DE102005023673A1

DE102005023673A1 - Verfahren zur Detektion eines abnormen Hubzyklus und Arbeitsmaschine, die dieses verwendet

Info

Publication number: DE102005023673A1
Application number: DE102005023673A
Authority: DE
Inventors: Kevin J. Elmwood Lueschow; Jeffrey J. Washington Simmons
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-03-23
Also published as: US7324880B2; US20050278101A1

Abstract

Ein abnormer Hubzyklus einer Arbeitsmaschinenhubkomponente kann einen Bedienerfehler und/oder einen Fehler innerhalb einer Hubkomponentenkoppelungseinrichtung anzeigen. Die vorliegende Offenbarung weist ein Verfahren auf, um einen Fehler für eine Hubkomponentenkoppelungseinrichtung der Arbeitsmaschine zu detektieren. Der Druck innerhalb mindestens eines Hydraulikzylinders der Koppelungseinrichtung wird während mindestens eines Teils eines Hubzyklus der Hubkomponente abgefühlt. Ein Zustand des Hubzyklus kann bestimmt werden durch Detektieren einer Größe der Asymmetrie innerhalb einer Vielzahl der abgefühlten Drücke. Ein abnormer Zustand des Hubzyklus wird angezeigt, wenn die Größe der Asymmetrie der Vielzahl von abgefühlten Drücken außerhalb eines vorbestimmten Asymmetriebereichs ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Arbeitsmaschinen mit Komponenten und insbesondere auf ein Verfahren zur Detektion eines abnormen Hubzyklus einer Arbeitsmaschinenhubkomponente.

Hintergrund

Viele Arten von Arbeitsmaschinen weisen Hubkomponenten auf, wie beispielsweise Ladeeinrichtungen, die über Kupplungen an Arbeitsmaschinenkörpern angebracht sind. Beispielsweise weist eine Ladeeinrichtung eine Schaufel auf, die bewegbar an einem Hubarm angebracht ist, und die Ladeeinrichtung ist an einem Körper eines Radladers über eine Koppelungseinrichtung angekoppelt. Die Koppelungseinrichtung weist mindestens einen hydraulischen Hubzylinder auf, der dahingehend betreibbar ist, dass er den Hubarm auf und ab bewegt, und mindestens einen hydraulischen Schaufelzylinder, der betreibbar ist, um die Schaufel um den Hubarm hin und her zu bewegen. Die Koppelungseinrichtung weist auch eine Vielzahl von Stiften auf, die einen Stift aufweist, der bewegbar den Hubarm am Maschinenkörper anbringt, weiter einen Stift, der den hydraulischen Hubzylinder am Maschinenkörper anbringt, und einen Stift, der den hydraulischen Hubzylinder am Arm anbringt.

Während des Betriebs des Radladers kann der Bediener viele Hubzyklen ausführen, während denen die Ladeeinrichtung Material aus einem Materialhaufen hebt, um das Material zu einer anderen Stellen zu transportieren. Ein normaler Hubzyklus sollte sanft und ununterbrochen sein. Jedoch kann ein Fehler des Bedieners, wie beispielsweise das abrupte Stoppen der Aufwärtsbewegung der Ladeeinrichtung während des Hubzyklus oder das abrupte Variieren der Geschwindigkeit des Hubvorgangs, einen abnormen Hubzyk lus erzeugen. Zusätzlich zu einem Fehler des Bedieners kann eine fehlerhafte Koppelungseinrichtung abnorme Hubzyklen verursachen. Beispielsweise kann die Koppelungseinrichtung unzureichend geschmiert sein, und/oder Probleme können in den Stiften und dem hydraulischen Hubzylinder auftreten.

Oftmals werden Probleme mit der Koppelungseinrichtung durch eine Untersuchung eines Bedieners oder Technikers während regelmäßig geplanter Instandhaltungen erkannt. Die Verzögerung bei der Detektion von Problemen in der Koppelungseinrichtung kann zusammen mit einem existierenden Problem kommen und kann die Produktivität der Ladeeinrichtung während des Betriebs vor der Entdeckung einschränken. Weiterhin kann das Erkennen durch regelmäßig geplante Instandhaltung einem menschlichen Fehler unterworfen sein, insbesondere wenn die Techniker nicht bezüglich irgendwelcher Leistungsmerkmale der Ladeeinrichtung alarmiert wurden. Zusätzlich können unentdeckte Fehler an der Koppelungseinrichtung zu einem Zusammenbruch während des Betriebs führen. Ein Zusammenbruch des Laders während des Betriebes kostet nicht nur Zeit und Geld, sondern kann auch ein Ärgernis sein. Somit wird ein genaueres Verfahren zum Detektieren von Problemen in der Koppelungseinrichtung benötigt.

Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Offenbarung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Arbeitsmaschine einen Arbeitsmaschinenkörper auf, an dem mindestens eine Hubkomponente bewegbar über eine Koppelungseinrichtung angebracht ist. Während mindestens eines Teils eines Hubzyklus fühlt mindestens ein Drucksensor einen Druck innerhalb eines Hydraulikzylinders der Koppelungseinrichtung ab. Der Drucksensor ist in Verbindung mit einem elektronischen Steuermodul und weist einen Fehlerdetektionsalgorithmus auf, der dahingehend betreibbar ist, dass er einen abnormen Hubzyklus anzeigt, zumindest teilweise durch Detektion einer Asymmetrie bei einer Vielzahl von abgefühlten Drücken.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Artikel bzw. eine Einrichtung ein computerlesbares Datenspeichermedium auf, auf dem ein Fehlerdetektionsalgorithmus gespeichert ist. Der Fehlerdetektionsalgorithmus ist betreibbar, um einen abnormen Hubzyklus einer Hubkomponente zu zeigen, die bewegbar an einem Arbeitsmaschinenkörper über mindestens einen Hydraulikzylinder angebracht ist. Der Fehlerdetektionsalgorithmus ist dahingehend betreibbar, dass er eine Asymmetrie bei einer Vielzahl von abgefühlten Drücken von einem Hydraulikzylinder detektiert.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Fehler für eine Hubkomponentenkoppelungseinrichtung einer Arbeitsmaschine detektiert durch Abfühlen eines Druckes innerhalb mindestens eines Hydraulikzylinders der Koppelungseinrichtung während mindestens eines Teils eines Hubzyklus der Hubkomponente. Ein Zustand des Hubzyklus wird zumindest teilweise bestimmt durch Detektion einer Größe einer Asymmetrie unter einer Vielzahl von abgefühlten Drücken. Ein abnormer Zustand des Hubzyklus wird gezeigt, wenn die Größe der Asymmetrie der Vielzahl von abgefühlten Drücken außerhalb eines vorbestimmten Bereiches der Asymmetrie ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht einer Arbeitsmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Flussdiagramm eines Fehlerdetektionsalgorithmus gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3a ist eine Kurvendarstellung, die den abgefühlten Druck innerhalb eines Hydraulikzylinders und ein abgeschätztes Nutzlastgewicht für einen abnormen Hubzyklus der Arbeitsmaschine der 1 veranschaulicht; und
3b ist eine Kurvendarstellung, die den abgefühlten Druck in dem Hydraulikzylinder und das abgeschätzte Nutzlastgewicht für einen normalen Hubzyklus der Arbeitsmaschine der 1 veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf 1 ist eine Seitenansicht einer Arbeitsmaschine 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Obwohl die Arbeitsmaschine 10 als Radlader veranschaulicht ist, sollte der Fachmann erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auf irgendeine Arbeitsmaschine angewandt werden könnte, die eine Hubkomponente aufweist, die einen Bulldozer und einen Baggerlader mit einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Der Radlader 10 weist einen Arbeitsmaschinenkörper 11 auf, an dem mindestens eine Hubkomponente 12, die als eine Ladeeinrichtung veranschaulicht ist, bewegbar über eine Koppelungseinrichtung 13 angebracht ist. Die Ladeeinrichtung 12 weist eine Schaufel 14 auf, die bewegbar an einem Hubarm 15 angebracht ist. Bei dem veranschaulichten Radlader weist die Koppelungseinrichtung 13 zwei Hydraulikzylinder 18a und 18b auf, die zwischen dem Arbeitsmaschinenkörper 11 und dem Lader 12 positioniert sind. Ein hydraulischer Schaufelzylinder 18a ist betreibbar, um die Schaufel 14 um den Hubarm 15 zu bewegen, und ein hydraulischer Hubzylinder 18b ist betreibbar, um den Hubarm 15 auf und ab zu bewegen. Die Koppelungseinrichtung 13 weist auch eine Vielzahl von Stiften 16 auf (die alle nicht gezeigt sind), die die Ladeeinrichtung 12 am Arbeitsmaschinenkörper 11 anbringen, und die Hydraulikzylinder 18a und 18b an der Ladeeinrichtung 12 und dem Arbeitsmaschinenkörper 11 anbringen. Die Vielzahl von Stiften 16 weist einen ersten Stift 16a auf, der bewegbar den Hubarm 15 am Arbeitsmaschinenkörper 11 anbringt, einen zweiten Stift 16b, der den hydraulischen Hubzylinder 18b am Arbeitsmaschinenkörper 11 anbringt, und einen dritten Stift 16c, der den hydraulischen Hubzylinder 18b am Hubarm 15 anbringt. Es sei bemerkt, dass die veranschaulichte Koppelungseinrichtung 13 zusätzliche Stifte aufweist, die den hydraulischen Hubzylinder 18a am Arbeitsmaschinenkörper 11 befestigen und den Hydraulikzylinder 16a zur Bewegung der Schaufel 14 ankoppeln.
Die Ladeeinrichtung 12 der 1 ist in einer ersten Position 12a und in einer zweiten Position 12b (gestrichelt) veranschaulicht. Wenn die Ladeeinrichtung 12 in der ersten Position 12a ist, ist die Schaufel 14 auf oder nahe dem Boden, und wenn die Ladeeinrichtung 12 in der zweiten Position 12b ist, ist die Schaufel 14 angehoben. Ein Hubzyklus weist die Bewegung der Ladeeinrichtung 12 von der ersten Position 12a zur zweiten Position 12b auf. Ein vollständiger Hubzyklus 34 der Ladeeinrichtung 12 weist die Bewegung der Ladeeinrichtung 12 von der ersten Position 12a in die zweite Position 12b auf. Somit sei bemerkt, dass während eines Hubvorgangs die Ladeeinrichtung 12 nicht über den vollständigen Hubzyklus 34 laufen kann. Der Fachmann wird erkennen, dass der Druck innerhalb des hydraulischen Hubzylinders 18b, der erforderlich ist, um den Arm 15 anzuheben, zunimmt, wenn die Ladeeinrichtung 12 während des Hubzyklus angehoben wird. Weiterhin wird der Fachmann erkennen, dass je größer das Nutzlastgewicht ist, was das Gewicht des Materials in der Schaufel 14 ist, desto größer der Druck ist, der zum Anheben der Ladeeinrichtung 12 erforderlich ist. Somit erzeugt ein normaler Hubzyklus eine stetige Steigerung des Druckes. Demgegenüber kann ein abnormer Hubzyklus asymmetrische Druckspitzen und Drucksenken aufweisen.
Der Radlader 10 weist mindestens einen Drucksensor 20 auf, der dahingehend betreibbar ist, dass er einen Druck innerhalb des hydraulischen Hubzylinders 18b während mindestens eines Teils des Hubzyklus der Ladeeinrichtung 12 abfühlt. Der Radlader 10 weist auch mindestens einen Positionssensor 21 von in der Technik bekannter Art auf, der betreibbar ist, um die Position der Ladeeinrichtung 12 abzufühlen. In dem veranschaulichten Beispiel fühlt der Positionssensor 21 die Ausfahrbewegung des hydraulischen Hubzylinders 18b ab, um die Position der Ladeeinrichtung 12 innerhalb des voll ständigen Hubzyklus 34 zu bestimmen. Sowohl der Drucksensor 20 als auch der Positionssensor 21 sind in Verbindung mit einem elektronischen Steuermodul 22 über eine Druckverbindungsleitung 19 bzw. eine Positionsverbindungsleitung 23.
Das elektronische Steuermodul 22 weist eine Vorrichtung 17 auf, die ein computerlesbares Datenspeichermedium aufweist, auf dem ein Fehlerdetektionsalgorithmus 24 gespeichert ist. Es sei jedoch bemerkt, dass der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 in irgendeiner Vorrichtung vorgesehen sein könnte, die ein Speichermedium aufweist, und zwar ungeachtet dessen, ob die Vorrichtung in dem elektronischen Steuermodul innerhalb der Arbeitsmaschine vorgesehen ist oder nicht. Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 ist dahingehend betreibbar, dass er den abnormen Hubzyklus zumindest teilweise durch Detektion einer Asymmetrie in einer Vielzahl von abgefühlten Drücken anzeigt. Eine Fehleranzeige 22 ist in elektrischer Verbindung mit dem elektronischen Steuermodul 22 über eine Anzeigeleitung 27. Die Fehleranzeige 22 weist vorzugsweise eine Meldeeinrichtung 35 auf, die betreibbar ist, um dem Bediener einen zweiten ununterbrochenen und sanften Hubvorgang zu melden. Die Fehleranzeige 25 ist an dem Arbeitsmaschinenkörper 11 vorzugsweise in einer Bedienersteuerstation 26 angebracht, so dass der Bediener beobachten und/oder hören kann, wenn die Fehleranzeige 25 aktiv wird. Somit können die Fehleranzeige 25 und die Meldevorrichtung 35 eine visuelle Anzeige sein, wie beispielsweise ein Licht, oder eine hörbare Anzeige.
Mit Bezug auf 2 ist ein Flussdiagramm eines Fehlerdetektionsalgorithmus 24 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 ist dahingehend wirksam, dass er einen abnormen Hubzyklus anzeigt, und zwar zumindest teilweise durch Detektieren einer Asymmetrie bei einer Vielzahl von abgefühlten Drücken. Es sei bemerkt, dass ein abnormer Hubzyklus durch einen Fehler des Bedieners oder durch eine fehlerhafte Koppelungseinrichtung verursacht werden könnte. Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 ist vorzugsweise betreibbar bzw. wirksam, wenn der Positionssensor 21 abfühlt, dass die Position 21a der Ladeeinrichtung 12 zwi schen einer Aktivierungsposition 21b, die ungefähr 45-50% des vollständigen Hubzyklus 34 ist, und einer Deaktivierungsposition 21c ist, die bei ungefähr 75-80% des vollständigen Hubzyklus 34 ist. Die Aktivierungsposition 21b basiert auf der Beobachtung, dass während der meisten Hubvorgänge bei ungefähr 45-50% über den vollständigen Hubzyklus 34 das Nutzlastgewicht der Schaufel 14 stabilisiert ist, was bedeutet, dass die Schaufel 14 aus einem Materialhaufen heraus gehoben worden ist, aus dem sie heraus geschaufelt hat. Die Deaktivierungsposition 21c der Ladeeinrichtung basiert auf der Beobachtung, dass während der meisten Hubvorgänge die Ladeeinrichtung 12 auf mindestens 75-80% des Hubzyklus 34 angehoben wird.
Der Drucksensor 20 und der Positionssensor 21 übermitteln den abgefühlten Druck 20a und die abgefühlte Position 21a an den Fehlerdetektionsalgorithmus 24. Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 weist einen Umwandlungsalgorithmus 28 auf, der dahingehend wirksam ist, dass er ein Nutzlastgewicht 28a basierend zumindest teilweise auf dem abgefühlten Druck 20a abschätzt. Der Umwandlungsalgorithmus 28 weist einen Satz von bekannten Drücken 20b in dem Hydraulikzylinder 18b für eine leere Ladeeinrichtung bei bekannten Ladeeinrichtungspositionen auf, und einen Satz von bekannten Drücken 20c innerhalb des Hydraulikzylinders 18b für eine volle Ladeeinrichtung bei den bekannten Ladeeinrichtungspositionen. Der Fachmann wird erkennen, dass durch Vergleich des abgefühlten Druckes 20a innerhalb des Hydraulikzylinders 18b mit den bekannten Drücken 20b und 20c für die leere Ladeeinrichtung und für die volle Ladeeinrichtung bei der abgefühlten Position 21a der Umwandlungsalgorithmus 28 das Nutzlastgewicht 28a innerhalb der Schaufel 14 abschätzen kann. Der Fachmann wird erkennen, dass viele Arbeitsmaschinen schon ein Nutzlastgewichtsystem aufweisen, bei dem die Nutzlast basierend auf dem abgefühlten Druck innerhalb des Hydraulikzylinders 18b abgeschätzt wird.
Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 weist einen Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 auf, der betreibbar bzw. wirksam ist, um eine Asymmetrie bei einer Vielzahl von abgeschätzten Nutzlastgewichten 28a zu detektieren. Der Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 weist vorzugsweise einen Schräglagenbestimmungsalgorithmus 30 auf. Obwohl die vorliegende Offenbarung andere Verfahren zur Detektion einer Asymmetrie bei der Vielzahl von abgeschätzten Nutzlastgewichten in Betracht zieht, wird somit vorzugsweise die Asymmetrie durch Bestimmung der Schräglage der Vielzahl von abgeschätzten Nutzlastgewichten 28a detektiert. Der Fachmann wird erkennen, dass die Schräglage das dritte Moment um die Mitte einer Probe bzw. Last ist. Anders gesagt ist die Schräglage ein Maß der Asymmetrie einer Verteilung der abgeschätzten Nutzlastgewichte 28a. Obwohl die Anzahl der abgeschätzten Nutzlastgewichte, die verwendet wird, um eine Schräglage zu bestimmen, variieren kann, weist im veranschaulichten Beispiel die Vielzahl von abgeschätzten Nutzlastgewichten 28a ungefähr achtzig abgeschätzte Gewichte 28a auf. Somit ist der Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 betreibbar, um die Schräglage von achtzig abgeschätzten Gewichten 28a zu bestimmen, die alle während eines einzigen Hubzyklus aufgezeichnet wurden. Nachdem die Schräglage für die abgeschätzten Gewichte 28a berechnet worden ist, können die abgeschätzten Gewichte abgelegt und/oder mit neu abgeschätzten Gewichten durch den Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 überschrieben werden. Weil der Druck innerhalb des Hydraulikzylinders 18b oft abgefühlt wird, wie beispielsweise alle 1/25ms, wird die Schräglage ziemlich schnell bestimmt. Die vorliegende Offenbarung zieht auch in Betracht, dass die Schräglage ohne Speicherung eines abgeschätzten Nutzlastgewichtes bestimmt werden kann sondern vielmehr berechnet und mit jedem abgeschätzten Nutzlastgewicht aktualisiert werden kann. Obwohl das Aktualisieren der Schräglage basierend auf jedem abgeschätzten Nutzlastgewicht für Genauigkeit bevorzugt werden kann, kann es mehr Echtzeit-Verarbeitungsleistung erfordern.
Der Schräglagenbestimmungsalgorithmus 30 weist vorzugsweise einen Schräglagenkoeffizienten 31 auf. Somit wird, obwohl die Schräglage durch andere Verfahren bestimmt werden kann, die Schräglage der Vielzahl von abgeschätzten Nutzlastgewichten 28a vorzugsweise durch Berechnung eines Schräglagenkoeffizienten 31 für die Vielzahl von Gewichten 28a bestimmt.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Schräglagenkoeffizient 31 m₃/(m₂)^3/2 ist, wobei m₂ und m₃ die zweiten und dritten Momente jeweils um die Mitte der Probe bzw. des Gewichtes sind. Die zweiten und dritten Momente um die Mitte können durch die folgende Formel bestimmt werden: m_r = 1/n Σ (x_i – x)^r, wobei r für das zweite Moment 2 ist und für das dritte Moment 3 ist, wobei n die Anzahl der Daten in der Probe ist, und wobei x die Mitte ist. Die vorliegende Offenbarung zieht auch andere Formen in Betracht, die verwendet werden, um die Schräglage zu berechnen, wie beispielsweise der zweite Schräglagenkoeffizient von Pearson. Die Formel zur Berechnung des zweiten Schräglagenkoeffizienten von Pearson ist Folgende: 3(x – M_d)/s, wobei x die Mitte ist, wobei M_d der Median ist und wobei s die Standardabweichung ist. Obwohl der zweite Schräglagenkoeffizient von Pearson ein schnelleres Verfahren zur Bestimmung der Schräglage ist, ist dies manchmal weniger genau als die Berechnung des Schräglagenkoeffizienten 31.
Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 weist einen Fehleranzeigealgorithmus 32 auf, der wirksam ist, um anzuzeigen, wann die berechnete Schräglage, die vorzugsweise der Schräglagenkoeffizient 31 ist, außerhalb eines vorbestimmten Schräglagenbereiches 33 ist. Es sei bemerkt, dass der Schräglagenkoeffizient 31 von -2 bis 2 reicht, wobei 0 keine Schräglage ist (d.h. symmetrische Daten). Der vorbestimmte Schräglagenbereich 33 ist der Bereich von Schräglagen, der erwartet wird und in den abgeschätzten Gewichten 28a tolerierbar ist. Der Fachmann wird erkennen, dass die abgeschätzten Gewichte 28a über den normalen Hubzyklus im Allgemeinen geringfügig in Schräglage sein werden. Jedoch werden die abgeschätzten Gewichte 28a während eines abnormen Hubzyklus eine relativ signifikante Schräglage zeigen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist ein negatives Ende 33a des vorbestimmten Schräglagenbereiches 33 vorzugsweise -0,5, und ein positives Ende 33b ist 0,5. Dieser vorbestimmte Schräglagenbereich 33 ist relativ intolerant für abnorme Hubzyklen. Jedoch zieht die vorliegende Offenbarung in Betracht, dass der vorbestimmte Schräglagenbereich 33 eingestellt wird, um toleranter für abnorme Hubzyklen zu sein. Beispielsweise könnte der vorbestimmte Schräglagenbereich -1,0 bis 1,0 sein, oder auch -1,5 bis 1,5. Ein vorbestimmter Schräglagenbereich von -1,5 bis 1,5 kann nur abnorme Hubzyklen basierend auf einem relativ schweren Bedienerfehler oder aufgrund von Fehlern innerhalb der Koppelungseinrichtung detektieren.
Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 wird deaktiviert 42b, wenn der Positionssensor 21 abfühlt, dass die Ladeeinrichtungsposition 21 gleich oder größer der Deaktivierungsladeeinrichtungsposition 21c ist, was 75-80% des vollständigen Hubzyklus 34 ist. Die Deaktivierungsladeeinrichtungsposition 21c basiert auf der Beobachtung, dass während der meisten Hubvorgänge, die Ladeeinrichtung 12 auf mindestens 75-80% des Hubzyklus 34 angehoben werden wird. Somit werden die Daten, die zur Detektion eines abnormen Hubzyklus verwendet werden, während eines mittleren Teils des vollständigen Hubzyklus 34 gewonnen und gespeichert.
Mit Bezug auf die 3a und 3b sind dort Kurvendarstellungen gezeigt, die den abgefühlten Druck innerhalb des hydraulischen Hubzylinders 18b und das abgeschätzte Nutzlastgewicht für einen abnormen Hubzyklus bzw. einen normalen Hubzyklus der Arbeitsmaschine der 1 veranschaulichen. In beiden 3a und 3b ist entlang der X-Achse die Position der Ladeeinrichtung 12 innerhalb des Hubzyklus 34 veranschaulicht und entlang der Y-Achse ist der Druck (P) innerhalb des Hydraulikzylinders 18 und das abgeschätzte Nutzlastgewicht (W) veranschaulicht. In beiden 3a und 3b sind jeweils die bekannten Drücke 20b und 20c für eine volle und leere Ladeeinrichtung während des Hubzyklus 34 gezeigt. Diese Druckwerte 20b und 20c sind bekannt und sind in dem Fehlerdetektionsalgorithmus 24 gespeichert, um das Nutzlastgewicht 28a von dem abgefühlten Druck 20a abzuschätzen.
Sowohl bei den normalen als auch den abnormen Hubvorgängen steigt der abgefühlte Druck 20a innerhalb des Hydraulikzylinders 18b, wenn die Ladeeinrichtung 12 angehoben wird. Obwohl der abgefühlte Druck 20a nahe dem Anfang des Hubzyklus 34 fluktuieren kann, fluktuiert das abgeschätzte Nutzlastgewicht 28a basierend auf dem abgefühlten Druck 20a um einen Mittelwert und hat somit minimale Schräglage. Anders als der abgefühlte Druck 20a in dem normalen Hubvorgang der 3b fällt jedoch der abgefühlte Druck 20a des abnormen Hubvorgangs der 3a nahe dem Ende des Hubzyklus 34. Der Einfall des Druckes 20a steht in Verbindung mit einem Einfall bzw. einer Verringerung des abgeschätzten Gewichtes 28a. Weil es keine entsprechende Steigerung um den Mittelwert des abgeschätzten Gewichtes 28a für den abnormen Hubvorgang gibt, ist das abgeschätzte Gewicht 28a in Schräglage. Somit würde der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 einen abnormen Hubvorgang in 3a, jedoch nicht in 3b anzeigen. Der Fachmann sollte erkennen, dass ein abnormer Hubzyklus Nutzlastgewichte 28a aufweisen kann, die aufgrund einer abrupten Steigerung und nicht einer Verringerung des Druckes 20a in Schräglage sind.
Industrielle Anwendbarkeit
Mit Bezug auf die 1-3b wird ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers der Hubkomponentenkoppelungseinrichtung 13 des Radladers 10 besprochen. Obwohl die vorliegende Erfindung für einen Radlader 10 besprochen wird, sei bemerkt, dass die vorliegende Offenbarung Anwendung bei irgendeiner Arbeitsmaschine mit einer Hubkomponente finden kann. Während des Betriebs des Radladers 10 wird der Bediener das Material, das die Nutzlast ist, mit der Schaufel 14 der Ladeeinrichtung 12 schaufeln und die Nutzlast mit dem Hubarm 15 anheben, um die Nutzlast zu einer andere Stelle zu bewegen. Es ist herausgefunden worden, dass wenn der Bediener korrekt einen ununterbrochenen und sanften Hubvorgang ausführt, es einen normalen Hubzyklus geben sollte, wie in 3b veranschaulicht. Jedoch kann der Bediener einem Fehler unterliegen, was das abrupte Variieren der Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der Ladeeinrichtung oder die Unterbrechung des Hubzyklus durch abruptes Stoppen der Aufwärtsbewegung der Ladeeinrichtung 12 einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Wenn dies so ist, wird der Hubzyklus abnorm sein. Wenn weiterhin der Radlader 10 eine fehlerbehaftete Koppelungseinrichtung 13 aufweist, wird der Hubzyklus abnorm sein, wie in 3a veranschaulicht. Um einen abnormen Hubzyklus unbeachtet dessen zu detektieren, ob der abnorme Hubzyklus von einem Fehler des Bedieners oder einer fehlerhaften Koppelungseinrichtung verursacht wird, wird der Drucksensor 20 den Druck innerhalb des Hubzylinders 18b während eines Teils des vollständigen Hubzyklus 34 abfühlen. Somit wird der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 für den Teil des vollständigen Hubzyklus 34 arbeiten, während dem Hubvorgänge normal verlaufen. Der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 wird vorzugsweise aktiviert 24a, wenn der Positionssensor 21 abfühlt, dass die Ladeeinrichtungsposition 21a gleich der Aktivierungsladeeinrichtungsposition 21b ist, die 45-50% des vollständigen Hubzyklus 34 ist. Bei 45-50% des vollständigen Hubzyklus 34 sollte die Nutzlast in der Schaufel 14 stabilisiert sein, was bedeutet, dass die Schaufel 14 aus dem Materialhaufen heraus sein sollte, aus dem die Schaufel 14 schaufelt.
Nachdem der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 aktiviert ist 24a, wird der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 einen Zustand des Hubzyklus zumindest teilweise durch Detektion einer Größe der Asymmetrie innerhalb einer Vielzahl der abgefühlten Drücke 20a bestimmen. Der Positionssensor 21 wird weiter die Position der Ladeeinrichtung 12 abfühlen und die abgefühlte Position 21a an den Gewichtsumwandlungsalgorithmus 28 des Fehlerdetektionsalgorithmus 24 übermitteln. Der Drucksensor 20 wird den Druck innerhalb des Hydraulikzylinders 18b abfühlen und den abgefühlten Druck 20a an den Gewichtsumwandlungsalgorithmus 28 übermitteln. Die Daten werden vorzugsweise zur Verarbeitung am Ende des Hubzyklus gespeichert, können jedoch in Echtzeit unter Verwendung von bekannten statistischen Techniken verarbeitet werden.
Basierend auf dem abgefühlten Druck 20a und der abgefühlten Position 21a wird der Gewichtsumwandlungsalgorithmus 28 das Nutzlastgewicht 28 innerhalb der Schaufel 14 des Laders 12 abschätzen. Um das Nutzlastgewicht 28a bei der abgefühlten Position 21a abzuschätzen, vergleicht der Gewichtsumwandlungsalgorithmus 28 den abgefühlten Druck 20a mit dem bekannten Druck 20b und 20c der leeren Ladeeinrichtung 12 bzw. der vollen Ladeeinrichtung 12 an der abgefühlten Position. Das abgeschätzte Gewicht 28a wird an den Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 des Fehlerdetektionsalgorithmus 24 übermittelt. In dem veranschaulichten Beispiel werden die abgeschätzten Gewichte 28a durch den Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 gespeichert, bis es eine vorbestimmte Vielzahl von Datenpunkten gibt, vorzugsweise mindestens achtzig Datenpunkte, jedoch mindestens ein Minimum von sechzig. Es sei jedoch bemerkt, dass die Asymmetrie der abgeschätzten Gewichte 28 berechnet und aktualisiert werden kann, ohne die abgeschätzten Gewichte zu speichern, jedoch wenn man dies nicht tut, erfordert dies eine relativ intensivere Verarbeitung. Um die Asymmetrie innerhalb der abgefühlten Drücke 20a zu bestimmen, wird der Gewichtsasymmetriealgorithmus 29 die Schräglage der Vielzahl der abgeschätzten Nutzlastgewichte 28a berechnen. Weil der Druck innerhalb des Hydraulikzylinders 18 oft abgefühlt wird, wie beispielsweise jede 1/25ms, wird man erkennen, dass die Schräglage relativ schnell berechnet wird.

Um die Schräglage der Vielzahl der abgeschätzten Gewichte 28a zu berechnen, wird der Schräglagenkoeffizient 31 vorzugsweise berechnet. Die vorliegende Offenbarung zieht auch in Betracht, die Schräglage durch einen berechneten zweiten Schräglagenkoeffizient nach Pearson zu bestimmen, was ein schnelleres, jedoch weniger genaues Verfahren zur Berechnung der Schräglage ist. Auch wird der Fachmann erkennen, dass irgendeine Technik zur Detektion einer Asymmetrie bei den Daten mit der vorliegenden Offenbarung kompatibel wäre. Um den Schräglagenkoeffizienten 31 für die Vielzahl der abgeschätzten Gewichte 28a zu berechnen, wird die folgende Formel verwendet: m₃/(m₂)^3/2, wobei m₂ und m₃ die zweiten und dritten Momente um die Mitte der Aufnahme bzw. des Gewichtes sind. Die zweiten und dritten Momente um die Mitte können durch die folgende Formel bestimmt werden:
m_r = 1/n Σ (x_i – x)^r, wobei r für das zweite Moment 2 ist und für das dritte Moment 3 ist, wobei n die Anzahl der Daten in der Aufnahme ist, und wobei x die Mitte bzw. der Mittelwert ist. Der Fachmann wird erkennen, dass der Schräglagenkoeffizient 31 von -2 bis 2 reichen kann, wobei Null keine Schräglage ist. Nachdem der Schräglagenkoeffizient 31 der Vielzahl von abgeschätzten Gewichten 28 berechnet wurde, können die abgeschätzten Ge wichte 28a, auf welche hin die Schräglagen berechnet wurden, abgelegt bzw. gelöscht werden und/oder durch neue abgeschätzte Gewichte 28a überschrieben werden, bis eine weitere Vielzahl gespeichert ist. Der Schräglagenkoeffizient 31 wird dann für die nächste Vielzahl von abgeschätzten Gewichten abgeschätzt.

Nachdem die Asymmetrie innerhalb der abgefühlten Drücke 20a durch Berechnung des Schräglagenkoeffizienten 31 für die Vielzahl der abgeschätzten Gewichte 28a bestimmt wurde, wird ein abnormer Zustand des Hubzyklus angezeigt, wenn die Größe der Asymmetrie außerhalb des vorbestimmten Symmetriebereiches ist. Die Größe der Asymmetrie wird an den Fehleranzeigealgorithmus 32 als der Schräglagenkoeffizient 31 für die abgeschätzten Gewichte 28a übermittelt. Der Fehleranzeigealgorithmus 32 ist dahingehend betreibbar, dass er einen abnormen Hubzyklus anzeigt, wenn der Schräglagenkoeffizient 31 der Vielzahl von abgeschätzten Gewichten 28a außerhalb des vorbestimmten Schräglagenbereiches 33 ist, veranschaulicht als -0,5 bis 0,5.

Wenn der Schräglagenkoeffizient 31 in dem vorbestimmten Schräglagenbereich 33 ist, wird der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 bestimmen, ob der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 zu deaktivieren ist 24b. Wenn die abgefühlte Position der Ladeeinrichtung 12 niedriger ist als die Deaktivierungsladeeinrichtungsposition 21c, was 75-80% des vollständigen Hubzyklus 34 ist, wird der Fehlerbestimmungsalgorithmus 24 weiter die Größe der Asymmetrie des abgefühlten Druckes 20a überwachen. Wenn die Ladeeinrichtungsposition 21a größer als 75-80% des vollständigen Hubzyklus 34 ist, wird der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 vorzugsweise deaktiviert 24b. Anders gesagt werden Daten für die Verarbeitung vorzugsweise für nur einen mittleren Teil des Hubzyklus aufgenommen. Dies sollte das Auftreten von falschen positiven Anzeigen von abnormen Hubvorgängen reduzieren.

Wenn der Schräglagenkoeffizient 31 außerhalb des vorbestimmten Schräglagenbereiches 33 ist, wird der Fehleranzeigealgorithmus 32 zeigen, dass es einen abnormen Hubzyklus gibt. Diese Information kann auch zur späteren Analyse gespeichert werden. Das elektronische Steuermodul wird die Fehleranzeige 25 und die Meldevorrichtung 35 über die Anzeigenkommunikationsleitung 27 aktivieren. Die aktivierte Fehleranzeige 25a wird dem Bediener anzeigen, dass es einen abnormen Hubvorgang gab. Um zu bestimmen, ob der abnorme Hubzyklus durch einen Fehler des Bedieners bewirkt wurde, wird die aktivierte Meldevorrichtung 35a den Bediener dahingehend benachrichtigen, dass er einen zweiten ununterbrochenen und glatten Hubvorgang ausführt. Während des zweiten Hubvorgangs wird der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 wiederum dahingehend wirksam sein, dass er anzeigt, ob es einen abnormen Hubzyklus gegeben hat. Wenn der zweite glatte und ununterbrochene Hubvorgang abnorm ist, wird die Anzeige 25 einen Fehler für die Koppelungseinrichtung 13 zeigen. Weil der zweite Hubzyklus sanft und ununterbrochen war, jedoch immer noch als abnorm angezeigt wird, wird der abnorme Hubzyklus wahrscheinlich durch die fehlerhafte Koppelungseinrichtung 13 verursacht. Wenn der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 nicht einen abnormen Hubzyklus beim zweiten Hubvorgang anzeigt, wurde der erste abnorme Zyklus wahrscheinlich durch einen Bedienerfehler verursacht. Der Bediener kann den Hubvorgang mit einem abrupten Stopp während des Hubvorgangs unterbrochen haben oder die Geschwindigkeit des Hubvorgangs variiert haben, wodurch ein abnormer erster Hubzyklus verursacht wird. Somit wird der Fehlerdetektionsalgorithmus 24 nicht den Bediener alarmieren, dass eine Instandhaltung und/oder Inspektion bei der Koppelungseinrichtung 13 benötigt wird.

Die vorliegende Offenbarung ist vorteilhaft, weil sie ein genaues Verfahren zur Detektion einer fehlerhaften Koppelungseinrichtung oder eines Bedienerfehlers während des Betriebs der Arbeitsmaschine 10 bietet, und zwar unter Verwendung von existierenden Sensoren und Software-Ausgangsgrößen. Es ist üblich, dass eine Arbeitsmaschine mit einer Hubkomponente ein Nutzlaststeuersystem aufweist, welches das Nutzlastgewicht abschätzt und überwacht, das von der Arbeitsmaschine angehoben wird. Das Nutzlastgewicht wird aus dem Druck innerhalb des Hydraulikzylinders abgeschätzt. Indem man das Nutzlastgewicht kennt, kann die Produktivität des Bedieners überwacht werden. Jedoch verwendet die vorliegende Offenbarung die abgeschätzten Nutzlastgewichte 28a für einen zusätzlichen Zweck, d.h., um eine fehlerhafte Koppelungseinrichtung zu detektieren und/oder wiederholte Fehler des Bedieners bei der Ausführung ordnungsgemäßer Hubvorgänge. Durch Bestimmung der Größe der Asymmetrie innerhalb der abgeschätzten Nutzlastgewichte 28a während eines Hubvorgangs kann die vorliegende Offenbarung einen abnormen Hubvorgang detektieren. Dann kann durch Anweisung an den Bediener, einen zweiten ununterbrochenen und sanften Hubvorgang auszuführen, die vorliegende Offenbarung verwendet werden, um zu bestimmen, ob der abnorme Hubvorgang aufgrund einer fehlerhaften Koppelungseinrichtung oder aufgrund eines Fehlers des Bedieners auftritt. Fehler, wie beispielsweise die abrupte Steigerung der Geschwindigkeit eines Hubvorgangs, können einen abnormen Hubvorgang bewirken. Die vorliegende Offenbarung kann eine Arbeitsmaschine mit einem Bediener identifizieren, der dauernd abnorme Hubzyklen ausführt, so dass der Bediener geschult oder nachgeschult werden kann, normale Hubzyklen auszuführen.

Die vorliegende Offenbarung ist weiterhin vorteilhaft, weil sie Fehler für die Koppelungseinrichtung 13 detektiert, wenn sie beginnen, nachteilig den Hubzyklus der Hubkomponente 14 zu beeinflussen. Dies gestattet, dass Probleme früh detektiert und behoben werden, bevor die Leistung der Arbeitsmaschine unterminiert wird und/oder Komponenten beschädigt werden. Somit wird die Arbeitsmaschine 10 nicht mit Problemen betrieben werden, die durch eine fehlerhafte Koppelungseinrichtung verursacht werden, wie beispielsweise durch unzureichende Schmierung, durch einen leckenden Hydraulikzylinder 18b und Abnutzung der Stifte 16. Geld und Zeit werden durch frühes Detektieren und Reparieren dieser Fehler gespart.

Es sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränken soll. Somit wird der Fachmann erkennen, dass andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Offenbarung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden können.

Claims

Arbeitsmaschine (10), die Folgendes aufweist: einen Arbeitsmaschinenkörper (11); mindestens eine Hubkomponente (12), die bewegbar an dem Arbeitsmaschinenkörper (11) über eine Koppelungseinrichtung (13) angebracht ist, die mindestens einen Hydraulikzylinder (18) aufweist; mindestens einen Drucksensor (20), der betreibbar ist, um einen Druck innerhalb des Hydraulikzylinders (18) während mindestens eines Teils eines Hubzyklus abzufühlen; und ein elektronisches Steuermodul (22), das in Verbindung mit dem Drucksensor (20) ist und einen Fehlerdetektionsalgorithmus (24) aufweist, der dahingehend betreibbar ist, dass er einen abnormen Hubzyklus zeigt, und zwar zumindest teilweise durch Detektieren einer Asymmetrie bei einer Vielzahl der abgefühlten Drücke (20a).
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Fehlerdetektionsalgorithmus (24) einen Fehleranzeigealgorithmus (32) aufweist, der betreibbar bzw. wirksam ist, um einen abnormen Hubzyklus anzuzeigen.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei der Fehlerdetektionsalgorithmus (24) in elektrischer Verbindung mit einer Fehleranzeige (25) ist, die an dem Arbeitsmaschinenkörper (11) angebracht ist.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Fehlerdetektionsalgorithmus (24) einen Umwandlungsalgorithmus (28) aufweist, der betreibbar ist, um ein Nutzlastgewicht basierend zumindest teilweise auf dem abgefühlten Druck (20a) abzuschätzen.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 4, wobei der Fehlerdetektionsalgorithmus (24) einen Gewichtsasymmetriealgorithmus (29) aufweist, der betreibbar ist, um eine Asymmetrie bei einer Vielzahl von abgeschätzten Nutzlastgewichten (28a) zu detektieren.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 5, wobei der Gewichtsasymmetriealgorithmus (29) einen Schräglagenbestimmungsalgorithmus (30) aufweist.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 6, wobei der Schräglagenbestimmungsalgorithmus (30) einen Schräglagenkoeffizienten (31) aufweist.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 7, wobei die Hubkomponente (12) eine Schaufel (14) aufweist, die bewegbar an dem mindestens einen Arm (15) angebracht ist, und wobei die Koppelungseinrichtung (13) eine Vielzahl von Stiften (16) aufweist; und wobei der Fehlerdetektionsalgorithmus (24) einen Fehleranzeigealgorithmus (32) aufweist, der dahingehend betreibbar ist, dass er einen abnormen Hubvorgang anzeigt, und der in elektrischer Verbindung mit einer Bedienermeldevorrichtung (35) ist.
Vorrichtung, die Folgendes aufweist: ein computerlesbares Datenspeichermedium; und einen Fehlerdetektionsalgorithmus (24), der in dem Datenspeichermedium gespeichert ist und betreibbar ist, um einen abnormen Hubzyklus einer Hubkomponente (12) anzuzeigen, die bewegbar an einem Arbeitsmaschinenkörper (11) über mindestens einem Hydraulikzylinder (18) angebracht ist, und zwar zumindest teilweise durch Detektieren einer Asymmetrie bei einer Vielzahl von abgefühlten Drücken (20a) von einem Hydraulikzylinder (18).
Verfahren zur Detektion eines Fehlers von einer Hubkomponentenkoppelungseinrichtung (13) einer Arbeitsmaschine (10), das folgende Schritte aufweist: Abfühlen des Druckes innerhalb mindestens eines Hydraulikzylinders (18) der Koppelungseinrichtung (13) während mindestens eines Teils eines Hubzyklus der Hubkomponente (12); Bestimmung eines Zustandes des Hubzyklus zumindest teilweise durch Detektion einer Größe der Asymmetrie innerhalb einer Vielzahl von abgefühlten Drücken (20a); und Anzeige eines abnormen Zustandes des Hubzyklus, wenn die Größe der Asymmetrie der Vielzahl von abgefühlten Drücken (20a) außerhalb eines vorbestimmten Asymmetriebereiches ist.