CN110206079A - 液压减载运行稳定性控制与校准 - Google Patents

Abstract

作业机械包括用于稳定性控制的系统和方法以及用于校准稳定性控制的系统和方法。在操作期间，检测作业器具上的载荷并确定载荷是否等于或大于阈值。如果载荷等于或大于阈值，则确定降低的流体输出。基于降低的流体输出将控制信号输出到阀。在校准期间，当机械臂在下部位置和上部位置之间移动时，在一个或多个位置处检测液压缸中的压力。为在下部位置和上部位置之间的机械臂确定一个或多个基准值。

Description

液压减载运行稳定性控制与校准

技术领域

本公开涉及用于作业车辆的液压系统。

背景技术

许多工业作业机械，例如施工设备，使用液压来控制各种可移动器具。操作员配备有可操作地连接到一个或多个液压致动器的一个或多个输入或控制装置，所述一个或多个液压致动器操纵设备的选定部件或装置的相对位置以执行各种操作。例如，装载机可以用于提升和移动各种物料。装载机可包括通过悬臂可枢转地连接到车架的铲斗或抓斗附件。一个或多个液压缸连接到悬臂和/或铲斗，以使铲斗在相对于车架的多个位置之间移动。

发明内容

一种示例性实施例包括一种在作业机械的操作期间控制稳定性的方法。所述作业机械包括机械臂。作业器具连接到所述机械臂并被构造为接收载荷。液压致动器连接到机械臂以在第一位置和第二位置之间移动所述机械臂。阀与所述液压致动器流体连通，用于将流体输出供应到液压致动器。该方法包括接收移动机械臂的请求。检测作业器具上的载荷。确定所述载荷是否等于或大于阈值。如果载荷等于或大于阈值，则确定降低的流体输出。基于降低的流体输出将控制信号输出到阀，其中，所述控制信号调节所述阀的流体输出。

另一示例性实施例包括一种在作业车辆的操作期间控制稳定性的方法。所述作业车辆包括连接到车身的机械臂。作业器具连接到机械臂并被构造为接收载荷。液压致动器连接到机械臂以在第一位置和第二位置之间移动所述臂。阀与液压致动器流体连通，用于将流体输出供应到液压致动器。泵被配置成将流体排放到所述阀。发动机可操作地连接到所述泵。该方法包括从操作员输入装置接收移动机械臂的请求。从传感器单元接收载荷值，所述传感器单元被构造为测量作业器具上的载荷。确定载荷值是否等于或大于阈值。如果载荷值等于或大于阈值，则确定降低的流体输出。输出控制信号以基于降低的流体输出调节阀的流体输出。

另一示例性实施例包括校准作业机械的稳定性控制模块的方法。所述作业机械包括机械臂。作业器具连接到机械臂并被构造为接收载荷。液压致动器连接到机械臂以在下部位置和上部位置之间移动所述臂。阀与液压致动器流体连通，用于将流体输出供应到液压致动器。该方法包括指示操作员从作业器具移除物料并降低机械臂。确定所述机械臂是否处于下部位置并且指示操作员抬起所述机械臂。确定所述机械臂是否正在上升。当机械臂在下部位置和上部位置之间移动时，在一个或多个位置处检测液压缸中的压力。为在下部位置和上部位置之间的机械臂确定一个或多个基准值。

附图说明

根据参考附图对那些示例性实施例的描述，各种示例性实施例的方面和特征将更加明显，其中：

图1是示例性的具有处于降低的位置的作业器具的作业机械的侧视图；

图2是图1的具有处于部分抬起或升高的位置的作业器具的作业机械的侧视图；

图3是图1的具有处于完全抬起或升高的位置的作业器具的作业机械的侧视图；

图4是图1的具有处于完全抬起和倾斜的位置的作业器具的作业机械的侧视图；

图5是示例性的作业车辆的液压系统示意图；

图6是用于液压系统的示例性的控制器的流程图；

图7是示出相对于时间对悬臂降低命令进行控制的曲线图；

图8是示出悬臂行程相对于时间的曲线图；以及

图9是示例性的校准过程的流程图。

具体实施方式

图1-5示出了作为装载机10的作业机械的示例性实施例。然而，本公开不限于装载机并且可以延伸到其他工业机械(例如挖掘机、履带式车、收割机、集材机、反铲挖土机、伐木归堆机、机动平地机或任何其他作业机械)。因此，尽管附图和即将进行的描述可能涉及装载机，但应当理解，本公开的范围扩展到装载机之外，并且在适用的情况下，将替代地使用术语“机器”或“作业机械”。术语“机器”或“作业机械”旨在更广泛并且包括除了用于本公开的目的的装载机之外的其他车辆。

图1示出了轮式装载机10，所述轮式装载机10具有带有前车架的前车身部12和带有后车架的后车身部14。前车身部12包括一组前轮16，并且后车身部14包括一组后轮18，在装载机10的每一侧上定位有一个前轮16和一个后轮18。不同的实施例可包括不同的地面接合构件(例如轨道或履带)。

前车身部12和后车身部14通过铰接连接部20彼此连接，因此前车身部12和后车身部14可相对于彼此绕垂直轴(与行进方向和车轮轴正交)枢转。铰接连接部20包括一个或多个上连接臂22、一个或多个下连接臂24、以及一对铰接缸26(示出一个)，在装载机10的每一侧上具有一个铰接缸26。前车身部12的枢转运动通过使铰接缸26中的活塞杆伸出和缩回来实现。

后车身部14包括操作员驾驶室30，操作员在操作员驾驶室30中控制装载机10。控制系统(未示出)定位于驾驶室30中并且可包括方向盘、控制杆、操纵杆、控制踏板和控制按钮的不同组合。操作员可以为了操作装载机10和不同装载机部件的运动的目的致动控制系统的一个或多个控制器。后车身部14还包括原动机32和控制系统34。原动机32可包括发动机(例如柴油发动机)并且控制系统34可包括车辆控制单元(VCU)。

作业器具40通过一个或多个悬臂42可移动地连接到前车身部12。作业器具40用于处理和/或移动物体或物料。在所示的实施例中，作业器具40被描绘为铲斗，尽管也可以使用其他器具或工具(例如抓斗组件)。悬臂可以定位在作业器具40的每一侧上。在所提供的侧视图中仅示出了单个悬臂，并且在本文中称为悬臂42。各种实施例可以包括单个悬臂或多于两个悬臂。悬臂42绕第一枢轴A1可枢转地连接到前车身部12的车架，并且作业器具40绕第二枢轴A2可枢转地连接到悬臂42。

如图2-4最佳示出的，一个或多个悬臂液压缸44被安装到前车身部12的车架并连接到悬臂42。通常，使用两个液压缸44，每侧上有一个液压缸连接到每个悬臂，尽管装载机10可以具有任意数量的悬臂液压缸44，例如一个、三个、四个等。悬臂液压缸44可以伸出或缩回以抬起或降低悬臂42来调节作业器具40相对于前车身部12的竖直位置。

一个或多个枢轴连杆46连接到作业器具40和悬臂42。一个或多个枢轴液压缸48安装到悬臂42并连接到相应的枢轴连杆46。通常，使用两个枢轴液压缸48，每侧上有一个枢轴液压缸连接到每个悬臂，尽管装载器10可以具有任意数量的枢轴液压缸48。枢轴液压缸48可以伸出或缩回以使作业器具40绕第二枢轴A2旋转，例如，如图3和图4所示。在一些实施例中，作业器具40可以以不同的方式移动，并且可以使用不同数量或配置的液压缸或其他致动器。

图5示出了液压和控制系统100的示例性实施例的局部示意图，所述液压和控制系统100被配置成将流体供应到图1-4中所示的装载机10中的器具或工具，虽然它可以适用于与如上所述的其它作业机械一起使用。为清楚起见，示出了液压系统100的一部分的基本布局，并且本领域普通技术人员将理解，可以根据机器和可移动器具使用不同的液压、机械和电气部件。

液压系统100包括至少一个泵102，所述至少一个泵102从贮存器104接收流体(例如液压油)，并以期望的系统压力将流体供应到一个或多个下游部件。泵102由发动机106提供动力。泵102能够提供可调节的输出(例如可变排量泵或可变输送泵)。尽管仅示出了单个泵102，但是根据系统和作业机械的要求，可以使用两个或更多的泵。

为简单起见，所示实施例描绘了泵102将流体输送到单个阀108。在示例性实施例中，阀108是电动液压阀，所述电动液压阀从泵接收液压流体并将液压流体输送到一对致动器110A、110B。所述致动器110A、110B可以代表图2-4中所示的悬臂缸44或者可以是本领域普通技术人员已知的任何其他合适类型的液压致动器。图5示出了两个双作用液压致动器110A、110B的示例性实施例。双作用致动器110A、110B中的每一个包括第一腔室和第二腔室。通过相关联的阀108，流体被选择性地输送到第一腔室或第二腔室，以使致动器活塞伸出或缩回。致动器110A、110B可以与贮存器104流体连通，以便离开致动器110A、110B的流体排放到贮存器104。

液压系统100包括控制器112。在示例性实施例中，控制器112是车辆控制单元(“VCU”)，尽管也可以使用其他合适的控制器。控制器112包括多个输入装置和输出装置，所述多个输入装置用于从装载机10中的不同部件接收和信息和命令，所述多个输出装置用于将信息和命令发送至装载机10中的不同部件。控制器112和所述不同部件之间的通信可以通过CAN总线、其他通信链路(例如无线收发器)、或通过直接连接来实现。其他传统通信协议可以包括J1587数据总线、J1939数据总线、IESCAN数据总线等。

控制器112包括存储器，所述存储器用于存储用于控制阀108和装载机10的其他部件的软件、逻辑、算法、程序、指令集等。控制器112还包括处理器，所述处理器用于实施或执行存储在存储器中的软件、逻辑、算法、程序、指令集等。存储器可以存储查找表、各种功能的图像表示，以及用于实施或执行软件、逻辑、算法、程序、指令集等的其他数据或信息。

控制器112与阀108通信，并且可以将控制信号114发送到泵102，以调节到致动器110A、110B的输出或流量。控制信号的类型以及如何调节阀108将根据系统而变化。例如，阀108可以是电动液压伺服阀，所述电动液压伺服阀基于接收到的控制信号114来调节到致动器110A、110B的液压流体的流量。

一个或多个传感器单元116可以与致动器110A、110B相关联。传感器单元116可以检测与致动器110A、110B有关的信息并将检测到的信息提供给控制器112。例如，一个或多个传感器可以检测与致动器位置、缸压、流体温度或致动器的移动速度有关的信息。尽管描述为与悬臂相关的单个单元，但传感器单元116可以包括定位于作业机械内或与作业机械相关联的任何位置处的传感器，以检测或记录操作信息。

图5示出了示例性实施例，其中，传感器单元116包括与致动器110A、110B的第一腔室连通的第一压力传感器118A和与致动器110A、110B的第二腔室连通的第二压力传感器118B。压力传感器118A、118B用于测量致动器110A、110B上的载荷。在示例性实施例中，压力传感器118A、118B是压力变送器。

图5还示出了与传感器单元116相关联的位置传感器119。位置传感器119被构造为检测或测量悬臂42的位置并将该信息传送到控制器112。位置传感器119可以被配置为直接测量悬臂42的位置或者通过致动器110A、110B的位置或移动来测量悬臂42的位置。在示例性实施例中，位置传感器119可以是测量悬臂42的位置的旋转位置传感器。可以使用一个或多个惯性测量单元传感器来代替旋转位置传感器。位置传感器119也可以是缸内位置传感器，所述缸内位置传感器直接测量一个或多个致动器110A、110B中的液压活塞的位置。附加的传感器可以与传感器单元116相关联，并且一个或多个附加传感器单元可以结合到系统100中。

控制器112还与一个或多个操作员输入机构120通信。所述一个或多个操作员输入机构120可包括例如操纵杆、节流阀控制机构、踏板、控制杆、开关或其他控制机制。操作员输入机构120位于装载机10的驾驶室30内，并且可用于通过调节液压致动器110A、110B来控制作业器具40的位置。

在操作期间，操作员通过操纵一个或多个输入机构120来调整作业器具40的位置。操作员能够开始和停止作业器具40的移动，并且还通过加速和减速来控制作业器具40的运动速度。作业器具40的移动速度部分地基于进入致动器110A、110B的液压流体的流量。作业器具的移动速度也会基于被处理的物料的载荷而变化。抬起或降低空铲斗可以具有初始或标准速度，但是当抬起或降低装满砾石的铲斗或支撑木材载荷的抓斗时，铲斗的移动速度将基于物料的重量减少或增加。

从标准速度的这种变化对于操作员来说可能是未预料到的并且是有问题的。例如，当操作员正在降低装满物料的铲斗时，物料的重量可以将悬臂42的加速度增加到超出操作员所预期的并且也超出安全范围。响应于或为了补偿增加的加速度，操作员可能试图减慢或停止悬臂42，导致被处理物料的突然减速。该减速会导致物料以及同样装载机10的不稳定。这种不稳定性可能导致物料损坏并且可能对操作员和该区域中的其他人造成危险。

根据示例性实施例，控制器112被配置为基于检测到的载荷降低、降额或减载液压流体到致动器110A、110B的流量或流动。控制器112包括稳定性模块122，所述稳定性模块122包括可以自动地降低、降额或减载来自操作员输入机构120的悬臂降低命令的指令。稳定性模块122可以由操作员打开或关闭，例如通过驾驶室30中的开关操作或控制屏输入。

图6示出了由控制器112执行的指令的部分流程图。通常，当控制器112接收到悬臂降低命令时，控制器112将控制信号114发送到阀108以将流体供应到致动器110A、110B的第二腔室，缩回液压活塞。液压流体的流量可以基于操作员输入的力或位置，或者基于设定的流量。控制器112最初接收悬臂降低命令(步骤202)并检查稳定性控制是否被激活(步骤204)。如果稳定性控制未被激活，则控制器112在正常操作下进行(步骤206)并将控制信号发送到阀。如果稳定性模块被激活，则控制器112基于从传感器单元116接收的信号确定载荷是否大于阈值(步骤208)。如果载荷小于阈值，则控制器112在正常操作下继续(步骤206)并将控制信号发送到阀。如果载荷大于阈值，则悬臂降低命令被降低、降额或减载(步骤210)一设定量，并且降低、降额或减载(derated)的控制信号被发送到阀(步骤212)。

图7示出了描绘基于载荷的示例性降低、降额或减载(deration)的图表。在较低载荷下，例如小于最大载荷的50％，悬臂降低命令未改变。在此示例中，未改变的命令大约历时600毫秒达到其最大水平。随着载荷的增加，两个参数发生变化会有助于提高稳定性；悬臂降低命令需要更长时间达到其最大值，并且最大值会减小。如图7所示，在最大载荷的75％处，该命令大约历时700毫秒到达其每个最大值，并且该最大值大约是未改变命令的90％。在最大载荷处，该命令大约历时800毫秒达到其最大值，并且该最大值大约为未改变命令的80％。如图8所示，当悬臂降低命令被降低、降额或减载时，悬臂沿其全程行进到其最低点所占用的时间增加。如本领域普通技术人员所理解，最大载荷可以是确定的安全值，例如最大静载荷(倾覆载荷)或有效载荷。

图7和8描绘了三个示例性设定点，所述三个示例性设定点用于降低、降额或减载悬臂降低命令并减小从阀108到致动器110A、110B的流量。可以使用额外的设定点，例如最小值的每1％、5％、10％等。这些值和所得到的降低量、降额量或减载量可以存储在查询表中，所述查询表由控制器112或稳定性控制模块122访问以调整命令信号114。控制器112或稳定性控制模块122可以包含使用公式的算法，而不是使用设定值，所述公式基于从传感器单元116接收的载荷量计算降低量、降额量或减载量，使得降低量、降额量或减载量将基于载荷至少部分地连续变化，尽管基于算法或舍入的配置，不同的载荷可能导致相同的降低量、降额量或减载量。此外，最小设定值或阈值可以调整为低于50％。

图9示出了校准过程300的示例性实施例，所述校准过程300可由控制器112实施或执行以确定上述稳定性控制方法的基准。对于配备有铲斗的车辆，图9中描绘出了校准过程300，不过其可以适用于与其他作业器具(例如抓斗)一起使用。诸如终端用户、制造商或经销商的操作员可以在使用车辆之前执行校准过程，并且在车辆的使用寿命期间定期地对系统中产生的公差进行调整。可以针对每个机器或针对机器组(即模型或系列)执行校准过程300。

如图9所示，操作员启动校准过程(步骤302)。向操作员提供指令以卸下作业器具并将悬臂完全地降低到初始位置(步骤304)。该过程确定悬臂是否完全地降低(步骤306)，这可以通过检测悬臂的位置或通过检测悬臂的运动来完成。一旦悬臂完全地降低，就指示操作员抬起悬臂(步骤308)。该过程确定是否已经启动悬臂抬起命令(步骤310)，如果不是，则返回以确定悬臂是否完全地降低(步骤306)并指示操作员开始抬起悬臂(步骤308)。一旦悬臂被抬起，来自位置传感器和载荷传感器的输入用于记录当悬臂被抬起时，作业器具已被卸载状态下的悬臂液压缸上的压力(步骤312)。然后使用记录的数据计算用于处于一个或多个位置处的悬臂的基准载荷值(步骤314)。这些位置可以是例如，在下部位置、上部或顶部位置处，以及在一个或多个中间位置处。一旦确定了基准载荷值，稳定性控制模块就可以更准确地实施上述稳定性控制方法。

已经提供了对一些示例性实施例的前述详细描述借以解释一般原理和实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够理解本公开的各种实施例并且具有适合于预期的特定用途的各种修改。该描述不一定旨在穷举或将本公开限制于所公开的示例性实施例。本文公开的任何实施例和/或元件可相互组合以形成未具体公开的各种另外的实施例。因此，另外的实施例是可能的并且旨在包含在本说明书和所附权利要求的范围内。该说明书描述了实现可以以另一种方式实现的更一般的目标的具体示例。

如在本申请中所使用的，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“向上”、“向下”以及其他方向性描述符旨在便于描述本公开的示例性实施例，并且不旨在将本公开的示例性实施例的结构限制于任何特定的位置或方位。本领域普通技术人员应理解术语的程度，例如“基本上”或“近似”，指代给定值之外的合理的范围，例如，与所述实施例和部件的制造、组装和使用相关联的一般公差或分辨率。

Claims (20)

1.一种在作业机械的操作期间控制稳定性的方法，所述作业机械包括：

机械臂；

作业器具，所述作业器具连接到所述机械臂并被构造为接收载荷；

液压致动器，所述液压致动器连接到所述机械臂以在第一位置和第二位置之间移动所述机械臂；以及

阀，所述阀与液压致动器流体连通，用于将流体输出供应到液压致动器，

该方法包括：

接收移动机械臂的请求；

检测作业器具上的载荷；

确定所述载荷是否等于或大于阈值；

如果所述载荷等于或大于所述阈值，则确定降低的流体输出；以及

基于降低的流体输出将控制信号输出到所述阀，其中，所述控制信号调节所述阀的流体输出。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：当所述载荷等于或大于所述阈值时，将所述阀的流体输出降低第一量，并且当所述载荷等于或大于第二阈值时，将所述阀的流体输出降低第二量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述流体输出包括相对于正常操作增加达到最大阀流量的时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述流体输出包括相对于正常操作降低最大流量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，传感器单元被配置为检测所述作业器具中的载荷。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述传感器单元包括压力传感器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述压力传感器可操作地连接到所述液压致动器。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值大于最大载荷值的50％。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，移动所述机械臂的请求是降低所述机械臂的命令。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括执行用于所述机械臂的校准步骤，其中，所述校准步骤包括：当作业器具被卸载时，随着所述机械臂在所述第一位置和所述第二位置之间移动，为所述机械臂上的力建立一个或多个基准值。

11.一种在作业车辆的操作期间控制稳定性的方法，所述作业车辆包括：

机械臂，所述机械臂连接到车身；

作业器具，所述作业器具连接到所述机械臂并被构造为接收载荷；

液压致动器，所述液压致动器连接到所述机械臂以在第一位置和第二位置之间移动所述机械臂；

阀，所述阀与液压致动器流体连通，用于将流体输出供应到液压致动器；

泵，所述泵被配置成将流体排放到所述阀；和

发动机，所述发动机可操作地连接到所述泵；

该方法包括：

从操作员输入装置接收移动机械臂的请求；

从传感器单元接收载荷值，所述传感器单元被配置为测量作业器具上的载荷；

确定载荷值是否等于或大于阈值；

如果载荷值等于或大于阈值，则确定降低的流体输出；以及

输出控制信号以基于降低后的流体输出调节所述阀的流体输出。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，随着所述载荷值增加到大于所述阈值，所述流体输出被降低的量增加。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，随着所述载荷增加，所述降低的量连续地增加。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，随着所述载荷增加，所述降低的量以增量递增。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括执行用于机械臂的校准步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述校准步骤包括在所述机械臂在所述第一位置和所述第二位置之间移动时检测液压缸中的压力。

17.一种校准作业机械的稳定性控制模块的方法，所述作业机械包括：

机械臂；

作业器具，所述作业器具连接到所述机械臂并被构造为接收载荷；

液压致动器，所述液压致动器连接到所述机械臂以在下部位置和上部位置之间移动所述机械臂；和

阀，所述阀与液压致动器流体连通，用于将流体输出供应到液压致动器，

该方法包括：

指示操作员从作业器具上移除物料并降低机械臂；

确定所述机械臂是否处于下部位置；

指示操作员抬起机械臂；

确定机械臂是否正在上升；

当机械臂在下部位置和上部位置之间移动时，在一个或多个位置处检测液压缸中的压力；以及

为在下部位置和上部位置之间的机械臂建立一个或多个基准值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，建立基准值包括：当机械臂处于下部位置时记录液压缸中的压力，当机械臂处于上部位置时记录液压缸中的压力，并且当机械臂处于一个或多个中间位置时，记录液压缸中的压力。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述机械臂的位置由旋转位置传感器、缸内位置传感器或惯性测量单元传感器确定。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述基准值用于确定操作期间所述机械臂上的载荷。