CN110588811B - 用于具有电力驱动动力传动系的履带式机器的绞盘线速度控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种履带式机器。履带式机器可以包括包含内燃机的电力驱动动力传动系、具有可旋转地支撑缆线的滚筒从而使得当滚筒旋转时以绞盘线速度卷绕或放出缆线的绞盘组件，以及配置为启动绞盘组件以卷绕和放出缆线的器具控制器。履带式机器可以进一步包括液压回路，该液压回路由内燃机驱动并且配置为当绞盘组件通过器具控制器启动时致动滚筒的旋转。此外，履带式机器可以进一步包括控制系统，该控制系统配置为当绞盘组件通过器具控制器启动时增大内燃机的发动机转速。

Description

用于具有电力驱动动力传动系的履带式机器的绞盘线速度 控制

技术领域

本发明大体上涉及履带式机器，并且更具体地，涉及用于控制具有电力驱动动力传动系的履带式机器的绞盘线速度的系统和方法。

背景技术

履带式机器，例如履带式拖拉机，可以包括绞盘组件，绞盘组件用于卷绕或放出缆线以升高或降低负荷、回收另一物体或者当无用时恢复其自身。绞盘组件可以包括滚筒和缠绕滚筒的缆线，从而使得当滚筒沿不同方向旋转时以绞盘线速度卷绕或放出缆线。滚筒可以可旋转地联接至轴并由其驱动，当液压流体流动通过液压回路时该轴被液压地驱动以旋转，并且液压流体通过液压回路的流动可以由机器的内燃机驱动。液压流体沿第一方向流动通过液压回路可以驱动滚筒沿第一方向的旋转(以卷绕缆线)，而液压流体沿第二方向流动通过液压回路可以驱动滚筒沿第二方向的旋转(以放出缆线)。器具控制器，例如用户操作的控制杆或操纵杆可以用于启动绞盘组件以用于根据需要升高或降低负荷。例如，器具控制器可以通过用户沿第一方向移位以卷绕缆线，并且其可以沿第二方向移位以放出缆线。

许多履带式机器的动力系统正越来越多地变为电气化以提供例如提高燃料经济性和降低排放的优点。例如，履带式机器可以具有电力驱动动力传动系，电力驱动动力传动系包括内燃机、发电机以及电动机。发电机可以将来自内燃机的旋转能转换成电能，而电动机可以将来自发电机的电能转换成用于驱动履带的移动的旋转能。配备有电力驱动动力传动系的履带式机器可以以低发动机转速(经济模式)运行以便在燃料效率和机器排放之间提供有利的平衡。然而，由于此类机器中的绞盘组件由内燃机(通过液压回路)驱动，发动机的低转速状态可能降低绞盘线速度和绞盘组件的性能。如此，当电力驱动动力传动系在经济模式下运行时，可能无法在配备有电力驱动动力传动系的履带式机器中获得目标绞盘线速度。

因此，希望能够改进具有电力驱动动力传动系的履带式机器中的绞盘组件性能。美国专利第6,276,449号公开了一种移动修井钻机，其具有用于升高和降低缆线和挂钩的吊车以及用于扭动两个抽油杆的液压致动钳子。在修井钻机中发动机转速被降低以在钳子操作时降低液压压力从而防止钳子过度张紧连接。然而，该专利并未提及用于控制缆线的线速的策略。

因此，仍需要用于控制具有电力驱动动力传动系的履带式机器的绞盘组件的改进方法和系统。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种履带式机器。该履带式机器可以包括履带和电力驱动动力传动系，该电力驱动动力传动系包括配置为以发动机转速运行的内燃机、发电机以及电动机。履带式机器可以进一步包括绞盘组件，该绞盘组件包括滚筒，滚筒可旋转地支撑缆线从而使得当滚筒旋转时缆线以绞盘线速度卷绕或放出。此外，履带式机器可以包括器具控制器和液压回路，器具控制器配置为启动绞盘组件以用于卷绕或放出缆线，液压回路配置为当绞盘组件通过器具控制器启动时致动滚筒的旋转。液压流体通过液压回路的流动可以由内燃机驱动，从而使得液压流体通过液压回路的流速随着发动机转速增大而增大，并且滚筒的旋转速率和绞盘线速度可以随着液压流体通过液压回路的流速增大而增大。履带式机器可以进一步包括控制系统，该控制系统配置为当绞盘组件通过器具控制器启动时增大内燃机的发动机转速。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于控制履带式机器的绞盘组件的绞盘线速度的控制系统。该履带式机器可以包括电力驱动动力传动系，该电力驱动动力传动系具有以发动机转速运行的内燃机、配置为启动绞盘组件以用于以绞盘线速度卷绕或放出绞盘组件的缆线的器具控制器，以及液压回路，该液压回路由发动机驱动并且配置为当液压流体流通过其时致动绞盘组件。控制系统可以包括机器电子控制模块(ECM)，该机器电子控制器模块配置为接收指示绞盘组件已通过器具控制器启动的信号，并且通过传送用来增大发动机转速的命令来对信号进行响应。控制系统可以进一步发动机电子控制模块(ECM)，该发动机电子控制模块配置为从机器电子控制模块接收用来增大发动机转速的命令，并且通过增大发动机转速对该命令进行响应。发动机转速的增大可以提供液压流体通过液压回路的流速的增大和绞盘线速度的增大。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于控制履带式机器的绞盘组件的绞盘线速度的方法。绞盘组件可以包括可旋转地支撑缆线的滚筒。履带式机器可以具有电力驱动动力传动系，该电力驱动动力传动系包括配置为以发动机转速运行的内燃机。该方法可以包括接收指示绞盘组件已被启动的信号，并且响应于指示绞盘组件已被启动的信号增大发动机转速。该方法可以进一步包括响应于接收到绞盘组件已被启动的信号致动液压流体通过液压回路的流动。液压流体通过液压回路的流动可以由内燃机驱动并且可以驱动滚筒的旋转从而以绞盘线速度卷绕或放出缆线。液压流体通过液压回路的流速和绞盘线速度可以随着发动机转速增大而增大。

当结合附图阅读时，可以更容易地理解本发明的这些和其他方面和特征。

附图说明

图1是根据本发明构造的具有电力驱动动力传动系和绞盘组件的履带式机器的侧视图。

图2是根据本发明构造的图1中的履带式机器的后视图。

图3是根据本发明的示意性地示出了动力流动到履带式机器的履带和绞盘组件的流程图。

图4是根据本发明的涉及调控绞盘组件的活动的某些元件的示意图。

图5是根据本发明的致动绞盘组件的操作的液压回路的示意图。

图6是根据本发明的控制绞盘组件的绞盘线速度的控制系统的示意图。

图7是根据本发明的方法的由控制系统的器具电子控制模块(ECM)和机器电子控制模块(ECM)所实施的可能涉及控制绞盘组件的一系列步骤的流程图。

图8是根据本发明的方法的由发动机电子控制模块所实施的可能涉及控制履带式机器的发动机转速的一系列步骤的流程图。

具体实施方式

现在参考附图，并且具体参考图1至图2，图中示出了履带式机器10。履带式机器10可以包括履带12、联接至履带12并支撑机器主体16的底盘14以及配置为移动负荷的一个或多个器具20，机器主体可以包括操作者驾驶室18。器具20中的至少一个可以是绞盘组件22。绞盘组件22可以包括可旋转地支撑缆线26的滚筒24，使得缆线26可以随着滚筒24沿不同方向旋转而卷绕或放出以升高或降低负荷(参见图2)。绞盘组件22可以如图所示安装在机器10的后侧28，尽管在替代布置中它还可以安装在机器10的其他位置。此外，履带式机器10可以包括电力驱动动力传动系30(参见图3)以驱动履带12的旋转以及绞盘组件22的滚筒24的旋转，如以下进一步详细解释的。履带式机器10可以是拖拉机32、吊管机或者包括绞盘组件和电力驱动动力传动系的各种其他类型履带式机器或车辆。

转向图3，电力驱动动力传动系30可以包括内燃机34、发电机36以及电动机38。内燃机34可以燃烧燃料(例如，柴油机燃料等)来产生旋转能，旋转能被传递给发电机36，且发电机36可以将来自发动机34的旋转能转换成被传送至电动机38的电能。电动机38继而可以将来自发电机36的电能转换成用于驱动履带12的旋转和机器10的移动的旋转能。在机器10的正常运行状态下(即，当绞盘组件22是非活动的时)，发动机34可以以相对低的发动机转速(经济模式)运行从而在燃料经济器和低排放之间提供期望的平衡。也就是说，当绞盘组件22是非活动的时，发动机转速可以以较低的第一转速运行，该第一转速可以是确立的低速或低速的范围。如本文中所使用的，发动机转速是由发动机34驱动的曲轴42(参见图4)的旋转速率。

仍然参考图3，发动机34还可以提供用来驱动液压回路44的动力，该液压回路致动绞盘组件22的操作。更具体地，如以下所进一步解释的，液压回路44可以驱动滚筒24的旋转以用于卷绕或放出缆线26。如图4所示，液压回路44可以包括通过发动机曲轴42的旋转被驱动的液压泵46、由液压泵46驱动的液压马达48，以及允许液压流体在液压泵46和液压马达48之间流动的流动线路50。绞盘组件22的滚筒24可以可旋转地联接至轴52，该轴由液压马达48驱动以用于旋转，使得当液压流体流动通过液压回路44时滚筒24可以随着轴52旋转而旋转。液压泵46的转速可以随着发动机转速增大而增大，从而使得液压流体通过液压回路44的流速随着发动机转速增大而增大。此外，滚筒24的旋转速率可以与液压流体通过液压回路44的流速成比例。因此，滚筒24的旋转速率(以及绞盘线速度)可以随着发动机转速增大而增大。如本文中所使用的，绞盘线速度是绞盘组件22的缆线26从机器10卷绕或放出的速度。

如图4中所示，涉及调控绞盘组件22的活动的组件可以包括液压回路44、与液压泵46相关联的阀54、与滚筒24相关联并且与液压回路44流体连通的制动器56、发动机34、例如用户操作的控制杆或操纵杆的器具控制器58，以及与阀54、发动机34进行通信的一个或多个控制模块60，以及与器具控制器58相关联的位置传感器62。

器具控制器58可以用于启动绞盘组件22的操作以用于升高或降低负荷。器具控制器58可以在机器10的操作者驾驶室18中或附近，或者其可以是位于远程的控制器。当器具控制器58处于默认位置64时，可以几乎没有液压流体流动通过液压回路44，并且绞盘组件22可以是非活动的(即，滚筒24和缆线26可以是静止的)。更具体地，当器具控制器58处于默认位置64时，控制模块60可以从位置传感器62接收指示该绞盘组件22是非活动的信号，并且其可以通过闭合阀54或者通过保持阀54的闭合来进行响应。

当使器具控制器58从默认位置64沿第一方向66或第二方向68移位时，可以发起液压流体通过液压回路44的流动从而启动绞盘组件22以用于旋转滚筒24和卷绕或放出缆线26。具体地，控制模块60可以从位置传感器62接收指示绞盘组件22已被启动的信号，并且其可以打开阀54以允许液压流体流动通过回路44。液压流体流动通过回路44可以对制动器56施加液压压力以释放滚筒24上的制动器56从而允许滚筒24旋转。器具控制器58沿第一方向66的移位可以促使液压流体沿第一方向70流动通过回路44，从而使得轴52和滚筒24沿第一方向74旋转(例如，卷绕缆线26)。类似地，器具控制器58沿第二方向68的移位可以促使液压流体沿第二方向72流动通过回路44，从而使得轴52和滚筒24沿第二方向76旋转(例如，放出缆线26)。

此外，如以下所进一步详细解释的，当器具控制器58沿第一方向66或者第二方向68移位以启动绞盘组件22时，控制模块60可以使发动机转速从较低的第一转速增大到较高的第二转速。第二转速可以是确立的发动机转速或发动机转速的范围，其高于第一转速并且足够提供目标绞盘线速度。使发动机转速从第一转速增大到第二转速可以增大液压流体通过液压回路44的流速，并且，相应地增大滚筒24的旋转速率和绞盘线速度。相对于当发动机转速在第一速度时，当发动机转速在第二速度时绞盘线速度可以增大约10％至约40％。例如，相对于当发动机转速在第一速度时，当发动机转速在第二速度时绞盘线速度可以增大约20％。当绞盘组件22被启动时发动机转速的增大可以提高绞盘组件22的性能，因为其可以允许绞盘组件22达到目标线速度。对于具有被设计为以较低发动机转速与进行的电力驱动动力传动系的履带式机器的当前绞盘组件，这可能是无法获得的。当绞盘组件22是非活动的时(即，当器具控制器58恢复到默认位置64时)，控制模块60可以使发动机转速减小回到较低的第一转速。相应地，发动机转速可以仅在绞盘组件22是活动的时被增大。

在图5中更详细地示出了液压回路44的阀54。阀54可以是滑阀78，其具有阻塞液压流体流动通过回路44的闭合位置80、允许液压流体沿第一方向70流动通过回路44的第一位置82，以及允许液压流体沿第二方向72流动通过回路44的第二位置84。如此，滑阀78的打开位置包括第一位置82和第二位置84。当器具控制器58处于默认位置64时(且绞盘组件22是非活动的)，滑阀78可以处于闭合位置80以阻止或阻塞液压流体流动通过液压回路44。当器具控制器58沿第一方向66或第二方向68移位时，控制模块60可以通过分别使滑阀78变换到第一位置82或第二位置84而打开滑阀78。在替代的设计中，可以使用其他类型的阀来调控液压流体通过液压回路44的流动。

现在转向图6，示出了用于控制绞盘组件22的绞盘线速度的控制系统86的示意图。控制系统86可以包括器具电子控制模块(ECM)88、机器电子控制模块(ECM)89，以及发动机电子控制模块(ECM)90。器具电子控制模块88可以与器具控制器58的位置传感器62、阀54以及机器电子控制模块89进行电子通信，并且机器电子控制模块89可以与发动机电子控制模块90电连通。发动机电子控制模块90可以与发动机34电连通。

当器具控制器58沿第一方向66或第二方向68移位时，器具电子控制模块88可以从位置传感器62接收指示绞盘组件22已被启动的信号。当器具控制器58从移位位置恢复到默认位置64时，器具电子控制模块88还可以从位置传感器62接收指示绞盘组件22已被停用的信号。根据从位置传感器62接收的信号，器具电子控制模块88可以向机器电子控制模块89传送指示绞盘组件22已被启动或停用的信号。此外，响应于从位置传感器62接收到的信号，器具电子控制模块88可以传送打开或闭合阀54的命令，并且阀54的打开或闭合可以致动或停止液压流体通过液压回路44的流动。此外，响应于从器具电子控制模块88接收的信号，机器电子控制模块89可以向发动机电子控制模块90发送请求发动机转速增大(当绞盘组件22被启动时)或者发动机转速减小(当绞盘组件22被停用时)的命令。响应于来自机器电子控制模块89的命令，发动机电子控制模块90可以向发动机34发送命令以提供所请求的发动机转速增大或减小。如果请求了发动机转速增大，可以通过提供适当增大到发动机34的空气和燃料的流速来使发动机转速从较低的第一转速增大到较高的第二转速。类似地，如果请求了发动机转速减小，可以通过提供适当减小到发动机34的空气和燃料的流速来使发动机转速从较高的第二转速减小到较低的第一转速。发动机转速的增大或减小可以提供液压流体通过液压回路44的流速的对应增大或减小，以及绞盘组件22的绞盘线速度的对应增大或减小。

工业实用性

一般来讲，本发明的教导可以适用于许多行业，包括但不限于建筑、农业以及运输业。更具体地，本发明的教导可以适用于利用具有绞盘组件和电力驱动动力传动系的履带式机器的任何行业。

图7示出了由器具电子控制模块88和机器电子控制模块89所实施的可能涉及控制绞盘组件22的绞盘线速度的方法。在第一框100处，器具电子控制模块88可以在绞盘组件22非活动时(即，当器具控制器58处于默认位置64时)将阀54保持在闭合位置80。在下一框102处，器具电子控制模块88可以基于从器具控制器58接收的信号确定绞盘组件22是否被启动。如果绞盘组件22保持为非活动(即，器具控制器58保持在默认位置64)，则器具电子控制模块88可以继续将阀54保持在闭合位置80(框100)。如果绞盘组件22通过器具控制器58沿第一方向66或第二方向68的移位被启动，则器具电子控制模块88可以通过通知机器电子控制模块89绞盘组件已被启动来进行响应，并且机器电子控制模块89可以向发动机电子控制模块90传送命令以使发动机转速从较低的第一转速增大到较高的第二转速(框104)。此外，器具电子控制模块88可以通过使阀54变换到打开位置(例如，第一位置82或第二位置84，取决于器具控制器58的移位的的方向)对指示绞盘组件22是活动的信号进行响应(框106)。应当理解，框104和106可以按照不同的次序或者同时地执行。

在下一框108处，器具电子控制模块88可以基于从器具控制器58接收的信号继续监测绞盘组件22的活动或非活动状态。如果绞盘组件22保持为活动(即，器具控制器58从默认位置64移位)，则器具电子控制模块88可以将阀54保持在打开位置(框110)。如果绞盘组件22是停用的(即，器具控制器58恢复到默认位置64)，则器具电子控制模块88可以通知机器电子控制模块90绞盘组件被停用，并且机器电子控制模块90可以通过向发动机电子控制模块90发送使发动机转速从较高的第二转速减小到较低的第一转速的命令来进行响应(框112)。此外，器具电子控制模块88可以使阀54恢复到闭合位置80以停止液压流体通过液压回路44的流动和滚筒24的旋转(框114)。然而，应当理解，框112和114可以按照不同的次序或者同时地执行。此外，应当理解，本文中所公开的器具电子控制模块88和机器电子控制模块90的功能可以由单个电子控制模块或者两个以上的带电子控制模块来执行。在机器10的操作期间可以持续地重复图7中的方法，如图所示。

图8示出了发动机电子控制模块90所实施的可以涉及基于绞盘组件22的活动或非活动状态控制发动机转速的方法。在第一框120处，当绞盘组件22是非活动的时可以将发动机转速保持在较低的第一转速。根据框122，发动机电子控制模块90可以等待来自机器电子控制模块89的增大发动机转速的命令。如果未接收到此命令，则发动机电子控制模块90可以将发动机转速保持在较低的第一转速。然而，如果发动机电子控制模块90确实从机器电子控制模块89接收到了增大发动机转速的命令，则发动机电子控制模块90可以通过向发动机34发送使发动机转速从较低的第一转速增大到较高的第二转速的命令来进行响应，由此提供绞盘线速度的对应增大(框124)。在增大发动机转速之后，发动机电子控制模块90可以等待来自机器电子控制模块89的减小发动机转速(当绞盘组件22被停用时)的命令(框126)。如果由于绞盘组件22的持续活动而未从机器电子控制模块89接收到此命令，则发动机电子控制模块90可以将发动机34保持在较高的第二转速(框128)。如果由于绞盘组件22的停用从机器电子控制模块89接收到减小发动机转速的命令，则发动机电子控制模块90可以通过向发动机34发送使发动机转速从第二转速减小到第一转速的命令来进行响应。在机器10的操作期间可以持续地重复图8中的方法，如图所示。

本发明提供了用于控制具有电力驱动动力传动系的履带式机器的绞盘线速度的系统。具体地，控制系统在绞盘组件活动时暂时地增大发动机转速从而允许绞盘线速度达到目标速度，并且在绞盘组件非活动时以较低的转速操作发动机。相应地，履带式机器可以在正常操作期间(即，当绞盘组件非活动时)以低转速(经济模式)运行从而在燃料效率和排放之间提供期望的平衡。发动机转速仅在绞盘组件操作期间根据需要增大以提供更高的绞盘线速度和增强绞盘组件的性能和可控制性。这相比于其中绞盘线速度被限定并且由于发动机的低运行转速而无法达到更高的目标速度的现有技术系统而言是一种改进。可以预期本文所公开的技术可以在大量领域找到大量工业适用性，例如但不限于，建筑、农业、采矿、汽车以及发电应用。

Claims (10)

1.一种履带式机器，其包括：

履带；

电力驱动动力传动系，所述电力驱动动力传动系配置为驱动所述履带用于旋转并且包括内燃机、发电机以及电动机，所述内燃机配置为以发动机转速运行；

绞盘组件，所述绞盘组件包括滚筒，所述滚筒可旋转地支撑缆线从而使得当所述滚筒旋转时所述缆线以绞盘线速度卷绕或放出；

器具控制器，所述器具控制器配置为启动所述绞盘组件以用于卷绕或放出所述缆线；

液压回路，所述液压回路配置为当所述绞盘组件通过所述器具控制器启动时致动所述滚筒的旋转，液压流体通过所述液压回路的流动由所述内燃机驱动，从而使得所述液压流体通过所述液压回路的流速随着所述发动机转速增大而增大、所述滚筒的旋转速率和所述绞盘线速度随着所述液压流体通过所述液压回路的所述流速增大而增大；以及

控制系统，所述控制系统配置为当所述绞盘组件通过所述器具控制器启动时增大所述内燃机的所述发动机转速。

2.根据权利要求1所述的履带式机器，其中所述控制系统进一步配置为当所述绞盘组件通过所述器具控制器停用时减小所述发动机转速。

3.根据权利要求2所述的履带式机器，其中当所述发动机转速通过所述控制系统增大时所述绞盘线速度提高约20％。

4.根据权利要求2所述的履带式机器，其中所述控制系统包括器具电子控制模块(ECM)、机器电子控制模块(ECM)以及发动机电子控制模块(ECM)，并且其中所述器具电子控制模块配置为当所述绞盘组件通过所述器具控制器启动时从所述器具控制器接收信号，并且向所述机器电子控制模块传送指示所述绞盘组件已被启动的信号。

5.根据权利要求4所述的履带式机器，其中所述机器电子控制模块配置为通过向所述发动机电子控制模块传送增大所述发动机转速的命令来对来自所述器具电子控制模块的指示所述绞盘组件已被启动的信号进行响应，并且其中所述发动机电子控制模块配置为通过增大到所述内燃机的空气和燃料的流速以由此增大所述发动机转速来对来自所述机器电子控制模块的所述命令进行响应。

6.根据权利要求5所述的履带式机器，其中所述器具电子控制模块进一步配置为当所述绞盘组件通过所述器具控制器停用时从所述器具控制器接收信号，并且向所述机器电子控制模块传送指示所述绞盘组件已被停用的信号。

7.根据权利要求6所述的履带式机器，其中所述机器电子控制模块配置为通过向所述发动机电子控制模块传送减小所述发动机转速的命令来对来自所述器具电子控制模块的指示所述绞盘组件已被停用的信号进行响应，并且其中所述发动机电子控制模块配置为通过减小到所述内燃机的空气或燃料的流速以由此减小所述发动机转速来对减小所述发动机转速的所述命令进行响应。

8.根据权利要求7所述的履带式机器，其中所述液压回路包括由所述内燃机驱动的液压泵和由所述液压泵驱动的液压马达，并且其中所述滚筒可旋转地联接至由所述液压马达驱动的轴。

9.根据权利要求8所述的履带式机器，其中：

所述液压回路进一步包括与所述液压泵相关联的阀，所述阀打开和闭合以控制液压流体通过所述液压回路的流动；并且

所述器具电子控制模块进一步配置为在接收到指示所述绞盘组件已被启动的所述信号时打开所述阀，所述阀的打开允许液压流体流动通过所述液压回路。

10.一种用于控制履带式机器的绞盘组件的绞盘线速度的方法，所述绞盘组件包括可旋转地支撑缆线的滚筒，所述履带式机器具有电力驱动动力传动系，所述电力驱动动力传动系包括配置为以发动机转速运行的内燃机，所述方法包括：

接收指示所述绞盘组件已被启动的信号；

响应于接收到指示所述绞盘组件已被启动的信号增大所述发动机转速；以及

响应于接收到所述绞盘组件已被启动的信号致动液压流体通过液压回路的流动，所述液压流体通过所述液压回路的所述流动由所述内燃机驱动并且驱动所述滚筒的旋转从而以所述绞盘线速度卷绕或放出所述缆线，所述液压流体通过所述液压回路的流速和所述绞盘线速度随着所述发动机转速增大而增大。

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