CN104428648B - 林区作业单元的稳定化 - Google Patents

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Abstract

一种用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的方法涉及：确定由林区作业单元的有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩；以及基于由有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩来确定用于至少稳定机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向。用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的设备包括用于实施所述确定的装置。

Description

林区作业单元的稳定化
背景技术
本发明涉及林区作业单元的稳定化，具体地，涉及一种用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的方法和设备。
多种移动车辆和机器必须以不同方式在不平坦的地形上以及在倾斜的表面上频繁地作业，因此，重要的是，能够以某种方式实现车辆或机器赖以移动的元件(诸如，车辆或机器的车轮和/或履带)与地面的充分接触。出于多种原因，例如车辆的推进和牵引动力、表面与车辆之间的良好的安定性能、地面上的表面压力尽可能地小或者良好的稳定性，通常期望的是尽可能好地保持与地面或其他作业表面的接触。这些特性通常在越野车辆或机器诸如军用车辆或者用于机器采伐的不同林业机器中被特别强调。这些特性例如可以通过允许轴(shaft)、机轴(axle)或者特别是在机架转向机器的情况下分开的机架相对于彼此旋转来改善。借助于液压控制的齿板连接器、摩擦制动器或锁定阀和液压汽缸在需要时允许旋转并且另一方面阻止或控制该旋转的与这种类型的机架的旋转相关的不同的现有技术设备实际上是已知的。在公报WO03055735中公开了一种这样的方案。
因此，已知的是，通过所谓的能够实现作业机器的转向的机架转向接合部以及能够实现机架大致关于车辆的纵向轴线相对于彼此旋转的转子接合部这两者，将林业机器或另一移动作业机器的两个单独的机架设置在一起。例如从公报EP1261515获知了一种这样的方案。
现有技术设备的典型问题在于，基于从牵引传动装置获得的状态数据来阻止和允许机架相对于彼此的旋转。因此，典型的使用模式为当机器没有被驱动时阻止机架相对于彼此的旋转以及当机器被驱动时允许机架的旋转。然而，由于包括升降架的机架部件没有以任何方式被支撑，因此，这显著地限制了升降架的最终使用以及该升降架在驱动期间的操作范围。另一方面，例如，基本的假设为机器的动臂总成仅在机器静止时才使用，这显著地减小了采伐机和传送机操作的生产率。现有技术方案的另一典型问题涉及在利用较大的支撑力矩已经阻止机架旋转时使车辆运动。当对机架旋转的锁定被松开时，机架寻求新的平衡位置，并且当这样做时，机架或多个机架可能甚至非常突然且强烈地摆动。现有技术的方案通常基于对机架部件之间的旋转的预定锁定或衰减或阻止，并且因此其不能够对变化的环境作出反应。
与现有技术的形状锁定齿和类似的无级机架锁的实现方式相关联的另一问题在于，该锁通常被锁定至与地形实际所需的位置略微不同的位置以及机器的机架的位置，这例如引起了通过机器在基座上的悬停所表现出的不稳定性。已经试图通过无级锁定方案例如通过液压缸实施并基于摩擦的致动器方案来解决该问题，从而允许锁定至机架相对于彼此的精确所需的旋转。然而，甚至这些方案例如也没能考虑到机器下方的地形的支撑能力的变化。另外，尤其当机器在持续的负载或作业期间静止了较长的时间段时，在作业期间对地表面产生的应力可能导致表面压力不能均匀地分布而使机器保持在不稳定的位置中。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种方法和实施该方法的设备，以使得能够解决上述问题。该目的通过以在独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现。在独立权利要求中公开了优选实施例。
根据本发明的方面，用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的方法包括下述步骤：确定由林区作业单元的有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的、绕至少大致纵向的旋转轴线作用的分量；以及至少基于由所述有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩来确定用于至少稳定机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向。
根据本发明的第二方面，用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的设备至少包括：用于确定由林区作业单元的有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的、绕至少大致纵向的旋转轴线作用的分量的装置；以及用于基于由所述有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩来确定用于至少稳定机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向的装置。
该方案的思想为以新的方式——利用所确定的由有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩——确定用于稳定机架部件所需的支撑力矩。
该方法和设备的优势在于其允许根据作业情形和当前环境对稳定进行主动调节。另外，该方案允许用于控制机架旋转的装置以新的方式在机器被驱动时以及在机器静止时均用于稳定机器。
根据实施例的方法，还确定由有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的、绕林区作业单元的横向轴线作用的分量。
根据第二实施例的方法，形成并调节具有预定的大小和方向的所需的支撑力矩。
根据第三实施例的方法，所述支撑力矩通过至少一个致动器形成，所述至少一个致动器可以用于在所需方向上产生预定的力矩并且用于将所述至少一个致动器锁定至其当前位置以防止机架部件相对于彼此旋转。
根据第四实施例的方法，与因重力矢量所引起的加速度相关地确定至少一个支撑机架部件和至少一个要支撑的机架部件的位置和/或运动状态，用于使机架部件稳定至少所需的至少一个支撑力矩的大小和方向基于至少所述位置和/或运动状态以及由有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的绕至少大致纵向旋转轴线作用的分量来确定。
根据第五实施例的方法，另外，基于所述位置和/或运动状态以及所述力矩进行机架部件的稳定性分析，并且基于稳定性分析的结果在预定的替代方案中选择林区作业单元的操作状态。在某些实施例中，所涉及的用于操作状态的替代方案可以包括下述操作状态中的至少一个：主动稳定(active stabilization)、锁定机架部件相对于彼此的位置、固定以及接近极限位置和/或当达到极限位置时警告使用者。
根据某些实施例，用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的设备可以包括用于实施上述方法步骤中的一个或更多个方法步骤的装置。
根据实施例，用于产生并调节所需支撑力矩的装置包括可以用于沿至少一个所需的方向施加预定的力矩的至少一个致动器，所述至少一个致动器能够锁定至其当前的位置以防止机架部件相对于彼此旋转。
根据又一实施例，用于与因重力矢量的加速度相关地确定至少一个要支撑的机架的位置和/或运动状态的装置包括至少一个传感器。在某些实施例中，该传感器可以为下述传感器中的至少一个：加速度传感器、倾斜计以及角速度传感器。
根据又一实施例，用于确定由林区作业单元的有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的至少绕旋转轴线作用的分量的装置包括下述中的至少一个：对动臂总成的枢转的铰接角度测量的装置、对提升汽缸动力测量的装置以及对动臂总成基部与提升汽缸之间的接合部的铰接角度测量的装置。
根据又一实施例，用于确定用于至少稳定机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向的装置至少包括控制单元。
根据又一实施例，用于对机架部件进行稳定性分析以及用于选择林区作业单元的操作状态的装置至少包括控制单元。
根据又一实施例，该方案包括林区作业单元，该林区作业单元包括用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的设备。
附图说明
现在将结合优选实施例并且参照附图更加详细地描述本发明，在附图中:
图1a、图1b和图1c为林区作业单元的三个示例的示意图；
图2a和图2b为从不同方向观察的林区作业单元的示意图；
图3为林区作业单元的示意图；
图4为第二林区作业单元的示意图；
图5为用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的方法的示意图；
图6为例如在图2b的情况下机架部件的支撑力矩的示例的示意图；
图7为用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的设备的示意图；以及
图8为用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的实施例的示意图。
具体实施方式
有利的是，所公开的方法和设备结合于车辆和机器，特别是林区作业机器，例如，包括或处理有效负载并且经常在不平坦和/或其承载能力变化的地面(例如，地形)上移动的采伐机、加载拖拉机或者这些机器的组合。这种类型的林区作业单元通常至少包括两块或两段，这两块或两段能够通过至少允许绕车辆或机器的纵向轴线或者绕与该纵向轴线大致平行的另一旋转轴线旋转的连接构件或结构彼此连接。替代此或除此以外，林区作业单元还可以包括相对于机器的纵向轴线以可旋转的方式设置的摆动机轴，该摆动机轴的结构形成了一个这样的段。根据某些实施例，这种类型的摆动机轴可以为引导轴，在这种情况下，林区作业单元的实际机架可以是刚性的，或者可以接合该林区作业单元的机架部件的至少一个接合部不需要具有任何的自由度，或者该接合部可以至少相对于绕林区作业单元的纵向轴线发生的旋转是刚性的。换句话说，尽管在不同的实施例中，以上块或段在尺寸、结构和相互位置方面甚至可能彼此显著地不同，但是为了简化，在该方案的描述中，这些块或段都被称作机架部件。
在每种情况下，每个机架部件可以是(例如)林区作业机器的实际单独的机架部件，或者甚至仅仅是例如在每种情况下设置于能够大致相对于林区作业单元的纵向旋转轴线旋转的至少一个其他机架部件的轴，例如，优选地为摆动机轴(例如，摇杆串列轮轴)、履带系统、单个轴或可以通过需要的结构和/或紧固部件设置的本身已知的类似轴。
在这种方案的背景下，由有效负载引起的力矩——即，有效负载施加于一个或更多个机架部件的力矩——指的是由诸如被林区作业单元包括或处理并且与林区作业单元的作业相关联的物理实体(例如动臂总成和/或负载)引起的力矩，或者由林区作业单元或该林区作业单元的部件引起的力矩，该力矩至少暂时地对林区作业单元的稳定性起作用、趋于使要支撑的机架通常至少大致绕林区作业单元的纵向旋转轴线C摆动。因此，所讨论的由有效负载引起的力矩可以由以下因素引起：例如，从林区作业机器的纵向方向转向的动臂总成和/或配装至该动臂总成的工具，例如，采伐机或提升头、或某些其他质量，例如，要处理的木料或(例如)传送机的负载、或者与这些可比的有效负载或这种类型的质量的惯性。例如，该力矩还可以通过采伐机头对树干的给送动作来引起，在这种情况下，采伐机头的轧辊(pincher roll)通常对树干产生沿树干的纵向方向作用的较大的力。另一方面，在采伐机头用于牢固地抓持附接至地面的树干例如因风暴倒下的树干的情况下也会产生较大的力矩。在不同的实施例中，林区作业机器的机架部件或多个机架部件甚至可能同时或者根据使用或驱动情况承受由有效负载——例如由多个动臂、一个动臂以及设置至载货空间的负载或其他类似来源——引起的多个力矩。在不同的实施例或情况下，由这些有效负载在林区作业单元的一个或更多个机架部件上引起的力矩可以具有相同的方向、具有不同的方向以及还具有相反的方向，由有效负载引起的力矩在这种情况下指的是由这些局部的有效负载在林区作业机器的每个机架部件上的力矩引起的总力矩。当仅考察由有效负载施加于机架部件的力矩的绕旋转轴线C作用的一个分量时，自然仅存在两个可能方向的力矩。然而，不同的实施例还可以考虑由有效负载引起的力矩的其他方向的分量，例如考虑绕林区作业单元的横向轴作用的分量。
所公开的方法和设备允许根据作业情况和当时的环境对稳定进行主动调节，例如调节稳定以改变由地形的不平坦性或有效负载引起的总力矩。在所公开的方案的背景下，稳定意味着机器的不同机架部件在作业和/或驱动期间将尽可能地稳定，也就是说，意味着该机器的不同机架部件不会因由有效负载或质量惯性引起的力矩而关于每个特定的位置——例如关于机器在特定的时间被设置的位置或者该机器因地形或其形状被设置的位置——显著地歪斜或倾斜。换句话说，目的在于使由有效负载/多个有效负载引起的总力矩对机器的机架部件的运动状态和位置的影响最小化。同时，目的在于将由有效负载引起的力矩尽可能均匀地分布至尽可能多的支撑点或者分布至尽可能宽的区域，和/或目的至少在于确保所有支撑点均与地面或某些其他作业平台接触。换句话说，指向不同机架部件的应力比前更加均匀地分布。另一方面，这还允许机器与平台之间的表面压力更加均匀地分布。因此，在本文中，稳定并非意味着例如将一个或更多个机架部件相对于例如彼此或基座引导至具体的位置。
在本文中，参考了已知的一个或更多个支撑机架部件或者要支撑的一个或更多个机架部件。要支撑的机架部件意味着由有效负载产生的力矩主要针对的机架部件，即，通常，设置有接收由有效负载引起的力矩的结构(例如，动臂总成，例如起重机、装载机或其他动臂总成、载货空间等)的机架部件。支撑机架部件——即，提供支撑的机架部件——意味着由有效负载引起的力矩的负载借助于稳定例如通过借助于至少一个致动器产生所需的支撑力矩而被分布和/或传送至的机架部件。在不同的驱动和/或者使用情况下，不同机架部件可以为支撑机架部件和/或者要支撑的机架部件。在某些情况下，例如当动臂总成设置于一个机架部件并且载货空间设置于另一个机架部件时，支撑机架部件和要支撑的机架部件可以根据机架部件和/或动臂总成的位置而改变，并且在某些情况下，两个机架部件可能均承受由有效负载产生的力矩，在这种情况下，每个机架部件在某种程度上是支撑机架部件和要支撑的机架部件两者。
换句话说，稳定可以用于将由有效负载引起的力矩尽可能均匀地分布在不同的机架部件之间。如果林区作业单元包括在所讨论的情况下形成机架部件的至少一个摆动机轴，则所述摆动机轴可以用于稳定，并且因此由有效负载引起的力矩例如可以根据实施例在设置至林区作业单元的机架的摆动机轴与固定轴之间分配或者在形成了一个机架部件的多个摆轴中分配。
该方案允许动臂总成在驱动期间也被有效地使用。例如，在机器运动时也提供有效加载允许尤其在传送机操作中甚至显著地提高生产率。在现有技术的方案中，这仅在传送机的载货空间已经容纳足够的装载木料时可能，在这种情况下，通常位于载货空间下的已知后机架和负载的总质量已经足够保持传送机下的机架直立。然而，这引起了在机架结构上的不均匀的应力，并且因此，特别是在传送机的脚部与传送机的后转向架或后机轴之间的区域上产生了很大的负载。这种应力现象在传送机在驱动期间被加载时是特别明显的。本方案与现有技术的区别之处在于，设置有动臂总成的机架部件上的应力可以通过也从支撑(前)机架获得一些支撑力矩而被显著地减小，例如，这精确地实现在动臂总成的基部15与后转向架或后机轴16之间的区域上的负载被显著地减小。
另外，此时所公开的方案一直允许机器的行为至少与现有技术的充分锁定的机架锁一样稳定。此外，该方案实现了，即使在具有支撑在动臂的端部的工具(例如，带有要处理的木料的抓持部或采伐机头)的所述动臂位于机器的侧部上时，机器仍能移动。然而，此时所公开的方案还能够使负载在机器的机架结构中充分自由地传递并分布。因此，可以相当灵活地将机器的机架结构的强度质量以及不同的操作情况考虑在内。
另外，该方案使得能够以受控的方式检测下述情况：由支撑机架提供的支撑力矩或者旋转控制制动器的力矩传递能力不再足以使要支撑的机架部件稳定。根据实施例，在诸如这种情况的情况下，可以应用不同的功能，例如，警告使用者和/或不同控制模式，例如，机架的固定或相互锁定。
此时所公开的方案的另一优势在于振动、冲击或者其他运动必需从要支撑的机架部件传递至支撑机架部件或传递至安装至支撑机架的驱动舱并传递至或驾驶员的作业点。这对于驾驶员的职业健康和人体工程学而言是非常重要的，并且例如，需要这种类型的方案以满足由专家设定的关于暴露于振动的需求。另一方面，对于控制舱在要支撑的机架上的机器而言，由于该方案允许机架通过比在使用完全刚性的机架锁时可以实现的支撑力矩更大的支撑力矩来支撑，因此，该方案提供了使要支撑的机架有效地稳定的控制模式。
此外，此时所公开的方案允许避免机器的机架结构的加载路径/线路中的明显不连续性点，并且因此允许负载比以前更加均匀地分布至整个机架结构。另外，可以避免由常规的机架锁的松开及锁定引起的负载峰值和冲击。
与现有技术的方案相比，此时所公开的方案的又一明显的优势在于该方案允许机器与地形之间的表面压力更佳且更均匀地分布在机器的所有机轴、车轮转向架或其他元件上，这转而提供了就机器的耐久性和由地形引起的损坏而言的各种优势。
图1a、图1b和图1c为示出了三个林区作业单元1的示例的示意图。结构和/或作用相同的部件在图中由相同的附图标记表示。林区作业单元1——图1a中的传送机和图1b中的采伐机——可以包括机架部件，在图1a的情况下，可以包括通过铰接(articulation)接合在一起的两个机架部件2、3。林区作业单元1通常包括控制舱9和至少一个动力源10，其中，该控制舱9设置于一个机架部件2、3、4，所述至少一个动力源10设置于与控制舱相同的机架部件2、3、4或者不同的一个机架部件，以产生移动并控制林区作业单元和/或者该林区作业单元中的工具的动力。林区作业单元1还包括通常设置于一个或者更多个机架部件2、3、4的工具，例如，动臂总成11以及图1a中的附接至该动臂总成11的抓持部12或图1b中的附接至该动臂总成11的采伐机头13。移动的林区作业单元1还包括用于移动林区作业单元的装置，例如，车轮14、块总成、脚部机构或本身已知的用于移动的其他元件。
图1c为林区作业单元1的一部分的示意图。根据附图的实施例，林区作业单元1包括机架部件2以及能够相对于机架部件2绕林区作业单元的纵向旋转轴线C旋转的轴。另外，附图的林区作业单元1包括第二机架部件4，该第二机架部件4不能够相对于机架部件2绕林区作业单元的纵向旋转轴线C旋转，而仅能够相对于机器的竖向轴线E旋转。
图2a和图2b分别为林区作业单元1的从上方和从一个端观察的示意性透视图。林区作业单元1可以包括至少两个段或块，在图2a和图2b中，三个段或块，这三个段或块在下文中称作机架部件2、3和4，其中至少两块或两段能够相对于彼此大致绕林区作业单元的纵向旋转轴线C旋转。因此，根据不同的实施例，林区作业单元1还可以包括两个机架部件或者多于三个的机架部件，例如四个机架部件，并且机架部件可以为在林区作业单元1的实际机架的纵向方向上的大致连续的部件或至少部分连续的部件或(例如)如上面所公开的摆动机轴。在附图中，尽管示出了所有机架部件2、3和4具有相同的尺寸，但是如所说明的，在实践中，机架部件2、3和4就尺寸和其他性能和/或它们相对于彼此如何设置而言彼此可以大致不相同。
换句话说，林区作业单元1的至少两个机架部件2、3、4能够相对于彼此至少绕与林区作业单元的纵向轴线大致平行的一个旋转轴线C旋转。根据实施例，旋转轴线C可以为林区作业单元1的纵向轴线或者为优选地以(例如)大约0.5m的最大距离靠近该旋转轴线C定位并与该旋转轴线C大致平行的轴线。根据不同的实施例，林区作业单元1的这两个机架部件2、3、4在每种情况下均可以沿林区作业单元1的纵向方向大致连续地设置。根据又一些实施例，机架部件能够相对于彼此并且相对于与林区作业单元1的旋转轴线C垂直的大致平坦的界面A、B以块为单位旋转。出于简便的目的，在以透视方式示出的块3和4中界面A、B通过虚线A和B来描绘，并且因此在图2a和图2b的方案中，每个机架部件2、3和4在每种情况下均可以形成一个块。
绕旋转轴线C发生的旋转在每种情况下均可以通过本身已知的任何部件或结构来实施，该部件或者结构允许机架部件2、3例如通过具有至少一个自由度的旋转件接合部在绕旋转轴线C的所述方向上相对于彼此旋转。例如从公报EP1261515获知这种方案，并且这些方案例如可以包括借助于本身已知的轴承从至少一个方向安装在轴承上的机轴，该轴承例如为球轴承、另一滚子轴承、滑动轴承或者足够坚固的另一轴承。
除在图1中示出的结构部件以外，林区作业机器1还可以包括所需数目的本身已知的部件，该部件包括机架部件、装置、系统、部件和车辆和/或机器的典型的但未被示出的其他结构部件。在每种情况下，这些结构部件中的每个结构部件均可以设置在机架部件、3、4中的一个或更多个机架部件中或林区作业机器1的另一结构部件中。
在图1a、图1b、图1c、图2a和图2b中，机架部件2、3、4中的至少某些机架部件设置有车轮5，但是在不同的实施例中，林区作业单元1可以设置有适当数目的车轮、履带、串联轴、履带系统或机器的运动所需的并且本身已知的其他结构部件，并且这些结构部件在每种情况下均可以以与示出或未示出的一个或更多个机架部件连接的方式设置。换句话说，一个或更多个车轮、履带系统、串联轴等可以以各种方式设置在任何机架部件2、3、4中、未示出的任何机架或结构部件中、这些机架或结构部件中的若干机架或结构部件或者其组合中。林区作业单元1还可以包括未形有车轮、履带系统、串联轴等的一个或多个机架部件。
图2a为处于使用位置中的林区作业单元1的示意图。附图的林区作业单元1设置有将至少两个机架部件——在这种情况下为机架部件3和4——在林区作业单元1的机架的纵向方向上大致连续地接合在一起的接合部，该接合部允许绕大致垂直于林区作业单元1的旋转轴线C的大致竖向的回转轴线E枢转，以改善和/或实现林区作业单元1的可操纵性。在附图中，因此，例如关于林区作业单元1的转向，机架部件4相对于机架部件3绕大致垂直于林区作业单元1的纵向旋转轴线C的所述大致竖向的枢转轴线枢转。该枢转具有角度范围D，并且林区作业单元1的旋转轴线C相应地形成了在机架部件3与机架部件4之间具有对应范围的角度的虚线。在各种实施例中，设置有允许绕竖向枢转轴线枢转的一个或更多个这样的接合部，并且所述一个或更多个这样的接合部在每种情况下均可以设置在林区作业单元1的示出或未示出的两个机架部件之间。在这种情况下，在旋转轴线C上形成了与接合部的数目对应的角度数目。在不同的实施例和操作情况下，机架部件2、3、4可以在机架部件与连接该机架部件的结构的流隙和间隙所允许的限度内相对于彼此和旋转轴线C移动；例如，机架部件2、3、4例如可以相对于彼此旋转+/-40度，或者例如相对于彼此转向+/-45度。
图2b为从林区作业单元1的机架部件4的末端观察的三个机架部件2、3、4的示意图。在图2b的使用或运动位置中，机架部件相对于彼此旋转，使得第二机架部件3处于大致水平的位置，即，处于中间位置，机架部件2在附图中已相对于第二机架部件3逆时针方向旋转，即，相对于与箭头G相反的方向旋转，并且机架部件4在附图中已相对于机架部件3顺时针方向旋转，即，沿箭头G的方向旋转。
连同此时所公开的稳定方法和设备，在图2a和图2b中示出并由相对于彼此绕林区作业单元1的旋转轴线C旋转的至少三个机架部件2、3、4形成的机架相比于现有技术的方案实现了许多优势。根据不同的实施例，例如，所需的机架部件例如要支撑的机架部件可以被引导至大致水平的位置。
图3示出了包括用于控制两个机架部件3、4之间的旋转的第一旋转控制致动器6的林区作业单元1。旋转控制致动器6优选地可以为在车辆和/或机器中使用的任何致动器，例如，能够以本身已知的方式(例如，以液压方式和/或以电方式)控制的压力介质操作的致动器，例如，液压缸。在不同的实施例中，除第一旋转控制致动器6以外或替代第一旋转控制致动器6，还可以使用另一种类型的旋转控制设备。可以根据实施例设置一个或更多个这样的第一旋转控制致动器6或设备，所述接合部中每个接合部以及一个或更多个接合部均可以配备有第一旋转控制致动器6或设备。
此外，在图3的实施例中，林区作业单元1包括至少一个安装结构7，在每种情况下所述至少一个安装结构7以与至少一个机架结构结合的方式优选地设置在机架部件的上表面上或者设置在该机架部件附近。在不同的实施例中，可以设置若干安装结构7。安装结构7可以包括可以形成机架部件的一部分或者连接至机架部件的一个或更多个部件。安装结构7还可以被控制成单独地或者通过控制设置有安装结构7的机架部件2、3、4绕旋转轴线C或者与该旋转轴线C大致平行的轴线移动。因此，安装结构7能够相对于林区作业单元1绕旋转轴线C发生的横向枢转优选地被控制在大致水平的位置。例如，安装结构7例如可以优选地设置有林区作业单元1的舱和/或林业机器的动臂系统，其中，对于林区作业单元1的舱，鉴于职业卫生和职业安全，在绕特别是旋转轴线C发生旋转的方向上以及在大致垂直于旋转轴线C并且绕林区作业单元1的横向轴线发生旋转的方向上尽可能稳定且水平的位置是优选的，对于林业机器的动臂系统，尽可能水平的位置是优选的，从而使对可用动力的利用最大化。在不同的实施例中，车辆或机器1的舱和/或升降架或另一动臂系统例如可以设置成实质上由该安装结构7支撑。在又一实施例中，如果需要的话，可优选地将林区作业单元1的主动力源(例如柴油机)和动力传输的其他所需部件放置在安装结构7，例如，关于特别陡峭和/或倾斜的工作环境和情况，这样做是特别有利。相应地，在某些实施例中，设置有安装结构7的机架部件2、3、4可以为要支撑的机架部件。另一方面，在其他实施例中，设置有安装结构7的机架部件2、3、4可以为支撑机架部件，或者林区作业单元1可以包括设置于支撑机架部件和/或要支撑的机架部件的多个安装结构7。例如，根据实施例，支撑机架部件例如可以包括可以设置有舱的安装结构7，并且要支撑的机架部件可以包括第二安装结构(未示出)，例如动臂总成、载货空间和/或者形成或接收有效负载的另一类似结构可能已经设置于该第二安装结构。
图4示出了一个方案，其中，安装结构7设置有第二旋转控制致动器8，以通过绕与旋转轴线C的方向大致垂直的轴线F取向的旋转、相对于林区单元在旋转轴线C的方向上的倾斜来引导安装结构的位置。在这种类型的方案中，同样的第二旋转控制致动器8也可以用于控制相对于旋转平面B发生的旋转。致动器例如可以为压力介质操作的致动器，例如液压缸、产生线性运动的电动致动器或者适于此目的的另一致动器。在不同的实施例中，每个安装结构7均可以设置一个或更多个第二旋转控制致动器8。在不同的实施例中，第二旋转控制致动器8自然可以由允许安装结构7相对于机架部件3绕轴线F旋转并且允许机架部件3、4的绕旋转轴线C的旋转被控制的一个或更多个另一类型的系统来代替。在这种类型的方案中，机架部件2例如可以为支撑机架部件并且机架部件3和4可以为要支撑的机架部件。
图5为用于使林区作业单元1的至少一个机架部件2、3、4稳定的方法的示意图。该方法包括确定501分量TpayloadX(T有效负载X)，该分量TpayloadX为由林区作业单元1的有效负载施加于机架部件2、3、4的力矩Tpayload(T有效负载)的分量并且该分量TpayloadX至少绕机器的纵向轴线作用。根据某些实施例，也可以确定由有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的作用在其他方向上的分量，例如绕林区作业单元的横向轴线或与该横向轴线大致平行的轴线作用的分量和/或绕大致竖向的轴线作用的分量。另外，图5的方法包括至少基于所述分量TpayloadX确定502用于至少稳定机架部件所需的至少一个支撑力矩Tsupport(T支撑)的大小和方向以及根据确定的大小和方向调节503支撑力矩Tsupport。在不同的实施例中，由有效负载Tpayload施加于至少一个要支撑的机架部件的力矩例如可以通过下面所列的一些方法和/或其组合来确定。该力矩可以基于借助于力矩传感器的直接力矩测量和/或基于对力和该力的力矩臂的直接或间接测量以及矢量计算来确定。此外，该力矩可以通过基于例如对林区作业单元和/或有效负载的机械和/或动力学的建模和/或对林区作业单元的控制系统的位置和/或运动状态的估计或者允许对力矩进行估计的某些其他模型来估计所述力矩来确定。还可以根据以上列举的测量值、数据、计算值和/或者方法的组合或者通过其他类似的方式来确定该力矩。
通常，最优选的支撑力矩Tsupport为足以使林区作业单元的要支撑的机架部件和/或机架稳定的最小支撑力矩。另一方面，如在先前示例中所陈述的，例如在要支撑的机架上具有控制舱的机器中，使要支撑的机架有效地稳定的控制模式可能针对允许通过比在使用刚性机架锁时可能实现的支撑力矩更大的支撑力矩来支撑机架的模式。在这种情况下，目的并非是具有最小的可能支撑力矩，而是可以使要支撑的机架部件最有效地稳定。因此，在不同的实施例中，根据稳定对象和使用的情况，最优选的支撑力矩可以为在尽可能小的力矩与补偿由有效负载施加于要支撑的机架的力矩的支撑力矩之间的任何力矩。根据不同的实施例，该方法例如还可以包括例如确定要支撑的机架部件的至少一个位置和/或运动状态。根据某些实施例，该方法可以包括确定多于一个机架部件——例如，至少一个支撑机架部件和至少一个要支撑的机架部件——的位置和/或运动状态。
根据某些实施例，所需的支撑力矩Tsupport产生并被调节成具有预定的大小和方向。支撑力矩例如可以由至少一个致动器产生，所述至少一个致动器可以用于引起在至少一个所需方向上的预定力矩，所述至少一个致动器能够锁定至其当前位置以防止机架部件相对于彼此旋转。
根据某些实施例，所述一个或更多个机架部件还可以经历基于通过所述位置和/或运动状态以及通过所述有效负载施加于机架部件的力矩的稳定性分析。这允许在需要时基于稳定性分析在预定替代方案中选择林区作业单元的操作状态。根据某些实施例，操作状态的替代方案可以包括下述操作状态中的至少一个操作状态：主动稳定、锁定机架部件的相互位置、固定、以及接近极限位置和/或在达到极限位置时警告使用者。
图6为例如在根据图2b的情况下的机架部件——在这种情况下，机架部件3——的支撑力矩的示例的示意图。支撑力矩Tsupport的大小和方向优选地确定成使得支撑力矩至少等于第一力矩极限Tmin(T最小)，该第一力矩极限Tmin等于仅够防止要稳定的机架部件2、3、4朝一侧倒下的力矩，所述一侧为机架部件2、3、4在没有支撑力矩的情况下趋于朝其倒下或倾斜的那一侧。换句话说，优选地，根据要支撑的机架部件2、3、4在没有支撑力矩的情况下趋于朝向哪一侧倒下或倾斜来确定支撑力矩Tsupport的方向。因此，支撑力矩Tsupport的方向被选成与趋于使机架部件2、3、4倒下的力矩相反，例如与由重力对这一侧引起的力矩相反。然而，该支撑力矩必须比第二力矩极限Tmax(T最大)小，该第二力矩极限Tmax至多等于下述力矩中较小的一个力矩：造成要支撑的机架部件2、3、4朝支撑力矩作用的方向倒下的力矩或者造成支撑机架2、3、4失去其稳定性的力矩。图6为示出了支撑力矩的分量的示例，该分量绕旋转轴线C作用，但是根据不同的实施例，可以确定和/或产生一个或更多个支撑力矩Tsupport，并且该支撑力矩还可以具有不同的方向和/或包括在多个方向上作用的分量。
实际上，通常优选的是形成尽可能小、但同时大到足够以允许两个机架保持稳定的支撑力矩。在这种情况下，结构不承受不必要的负载并且支撑机架部件以及要支撑的机架部件两者均稳定。然而，由于当作用在具体机架部件(例如，支撑机架部件或要支撑的机架部件)上的应力被优化时，最佳支撑力矩可以更大，因此，最佳支撑力矩可以根据所优化的内容而变化。
根据不同的实施例，支撑力矩Tsupport可以通过至少一个致动器产生。根据实施例，所述支撑力矩Tsupport可以通过可以用于在至少一个所需的方向上产生预定力矩的至少一个致动器产生。根据实施例，所述支撑力矩Tsupport可以通过至少两个致动器产生，所述至少两个致动器中的每个致动器均可以用于相对于至少一个方向产生力矩。根据另一实施例，所述支撑力矩Tsupport可以通过可以用于在彼此相反的至少两个方向上产生力矩的至少一个致动器产生。因此，所述致动器可以用于产生具有与所需的支撑力矩Tsupport对应的大小和方向的总支撑力矩。根据不同的实施例，所述一个或更多个致动器还可以锁定至其当前位置以防止机架部件相对于彼此旋转。
根据不同的实施例，机架部件2、3、4还可以经历通过应用上述位置和/或运动状态以及上述力矩的稳定性分析，并且可以基于稳定性分析的结果在预定替代方案中选择林区作业单元的操作状态。稳定性分析还可以使用林区作业单元以及该林区作业单元的影响稳定性的机架部件的机械特性，例如林区作业单元和/或其一个或更多个机架部件的机械模型和/或对林区作业单元和其机架部件的测量。根据实施例，出于简便的目的，稳定性分析可以在仅考虑力矩绕旋转轴线C作用的分量和/或力矩绕林区作业单元的横向轴线作用的至少一个分量和/或绕大致竖向的轴线作用的分量的情况下实施。根据不同的实施例，操作状态的替代方案可至少以包括主动稳定、锁定机架部件的相互位置和/或接近极限位置和/或在达到极限位置时警告使用者。在这种情况下，极限位置指的是整个林区作业单元开始倒下或者处于倒下的紧迫危险时的稳定性极限值。极限位置还可以为用于使要支撑的机架部件稳定所需的支撑力矩大致等于在所讨论的位置和运动状态下可以产生的最大支撑力矩的位置或情况。根据又一些实施例，操作状态的替代方案还可以包括固定。例如在必须将机架部件相对于彼此的旋转锁定至具体的位置的情况下可能需要固定。固定指的是下述设置：允许防止林区作业单元的起动，和/或或在必要时允许移动的林区作业单元停止。
在本公开中关于图5给出的方法例如可以通过与具有机架的林区作业单元结合的设备来实施，该机架可以类似于在本公开中关于图1a至图4描述的机架。根据实施例，在那种情况下，所述支撑力矩可以通过至少一个致动器产生，所述一个致动器或多个致动器可以用于在至少一个所需方向上产生预定力矩。根据不同的实施例，致动器还可以锁定至其当前位置，以防止机架部件相对于彼此旋转。
根据某些实施例，在每种情况下，林区作业单元1的一个或更多个机架部件——优选地为至少一个要支撑的机架部件——的位置和/或运动状态均可以利用至少一个传感器来确定，所述至少一个传感器可以为加速度传感器或倾斜计。在某些实施例中，除了加速度传感器之外，还可以使用至少一个角速度传感器。
图7为用于使林区作业单元1的至少一个机架部件2、3、4稳定的设备的示意图。该设备至少包括用于检测由有效负载或多个有效负载引起的力矩、至少该力矩的至少绕旋转轴线C作用的至少一个分量的检测装置71。另外，该设备包括控制单元或系统72，该控制单元或系统72用于基于由所述有效负载引起的力矩的至少一个分量确定用于至少稳定一个机架部件2、3、4所需的至少一个支撑力矩的大小和方向。该设备还包括用于形成并调节支撑力矩的至少一个致动器73。
图8为用于使林区作业单元1的至少一个机架部件2、3、4稳定的实施例的示意图，其中，旋转控制设备包括致动器83，例如，压力介质操作的致动器，例如液压缸。在这种情况下，旋转控制设备的压力和方向控制可以通过控制阀单元84(例如控制力矩的方向的方向阀单元)以及借助于压力来调节力矩的大小的压力控制单元85来执行。如在图8中所示，压力和方向控制单元可以包括多个单独的部件(例如，控制阀单元84和压力调节单元85)或者一体的部件。控制阀单元84可以包括例如优选地具有封闭的中间位置的4/3方向阀，并且压力调节单元85例如可以包括压力比例阀，该压力比例阀具有压力反馈耦接并且耦接至方向阀。在这种情况下，方向阀的封闭的中间位置允许汽缸被锁定，由此也使压力阀的输出关闭，这允许由压力调节阀调节的系统压力下降以节省能量。封闭的中间位置例如还可以在对压力阀以及该压力阀的操作的压力传感器的故障诊断中使用，在这种情况下，在必要时，可以警告驾驶员操作扰动处于故障情况并且可阻止稳定功能。图8还示出了用于该设备的能量源86。
在基于压力来控制旋转控制设备的支撑的情况下，机架接合部17可以在压力几乎根本没有改变的情况下绕纵向轴线旋转。因此，当在不平坦的地面上驱动时，也可以保持支撑力矩。如果在静止的状态中车轮下的地面受到破坏，则机架处于新的平衡位置，但在机架接合部上不会有额外负载，而在刚性旋转控制的情况下在机架接合部上却有额外负载。由于真正的支撑力矩遵循实时所需的力矩，因此，与常规的机架锁实施方式的情况相同，支撑力矩均匀地变化并且没有出现不连续性。
要支撑的机架部件2、3、4和/或支撑机架部件的的位置和运动状态以及特别是其方向例如可以通过要支撑的机架部件的倾斜和角速度感测81d和/或支撑机架部件的倾斜和角速度感测87(倾斜和角速度感测81d、87例如由速度传感器、倾斜计和/或角速度传感器来实现)来与因重力矢量的加速度相关地确定，并且基于此，机架部件的位置对支撑力矩的影响可以在控制单元或系统72、82中确定。有效负载可包括林区作业单元的可移动动臂总成和/或通过该动臂总成提升的负载。例如可以基于动臂总成的提升汽缸的压力81a以及动臂总成以及动臂总成的基部15的位置数据81b、81c相当精确地估计由这种动臂操作引起的力矩。计算由动臂总成和/或某些其他有效负载——如果存在其他有效负载的话，该其他有效负载例如为负载——引起的力矩的另一方法为基于汽缸压力(4-点测量)以及要在两个方向上倾斜的基部的位置或者通过例如借助于销传感器和/或应变计的对基部的单独的动力感测来计算该力矩。
然而，支撑力矩优选地不会增加至超过第二力矩极限Tmax。如果力矩增加得过多，则支撑机架最终将会倒下。如果驾驶员坐在要支撑的机架上，则她/他不一定能检测到支撑机架即将倒下。为此，将主动调节的支撑力矩限制至安全值。
另外，在稳定方法和设备中可以考虑林区作业单元的操作状态89。除此之外或替代此，在必要时，还可以基于上述位置和/或运动状态以及有效负载对机架造成的力矩对机架部件进行稳定性分析，并且在必要时，可以基于稳定性分析的结果，在预定的替代方案中选择林区作业单元的新的操作状态。例如，以上已参照图6对这种可能的操作状态进行了讨论。
如果在林区作业单元静止时确定的支撑力矩超过的第二力矩极限Tmax，则，例如，可以通过由锁定阀以常规方式控制要加强的机架接合部来控制机架的旋转，因此，林区作业单元的整个质量充分地参与了机器的稳定。由于在这种情况下，驾驶员注意到了由整个林区作业单元的倾斜引起的不稳定性以及林区作业单元在刚性的机架接合部上的逻辑表现，因此，这显著地改善了林区作业单元的稳定性与安全性。在这种情况下，可保持旋转被锁定，直到所需的支撑力矩已经下降到略微小于第二力矩极限Tmax为止。当再次松开旋转时，用于旋转控制的致动器可以返回到主动稳定。
对于在驱动期间所需的支撑力矩超过第二支撑力矩极限Tmax的情形，由于在驱动期间不适合锁定机架的旋转，并且也不能为了确保支撑机架部件的稳定性而将支撑力矩增大，因此可以针对机架锁的汽缸压力来确定预定支撑力矩水平的阈值。然而，林区作业单元的行为是合逻辑的并且是驾驶员本身作用的结果，因此，驾驶员能够防止失去稳定和支撑机架部件倒下。此外，在所公开的方案中，用于使支撑机架倒下所需的力矩显著大于在使用通常所说的机架锁时的力矩。相应的功能自然也可以通过某些其他类型的致动器例如电动致动器来执行。
在所需的支撑力矩接近第二力矩极限Tmax或者达到或超过该第二力矩极限Tmax的以上情况下，控制系统可以设置成检测机架部件的不稳定性。这使得例如可以通过视听装置警告驾驶员即将发生的可能危险的情况。另外，根据不同的实施例，如果所需的支撑力矩接近第二力矩极限Tmax，则可以确定在驱动期间阻止林区作业单元的驱动，或者可以迫使林区作业单元停止。另外，在不同的实施例中，如果在所需的支撑力矩等于或大于第二力矩极限Tmax时试图使林区作业单元移动，则可以确定阻止起动。在这种情况下，例如，只有在驾驶员已经将动臂总成移动得更靠近林区作业单元的纵向轴线之后才可以允许驱动。
如果可以通过载货空间规模来测量由负载引起的力矩，则所公开的稳定方法和设备例如还可以用于其他林区作业单元例如传送机中。另外，上面所公开的方法和设备自然也可以用于在不平坦地面上作业的并且包括可以相对于彼此旋转的至少两个机架部件的其他对应的作业机器中。
在图中，出于简便的目的，机架部件2、3、4被示出为彼此分离并且在附图中没有主要地示出连接该机架部件2、3、4的结构部件。自然地，顺序的结构部件在每种情况下均可以通过使独立权利要求的特征被实现的任何结构部件或结构连接至彼此。
所公开的不同实施例的致动器(例如第一旋转控制致动器6和/或第二旋转控制致动器8)例如可以由产生受限运动的铰接致动器(例如翼致动器或某些其他扭矩马达等)来代替，或者由本身已知的且适于此目的的另一类似的方案来代替。
对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以许多不同的方式来实施。因此，本发明以及本发明的实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内进行改变。

Claims (22)

1.一种用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的方法，所述林区作业单元包括至少两个能够相对于彼此绕所述林区作业单元的纵向旋转轴线旋转的机架部件，其特征在于，
确定由有效负载施加于所述林区作业单元的要支撑的机架部件的力矩的、绕所述林区作业单元的至少纵向的旋转轴线作用的分量；
至少基于由所述有效负载施加于所述要支撑的机架部件的力矩来确定用于至少稳定所述要支撑的机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向；以及
通过至少一个致动器产生具有与所确定的所需的支撑力矩对应的大小和方向的支撑力矩；
其中，所述林区作业单元的第一机架部件包括由有效负载引起的力矩主要针对的所述要支撑的机架部件，所述林区作业单元的第二机架部件包括支撑机架部件，由有效负载引起的力矩的负载借助于稳定而被分布和/或传送至所述支撑机架部件，所述稳定借助于所述至少一个致动器产生所需的支撑力矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还确定由所述有效负载施加于所述要支撑的机架部件的力矩的、绕所述林区作业单元的横向轴线作用的分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个致动器能够设置成在期望的方向上施加预定的力矩以及能够将所述至少一个致动器锁定至其当前位置以防止机架部件相对于彼此旋转。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
与因重力矢量的加速度相关地确定所述林区作业单元的所述至少一个支撑机架部件以及所述至少一个要支撑的机架部件的位置和/或运动状态；以及
至少基于所述位置和/或运动状态以及由所述有效负载施加于所述要支撑的机架部件的力矩的绕所述至少纵向的旋转轴线作用的分量来确定用于至少稳定所述要支撑的机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还基于所述位置和/或运动状态以及所述力矩对所述林区作业单元的机架部件进行稳定性分析，以及基于所述稳定性分析在预定的替代方案中选择所述林区作业单元的操作状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述操作状态的替代方案至少包括主动稳定以及锁定所述机架部件相对于彼此的位置。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述操作状态的替代方案还包括林区作业单元的固定。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述操作状态的替代方案包括当接近极限位置时和/或当达到极限位置时至少警告驾驶员。
9.一种用于使林区作业单元的至少一个机架部件稳定的设备，所述林区作业单元包括至少两个能够相对于彼此绕所述林区作业单元的纵向旋转轴线旋转的机架部件，其特征在于，所述设备至少包括：
用于确定由所述林区作业单元的有效负载施加于要支撑的机架部件的力矩的绕所述林区作业单元的至少纵向的旋转轴线作用的分量的装置，
用于至少基于由所述有效负载施加于所述要支撑的机架部件的所述力矩来确定用于至少稳定所述要支撑的机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向的装置；以及
用于产生所需的支撑力矩以及用于将所需的支撑力矩调节至预定的大小和方向的装置，所述用于产生所需的支撑力矩以及用于将所需的支撑力矩调节至预定的大小和方向的装置包括：用于产生具有与所确定的所需的支撑力矩对应的大小和方向的总支撑力矩的至少一个致动器；
其中，所述林区作业单元的第一机架部件包括由有效负载引起的力矩主要针对的所述要支撑的机架部件，所述林区作业单元的第二机架部件包括支撑机架部件，由有效负载引起的力矩的负载借助于稳定而被分布和/或传送至所述支撑机架部件，所述稳定借助于所述至少一个致动器产生所需的支撑力矩。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述至少一个致动器能够配置成在至少一个期望方向上产生预定的力矩，并能够锁定至其当前位置，以防止机架部件相对于彼此旋转。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于与因重力矢量的加速度相关地确定至少一个要支撑的机架部件的位置和/或运动状态的装置，以及
用于基于由所述有效负载施加于所述要支撑的机架部件的力矩的绕所述至少纵向旋转轴线作用的分量来确定用于至少稳定所述要支撑的机架部件所需的所述至少一个支撑力矩的所述大小和方向的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于基于所述位置和/或所述运动状态以及所述力矩对所述林区作业单元的机架部件进行稳定性分析以及用于基于所述稳定性分析的结果在预定的替代方案中选择所述林区作业单元的操作状态的装置。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述操作状态的替代方案至少包括主动稳定以及锁定机架部件的相互位置。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述操作状态的替代方案还包括林区作业单元的固定。
15.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述操作状态的替代方案包括当接近极限位置时和/或当达到极限位置时至少警告驾驶员。
16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述用于与因重力矢量的加速度相关地确定至少一个要支撑的机架部件的位置和/或运动状态的装置包括至少一个传感器。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述传感器为加速度传感器或倾斜计。
18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述传感器为角速度传感器。
19.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于确定由所述有效负载施加于所述林区作业单元的要支撑的机架部件的力矩的至少绕所述旋转轴线作用的分量的装置包括下述中的至少一个：对动臂总成的枢转的铰接角度测量的装置、对提升汽缸动力测量的装置以及对所述动臂总成基部与提升汽缸之间的接合部的铰接角度测量的装置。
20.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于确定用于至少稳定所述要支撑的机架部件所需的至少一个支撑力矩的大小和方向的装置至少包括控制系统。
21.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，用于对所述林区作业单元的机架部件进行稳定性分析并且用于选择所述林区作业单元的操作状态的装置至少包括控制系统。
22.一种林区作业单元，其特征在于，所述林区作业单元包括根据权利要求9所述的设备。
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