和消耗的功率的方式协调。该系统可能会如何操作的示例在下面给出。

在第一个示例中，在从一个工地到另一个工地的运动过程中，优先考虑推进系统。这可以降低其它泵和马达的排量以节约能量。即便操作者忘记或忽略降低不需要的泵和马达的排量，这也可以通过控制器10自动完成。

在第二个示例中，当机器切削通过树时，切削工具功率系统是最关键的而被优先考虑。控制器10可以自动地降低其它的液压系统的功率，以便给予切削工具功率系统优先级。

第三个示例是当机器从一棵树移动到另一棵树时解决切削工具功率的问题。切削工具的惯性将在一定时间保持其速度在一个可接受范围之内。因此，控制器10可以降低切削工具泵和/或马达的排量以便节约能量。当切削工具速度已经降低到或低于可接受的水平时，切削工具速度传感器将指示。然后，控制器10可以增加切削工具功率。

第四个示例说明了功率管理系统5将如何同时解决推进回路和辅助液压回路的功率需求。如果发动机在最大负载，控制器10将减少到两个回路的功率。每个回路的减少量将基于每个回路指令的功率计算。需要最多功率的回路将由一个回路相对另一个回路的比率减少。增益常数也可以应用该比率。

Claims (10)

1.一种用于林业机器的功率管理系统(5)，包括：

控制器(10)；

切削工具(145)；

切削工具定位系统；

推进系统；

转向系统；以及

发动机控制模块(125)，用于计算发动机负载；

其中，所述控制器(10)在所述计算的发动机负载超过预定值时自动减小切削工具(145)的速度、切削工具(145)定位系统的功率和转向系统的功率中的至少一个，并且所述控制器在由高于标准设定速度的第一预定百分比和低于标准设定速度的第二预定百分比所定义的速度范围内调整所述切削工具的速度。

2.根据权利要求1所述的功率管理系统(5)，其中所述控制器(10)自动调整切削工具(145)的速度、切削工具(145)定位系统的功率、转向系统的功率和推进系统的功率中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的功率管理系统(5)，还包括与所述切削工具相关联的切削工具速度传感器(140)。

4.根据权利要求1所述的功率管理系统(5)，其中所述控制器(10)在调整切削工具(145)的速度之前调整所述切削工具定位系统的功率。

5.根据权利要求1所述的功率管理系统(5)，其中所述控制器(10)在调整所述切削工具(145)的速度之前调整所述转向系统的功率。

6.根据权利要求1所述的功率管理系统(5)，其中所述控制器(10)在调整所述切削工具(145)的速度之前调整所述推进系统的功率。

7.根据权利要求1所述的功率管理系统(5)，其中所述控制器(10)在调整所述切削工具(145)的速度之前调整所述切削工具定位系统的功率、所述转向系统的功率和所述推进系统的功率中的至少两个。

8.一种在林业机器中管理功率的方法，包括以下步骤：

计算发动机负载；以及

当所述发动机负载超过预定值时，基于所述计算出的发动机负载，自动减小切削工具(145)的速度、切削工具(145)定位系统的功率、推进系统的功率和转向系统的功率中的至少一个，其中所述切削工具的速度能够在由高于标准设定速度的第一预定百分比和低于标准设定速度的第二预定百分比所定义的速度范围内调整。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

检测切削工具(145)的速度；以及

基于所述切削工具(145)的速度和所述计算出的发动机负载，自动调整切削工具(145)定位系统的功率、推进系统的功率和所述转向系统的功率中的至少一个。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

在调整所述切削工具(145)的速度之前，自动调整所述切削工具(145)定位系统的功率、所述推进系统的功率和所述转向系统的功率中的至少两个。