CN106049237A - 基于温度的自适应压实 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于温度的自适应压实。一种用于压实作业物料的压实机系统包括滚压滚筒、振动性机构和控制器。所述滚压滚筒配置成对作业物料进行压实。所述振动性机构联接至所述滚压滚筒并操作地联接至所述控制器。该控制器配置成基于振动参数来确定振动作用，且还配置成生成输出信号用以控制所述振动性机构将所述振动作用施加至所述滚压滚筒。所述控制器包括处理器和至少一个传感器。该至少一个传感器配置成感测所述作业物料的第一数据参数和所述滚压滚筒的第二数据参数。所述处理器配置成基于所述第一数据参数和第二数据参数来计算所述振动参数。

Description

基于温度的自适应压实

技术领域

本发明总体涉及压实机系统，并且更具体地涉及用于在压实过程中调整振动力的振幅的系统和方法。

背景技术

压实机机器(也不同地称为压实机器)通常用于压实刚刚铺设的沥青、泥土、碎石和与道路表面关联的其它能压实的作业物料。例如，在道路、高速路、停车场等的建设期间，松散的沥青沉积并散布在待铺设的表面上。可以是自推进式机器的一个或多个压实机在表面上行进，借此压实机的重量将沥青压紧成固化的质量。坚硬压实的沥青具有适应繁重车辆交通的强度，此外还提供了平滑的轮廓表面——其可有助于交通流量且将雨水及其它沉淀物导离道路表面。压实机还用于在建筑现场及景观美化工程中压实土或新近铺设的混凝土，从而产生其上可建造其它结构的致密的坚硬的地基。

为有助于压实过程，压实机机器可包括振动性机构。振动性机构能够通过控制振动幅度和振动频率来帮助形成一定程度的压实。振动性机构能容许使用者独立于振动幅度而从一个或多个可能的频率中选定目标振动频率，或者可容许使用者独立于振动频率而选定目标振动振幅。可以调整振动振幅或振动频率，同时另一者保持固定或不受控。美国专利No.4,481,835描述了一种用于持续调整振动幅度以获得期望的压实效果的系统。然而，这个系统未能考虑正被压实的物料的性质。结果，该系统并不那么有效，因为可能要求在同一表面上进行多遍压实，且振动振幅会引起不希望的断开联系发生，因而压实机不会保持与表面接触。

常规系统已试图克服这些缺陷。美国公开专利No.2013/0136539A1描述了一种铺设系统，其包括用于感测应力应变、压力、温度、湿度水平和/或有益于评定铺设过程的其它铺设参数的感测元件。该感测元件包括嵌入到铺设物料中的传感器，该传感器可提供针对铺设物料的压实水平的实时测量。然而，这种系统要求遍及铺设物料设置的多个传感器，这增加了铺设过程的复杂性。另外，嵌入的传感器会在铺设期间逐渐损坏，从而引起不正确的测量和/或置换成本。

因此，需要用于压实作业物料的改进的和/或简化的压实系统来增加压实的效果和效率。

发明内容

本发明的一个方案提供一种用于压实作业物料的压实机系统。该压实机系统包括滚压滚筒、振动性机构和控制器。所述滚压滚筒配置成对作业物料进行压实。所述振动性机构联接至所述滚压滚筒。所述控制器操作地联接至所述振动性机构并配置成基于振动参数来确定振动作用。所述控制器还配置成生成输出信号用以控制所述振动性机构将所述振动作用施加至所述滚压滚筒。所述控制器包括处理器和至少一个传感器。该至少一个传感器配置成感测所述作业物料的第一数据参数和所述滚压滚筒的第二数据参数。所述处理器配置成基于所述第一数据参数和第二数据参数来计算所述振动参数。

本发明的另一方案提供一种用于压实作业物料的压实机系统。该压实机系统包括振动性机构和控制器。该振动性机构配置成输出振动作用。所述控制器操作地联接至所述振动性机构并配置成基于振动参数来确定振动作用。该控制器还配置成生成输出信号用以控制所述振动性机构输出所述振动作用。该控制器包括第一传感器、第二传感器和处理器。所述第一传感器配置成感测所述作业物料的第一数据参数。所述第二传感器配置成感测所述压实机系统的第二数据参数。所述处理器配置成基于所述第二数据参数和所述第一数据参数来计算所述振动参数。

本发明的另一方案提供了一种用于通过压实机系统的滚压滚筒压实作业物料的方法。该方法包括感测所述作业物料的第一数据参数，并感测所述滚压滚筒的第二数据参数。该方法还包括基于所述第一数据参数和第二数据参数来计算振动参数。该方法还包括生成输出信号，用以控制所述振动性机构施加基于所述振动参数的第一振动作用。

附图说明

图1是根据本发明的方案的压实机系统的侧视图。

图2是根据本发明的方案的控制器的框图。

图3是描绘根据本发明的方案的用于确定振动作用的方法的流程图。

具体实施方式

本发明总体涉及振动式压实机器，其具有与被待压实的表面滚动接触的一个或多个滚压滚筒。压实机可用在松散的作业物料被置于表面上的情形中。作业物料可以包括沥青、土壤、碎石、沙子、填注垃圾、混凝土及其组合，或能够被压实的其它物料。随着压实机器在表面上行进，由压实机器产生并传递给表面的振动力与机器的重量协作配合地起作用，用以将作业物料压实到更加紧实和致密的状态。可基于作业物料的性质、诸如温度来确定传递至表面的振动力。压实机可在表面上进行一遍或多遍压实，用以提供期望程度的压实。

图1图解了根据本发明的一个方案的压实机系统100的侧视图。在这个视图中，示出示例性的压实机系统100能在表面S上行进从而以其自身动力压实作业物料Z，该压实机系统可实施本发明的多个方案。设想到用于实施本发明的方法和设备的其它类型的压实机，例如包括土壤压实机、沥青压实机、多用途压实机、气动式压实机、振动式压实机、自推进式两轮及四轮压实机和后拖曳式系统。压实机系统100包括具有体部或框架104的压实机器102，该体部或框架使能让压实机器102运行的多种物理特征和结构特征相互可操作地连接并关联。这些特征可以包括安装在框架104顶部上的操作员室106，操作者可自该操作员室控制和管理压实机器102的操作。另外，驾驶装置108及类似的控制装置可位于操作员室106内。为了在表面S上推进压实机器102，动力系统(未示出)、诸如内燃机也可安装至框架104，并能生成动力用以使压实机器102物理地移动。一个或多个其他机具(未示出)可连接至机器。这类机具可用于各种任务，包括例如装载、起重和擦刷，并且可包括例如铲斗、叉式起重设备、刷子、抓斗、切割机、剪切机、刀刃、破碎器/锤子、螺旋输送器及所属领域中已知的任意其它机具。

为了使压实机器102能够相对于表面S运动，所示的压实机器102包括与表面S滚动接触的第一滚压滚筒110(或压实部件110)和第二滚压滚筒112(或压实部件112)。第一滚压滚筒110和第二滚压滚筒112两者皆可转动地联接至框架104，从而使第一滚压滚筒110和第二滚压滚筒112随着压实机器102在表面S上行进而在该表面上滚动。出于参考目的，压实机器102可具有典型的行进方向使得可将第一滚压滚筒110视为前滚筒，而可将第二滚压滚筒112视为机器102的后部。如在本文中使用的，术语“前”和“后”指的是压实机器102上的分别朝向第一滚压滚筒110和第二滚压滚筒112定位的位置。在图解方案中，为了将原动力自动力系统传输至表面S，动力系统可通过合适的动力传动系操作地接合并转动第一滚压滚筒110、第二滚压滚筒112或其组合。

将理解的是，第一滚压滚筒110可具有与第二滚压滚筒112相同或不同的构型。具体地，第一滚压滚筒110可包括长形的中空圆柱体，该圆柱体具有包封出内部容积的、圆柱形的滚筒壳。圆柱形的滚压滚筒限定圆柱形滚筒轴线并沿该轴线延伸。滚筒壳可由厚的刚性材料、诸如铸铁或钢制成，以承受得住与表面S滚动接触并压实该表面。尽管所示方案示出滚筒壳的表面具有平滑的圆柱形的形状，但在其它方案中，多个凸起、垫、凸块等可自滚筒壳的表面突出，用以例如打碎正被压实的作业物料Z的聚集。还应理解的是，机器102可包括构造成接触表面S的橡胶轮胎(未示出)和单个的滚压滚筒。

第一滚压滚筒110和第二滚压滚筒112两者都可以具有振动性机构120。虽然图1示出第一滚压滚筒110和第二滚压滚筒112两者均具有振动性机构120，但在其它方案中可以具有位于第一滚压滚筒110或第二滚压滚筒112上的单个的振动性机构120。在又一些其它方案中，单个振动性机构120或多个振动性机构120可位于压实机器102上的不同位置。

振动性机构120可布置在滚压滚筒的内部容积内。在本发明的一个方案中，振动性机构120包括布置在滚压滚筒内处于偏离滚压滚筒旋转所环绕的轴线的中心的位置处的一个或多个重量或质量。随着滚压滚筒转动，质量的偏离中心或偏心位置将待传递至正被压实的表面S的振荡力或振动力诱导至滚筒。重量关于共同轴线偏心地设置，并典型地能相对于彼此绕着该共同轴线移动，用以在重量转动期间产生不同的不平衡度。通过将偏心重量相对于彼此绕着它们的共同轴线进行设置以改变质量关于重量的转动轴线的均匀分布(即，质心)可以改变由偏心的转动的重量的这种配置产生的振动幅度。这样的系统中的振动幅度随着质心背离重量的转动轴线移动而增大，且随着质心朝向该转动轴线移动而朝零减小。在一些应用中，偏心地设置的质量配置成在滚压滚筒内独立于滚筒的转动而转动。在替代性方案中，可使用向第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112施加振动作用的任意振动性机构120。如在本文中所用的，术语“振动作用”指的是振动参数，诸如由振动性机构120产生的振动的振幅、频率或振幅和频率。

为了便于压实机器102的控制和协调，压实机器102可包括控制器200——诸如电子控制单元，其可有助于本文所述的任意方法或过程的控制和协调。虽然图1中图解的控制器200配置作为不同但相互操作的多个单元，但在其它方案中，控制器200可以具体化为单个的单元，其被包含到另一部件中，或位于压实机器102上或之外的不同位置。

图2图解了根据本发明的方案的控制器200的框图。控制器200可包括处理器202、存储器204、显示器或输出206、输入装置208、作业物料传感器130、压实传感器210或它们的组合。控制器200的主要单元可位于操作员室106内用于操作者使用，并可与驾驶特征108、动力系统以及与压实机器102上的多种其它传感器和控制装置通信。

控制器200可通过所属领域中已知的有线通信或无线通信方法联接至振动性系统120。控制器200可配置成用于控制振动性机构120以将振动作用施加至第一滚压滚筒110、第二滚压滚筒112或它们的组合，从而获得如本文中进一步描述的目标压实。

如图2中所示，处理器202可联接至作业物料传感器130和压实传感器210。处理器202可配置成输出响应于来自作业物料传感器130和压实传感器210的输入的信号，如本文中进一步描述的。显示器206也可联接至处理器202并可设置在操作员室106中，用于向操作者显示与机器位置、地面坚硬度、表面温度、振动作用或其它参数有关的各种数据。可响应于表面温度或其它压实度量来采取动作——包括在作业区域内开始压实过程、停止压实机器102的行进、修改振动作用或重新定向或以其它方式改变计划好的压实机行进路径或覆盖模式。

作业物料传感器130和压实传感器210均可包括信号转换器，该信号转换器配置成感测传送信号或传送信号的分量(例如由表面S反射的信号)。如图1中所示，压实机系统100可包括单个的作业物料传感器130和单个的压实传感器210，然而将理解的是附加的传感器可包含到压实机系统100中。

作业物料传感器130可配置成感测指示作业物料Z的参数——诸如温度、密度、厚度、弹力、它们的组合，或作业物料Z的所属技术领域中已知的任意其它参数。如图1中图解的，压实机器102可包括联接至压实机102的前部的单个作业物料传感器130。将理解的是，控制器200可包括位于压实机器102上的不同位置的多于一个的作业物料传感器130。

压实传感器210可配置成感测指示压实机器102的部件的加速度、速度、位移和/或力的参数。部件可以包括第一滚压滚筒110、第二滚压滚筒112、压实机框架104等。如图1所示，单个压实传感器210接近第一滚压滚筒110联接并驻留在该第一滚压滚筒上。在其它方案中，可以使用附加的传感器——诸如与第二滚压滚筒112关联的后部传感器(未示出)或用于测量第一滚压滚筒110、第二滚压滚筒112或压实机框架104的加速度、速度、位移和/或力的单独的传感器。

处理器202接收指示由作业物料传感器130和振动传感器210感测到的值的信号，可将所述值储存在计算机可读存储器204中，并利用储存在存储器204中的算法来使用所述值计算将施加至第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112的振动作用。处理器202可以基于用于指示作业物料Z的参数和指示压实机器102的部件的加速度、速度、位移和/或力的参数的预先确定的阈值来计算振动作用。预先确定的阈值可由操作者通过输入装置208或借助其它装置来输入或调整。处理器202可向振动性机构120发送输出信号以实现计算出的振动作用，且还可以向显示器206发送信号以传达正通过振动性机构120施加的当前的振动作用。振动作用的计算可持续不断地重复，直至完成压实。处理器的示例包括如本文所限定的计算装置和/或专用硬件，而不限于一个或多个中央处理单元和微处理器。

计算机可读存储器204可包括随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)。存储器204可储存计算机可执行代码，包括控制算法，用于响应于来自作业物料传感器130和振动传感器210的输入而确定将施加至第一滚压滚筒110和第二滚压滚筒112的振动作用。存储器204还可以储存多种数字文件，包括由作业物料传感器130、振动传感器210感测到的值，或来自输入装置208的输入。储存在存储器204中的信息可提供给处理器202，使得处理器202可确定振动作用。

显示器206可定位在压实机器102上，远离该压实机器102定位，或以这两种方式的组合定位，并且显示器可包括但不限于阴极射线管(CRT)、发光二极管(LED)、液晶显示(LCD)、有机发光二极管(OLED)或等离子显示板(PDP)。这类显示器也可以是触摸屏，并可以包含输入装置208的多方面。显示器206还可以包括通过通信信道通信的收发器。

图3是描绘根据本发明的方案的用于确定将施加至振动性机构120的振动作用的方法300的流程图。在这个方案中，压实传感器210可配置成感测由第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112施加至作业物料Z的表面S的力，且作业物料传感器130可配置成感测作业物料Z的表面温度。可以在压实过程期间实时或近实时地感测所施加的力和表面温度。利用这些值，处理器202可计算出振动参数，且控制器200可基于所述振动参数来确定目标振动作用。控制器200可生成信号并将信号传输至振动性机构120，用以将所述目标振动作用施加至第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112。在本发明的方案中，振动参数包括振动力的振幅。

在步骤302，初始振动作用被设定并可由振动性机构120施加，这可以在压实过程开始之前或在压实过程期间执行。在设定初始振动作用之前可将多种因素纳入考虑中，包括例如作业物料Z的类型、作业物料Z的温度、作业物料Z的密度，压实机器102的重量、压实机器102的速度、它们的组合，或会对压实过程有用的其它因素。将理解的是，初始振动作用可以是零，使得没有初始振动力且没有初始振动频率施加至第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112。

在步骤304，介于作业物料Z的表面S与第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112之间的接触力被压实传感器210感测到。在一个方案中，压实传感器210可以是但不限于液压负荷传感器、应变仪负荷传感器或所属领域中已知的任意其它力或压力传感器。将理解的是，所述接触力也可通过利用压实机器102的物理性质、第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112的竖向加速度、压实机框架104的竖向加速度、第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112的振动性质(如果有的话)来计算接触力而确定。物理性质可以包括第一滚压滚筒110的质量、第二滚压滚筒112的质量、压实机框架104的质量等。

在步骤306，作业物料Z的温度由作业物料传感器130感测到。在一个方案中，作业物料传感器130是热像仪、热扫描仪或能感测作业物料Z的温度的其它传感器。作业物料Z的温度可以包括一区域或特定点的表面温度，或作业物料Z的在表面S之下的温度。

在步骤308，将在步骤306感测到的作业物料的温度与预先确定的温度阈值进行比较。预先确定的温度阈值可储存在控制器200的存储器204中。取决于感测到的温度是否低于预先确定的温度阈值将确定是否增加振动作用、降低振动作用或保持振动作用不变。将理解的是，可以在压实过程期间的任意点处由操作者或以其它方式更新或修改预先确定的温度阈值。

在步骤310，如果在步骤306感测到的作业物料的温度低于预先确定的温度阈值，则利用在步骤304感测到的或以其它方式计算出的、介于作业物料Z的表面S与第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112之间的接触力来确定断开联系是否已经发生。断开联系在接触力基本上是零时发生，这可表明第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112没有与作业物料Z的表面S接触。断开联系可以在所施加的振动作用的振幅处于引起第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112在表面S上有效跳动的高水平时发生。断开联系会造成不期望的后果，诸如产生不均匀的压实表面、损坏正被压实的作业物料Z或以其它方式妨碍压实作用。

在步骤312，如果感测到的温度低于预定确定的温度阈值且存在断开联系，则控制器200继续控制振动性机构120施加现有的振动性作用。与作业物料Z的温度高于预先确定的温度阈值的情形相比，当作业物料Z的温度低于预先确定的温度阈值时，为了压实物料会要求更大的力。另外，如果在压实后作业物料Z的压实密度低于一定阈值，则作业物料Z会要求压实机器102进行多遍压实，或者可能不得不被部分地或完全地重新铺设。因此，在这种情形下，由于断开联系造成的不期望的后果的风险小于施加具有高振幅的振动性作用的潜在益处。所以，即使断开联系已经发生，振动性机构120仍继续施加现有的振动作用。

在步骤314，如果感测到的温度低于预定确定的温度阈值且不存在断开联系，则控制器200增加振动作用的振幅并控制振动性机构120施加经修改的振动性作用。因为已经确定没有断开联系，所以影响作业物料Z的不期望的后果的风险可以最小化。振动作用的振幅的增加在量级上可以是百分比增加或增量增加。

在步骤316，如果在步骤306感测到的作业物料的温度高于预先确定的温度阈值，则利用介于作业物料Z的表面S与第一滚压滚筒110和/或第二滚压滚筒112之间的感测到的或以其它方式计算出的接触力来确定断开联系是否已经发生。步骤316可与步骤310在确定断开联系是否已经发生上基本相似。

在步骤318，如果感测到的温度高于预先确定的温度阈值且存在断开联系，则控制器200减小振动作用的振幅并控制振动性机构120施加经修改的振动作用。振动作用的振幅的减小使由断开联系造成的不期望的后果的风险最小化。因为温度高于预先确定的温度阈值，所以可利用振动作用的减小的振幅来充分压实作业物料Z。振动作用的振幅的减小在量级上可以是百分比减小或增量减小。

在步骤320，如果感测到的温度高于预先确定的温度阈值且不存在断开联系，则控制器200继续控制振动性机构120以施加现有的振动性作用。因为已经确定没有断开联系且作业物料Z的温度高于预先确定的温度阈值，所以影响作业物料Z的不期望的后果的风险可以最小化，并且物料Z可被充分压实。

在步骤312、314、318和320完成后，方法300返回至步骤304，以重复确定将施加至振动性机构120的振动作用的过程。可利用闭环反馈控制器200自动执行方法300。

在方法300的替代性方案中，在步骤306感测到的作业物料Z的温度可用于基于查找表来确定振动作用。例如，存储器204可储存用于多种作业物料Z的多个查找表。每个表可将作业物料Z的温度与最佳振动振幅和频率关联起来。基于感测到的温度，控制器200可查找相对应的振动作用，并将信号发送至振动性机构120，用以控制振动性机构施加相对应的振动作用。控制器200可在压实过程期间随着作业物料Z的温度变化而持续不断地更新振动作用。

在本发明的另一替代性方案中，作业物料传感器130还可以配置成感测作业物料Z的密度。作业物料Z的密度可被储存在存储器204中并由控制器200使用以确定振动作用。例如，如果作业物料Z的密度低于目标压实密度，则振动作用的振幅可以增大。或者，如果作业物料Z的密度与目标密度一致或大于该目标密度，则振动作用的振幅可保持不变或减小。将理解的是，目标压实密度可以是储存在存储器204中且由控制器200使用以确定振动作用的值，或者该目标压实密度可以是由操作者使用以手动调整振动作用的值。在优选方案中，作业物料传感器130配置成在压实之后——例如在第二滚压滚筒112压实作业物料Z之后——立即感测作业物料Z的密度。

工业实用性

本发明提供了用于压实作业物料Z的有利的系统和方法。控制器200配置成确定合适的振动作用以在压实期间施加，这容许压实机系统100压实多种条件下的作业物料。例如，系统100可压实最近铺设的作业物料或先前已经铺设且已开始沉淀和冷却的作业物料。在压实操作过程中，可感测作业物料Z的参数(诸如表面温度)以及压实作用的参数(诸如介于压实机器102与表面S之间的接触力)。然后，表面温度和接触力可用于相应地设定或修改振动作用。

施加特定于作业物料Z的参数的振动作用可使在压实期间对多遍压实的需求最小化。例如，如果作业物料Z的温度低于最佳压实温度，则可能要求更多的力来将作业物料Z压实至目标压实密度。因此，调整振动作用的振动参数、诸如振动振幅，可提供有效压实作业物料Z所要求的附加力。

增大振动振幅可能引起不期望的后果，诸如断开联系。应当使断开联系的可能性最小化，然而在某些情形中使附加的压实作业最小化所带来的益处可以胜过由断开联系引起的风险。压实方法300提供了使控制器200将振动作用的振幅增大至在不期望的后果的风险与最小化附加的压实作业的益处之间形成平衡的水平的方式。

将理解的是，本文中所描述的任意方法或功能可收录在非瞬时性的计算机可读媒介中，用于引起控制器200实现所述方法或功能。

Claims (10)

1.一种压实机系统，包括：

配置成压实作业物料的滚压滚筒；

联接至所述滚压滚筒的振动性机构；和

操作地联接至所述振动性机构的控制器，该控制器配置成基于振动参数来确定振动作用，并生成输出信号用以控制所述振动性机构将所述振动作用施加至所述滚压滚筒，所述控制器包括：

至少一个传感器，该至少一个传感器配置成感测所述作业物料的第一数据参数，并且还配置成感测所述滚压滚筒的第二数据参数；和

处理器，该处理器配置成基于所述第一数据参数和所述第二数据参数来计算所述振动参数。

2.根据权利要求1所述的压实机系统，其中所述第一数据参数是所述作业物料的表面温度，并且其中所述第二数据参数是所述滚压滚筒与所述作业物料之间的接触力。

3.根据权利要求2所述的压实机系统，其中所述至少一个传感器是热像仪。

4.根据权利要求2所述的压实机系统，其中所述振动参数是振动力的振幅。

5.根据权利要求4所述的压实机系统，其中所述控制器还配置成确定所述滚压滚筒与所述作业物料之间是否已经发生断开联系。

6.根据权利要求5所述的压实机系统，其中所述处理器还配置成基于预先确定的温度阈值来计算所述振动力的振幅。

7.根据权利要求6所述的压实机系统，其中所述预先确定的温度阈值能由所述压实机系统的操作者调整。

8.一种用于压实作业物料的压实机系统，包括：

配置成输出振动作用的振动性机构；和

操作地联接至所述振动性机构的控制器，该控制器配置成基于振动参数来确定振动作用，并生成输出信号用以控制所述振动性机构输出所述振动作用，所述控制器包括：

第一传感器，其配置成感测所述作业物料的第一数据参数；

第二传感器，其配置成感测所述压实机系统的第二数据参数；和

处理器，其配置成基于所述第二数据参数和所述第一数据参数来计算所述振动参数。

9.根据权利要求8所述的压实机系统，其中所述第一数据参数是所述作业物料的温度。

10.根据权利要求8所述的压实机系统，其中所述第二数据参数是所述压实机系统与所述作业物料之间的接触力。