WO2015071520A1 - Sistema y método para control de estabilidad en maquinaria pesada - Google Patents

Abstract

Un sistema de control de estabilidad en maquinaria pesada del tipo que incluye cadenas u orugas para desplazarse, basado en evaluación de riesgo de vuelco asociado a su posición de trabajo, incluye múltiples detectores que miden el valor de las reacciones en los puntos de apoyo de la máquina sobre el terreno, y la determinación en cada instante de una base de sustentación definida por los apoyos reales de la máquina. El sistema incluye un algoritmo de cálculo del riesgo de vuelco que toma en consideración los momentos de vuelco asociados a cada lado de la base de sustentación. Además, el sistema incluye calcular una condición de vuelco reversible donde se define un índice de riesgo de vuelco que es una función de proporcionalidad asociada a la posición del centro de gravedad de la máquina respecto a los límites de la zona de vuelco reversible.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA CONTROL DE ESTABILIDAD EN MAQUINARIA PESADA

DESCRIPCIÓN

Objeto de la Invención

La presente invención se refiere a un sistema para control de estabilidad en maquinaria pesada, que aporta esenciales características de novedad y notables ventajas con respecto a los medios conocidos y utilizados para los mismos fines en el estado actual de la técnica.

Más en particular, la invención se refiere a un sistema de control de estabilidad especialmente aplicable a maquinaria pesada, especialmente a máquinas del tipo de las que incluyen cadenas u orugas para su desplazamiento, estando la operatividad del sistema basada en conocer en cada instante el valor de las reacciones en los puntos de apoyo de la máquina sobre el terreno, a partir de los cuales, se determinaran los momentos de vuelco de la máquina con respecto a un recinto poligonal cerrado proporcionado por los puntos de apoyo reales de la máquina sobre la superficie de sustentación, así como la determinación de la característica de reversibilidad de vuelco en base al análisis del valor del momento generado por las fuerzas gravitatorias que actúan sobre el sistema en torno a uno de los lados del recinto poligonal cerrado sobre el que se sustenta la máquina.

El campo de aplicación de la invención se encuentra comprendido dentro del sector industrial dedicado al desarrollo e instalación de sistemas de seguridad estática y dinámica en maquinaria pesada, especialmente máquinas de obras públicas y similares movidas con cadenas u orugas. Antecedentes y Sumario de la Invención

Se conocen en el estado actual de la técnica una amplia diversidad de dispositivos y métodos destinados a la determinación del riesgo de vuelco de una máquina o un vehículo de cualquier tipo mientras se está haciendo un uso normal del mismo tanto en condiciones estáticas como dinámicas, ya sea como consecuencia del uso realizado o ya sea como consecuencia de otros efectos derivados o inducidos por situaciones ajenas al propio vehículo (por ejemplo, accidentes de tráfico o similar) . En la mayor parte de los dispositivos y/o métodos de la técnica actual, la determinación de una eventual situación de vuelco se realiza mediante la utilización de varios sensores que por lo general son sensores de inclinación ubicados en diversas posiciones del vehículo, que detectan y miden parámetros relacionados con las condiciones de verticalidad de ciertos órganos del vehículo, y que generan señales que son procesadas y comparadas con valores de umbral preestablecidos y considerados como límites admisibles para garantizar la seguridad del vehículo. Normalmente, los parámetros mencionados se obtienen a partir de la medición de ángulos relacionados con el balanceo y/o la inclinación del vehículo, de manera que cuando estos ángulos de balanceo y/o inclinación superan tales umbrales preestablecidos, se considera situación de riesgo de vuelco y se genera una multiplicidad de reacciones que abarcan desde una simple alarma que avisa mediante señales luminosas y/o acústicas al usuario o a los medios de control sobre la situación planteada, hasta la activación de otros elementos de seguridad para contrarrestar la situación de vuelco eventual como por ejemplo la activación de los frenos delanteros y/o traseros del móvil, una reducción consiguiente de la velocidad de desplazamiento, una corrección de los ángulos de giro, la extensión y despliegue de medios de seguridad incorporados en el propio vehículo, etc.

Ahora bien, cuando se trata de máquinas que realizan labores de campo (por ejemplo, retroexcavadores destinadas a funciones de acondicionamiento del terreno, máquinas agrícolas, etc.), se presentan en la práctica situaciones que aun siendo generadoras de posiciones de la máquina que en muchos casos pueden conducir a inclinaciones que superen esos ángulos considerados previamente como límites o umbrales operativos, no generan sin embargo un riesgo de vuelco real. Se puede mencionar, como ejemplo, el caso de una máquina de tipo retroexcavadora que está realizando labores de acondicionamiento del terreno, y que a consecuencia del esfuerzo realizado con el cazo cuando lo intenta clavar en el terreno, se puede ocasionar una reacción que provoque una elevación parcial de la máquina con respecto al borde de apoyo del chasis de la máquina que ocupa una posición opuesta al brazo portador del cazo de trabajo, lo que junto con la propia inclinación a la que ya pueda estar sometida la máquina a consecuencia de los declives de la propia superficie del terreno en la que está apoyada, supone la adopción de un ángulo de inclinación que rebasa los límites del umbral preestablecido, generándose avisos de peligro que en realidad no constituyen un riesgo de vuelco real, y que sin embargo obligan a detener la función que en ese momento se esté realizando. Todo esto constituye inconvenientes que generan retrasos, pérdidas de tiempo, e incremento de los costes de producción.

Como ejemplo ilustrativo de los sistemas antivuelco actualmente conocidos y utilizados en relación con maquinaria del tipo comentado, los inventores del sistema descrito en la presente invención son conocedores de la existencia en el estado de la técnica de algunos antecedentes que van a ser comentados brevemente a continuación. Asi, el documento WO 2008/105997 (Caterpillar Inc.) describe un sistema automatizado de prevención de vuelco aplicable a maquinaria pesada, destinado a controlar la máquina de forma remota y autónoma, en el que se utiliza uno o más sensores de inclinación y/o de otras magnitudes con los que se generan señales indicativas de la inclinación de la máquina de manera que un dispositivo controlador puede determinar la detención de su funcionamiento cuando la inclinación de la máquina supera ciertos niveles de umbral, asi como el retroceso de la máquina hasta la última posición estable conocida.

El documento de Patente Europea EP-2492404 Al (Hitachi Construction Machinery Co . , Ltd.) describe una máquina especialmente útil en trabajos de construcción, demolición, ingeniería civil y similares, en la que se pretende proporcionar en todo momento estabilidad a la máquina solucionando el problema asociado a las fuerzas de inercia derivadas del movimiento, hacia arriba y hacia abajo con respecto al chasis de la máquina, del mecanismo de un accesorio de trabajo delantero, o del movimiento de la propia máquina, evaluando en cada instante la estabilidad de la máquina y comunicando los resultados de esa evaluación a un operador sin retardos. A tal efecto, la máquina incluye: (i) medios de cálculo de un Punto de Momento Cero (identificado como ZMP por sus iniciales en inglés) , utilizando para ello vectores de posición, vectores de aceleración y vectores de fuerzas externas en puntos de masa respectivos constitutivos del chasis principal, incluyendo el mecanismo de trabajo delantero y el bastidor inferior, y (ii) medios de cálculo de estabilidad previstos para definir un polígono de soporte uniendo puntos de apoyo en tierra de la máquina de trabajo y de modo que cuando el ZMP esté incluido en una zona de aviso formada en el interior de un perímetro del polígono de soporte, producir un aviso de vuelco. Los polígonos de soporte a los que se refiere el documento EP-2492404 Al aparecen representados en las Figuras 5, 7, 8, 9(a), 9(b), 9 (c) , 9 (d) , 17 (a) , 17 (b) y 17 (c) , polígonos soporte sobre los que se determinan las regiones de riesgo representadas en las figuras 4 (a) , 4 (b) , 6 (a) y 6 (b) . Sin embargo, en todos los ejemplos descritos, el polígono soporte viene determinado por la geometría definida por el modo de sustentación de la máquina (cadenas, ruedas o estabilizadores), sin el contraste real de elementos detectores que permitan la determinación precisa, en cada instante, de los puntos reales de apoyo de la máquina sobre el terreno. Es por este motivo por lo que la patente Europea EP-2492404 Al (Hitachi Construction Machinery Co., Ltd.) no tiene aplicación en superficies de sustentación cóncavas como se describe explícitamente en la línea 38 de la página 3 de dicha patente.

Además, la experiencia acredita que cuando se trabaja con este tipo de máquinas, se presentan otras situaciones que no están contempladas en el documento EP-2492404 Al como es, por ejemplo, el hecho de que la máquina no esté completamente soportada por el terreno, es decir, una parte de la máquina trabaje sobre una superficie incompleta, con una porción en voladizo, en cuyo caso el polígono de soporte no puede estar determinado por la geometría definida por el modo de sustentación de la máquina (cadenas, ruedas o estabilizadores) , siendo ésta una situación de evidente inestabilidad que puede conllevar riesgo cierto de vuelco y que el documento considerado no resuelve .

El documento de Patente Europea EP-2578757 (Hitachi Construction Machinery Co . , Ltd.), de características semejantes al documento que se acaba de mencionar, describe un sistema de seguridad para máquina de trabajo que tiene también como finalidad la estabilidad de la máquina en base al cálculo de las coordenadas de un punto ZMP (Punto de Momento Cero según sus siglas en inglés) utilizando para ello información de posición, aceleración y fuerzas externas que actúan sobre las porciones móviles de la carrocería de la máquina, incluyendo el mecanismo delantero de trabajo y el bastidor inferior, incorporando medios de cálculo para la determinación de un polígono que pasa por los puntos de contacto teóricos de la máquina con el suelo, y de tal manera que al desplazarse el punto ZMP por el interior del recinto delimitado por dicho polígono, se produce un aviso de vuelco cuando ZMP entra en una región de aviso predeterminada formada en el inferior del polígono. El sistema prevé la incorporación de medios de presentación y visualización gráfica de la posición del ZMP en el interior del recinto, incluida la región de aviso, y desarrolla algoritmos de cálculo posicional del punto ZMP, con capacidad predictiva respecto al comportamiento de dicho punto, y con medios de almacenamiento de la información. El sistema no describe si sugiere una solución para el caso de que la máquina no esté completamente apoyada sobre el suelo, sino que esté parcialmente en voladizo con los riesgos que ello conlleva o para el caso de que la superficie de sustentación sea cóncava.

La presente invención proporciona frente a los documentos de la técnica anterior que se acaban de comentar, un sistema novedoso, innovador, con el que se solventan favorablemente los inconvenientes presentados por los sistemas actuales, al permitir un análisis permanente, continuado e instantáneo, en tiempo real de las condiciones operativas asociadas a una máquina de tipo retroexcavadora o similar, susceptible de desplazamiento mediante cadenas u orugas, con la particularidad ventajosa de que el mencionado análisis permanente de las condiciones operativas de la máquina se realiza en base a la forma instantánea real del recinto de apoyo de la máquina y al conocimiento de la distribución de las reacciones sobre dicho recinto de apoyo; lo que permite conocer en todo momento la estabilidad de la máquina sin la necesidad de conocer el valor de las fuerzas externas (estáticas o dinámicas) que operan sobre la misma.

Asi, un objeto de la presente invención consiste en la provisión de un sistema que está destinado específicamente a medir de manera instantánea el valor de la reacciones en los puntos de apoyo de la máquina sobre el terreno (como consecuencia del peso propio y de las fuerzas que actúan sobre la misma, incluidas las de carácter inercial) , y a analizar en tiempo real la estabilidad de la máquina frente al vuelco mediante el análisis instantáneo del momento de vuelco en relación con cada uno de los lados de una base de sustentación, calculada de forma instantánea y continuada, delimitada por un perímetro obtenido a partir de los apoyos reales que en cada momento presente la máquina sobre la superficie de desplazamiento, generalmente la superficie del terreno. Este objeto incluye además un análisis de vuelco reversible (situación que se produce cuando la máquina hinca el cazo en el terreno) a partir del cálculo del valor del momento generado por las fuerzas gravitatorias que actúan sobre el sistema en torno al lado del recinto poligonal cerrado sobre el que se sustenta la máquina que se encuentra más alejado del cazo.

Otro objeto de la invención consiste en la provisión de medios capacitados para desarrollar un proceso de cálculo del riesgo de vuelco de la máquina en base a un algoritmo de cálculo que tiene en cuenta específicamente las variaciones superficiales experimentadas en tiempo real por la base de sustentación de la máquina, junto con las reacciones que actúan en los apoyos de la máquina, las situaciones de equilibrio de la máquina y las situaciones de vuelco reversible.

El sistema de la presente invención es aplicable tanto a máquinas controladas manualmente por un operario como a máquinas sin operario, operadas remotamente.

Breve Descripción de los Dibujos

Estas y otras características y ventajas de la invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma de realización preferida de la misma, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y sin carácter limitativo alguno con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1, incluye una vista esquemática en alzado lateral y una vista esquemática en alzado posterior, que ilustran a título de ejemplo y en condiciones operativas, una máquina retroexcavadora del tipo a las que se puede aplicar el sistema de la presente invención;

Las Figuras 2.1 y 2.2 son gráficos que ilustran un ejemplo de una situación operativa en relación con un eventual perímetro de una base de sustentación de la máquina y con los momentos de vuelco derivados de esa misma situación operativa, donde una porción de la máquina está en voladizo;

Las Figuras 3.1 y 3.2 muestran gráficamente ejemplos de posicionamiento de sensores destinados a determinar, en tiempo real, el perímetro que delimita la base de sustentación de la máquina en cada instante, según la invención; La Figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra las diversas etapas de un proceso de cálculo ejecutadas para la determinación de las condiciones de equilibrio estable y de vuelco reversible de la máquina durante su uso;

La Figura 5 es una representación gráfica ilustrativa la determinación del perímetro de apoyo instantáneo de máquina;

Las Figuras 6.1, 6.2, 6.3 y 6.4 muestran un ejemplo práctico de una secuencia de vuelco reversible, y;

La Figura 7 es un esquema ilustrativo de condiciones de generación de alarmas indeseadas motivadas por situaciones de vuelco reversible, a efectos de reconocimiento y eliminación de las mismas.

Descripción de la Forma de Realización Preferida

Tal y como se ha mencionado en lo que antecede, la descripción detallada de una forma de realización preferida del sistema propuesto por la presente invención para control de estabilidad en maquinaria pesada del tipo de las que se mueven con cadenas u orugas, va a ser llevada a cabo en lo que sigue con la ayuda de los dibujos anexos, en los que se muestran los diversos aspectos operativos y funcionales del sistema. En este sentido, si se atiende a la representación mostrada en la Figura 1 de los dibujos, se aprecia que para el ejemplo ilustrado se ha elegido el caso de una máquina 1 de tipo retroexcavadora, si bien debe aclararse que el tipo específico de máquina representada constituye únicamente un ejemplo ilustrativo y no debe ser interpretado en ningún caso como limitativo del sistema de la invención. La máquina, según se ha dicho, está movida por cadenas u orugas 2 aplicadas sobre un grupo de desplazamiento a cada lado de la misma, estando cada grupo de desplazamiento constituido por un número variable de rodillos y dos ruedas extremas, de las que al menos una rueda 3 extrema está impulsada desde un motor incorporado en la estructura de la máquina, según es convencional. Opcionalmente, la máquina podrá ser de tipo controlado por un operador a bordo, o bien de tipo controlado remotamente.

Las vistas en alzado lateral y alzado posterior mostradas en la Figura 1 de los dibujos, muestran la máquina en su condición operativa, de manera que el brazo 4 está parcialmente extendido y el cazo 5 está aplicado sobre una porción del terreno, tal como una pared de roca o similar. Como consecuencia de las fuerzas que actúan sobre la máquina (representadas esquemáticamente como F_ext) , y del propio peso de los elementos que la configuran, los esfuerzos son transmitidos a la superficie del terreno sobre la que apoyan las orugas 2, determinándose con ello una zona de distribución de fuerzas a cada lado de la máquina que, por ejemplo, podría corresponder con la indicada mediante la referencia numérica 6 en la Figura 1 u otra de naturaleza similar. Según se aprecia, el resultado de aplicar el esfuerzo por medio del cazo 5 tiene como efecto una concentración mayor de las fuerzas de reacción en la parte posterior de la zona 6 de apoyo de la máquina, debido al momento generado en el sentido de la flecha Fi . El centro de gravedad (G) variará en función de la geometría adoptada por el conjunto de la máquina, y en el caso considerado podría estar, por ejemplo, en la posición de la flecha 7. El eje de giro entre la torreta 21 y el carro 20 se encuentra en la posición mostrada con la referencia numérica 8.

En tales condiciones operativas, el sistema de la presente invención se encuentra capacitado para determinar en tiempo real los riesgos de vuelco de la máquina 1, así como para reconocer si el riesgo de vuelco es o no reversible. Para la evaluación del riesgo de vuelco, el sistema de la presente invención prevé la incorporación en la máquina de medios capacitados para proporcionar una respuesta sobre el riesgo de vuelco en función de la superficie instantánea de apoyo real de las cadenas u orugas 2 de la máquina 1 sobre el terreno en el que se mueve. El cálculo instantáneo del perímetro que encierra la base de sustentación y la determinación del valor de las reacciones en los puntos de apoyo de la máquina sobre el terreno, se lleva a cabo mediante la información obtenida a partir de valores medidos a través de elementos detectores incorporados en puntos predeterminados del carro 20 de la máquina 1, dependientes de la naturaleza y de las propias características estructurales de la máquina. Estos elementos detectores pueden consistir en sensores de diversos tipos, tales como células de carga, bandas extensiométricas , etc.

De acuerdo con las investigaciones y pruebas realizadas por los presentes inventores, se ha determinado que los elementos más apropiados para la generación de parámetros que permitan llevar a cabo la evaluación real de vuelco, puede ser un número de bandas extensiométricas solidarizadas a posiciones de la estructura del carro 20 de la máquina 1 ventajosamente protegidas de los agentes externos, pero correspondientes con porciones estructurales que estén sometidas a esfuerzos tales que generen algún tipo de deformación como consecuencia de los esfuerzos a los que se sometan, en particular aquellas posiciones estructurales que en función del tipo de máquina al que se aplique el sistema de la invención, demuestren ser las más sensibles a los esfuerzos soportados, o bien podrán consistir en sensores del tipo de las células de carga o similares acopladas ventajosamente en posiciones predeterminadas de los soportes 23 que sustentan los propios rodillos sobre los que se extienden las cadenas u orugas 2, a efectos de detectar los valores de las cargas puntuales que se están transmitiendo al terreno, asi como detectar cuáles son los rodillos que al no apoyar sobre el suelo no soportan carga, y determinar en consecuencia el perímetro exacto de la base de sustentación correcta en cada instante. Como se sabe, las bandas extensiométricas son dispositivos sensores que adheridos a una superficie, detectan el nivel de deformación por medio de una variación proporcional de su resistencia eléctrica que da lugar a caídas de potencial indicativas del nivel de variación de la resistencia y por tanto de la magnitud de la deformación que la originó, mientras que las células de carga proporcionan señales eléctricas de magnitud variable que informan del nivel de carga (presión) a la que son sometidas .

Dado que los medios de control utilizados en el sistema se encuentran preferentemente ubicados en la torreta 21 de la máquina, y dado que los elementos detectores 9 deben tener conexiones para su alimentación eléctrica y también para la recogida de las señales generadas por los mismos, el sistema de la invención ha previsto que la junta giratoria asociada al eje 8 consista en una junta electrificada que permita, en consecuencia, la transmisión de señales a través de la misma. Con ello, no se impone ninguna limitación a la capacidad mutua de giro entre el carro y la torreta 21, permitiendo el giro ilimitado del primero respecto a la segunda sin perjudicar por ello a la transmisión de dichas señales.

En este punto de la descripción debe aclararse que la utilización de una junta electrificada para la doble finalidad de, por una parte, transmitir las señales generadas por los elementos detectores 9 hasta los órganos de control ubicados en la torreta 21 de la máquina y, por otra parte, proporcionar alimentación eléctrica a dichos detectores 9, constituye solamente una forma de realización preferida que no debe ser entendida como limitativa. El sistema podrá montar en la máquina cualquier medio convencional que esté capacitado para el cumplimiento de esta doble funcionalidad, y de un modo muy particular se prevé que el sistema pueda hacer uso de dispositivos inalámbricos conocidos como por ejemplo los que usan tecnología RFID, o bien otros específicamente desarrollados para esta aplicación.

Teniendo en cuenta lo anterior, el sistema incluye medios que tomando en consideración los valores de las señales generadas por los diversos dispositivos detectores, permiten determinar en tiempo real el perímetro de la verdadera superficie de apoyo de la máquina sobre el suelo y el valor de las reacciones sobre el terreno (esfuerzos medidos en el carro 20 de la máquina) . El análisis realizado tiene como punto de partida los valores medidos por los detectores incluidos en la máquina que corresponden con las zonas de apoyo sobre el terreno, para lo cual el sistema analiza apoyos reales con compensación de factores tales como la dureza del terreno, su morfología, la presencia de objetos extraños, etc.

Las Figuras 3.1 y 3.2 representan un ejemplo de una máquina 1 que incorpora una multiplicidad de detectores 9, que como se ha mencionado anteriormente podrán consistir, con preferencia, aunque no de manera exclusiva, en bandas extensiométricas 9b o células de carga 9a, según convenga. Los detectores están distribuidos a través de la estructura del carro 20 de la máquina 1, especialmente en las zonas de la misma que sean más sensibles a deformaciones resultantes de las zonas de apoyo de la máquina sobre el suelo. En la Figura 2 se ha supuesto que la máquina se encuentra en un estado operativo realizando un trabajo sobre un terreno indicado con la referencia numérica 22, en el que una porción de la máquina está en voladizo sobresaliendo más allá de un borde 22a que constituye el limite de la base de sustentación respecto al que se genera el momento de vuelco señalado como Mv4; todos los detectores 9 están soportando carga, mientras que los detectores que ocupan las posiciones 9.1 están sin carga, y por tanto se entiende que las cadenas u orugas 2 de la máquina 1 carecen de apoyo en ese tramo. Como resultado, el perímetro de apoyo de la máquina corresponde con un recinto cerrado que ha sido señalado con la referencia numérica 10, y que únicamente a efectos de la explicación se ha mostrado a modo de espacio trapezoidal, pero que como se comprenderá podrá adoptar una forma variable cualquiera durante el desarrollo de los trabajos realizados por la máquina 1.

Tras la estimación del recinto 10, los medios de análisis de riesgo de vuelco incluidos en el sistema de la invención están capacitados para determinar el valor de los momentos de vuelco con respecto a cada uno de los lados del polígono delimitador del recinto de trabajo. La identificación gráfica de estos momentos se ha representado en la Figura 2.2 mediante las referencias Mvl, Mv2, Mv3 y Mv4, cada uno de ellos asociado a un lado respectivo del polígono. La combinación de ambos factores, a saber los lados que limitan el recinto 10 y los valores de los momentos de vuelco Mvl, Mv2 , Mv3 y Mv4 calculados en relación con cada uno de los lados de este recinto de seguridad determinado por la superficie de apoyo real de la máquina, es lo que va a permitir realizar un cálculo efectivo, en tiempo real, de los riesgos de vuelco. A título de ejemplo aplicable al tipo específico de máquina 1 que se está considerando a lo largo de la presente descripción, es decir, una máquina de tipo retroexcavadora, se ha previsto una posible distribución de los dispositivos sensores 9 encargados de generar las señales eléctricas que van a permitir que los medios de cálculo determinen con precisión la configuración instantánea del recinto 10 de apoyo real de la máquina sobre la superficie del terreno. Una forma de aplicación preferida es la que se muestra gráficamente en las Figuras 3.1 y 3.2 de los dibujos. Así, atendiendo en primer lugar a la Figura 3.1, se aprecia la representación de un soporte 23 para uno cualquiera de los rodillos en los que apoya la cadena 2 de la máquina, cuyo soporte de rodillo 23 está directamente relacionado con un travesaño 24 de la estructura de la máquina. El sensor 9a, con preferencia un sensor constituido por una célula de carga, se encuentra incorporado entre la pieza 23 de soporte físico del rodillo y el propio travesaño 24, de manera que cualquier esfuerzo al que se vea sometido el rodillo respectivo debe ser transmitido a la estructura de la máquina necesariamente a través de dicho sensor. Esta disposición es aplicable a la totalidad de rodillos que sustentan la cadena 2 a ambos lados de la máquina, con lo que se habilita a cada uno de los sensores 9a a generar la señal correspondiente solamente cuando están sometidos a esfuerzo, detectando por tanto los medios de cálculo cuáles son los apoyos reales y por tanto cómo es la forma del perímetro de la base de sustentación real en cada instante.

Por su parte, la Figura 3.2 ilustra una representación esquemática correspondiente al caso de que los sensores utilizados para la determinación del perímetro de la base de sustentación instantánea real de la máquina sean bandas extensiométricas 9b aplicadas en una pluralidad de posiciones previamente seleccionadas de las vigas soporte de la máquina. En este caso aparece representado un ejemplo de viga soporte 25 de cualquiera de los laterales del chasis de la máquina al que se encuentran asociados un número de soportes 23 de rodillos de soporte de la cadena de desplazamiento, contando dicha viga soporte 25 con una multiplicidad de sensores 9b distribuidos a lo largo de su longitud, consistiendo en este caso los sensores 9b en bandas extensiométricas . Esta disposición es especialmente apropiada para la determinación del perímetro real del recinto de apoyo de la máquina puesto que, al ser la viga soporte 25 la que recibe los esfuerzos desde todos y cada uno de los soportes 23, va a tender a deformarse en función de la distribución de las reacciones sobre el terreno. Los sensores 9b (bandas extensiométricas) van a proporcionar por tanto señales de amplitud variable en función de la deformación al que se vea sometido cada uno de ellos, y a partir de las señales recibidas van a poder medir el valor real de las reacciones en los puntos de apoyo de la máquina, y calcular cómo es el recinto real de apoyo de la máquina en cada instante.

Para la evaluación del riesgo de vuelco, el sistema ha previsto la implementación de medios capacitados para ejecutar un algoritmo de cálculo específico que tiene en cuenta las sucesivas variaciones de la superficie de apoyo, las reacciones del terreno consecuencia de las fuerzas que actúan sobre la máquina, su peso propio y las situaciones de equilibrio estable de la máquina. Este algoritmo aparece representado en la Figura 4 de los dibujos, en la que se aprecia la representación de una máquina 1 del tipo comentado, un recinto 10 cerrado ilustrado a título de ejemplo como superficie de apoyo (o base de sustentación) de la máquina, y los momentos de vuelco Mvl, Mv2 , Mv3 y Mv4 asociados a cada uno de los lados respectivos de dicho polígono cerrado constitutivo del recinto 10.

La etapa 11 del algoritmo de cálculo constituye el inicio del proceso y contiene el término "¿vuelco?" como expresión genérica de que el objetivo perseguido es el de determinar el nivel de riesgo de vuelco real de la máquina 1 durante su operación normal. A partir de esta cuestión inicial, en la etapa 12 se procede a la lectura del valor de las cargas en los apoyos de la máquina. A continuación, en la etapa 13, se determina la geometría real del perímetro de apoyo, es decir, el contorno 10 de la superficie que está soportando realmente a la máquina 1.

Seguidamente, en la etapa 14, a partir del valor de las cargas medidas en los apoyos de la máquina 1, se realiza el cálculo del valor de los momentos de vuelco en torno a cada uno de los lados del polígono 10 que limita el recinto de apoyo constitutivo de la base de sustentación de la máquina. En la etapa 15 se realiza una comparación del valor del momento resultante M (Mvl, Mv2 , Mv3, Mv4) obtenido como consecuencia de la evaluación realizada en la etapa anterior, con un coeficiente de seguridad CS preestablecido, a efectos de determinar si la magnitud del momento de vuelco es o no superior a este coeficiente de seguridad (y que va a ser explicado más adelante en la presente descripción) . Si el momento resultante es menor que el coeficiente de seguridad CS, se determina en la etapa 16 que no existe riesgo inminente de vuelco.

Si, por el contrario, el resultado de la comparación realizada en la etapa 15 es positivo, es decir, el valor del momento resultante M (Mvl, Mv2, Mv3, Mv4) es mayor que el coeficiente de seguridad CS, se interroga en la etapa 17 si el momento corresponde al lado opuesto del cazo de la máquina a efectos de determinar si la máquina está o no en una condición reversible. Si el resultado es positivo, el algoritmo conduce a la etapa 19 análisis de riesgo real de vuelco, mientras que si el resultado es negativo, se produce en la etapa 18 la generación de las alarmas asociadas al riesgo de vuelco.

La condición de reversibilidad a la que se refiere la etapa 17, se produce cuando una máquina 1 (se sigue considerando el caso concreto de una máquina retroexcavadora) , avanza hasta una posición de trabajo (véase la secuencia operativa establecida mediante las Figuras 6.1 a 6.4) y dispone el brazo 4 en una posición tal que el cazo 5 asociado al extremo distal de dicho brazo pueda ser aplicado a una zona del terreno T a excavar (Figura 6.1) . A continuación, cuando hinca el cazo 5 en el terreno T, la reacción asociada al esfuerzo realizado puede ocasionar que la máquina 1 llegue a levantarse del suelo, al menos parcialmente en torno al lado de más alejado del perímetro 10 en relación con la parte de la máquina opuesta a la posición de trabajo del cazo 5, un ángulo OC de magnitud variable (Figura 6.2), por apoyo basculante respecto a dicho lateral opuesto. En estas condiciones, el momento de vuelco en torno al borde de apoyo de la máquina opuesto al de aplicación del cazo 5 será mayor que el coeficiente de seguridad preestablecido, lo que podría ser interpretado como una situación de vuelco real. Sin embargo, esta situación no se corresponde con un riesgo de vuelco real, desapareciendo la inclinación (a = 0) y volviendo de nuevo la máquina a apoyar sobre la superficie del terreno T (Figura 6.4) cuando se levanta el cazo 5. En tales condiciones, no se producen avisos ni alarmas incorrectas e indeseadas puesto que se trata de una situación de reversibilidad reconocida por el algoritmo de cálculo ejecutado por los medios incluidos a tal efecto en la cabina u otro lugar de la estructura de la máquina. Para el análisis del vuelco reversible identificado por las Figuras 6.1, 6.2, 6.3 y 6.4 de los dibujos, se ha desarrollado un procedimiento de determinación de riesgo real de vuelco y eliminación de falsas alarmas basado en el análisis instantáneo del momento de vuelco provocado por las fuerzas gravitatorias que actúan sobre el sistema, cuyos fundamentos teóricos van a ser explicados en relación con las Figuras 6.3 y 7 de los dibujos anexos.

Tal y como se ha explicado en relación con la posición de la máquina que se muestra en la Figura 6.2, elevada parcialmente con respecto al suelo un determinado ángulo por efecto de la reacción derivada de la aplicación del cazo 5 al terreno, la máquina podría interpretar riesgo de vuelco inminente y disparar las alarmas correspondientes. Sin embargo, resulta deseable solventar ese tipo de situaciones con el fin de evitar que el sistema genere una multiplicidad de falsas alarmas que además de resultar totalmente innecesarias, son también generadoras de ruidos y molestias para los operarios.

Así, para solventar este tipo de situaciones se ha desarrollado un procedimiento que se basa en el análisis instantáneo del valor del momento (Mg) momento provocado por las fuerzas gravitatorias en torno al lado del polígono de soporte 10 que está más alejado del cazo 5.

Para la determinación efectiva del riesgo de vuelco reversible, considérese la representación de la Figura 7, en la que una máquina del tipo mencionado a lo largo de la presente descripción está sustentada en una zona de apoyo ZA, y tiene un cazo CZ extendido en posición de trabajo por el lado derecho de la Figura 7, por lo que el riesgo de vuelco se genera con respecto al borde L de la zona de apoyo ZA opuesto a la extensión del brazo BR y del cazo CZ. Para la determinación del riesgo de vuelco se implementa un procedimiento que opera como sigue:

1. Cálculo del nivel de riesgo de vuelco según el procedimiento habitual, explicado en la presente descripción;

2. Si el índice de riesgo de vuelco en el borde (L) del lado contrario al de extensión del brazo BR no supera un valor mínimo al que se activa la alarma, el sistema opera de la forma original;

3. Si, por el contrario, en la etapa 17 se determina que el riesgo de vuelco con respecto al borde (L) opuesto al de extensión del brazo BR supera un valor mínimo de activación de la alarma, el cálculo del índice de riesgo de vuelco se realiza a partir del valor calculado para el momento provocado por las fuerzas gravitatorias (Mg) que actúan sobre el sistema en torno al borde (L) . En la etapa 19 se compara si el momento Mg es mayor que un coeficiente de seguridad CSG, si el resultado es negativo, se determina en la etapa 16 que no existe riesgo inminente de vuelco y la situación es de vuelco reversible. Si, por el contrario, el resultado de la comparación realizada en la etapa 19 es positivo, es decir, el valor del momento de Mg es mayor que el coeficiente de seguridad CSG, se determina en la etapa 18 que existe riesgo de vuelco .

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de la presente descripción para que un experto en la materia pueda comprender su alcance y realizar una puesta en práctica del sistema constitutivo del objeto descrito. No obstante, debe entenderse que la forma de realización presentada constituye solamente una realización preferida no limitativa de la invención, y que por lo tanto puede ser susceptible de cambios y modificaciones tanto en lo que respecta a aspectos estructurales como en lo que se refiere a aspectos funcionales, siempre que estos cambios estén comprendidos dentro del alcance de las reivindicaciones que siguen.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Sistema para control de estabilidad en maquinaria pesada, en especial un sistema capacitado para ser implementado en una máquina (1) del tipo de una retroexcavadora u otra de naturaleza similar movida por cadenas u orugas (2), destinado a determinar la estabilidad de la máquina mediante la evaluación del riesgo de vuelco asociado a las distintas posiciones adoptadas por la máquina durante las diversas fases de trabajo, contando la máquina con un carro (20), una torreta (21) vinculada al carro (20) por medio de un eje de giro (8) y dotada de un brazo (4) extensible que porta en su extremo libre una herramienta de trabajo tal como un cazo (5) o similar, en el que dicho sistema incluye:

una multiplicidad de elementos detectores (9) encargados de generar y proporcionar señales eléctricas destinadas a la determinación precisa en tiempo real de una base de sustentación encerrada por un perímetro (10) y medir el valor de las reacciones en los puntos de apoyo de la máquina en cada instante;

medios para la transmisión de las señales eléctricas generadas por los diversos elementos detectores (9) hasta los órganos operativos de la torreta (21), contando a tal efecto el eje (8) de rotación con una junta electrizada que permite ambas funciones de la alimentación eléctrica de los elementos detectores (9) y de transmisión de las señales generadas por estos últimos hasta medios de control;

medios de evaluación y control de las señales generadas por los mencionados detectores (9) para determinar a partir de las señales recibidas, un perímetro real de una base de sustentación, y para la evaluación de los momentos de vuelco (Mvl, Mv2, Mv3, Mv4) con respecto a cada uno de los lados del recinto delimitado por dicho perímetro (10) ; y

medios para evaluación de la posición del centro de gravedad (G) de la máquina (1) con respecto al mencionado recinto (10) de estabilidad.

2. - Sistema según la reivindicación 1, en el que dichos sensores encargados de generar señales para la determinación del perímetro (10) respecto al que se calculan los momentos de vuelco consisten esencialmente en células de carga (9a) y/o bandas extensiométricas (9b) distribuidas por zonas de la máquina (1) sensibles a los esfuerzos y deformaciones tal como entre los soportes (23) de cada uno de los rodillos que soportan las cadenas de (2) desplazamiento de la máquina y el travesaño (24) de la viga de soporte en el caso de las células de carga (9a), y/o en posiciones distribuidas a lo largo de los travesaños (25) en los que se ubican los mencionados soportes (23) de los rodillos de cada lateral de la máquina (1) en el caso de las bandas extensiométricas (9b) .

3. - Sistema según las reivindicaciones 1 y 2, en el que los medios de transferencia de señales entre los elementos detectores (9) y los órganos de control ubicados en la torreta (21) y/o los medios de alimentación eléctrica de dichos elementos detectores, pueden estar implementados alternativamente por dispositivos inalámbricos.

4. - Sistema según las reivindicaciones 1 a 3, en el que el perímetro (10) que delimita la base real de sustentación de la máquina (1) se establece tomando en consideración únicamente las señales generadas por los detectores (9) que en cada momento están sometidos a carga real, y siendo desechados los detectores (9.1) que en cada momento no estén sometidos a una carga real.

5.- Sistema según las reivindicaciones 1 a 3, que además incluye medios capacitados para ejecutar un algoritmo especifico de determinación de riesgo de vuelco (11) que comprende las etapas de:

medir (12) en tiempo real el valor de los esfuerzos en los apoyos de la máquina por medio de los detectores (9) sometidos a carga;

determinar (13) el perímetro (10) del recinto de apoyo a partir de los valores medidos en la etapa (12) ;

calcular (14) el valor de los momentos de vuelco M

(Mvl, Mv2 , Mv3, Mv4 ) a partir de los valores medidos en la etapa (12) y del perímetro determinado en la etapa (13) precedentes;

comparar (15) el momento M (Mvl, Mv2, Mv3, Mv4) calculado en la etapa (14) de cálculo, con un coeficiente de seguridad (CS) predefinido a efectos de determinar si el momento M (Mvl, Mv2 , Mv3, Mv4) es mayor o menor que dicho coeficiente de seguridad (CS) ;

en caso de que el resultado de la comparación de la etapa precedente sea menor que el valor del coeficiente de seguridad (CS) , determinar (15) que no hay riesgo de vuelco;

si, por el contrario, el resultado de la comparación (15) es un valor mayor que el de dicho coeficiente de seguridad (CS) , determinar en la etapa (17) si el momento M (Mvl, Mv2 , Mv3 o Mv4) que supera el valor del dicho coeficiente de seguridad (CS) es el calculado con respecto al borde (L) de la zona de apoyo ZA opuesto a la extensión del brazo (BR) y del cazo (CZ) ;

si el resultado de la etapa (17) es negativo, determinar que existe riesgo real inminente de vuelco y generar (18) las alarmas pertinentes.

si el resultado de la etapa (17) es afirmativo, en la etapa (19) calcular a partir de las fuerzas gravitatorias el momento Mg y comparar con un coeficiente de seguridad (CSG) predefinido a efectos de determinar si el momento Mg es mayor o menor que dicho coeficiente de seguridad.

si el resultado de la etapa (19) es un valor menor que (CSG), comunicar dicho valor a la etapa (16) para la determinación de ausencia de riesgo inminente de vuelco; si, por el contrario, el resultado de la etapa (19) de es un valor mayor que (CSG) , determinar que existe riesgo real inminente de vuelco y generar (18) las alarmas pertinentes .