CN111302252A - 用于控制电动绞车的操作的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制绞车组件的操作的系统，该绞车组件具有电动绞车马达、绞车滚筒和绞车缆索。控制器配置成访问绞车负载阈值，其中绞车负载阈值限定保持区域和卷轴区域，并且保持区域和卷轴区域中的一个包括大于绞车负载阈值的负载，且保持区域和卷轴区域中的另一个包括小于绞车负载阈值的负载。控制器还配置成确定可旋转绞车滚筒是否旋转，确定绞车组件是在保持区域内还是在卷轴区域内操作，当绞车组件在保持区域内操作时产生与电动绞车马达的旋转相反的保持电流，并且当可旋转绞车滚筒在卷轴区域内操作时产生允许电动绞车马达旋转的卷轴电流。

Description

用于控制电动绞车的操作的系统

技术领域

本发明总体上涉及在可移动机器上的绞车，并且更具体地涉及用于维持由电动绞车产生的期望的绞车负载的系统和方法。

背景技术

诸如推土机的机器通常包括绞车。绞车可用于执行各种任务并以不同模式操作。这些模式允许绞车缆索以受控的方式卷入或放出，以允许操作者执行期望的任务。机械绞车组件通常难以控制或不好控制。液压绞车组件可能需要相当大的冷却能力以防止过热。

在一些操作中，当沿着陡坡操作诸如挖掘机的机器时，一个或多个推土机可以通过绞车缆索互连到斜坡上的机器。由于绞车操作的复杂性和与将机器支撑在陡坡上相关的风险，通常期望最靠近在陡坡上操作的机器的推土机由有经验的操作员操作。然而，有经验的绞车操作者可能不可用。

美国专利第2,683,318号公开了一种推土机，其具有可操作地连接到发动机的发电机。发电机的输出用于操作电动绞车。电动绞车包括马达、制动单元、齿轮箱和缆索滚筒。缆索缠绕在缆索滚筒上。

前述背景讨论仅旨在帮助读者。其不旨在限制本文所述的创新，也不旨在限制或扩展所讨论的现有技术。因此，前述讨论不应被认为指示现有系统的任何特定元件不适合与本文所述的创新一起使用，也不应被认为指示任何元件在实施本文所述的创新中是必要的。这里描述的创新的实现和应用由所附权利要求限定。

发明内容

在第一方面，一种用于控制绞车组件的操作的系统包括可旋转绞车滚筒、绞车缆索、电动绞车马达、旋转传感器和控制器。绞车缆索缠绕在可旋转绞车滚筒上，绞车马达可操作地连接到可旋转绞车滚筒上，并且旋转传感器配置成产生指示可旋转绞车滚筒旋转的旋转数据。控制器配置成访问绞车负载阈值，其中绞车负载阈值限定绞车组件的保持区和卷轴区，并且保持区和卷轴区中的一个包括大于绞车负载阈值的绞车缆索上的负载，并且保持区和卷轴区中的另一个包括小于绞车负载阈值的绞车缆索上的负载。控制器还配置成基于旋转数据确定可旋转绞车滚筒是否旋转，确定绞车组件是在保持区内操作还是在卷轴区内操作，当绞车组件在保持区内操作时产生保持电流，保持电流变化基于绞车缆索上的负载并防止电动绞车马达旋转，并且当可旋转绞车滚筒在卷轴区内操作时产生卷轴电流，其中卷轴电流基于绞车负载阈值并操作以允许电动绞车马达旋转。

在另一方面，一种控制绞车的操作的方法包括访问绞车负载阈值，绞车负载阈值限定绞车组件的保持区和卷轴区，保持区以及卷轴区中的一个包括缠绕在可旋转绞车滚筒上的绞车缆索上的负载，其大于绞车负载阈值，并且保持区和卷轴区中的另一个包括小于绞车负载阈值的负载。该方法还包括基于来自旋转传感器的旋转数据确定可旋转绞车滚筒是否旋转，其中可旋转绞车滚筒包括缠绕在其上的绞车缆索，确定绞车组件是在保持区内还是在卷轴区内操作，当绞车组件在保持区内操作时产生保持电流区，其中保持电流基于绞车缆索上的负载而变化并且防止电动绞车马达的旋转，并且当可旋转绞车滚筒在卷轴区内操作时产生卷轴电流，其中卷轴电流基于绞车负载阈值并且操作以允许电动绞车马达的旋转。

在又一方面，一种机器包括原动机、地面接合驱动机构、绞车组件和控制器。地面接合驱动机构可操作地联接到原动机以推进机器。绞车组件包括可旋转绞车滚筒、电绞车马达和旋转传感器，可旋转绞车滚筒具有缠绕在可旋转绞车滚筒周围的绞车缆索，电绞车马达可操作地连接到可旋转绞车滚筒，旋转传感器配置成产生指示可旋转绞车滚筒的旋转的旋转数据。控制器配置成访问绞车负载阈值，其中绞车负载阈值限定绞车组件的保持区和卷轴区，并且保持区和卷轴区中的一个包括大于绞车负载阈值的绞车缆索上的负载，并且保持区和卷轴区中的另一个包括小于绞车负载阈值的绞车缆索上的负载。控制器还配置成基于旋转数据确定可旋转绞车滚筒是否旋转，确定绞车组件是在保持区内操作还是在卷轴区内操作，当绞车组件在保持区内操作时产生保持电流，保持电流变化基于绞车缆索上的负载并防止电动绞车马达旋转，并且当可旋转绞车滚筒在卷轴区内操作时产生卷轴电流，其中卷轴电流基于绞车负载阈值并操作以允许电动绞车马达旋转。

附图说明

图1示出了工地的示意图，在该工地处可以使用结合了在本发明的原理的机器；

图2示出了根据本发明的机器的示意图；

图3示出了图2的机器的发动机、传动系和绞车组件的一部分的框图；

图4示出了图2的机器的控制系统的一部分的框图；

图5示出了根据本发明的操纵杆的示意图；

图6示出了根据本发明的第二机器的示意图；

图7示出了根据时间缆索负载的实例性曲线图；以及

图8示出了示出根据本发明的绞车组件的操作的流程图。

具体实施方式

图1示出了工地100的示意图，在该工地处一个或多个机器10可以操作以执行期望的任务。工地100可以是工地、填埋场、采石场，建筑工地或任何其他区域的一部分。如图所示，工地100包括一组推土机11，推土机11通过绞车缆索41相互连接，并且通过另一绞车缆索41a协作地支撑另一机器，例如挖掘机12，另一机器在构造为陡坡的倾斜工作面101上操作。如下面更详细地描述的，每个推土机11包括绞车组件40，用于控制与该机器可操作地相关联的绞车缆索41的缠绕和展开。

图2示出了机器10(例如推土机11)的示意图，该机器具有配置成推动材料的地面接合作业机具(例如铲板15)。推土机11包括框架16和诸如发动机17的原动机。诸如履带19的地面接合驱动机构可通过推土机11的相对侧上的驱动链轮18可操作地联接到原动机，以推进机器。

推土机11可以包括可操作地连接到发动机17以驱动驱动链轮18和履带19的电传动系20。参见图3，电传动系20可以包括通过驱动轴22可操作地连接到发动机17的发电机21。发电机21将发动机17的旋转动力转换为交流电流等电。逆变器23通过缆索组件24电连接到发电机21，驱动电动机25通过缆索组件26电连接到逆变器23。驱动马达25通过轴27可操作地连接到驱动链轮18以推进推土机11。逆变器23将来自发电机21的交流电变换为直流电。可以通过控制系统50将控制策略应用于直流电，然后将期望量的直流(AC)电转换回交流(DC)电，以根据需要操作驱动马达25。在实施例中，驱动电机25可以是开关磁阻电机。尽管描述了单个驱动马达25，但是可以提供多个驱动马达，例如通过为每个驱动链轮18提供驱动马达。可以设想电传动系20的其他结构。

本发明的系统和方法可以与本领域中适用于引起推土机11运动的其他机器推进和传动系机构一起使用，包括静液压或机械驱动。此外，尽管推土机11显示为“履带式”结构，但是也可以使用其他结构，例如轮式结构。

返回参见图2，铲板15可以通过推土机11每侧上的臂30枢转地连接到框架16。连接到框架16的第一液压缸31在垂直方向上支撑铲板15，并允许铲板从图2的视角垂直向上或向下移动。推土机11每侧上的第二液压缸32允许铲板尖33的俯仰角相对于机器的中心线改变。

推土机11可以包括驾驶室34，操作员可以物理地占用驾驶室34并提供输入以控制机器。驾驶室34可包括一个或多个输入装置，例如操纵杆35(图5)，操作者可通过操纵杆35发出操作命令以控制机器的推进系统和转向系统以及操作与机器相关联的各种机具。

推土机11可包括绞车组件40，其操作以将绞车缆索41卷入和放出。绞车组件40可以包括电连接到逆变器23的电绞车马达42(图3)。绞车马达42可以具有任何期望的构造。在实施例中，绞车马达42可以是以交流电操作的开关磁阻电机。在操作中，直流电可以由逆变器23通过缆索组件43供应到将直流电转换为交流电的第二或“半”逆变器44。交流电然后通过缆索组件45供应以驱动绞车马达42。在其他实施例中，逆变器23可以配置成在没有半逆变器44的情况下向绞车马达42提供交流电。在其他实施例中，绞车马达42可以是直流(DC)马达，直流电可以由逆变器23或通过推土机11上没有半逆变器44的另一个源提供。

可旋转绞车滚筒47可通过齿轮系统46可操作地连接到绞车马达42，齿轮系统46可操作地连接到马达。在实施例中，齿轮系统46可配置成对于绞车滚筒47的每次旋转提供绞车马达42的多次旋转。绞车滚筒47的旋转可以通过可操作地连接到其上的制动系统48来防止。齿轮系统46和制动系统48可以具有任何期望的构造。在实施例中，齿轮系统46和制动系统48可配置成具有默认状态，在该默认状态下，除非制动系统脱离，否则绞车滚筒47的旋转被阻止(即，施加制动)。绞车滚筒47可配置成使绞车缆索41缠绕多次。绞车缆索41缠绕绞车滚筒47的次数可以是绞车缆索的尺寸(即滚筒的直径和宽度)以及长度和直径的函数。可以设想绞车组件40的其他构造。

驱动马达25和绞车马达42可以以任何期望的方式冷却。在一个实施例中，驱动马达25和绞车马达42可以利用公共冷却系统28，其中油穿过每个马达和冷却系统。可以设想其他类型的冷却系统。在其他实施例中，驱动马达25和绞车马达42中的每一个可以具有其自己的冷却系统。

发动机13、电传动系20、绞车组件40以及推土机11的其他系统和部件的操作可由控制系统50控制，如图2中的箭头所示，该箭头指示与机器相关联。控制系统50可以包括电子控制模块或控制器51和多个传感器。控制器51可以通过无线通信系统从驾驶室24内或机外接收来自操作推土机11的操作者的输入信号。控制器51可以控制推土机11的各个方面的操作，包括电传动系20、液压系统和绞车组件40。

控制器51可以是以逻辑方式操作以执行操作、执行控制算法、存储和检索数据和其他期望操作的电子控制器。控制器51可以包括或访问存储器、辅助存储设备、处理器和用于运行应用的任何其他组件。存储器和辅助存储设备可以是只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)或可由控制器访问的集成电路的形式。各种其他电路可与控制器51相关联，例如电源电路、信号调节电路、驱动器电路和其他类型的电路。

控制器51可以是单个控制器或者可以包括布置成控制推土机11的各种功能和/或特征的多于一个控制器。术语“控制器”在其最广泛的意义上旨在包括一个或多个控制器和/或微处理器，这些控制器和/或微处理器可以与推土机11相关联并且可以协作来控制机器的各种功能和操作。控制器51的功能可以在硬件和/或软件中实现，而不考虑该功能。控制器51可以依赖于可以存储在控制器的存储器中的与推土机11和工地100的操作条件和操作环境相关的一个或多个数据映射。这些数据映射中的每一个可以包括表格、图形和/或等式形式的数据集合。

控制系统50和控制器51可以位于推土机11上，并且还可以包括远离机器的部件。控制系统50的功能可以是分布式的，使得在推土机11处执行某些功能，并且远程地执行其他功能。

参见图4，推土机11可以配备有多个机器传感器，这些机器传感器提供(直接或间接地)指示机器的各种操作参数，或诸如绞车马达42的某些部件的操作特征，和/或机器正在其中操作的操作环境的数据。术语“传感器”在其最广泛的意义上旨在包括一个或多个传感器和相关部件，其可以与推土机11相关联并且可以协作来感测机器的各种功能、操作和操作特征和/或机器正在操作的环境的多个方面。

可以提供电压传感器55以感测绞车马达42处的电压并提供指示电压的电压数据。在一个实施例中，电压传感器55可以是半逆变器44的一部分或在半逆变器44内，并且具有任何期望的结构。如果绞车组件40不包括半逆变器44，则电压传感器55可以是逆变器23的一部分或在逆变器23内。考虑电压传感器的其他位置和电压传感器的其他结构。

可以提供电流传感器56以感测提供给绞车马达42的电流并提供指示电流的电流数据。在一个实施例中，电流传感器56可以是半逆变器44的一部分或在半逆变器44内，并且具有任何期望的结构。如果绞车组件40不包括半逆变器44，则电流传感器可以是逆变器23的一部分或在逆变器23内。可以设想电流传感器的其他位置和电流传感器的其他结构。

由于绞车马达42提供的扭矩是马达操作的电压和提供给马达的电流的函数，所以电压传感器55和电流传感器56可以限定扭矩传感器。因此，如果绞车马达42以不同的方式提供扭矩，则可以基于扭矩和电压确定必要的电流。

可以设置旋转传感器57，用于直接或间接地感测绞车滚筒47的旋转位置，并用于提供指示旋转位置的旋转数据。旋转传感器57可以具有任何期望的构造，例如在绞车马达42或绞车滚筒47上或邻近绞车马达42或绞车滚筒47安装的旋转编码器。在一些情况下，可能期望监测绞车马达42而不是绞车滚筒47的位置，因为绞车组件40可以配置成使得绞车马达对于绞车滚筒的每次旋转而旋转多次。控制器52可以监测和存储绞车马达42(或绞车滚筒47)的旋转数据，以确定绞车滚筒47的角位置和旋转次数。在一个实施例中，0的参考位置可以对应于绞车缆索41被完全收回。

除了作为旋转位置传感器操作之外，旋转传感器57还可以配置成作为旋转识别系统操作，该旋转识别系统感测绞车马达42以及绞车滚筒47是旋转还是静止。在其他实施例中，可以提供单独的旋转识别传感器来确定绞车马达42和/或绞车滚筒47是否旋转。

电压传感器55和电流传感器56中的每一个的特征在于电动机操作特征传感器，因为它们产生指示绞车马达42的操作特征的操作特征数据或信号。电压传感器55，电流传感器56和旋转传感器57的特征为绞车操作特征传感器，因为它们产生指示绞车组件40的操作特征的操作特征数据或信号。

控制系统50可以包括绞车控制系统52，该绞车控制系统52通常由图2中的箭头示出，指示与机器10的关联。绞车控制系统52可操作以控制绞车组件40的操作。绞车组件40可配置成以多种不同的操作模式操作。在通常称为“自由卷轴”模式的第一操作模式中，绞车滚筒47例如通过释放制动系统48或制动系统的一部分，以及齿轮系统46或齿轮系统的一部分而与绞车组件40的其余部分断开。通过将绞车滚筒47与绞车组件40的其余部分断开，绞车滚筒可被转动，从而以非常小的力(例如大约50-100磅)拉出或放出一定长度的绞车缆索41。在一个实施例中，绞车控制系统52可以通过向后或朝向驾驶室34中的操作者拉动操纵杆35而置于自由卷轴模式。

在通常称为“制动断开”模式的第二操作模式中，绞车滚筒47保持连接到齿轮系统46，但齿轮系统不连接到绞车马达42。结果，绞车滚筒47仍然能够转动，但是这种转动受到齿轮系统的内阻抗的阻碍。在一个实例中，当在制动断开模式下操作时，拉出一段绞车缆索41所需的力可以是大约1,000-2000磅。在一个实施例中，绞车控制系统52可以通过向前或远离操作者推动操纵杆35而置于制动断开模式。

可称为“制动接通”模式的第三操作模式，其中制动系统48被接合，从而防止绞车滚筒47的旋转并且绞车缆索41相对于绞车滚筒保持静止。在一个实施例中，绞车控制系统52可以通过允许操纵杆35返回到其中心或默认位置或将操纵杆保持在其中心或默认位置，或者通过给出如下的“卷入”或“放出”命令而被置于制动开启模式。

可称为“放出”模式的第四操作模式，其中绞车马达42旋转以馈送或放出绞车缆索41。可称为“卷入”模式的第五操作模式，其中绞车马达42旋转以卷入绞车缆索41。在一个实施例中，绞车控制系统52可以通过侧向向内拉动操纵杆35而被置于卷入模式，并且可以通过侧向向外推动操纵杆35而被置于放出模式。绞车缆索41被放出或卷入的速率可以与操纵杆35的位移量成比例。

在称为“自动张紧”模式的第六操作模式中，绞车控制系统52可操作以在绞车缆索41上产生恒定负载。为此，可以以任何期望的方式将期望的绞车负载输入绞车控制系统52，设置在绞车控制系统52内或由绞车控制系统52访问期望的绞车负载。在一个实例中，操作者可以通过输入设备以数字方式(例如，50,000lbs.)指定期望的绞车负载。在另一实例中，操作者可基于相对于绞车组件40的总容量的相对比例(例如，1-100)来指定期望的绞车负载。

基于期望的绞车负载，绞车控制系统52可以确定产生和保持这种负载所需的扭矩。通过使用存储在控制器51内的查找表或数据表，绞车控制系统52可以基于绞车马达42处的电压\绞车滚筒47的几何形状以及绞车缆索41相对于绞车滚筒的位置来确定产生期望扭矩所需的电流。换句话说，考虑到绞车滚筒47的尺寸和绞车缆索41距滚筒旋转中心的距离，为了在绞车缆索41上提供期望的力，绞车马达42必须产生期望的扭矩。绞车缆索41距绞车滚筒47的旋转中心的距离可基于绞车滚筒的已知特征和绞车滚筒的角度或旋转位置来确定，角度或旋转位置由旋转传感器57提供的旋转信号或数据来确定。基于由来自电压传感器的电压信号确定的绞车马达42处的已知电压，绞车控制系统52可确定产生所需扭矩需要的电流。

当使用自动张紧模式时，在绞车控制系统52内设定了期望的绞车负载之后，操作者可以进一步或随后调节绞车缆索41上期望的绞车负载或张力。这在期望的绞车负载通常被设定然后被更精细地调节的情况下和/或在操作条件改变的情况下可能是期望的。

例如，操作者通常可以设定初始期望的绞车负载(数字地或在相对尺度上)，然后通过输入设备增加或减少负载。参照图5，操纵杆35可以包括三个输入按钮36-38。第一输入按钮36可操作以启用或开启和关闭自动张紧模式。第二输入按钮37可操作以增加期望的绞车负载，第三输入按钮38可操作以减少期望的绞车负载。在其他实施例中，第二和第三输入按钮36、37可以由旋转输入设备(未示出)代替。

当推土机11和诸如系在绞车缆索41上的挖掘机12的机器10操作时，缆索上的张力可能发生改变。绞车缆索41上增加的张力将克服期望的绞车负载或由绞车马达42提供的张力，并且一定长度的绞车缆索将从绞车组件40中拉出或放出。绞车缆索41上减小的张力将导致期望的绞车负载或由绞车马达42产生的张力克服绞车缆索中的张力并导致一定长度的绞车缆索缩回或卷绕到绞车组件40中。

可以设想其他操作模式，如移动操纵杆35以启动、运行或终止每个运行模式的其他方式。此外，所有绞车组件可以不包括或配置有上述所有操作模式。

参见图6，示出了可以拴系到推土机11上的实例性机器10。挖掘机12可包括具有悬臂构件80、杆构件81和作业机具82的机具系统。作业机具82可以采用任何期望的形式，包括铲斗、液压锤或抓斗。机具系统可操作地连接到总体上以83表示的液压系统，该液压系统包括用于使机具系统运动的液压缸或致动器84。操作员可以从操作员站或驾驶室85操作挖掘机12。原动机86可操作地连接到并驱动诸如履带87的地面接合驱动机构。挖掘机12可以包括与上述控制系统50和控制器51相同或相似的控制系统88和控制器89，并且不再重复其描述。

尽管示出了在推土机11和挖掘机12之间延伸的绞车缆索41，但是绞车组件40可以安装在任何类型的机器上并且可以用于任何类型的绞车操作。例如，绞车组件40可用于运输任何类型的设备，例如管道层、焊接台或在工地100处沿着斜坡上下运输的人员。

工业实用性

从前面的讨论中将容易理解这里描述的绞车组件40的工业实用性。上述讨论可应用于使用绞车组件40的系统，其中期望执行各种绞车操作，包括使用绞车马达42在不施加或接合绞车组件的制动系统48的情况下维持绞车缆索41上的期望绞车负载。这种绞车组件40可用于采矿场、填埋场、采石场、建筑工地、道路工地、森林、农场或任何其他需要使用绞车组件的区域。

绞车控制系统52可用于例如通过控制上述操作模式来控制绞车组件40的操作。在一些情况下，可能期望使用自动张紧模式而不是使用制动接通、制动断开和其他操作模式的组合。例如，返回参见图1，三个推土机11通过绞车缆索41相互连接，并且支撑在陡坡工作面101上操作的挖掘机12。在这种构造中，上部两个推土机11(即，图1中最左边的)通常可用作“锚”以支撑下部推土机11(即，最靠近挖掘机12的)和挖掘机。作为锚，上部的两个推土机11可以停泊，其中它们的行车制动器处于制动模式并且它们的绞车组件处于制动模式。

为了简化或改进挖掘机12的操作，下部推土机11的绞车组件40可以在自动张紧模式下操作，其中所需的绞车负载设定在足以支撑挖掘机12的水平。期望的绞车负载可以取决于挖掘机12的尺寸以及工作面101的操作条件和坡度。在一个实例中，期望绞车负载的上限可以设定为20,000磅，而下限可以设定为2,000磅。在另一实例中，所需绞车负载的上限可以设定为50,000磅，下限设定为1,000磅。可以根据需要设置其他期望的绞车负载或限制。此外，在一些实施例中，可以仅设置上限或下限。

在下部推土机11和挖掘机12之间延伸的绞车缆索41a上的张力操作以向挖掘机提供支撑，同时允许挖掘机执行期望的操作而不限制其沿着工作面101移动的能力。通过使用自动张紧模式，挖掘机12的操作者可以容易地沿着倾斜工作面101执行正常或典型的操作。

参照图7，示出了实例性曲线图，其中绞车缆索41上的负载示为时间的函数。所需绞车负载的上限设定为20,000磅，下限设定为2,000磅。这种构造限定了上卷轴区90、下卷轴区91和保持区92。在所示实例中，如果绞车缆索41上的张力大于20,000磅，则绞车缆索将由于绞车缆索上的力或负载超过绞车组件40产生的力而卷绕或放出。如果绞车缆索41上的张力小于2,000磅，由于绞车组件40产生的力或负载大于绞车缆索上的力或负载，绞车缆索将卷入。然而，如果绞车缆索41上的张力在2,000和20,000磅之间，绞车缆索将不会由于绞车马达42产生的力的变化而被放出或卷入。

更具体地，在一些情况下，推土机11和/或挖掘机12可以沿倾斜工作面101向下或侧向(或在一些情况下向上)驱动或推进和/或以这样的方式操作，即增加绞车缆索41上的负载或张力，使得其超过负载上限(例如，20,000磅)。在这种情况下，图7中以93表示的绞车缆索张力已经增加并且处于上卷轴区90中。在一个实施例中，由推土机11和/或挖掘机12的推进和/或操作引起的张力增加将产生张力或力的不平衡，其中由重力提供的力和挖掘机的推进和/或操作将大于由绞车组件40提供的相反力(即，负载上限)。力的不平衡将导致绞车滚筒47旋转，使得推土机11和挖掘机12之间的相对运动将拉出一定长度的绞车缆索41。也就是说，绞车控制系统52将继续向绞车马达42供应相同量的电流，这将导致产生期望的扭矩，该扭矩又将导致对应于负载上限向绞车缆索41施加绞车负载。然而，由于推土机和/或挖掘机12的推进和/或操作引起的张力增加将导致一定长度的绞车缆索41从绞车组件40中拉出。

通过向绞车马达42提供恒定或固定量的电流，抵抗绞车缆索41放出的力将是恒定的。在一些情况下，可能期望控制绞车缆索41被放出的速率，以减小卷绕过程的快速加速或减速。结果，当在上卷轴区90中操作时预期提供的电流量可以有一些变化。相信在一些情况下，电流的变化可以相对较小。此外，在一些情况下，电流的变化可以取决于推土机11、绞车组件40的特征以及包括可操作地连接到绞车缆索41的机器或设备的工地100处的操作条件。

类似地，挖掘机12可以沿倾斜工作面101向上或侧向(或在一些情况下向下)驱动或推进和/或以这样的方式操作，即减小绞车缆索41上的负载或张力，使得其小于负载下限(例如，2,000磅)。在这种情况下，图7中以94表示的绞车缆索张力已经减小并且处于下卷轴区91中。在一个实施例中，由推土机11和/或挖掘机12的推进和/或操作引起的张力减小将产生张力或力的不平衡，其中由绞车组件40产生的力(即，负载下限)将克服由重力和推土机11和/或挖掘机12的推进和/或操作引起的负载。由于力的不平衡，力的不平衡将导致绞车马达42旋转并卷入一定量的绞车缆索41a。也就是说，绞车控制系统52将继续向绞车马达42供应相同量的电流，这将导致产生期望的扭矩，该扭矩又将导致对应于负载下限向绞车缆索41a施加绞车负载。然而，由于推土机11和/或挖掘机12的推进和/或操作引起的张力的减小将导致绞车组件40卷入绞车缆索41a的长度。

通过向绞车马达42提供恒定或固定量的电流，抵抗绞车缆索41卷入的力将是恒定的。在一些情况下，可能期望控制绞车缆索41被卷入的速率，以减小卷绕过程的快速加速或减速。结果，当在下卷轴区91中操作时预期提供的电流量可以有一些变化。相信在一些情况下，电流的变化可以相对较小。此外，在一些情况下，电流的变化可以取决于推土机11、绞车组件40的特征以及包括可操作地连接到绞车缆索41的机器或设备的工地100处的操作条件。

在一些情况下，挖掘机12可以在绞车缆索41上的负载处于保持区92内的情况下被推进和/或操作。换句话说，绞车缆索41上的负载或张力大于负载下限(例如，2,000磅)并小于负载上限(例如，20,000磅)。当绞车组件40在保持区内操作时，绞车马达42产生足够的扭矩，使得绞车滚筒47不旋转，因此绞车缆索既不被卷入也不被放出。为此，控制器51产生足够量的电流，使得绞车组件40产生的负载与绞车缆索41上由重力以及推土机11和/或挖掘机12或附接到缆索的其他设备的推进和/或操作产生的负载相匹配。

更具体地，参见图7，当绞车缆索41上的张力从负载下限向负载下限和负载上限之间的95处所示的中点增加时，产生并供应到绞车马达42的电流增加，使得马达产生的扭矩也增加。由绞车马达42产生的扭矩的增加导致由绞车组件40产生的力的增加，其等于绞车缆索41上的张力，并且因此操作以平衡由于推土机11和/或挖掘机12的运动或操作而在绞车缆索上产生的负载。

绞车缆索41上的负载的进一步增加将类似地导致提供给绞车马达42的电流的增加，并因此导致由马达产生的扭矩和由绞车组件40产生的力的增加，以匹配绞车缆索上的负载的增加。类似地，诸如在96处的绞车缆索41上的负载的减小将导致提供给绞车马达42的电流的减小，并因此导致由马达产生的扭矩和由绞车组件40产生的力减小。在每种情况下，当在保持区92内操作时，绞车组件产生的负载与绞车缆索41上的张力相匹配，以防止缆索被卷入或放出。

为了防止绞车组件40在保持区92内操作时旋转，旋转传感器57可由控制器51监测以确定绞车马达42是否开始旋转。如果绞车马达42开始旋转，则所产生的电流可根据绞车马达的旋转方向而增大或减小，以抵抗或抵消马达旋转。例如，如果在保持区92中操作时绞车马达42开始旋转以放出绞车缆索41，则电流增加直到绞车马达42不再旋转。换句话说，电流增加，使得扭矩增加，并且该过程继续直到由于绞车组件40而在绞车缆索41上产生的力等于由于挖掘机或附接到其上的其他设备而在缆索上产生的负载。类似地，如果绞车马达42在保持区中操作的同时开始旋转以卷入绞车缆索，则电流减小直到绞车马达不再旋转。

当在上卷轴区90中操作时提供给绞车马达42的电流在本文中有时称为卷轴电流或上卷轴电流。当在下卷轴区91中操作时提供给绞车马达42的电流在本文中有时称为卷轴电流或下卷轴电流。当在保持区92中操作时提供给绞车马达42的电流在本文中有时称为保持电流。

尽管在上下文中描述了监视绞车马达42的旋转，但是可以另外地或可选地监视绞车滚筒47的旋转。

应当注意，当绞车缆索41从绞车滚筒47中送出时，绞车缆索与绞车滚筒的旋转中心之间的距离可以改变。绞车缆索41和绞车滚筒47的旋转中心之间的距离变化可以基于来自旋转传感器57的数据来确定。绞车控制系统52可以调节到绞车马达42的输入电流以补偿到绞车滚筒47的旋转中心距离的变化。

在一些实施例中，可以通过使用自动张紧模式代替上述其他操作模式中的一些来改进绞车操作。另外或可替代地，使用自动张紧模式代替一些其他操作模式可以允许降低绞车组件40的成本或改进其设计或操作。例如，如上，当在制动断开模式下操作时，绞车滚筒47可在施加约1,000-2,000磅的负载时旋转。当齿轮系统46内的一些或全部离合器未被释放使得齿轮系统保持连接到绞车滚筒47时，需要该负载。如果需要，绞车控制系统52可配置成通过在从绞车滚筒47拉动缆索之前要求绞车缆索41上大约有1,000-2000磅的负载来提供模拟或接近制动断开模式的模式。在其他情况下，自动张紧模式或其修改可用于模拟或近似于其他操作模式。此外，当施加或移除制动器时，可以使用自动张紧模式的变化，以减少绞车缆索41上的负载的任何突然变化。

尽管可以基于提供给液压绞车马达42的电流，液压绞车马达处的电压以及绞车缆线41距绞车滚筒47的旋转中心的距离来确定绞车缆线41上的负载，但是在其他实施例中，绞车缆线上的负载可以由绞车缆线上或与绞车缆线相关联的缆线负载传感器(未示出)来确定。这种缆索负载传感器可以采用任何期望的形式并且可以定位在任何位置。在一个实例中，缆索负载传感器可设置在缆索的一部分上或与缆索相互作用以产生指示绞车缆索41上的负载的信号。

因此，如本文使用的缆索负载传感器可以采用许多不同的形式来直接或间接地测量缆索张力并产生表示绞车缆索上的张力的张力数据。在一个实施例中，缆索负载传感器可以是绞车缆索上或与绞车缆索相关联的传感器。在另一个实施例中，缆索负载传感器可以是电压传感器55、电流传感器56和旋转传感器57的组合。在其他实施例中，例如当估计电压时可以省略电压传感器55，和/或例如当接近绞车缆索41相对于绞车滚筒47的中心的位置时可以省略旋转传感器58。

图8的流程图示出了绞车组件40的操作，并且包括当绞车组件在自动张紧模式下操作时的操作的细节。在阶段60，可以在控制器51内设置或存储多个操作模式。操作模式可对应于上述任何或所有模式以及任何其他期望的操作模式。此外，当在自动张紧模式下操作时，可以设置一个或多个期望的绞车负载阈值或默认设置。例如，在启用自动张紧模式时，绞车控制系统52可以配置成使用绞车缆索41上的上负载阈值的默认设置(例如，20,000磅、50,000磅，或任何其他期望值)和/或下负载阈值的默认设置(例如，1,000磅、2,000磅，或任何其他期望值)。在一些实施例中，显示信号58(图4)可以由控制器51产生，以在驾驶室34内的显示装置上显示默认设置，作为相对于绞车组件40的总容量的绝对数字或相对数字或比例。

绞车特征可以在阶段61被设置或存储在控制器51的存储器内。绞车特征可以包括绞车滚筒47的绞车尺寸特征，例如尺寸(例如直径和轴向宽度)和/或对于每个绞车旋转位置绞车缆索41距绞车滚筒旋转中心的距离。绞车缆索41距绞车滚筒的旋转中心的距离可根据绞车滚筒47的绝对旋转位置(即，绞车滚筒的位置连同从完全缩回位置的旋转次数)设定或存储在控制器51内。在其他情况下，距绞车滚筒47的旋转中心的距离可以通过使用平均距离或一些其他值来粗略估计。在一些情况下，实际距离可以与绞车马达42产生的扭矩一起使用，以确定绞车缆索41上的负载或张力。在其他情况下，绞车缆索41上的负载或张力可以基于绞车缆索41距旋转中心的近似距离或通过使用一些其他值来确定。

另外的绞车特征可以包括对于每个可能的电压和电流组合的绞车马达42的扭矩。此外，由绞车组件在绞车缆索41上产生的负载或张力可以作为绞车马达电压和电流以及绞车滚筒47的每个可能旋转位置的每个组合的函数存储或设置在控制器51的存储器内。如果离绞车滚筒的旋转中心的距离相近，则绞车组件产生的负载或张力可以作为旋转中心距离、电压和电流的函数存储或设定。

在阶段62，操作者可以选择期望的操作模式。通过选择除了“制动接通”之外的任何操作模式，制动系统将脱离接合。控制器51可以在判定阶段63确定由操作者选择的操作模式是否是自动张紧模式。如果操作者选择的操作模式不是自动张紧模式，则绞车控制系统52可以允许在阶段64手动操作绞车组件40。

如果操作者在判定阶段63选择的操作模式是自动张紧模式，则绞车控制系统52可以根据自动张紧模式过程开始操作。更具体地，在阶段65，可以在控制器51内设置或存储上负载阈值和/或下负载阈值。在一些实施例中，可以在阶段60将默认阈值设置或存储在存储器中。此外，在一些实施例中，可以以其他方式设置或调整上负载阈值和/或下负载阈值。例如，推土机11的操作者可以根据其一般类型或型号或者根据与该机器或物体相关联的唯一标识号来输入附连到绞车缆索41的机器或物体的类型。在其他情况下，这种信息可以由与绞车控制系统52相关联的传感器自动感测。另外，操作者可以根据需要改变上负载阈值和/或下负载阈值，而不管是否在阶段60预设或存储它们，或者是否在阶段65设定或存储它们。

在阶段66，控制器51可以从旋转传感器57接收旋转数据并且基于由旋转传感器提供的旋转数据确定绞车滚筒47的旋转位置。控制器51可以在阶段67基于旋转数据确定从绞车滚筒47延伸到绞车滚筒中心的绞车缆索41的距离。如上，在一些情况下，控制器51可以利用相对于绞车缆索41和绞车滚筒47的力矩臂的平均值或一些近似值。

在阶段68，控制器51可以基于绞车组件40的力矩臂(从绞车滚筒47延伸到绞车滚筒中心的自绞车缆索41的距离)确定对应于上负载阈值和下负载阈值中的每一个的扭矩。

推土机11和/或挖掘机12可以在阶段69操作。这样做时，绞车缆索41上的负载可以随时间变化，如图7的实例性曲线图所示。在判定阶段70，控制器51可以基于来自旋转传感器57的旋转数据确定绞车马达42(以及由此带动的绞车滚筒47)是否正在旋转。如果绞车马达42不旋转，则在由绞车组件40产生的力和绞车缆索41上的负载或张力之间没有力不平衡，并且绞车缆索将不会被放出或卷入。在这种情况下，考虑到绞车滚筒47上的绞车缆索41的力矩臂的长度，产生并供应到绞车马达42的电流量产生等于绞车缆索上的负载的扭矩量。结果，控制器51可以在阶段71继续产生电流命令，使得系统在电流没有变化的情况下操作。然后，诸如推土机11和挖掘机12的机器可以根据需要继续操作，并且重复阶段65-75。

然而，如果绞车马达42在判定阶段70旋转，则控制器51可在阶段72基于由电压传感器55提供的电压数据确定绞车马达42处的电压。在其他实施例中，可以不测量电压，并且可以使用绞车马达42处的预期电压。此外，可以测量电压，但是除非测量电压超过电压阈值才使用预期电压。

控制器51可以在阶段73处基于在阶段68处确定的对应于每个阈值的扭矩，在阶段67处确定的绞车缆索41距绞车滚筒47的中心旋转的距离以及在阶段72处确定的绞车马达42处的电压来确定对应于在每个上负载阈值和下负载阈值处的负载的电流。

在判定阶段74，控制器51可确定绞车组件40是否在上卷轴区90、下卷轴区91或保持区92内操作。为此，控制器51可以将提供给绞车马达42的电流与对应于上负载阈值和下负载阈值中的每一个的电流进行比较。

如果提供给绞车马达42的电流大于对应于上负载阈值的电流，则绞车组件40在上卷轴区90内操作。如果提供给绞车马达42的电流小于对应于较低负载阈值的电流，则绞车组件40在下卷轴区91内操作。如果提供给绞车马达42的电流小于对应于上负载阈值的电流并且大于对应于下负载阈值的电流，则绞车组件40在保持区92内操作。可以设想确定绞车组件40是否在保持区92内操作的其他方式。

如果绞车组件40不在保持区92内操作(即，提供给绞车马达的电流不在保持区内)，则控制器51可在阶段71处继续产生卷轴电流命令，使得系统在电流不改变的情况下操作。在这样做时，将向绞车马达42提供恒定或固定量的卷轴电流，使得抵抗绞车缆索41的放出或收入的力将是恒定的。

更具体地，如果系统在上卷轴区90内操作，则上卷轴电流可以固定在对应于上负载阈值的电流水平，并且由于诸如绞车缆索一端上的挖掘机12和相对端上的绞车组件40的设备之间的负载不平衡，绞车缆索41放出。如果系统在下卷轴区91内操作，则下卷轴电流可以固定在对应于下负载阈值的电流水平，并且由于诸如绞车缆索一端上的挖掘机12和相对端上的绞车组件40的设备之间的负载不平衡，绞车缆索41卷入。如上，在一些情况下，可能期望控制绞车缆索41卷入或放出的速率，以减小卷绕过程的快速加速或减速。结果，当在上卷轴区90或下卷轴区91中操作时，预期提供的电流量可以有一些变化。

然后，诸如推土机11和挖掘机12的机器可以根据需要继续操作，并且重复阶段65-75。

如果绞车组件40在保持区92内操作(即，提供给绞车马达的电流在保持区内)，则控制器51可产生电流命令以防止绞车组件40旋转。

为了这样做，旋转传感器57可以由控制器51监测以确定绞车马达42是否开始旋转。如果绞车马达42开始旋转，则所产生的电流可根据绞车马达的旋转方向而增大或减小，以抵抗或抵消马达旋转。例如，如果绞车马达42在保持区92中操作的同时开始旋转以放出绞车缆索41，则产生电流命令以增加电流直到绞车马达42不再旋转。换句话说，电流增加，使得扭矩增加，并且该过程继续直到由于绞车组件40而在绞车缆索41上产生的力等于由于挖掘机或附接到其上的其他设备而在缆索上产生的负载。类似地，如果绞车马达42在保持区中操作时开始旋转以在绞车缆索中卷入，则可产生电流命令以减小电流直到绞车马达不再旋转。

然后，诸如推土机11和挖掘机12的机器可以根据需要继续操作，并且重复阶段65-75。

应当注意，在以自动张紧模式操作期间的任何时间，操作者可以通过产生适当的命令或者以期望的方式移动操纵杆35来选择以手动模式操作绞车组件40。

此外，当使用绞车缆索41上的缆索负载传感器来确定绞车缆索上的负载时，可以修改图8的实例。

应当理解，前面的描述提供了公开的系统和方法的实例。对本发明或其实例的所有引用旨在引用在该点讨论的特定实例，而不旨在更普遍地暗示对发明的任何限制。关于某些特征的区别和歧化的所有语言旨在指示对这些特征没有偏好，但不完全将其排除在本发明的范围之外，除非另有说明。

除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在充当用作单独提及落入所述范围内的每个单独值的简写方法，且每个单独值并入说明书中，如同其在本文中单独引用一样。除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。

因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元素的所有可能变形的任何组合。

Claims (10)

1.一种用于控制绞车组件的操作的系统，包括：

可旋转绞车滚筒；

绞车缆索，其缠绕在所述可旋转绞车滚筒周围；

电动绞车马达，其可操作地连接到所述可旋转绞车滚筒；

旋转传感器，其配置成产生指示所述可旋转绞车滚筒的旋转的旋转数据；以及

控制器，其配置成：

访问绞车负载阈值，所述绞车负载阈值限定所述绞车组件的保持区和卷轴区，所述保持区和所述卷轴区中的一个包括大于所述绞车负载阈值的所述绞车缆索上的负载，并且所述保持区和所述卷轴区中的另一个包括小于所述绞车负载阈值的所述绞车缆索上的负载；

基于所述旋转数据确定所述可旋转绞车滚筒是否正在旋转；

确定所述绞车组件是在所述保持区内还是在所述卷轴区内操作；

当所述绞车组件在所述保持区内操作时产生保持电流，所述保持电流基于所述绞车缆索上的所述负载而变化并且与所述电动绞车马达的旋转相反；以及

当所述可旋转绞车滚筒在所述卷轴区内操作时产生卷轴电流，所述卷轴电流基于所述绞车负载阈值并操作以允许所述电动绞车马达旋转。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述绞车负载阈值对应于上负载阈值并且所述卷轴区对应于上卷轴区，以及

控制器还配置成：

访问下负载阈值并且所述下负载阈值限定了上卷轴区；

确定所述绞车组件是否在所述保持区、所述上卷轴区或所述上卷轴区内操作；

当所述可旋转绞车滚筒在所述上卷轴区内操作时产生上卷轴电流，所述上卷轴电流基于所述上负载阈值且操作以允许所述电动绞车马达旋转；以及

当所述可旋转绞车滚筒在上卷轴区内操作时，产生下卷轴电流，所述下卷轴电流基于所述下负载阈值并操作以允许所述电动绞车马达旋转。

3.如权利要求1-2中任一项所述的系统，其中所述电动绞车马达是直流马达。

4.如权利要求1-3中任一项所述的系统，还包括原动机、发电机和逆变器，所述原动机配置成旋转所述发电机，所述发电机配置成产生交流电，所述逆变器可操作地连接到所述发电机并且配置成将所述交流电转换为直流电。

5.如权利要求4所述的系统，还包括半逆变器，所述半逆变器可操作地连接到所述逆变器和所述电动绞车马达，所述半逆变器配置成将所述直流电转换成被引导至所述电动绞车马达以驱动所述电动绞车马达的交流电。

6.如权利要求4所述的系统，其中所述电动绞车马达是直流马达，并且所述直流电被引导至所述直流马达以驱动所述直流马达。

7.如权利要求1-6中任一项所述的系统，所述控制器还配置成访问所述可旋转绞车滚筒的绞车尺寸特征，并且基于所述可旋转绞车滚筒的所述绞车尺寸特征来确定所述绞车组件是在所述保持区内还是在所述卷轴区内操作。

8.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述控制器还配置成基于所述电动绞车马达处的电压和供应至所述电动绞车马达的电流来确定所述绞车组件是在所述保持区内还是在所述卷轴区内操作。

9.一种控制绞车组件的操作的控制器实现的方法，所述方法包括由权利要求1-8中任一项所述的系统执行的所述步骤。

10.一种机器，包括如权利要求1-8中任一项所述的系统。

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