用于确定弹性模量的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及一种压实材料的机器，更特别地涉及一种用于在土壤压实过程 期间确定土壤的弹性模量的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 当建造建筑物、公路、停车场和其它结构时，压实机器或压实机被普通地用于将工 作材料（例如土壤、砂砾、沥青）压实到期望的强度。通常，工作地点的土制材料必须被压 实，并且必须使一个或多个压实机器逐次地压实材料，直到达到期望的压实程度。该过程可 能需要多次在工作材料上经过来达到期望程度。弹性模量是一种用于确定压实程度的量 度。
[0003] 有多种用于确定土壤或其它材料的弹性模量的方法。当前的技术包括使用核子 密度仪、平板载荷试验挠度计等在压实过程之前和/或之后测量土壤密度或土壤硬度。尽 管这可以提供用于压实土壤或其它材料的精确测量，但是这些测量必须与压实过程分离地 进行。已知用于在压实过程期间测量压实度的系统。转让给Wacker Neuson Produktion GmbH&Co.的美国专利No. 8, 057, 124B2公开了一种用于测量土壤参数的方法和装置。其使 用接触力的实际梯度的近似值和接触表面参数来计算动力变形模量。然而，该模量是无量 纲的。
[0004] 当前的方法不能提供可以在压实过程期间确定的具有工程单位值的弹性模量。当 前方法的一个缺点在于，无量纲的弹性模量不能用于其它目的，例如被需要知道土壤或其 它材料的特殊压实度以建造或设计道路、建筑物平台等的设计工程师使用。本发明旨在克 服或减少一个或多个这些所列出的问题。
[0005] 上述背景讨论完全意在帮助读者。其不意在限制在本文中描述的创新或限制或扩 大所讨论的已有技术。因此，上述讨论不应当表明已有系统的任何特殊元件不适合于与在 这里描述的创新一起使用，或意在表明在实现在这里描述的创新中，任何元件都是必要的。 在这里描述的创新的实现和应用由随附权利要求限定。
【发明内容】
[0006] 本发明的一实施例包括一种用于确定由具有乳辊筒的压实机系统压实的工作材 料的弹性模量的方法和系统。所公开的方法包括使用至少一个传感器和/或处理器感测 (检测）或计算由乳辊筒施加在工作材料上的接触力和乳辊筒的垂直位移。该方法还包括 使用该处理器基于该接触力和该垂直位移计算工作材料硬度。基于工作材料硬度和工作材 料的弹性模量之间的关系通过该处理器确定工作材料的弹性模量。
[0007] 本发明的另一实施例包括用于在压实操作期间确定工作材料的弹性模量的压实 机系统。该压实机系统包括至少一个乳辊筒、至少一个传感器以及一处理器。该至少一个 乳辊筒构造成压实工作材料。该至少一个传感器构造成感测压实机系统部件的力、垂直加 速度和垂直位移中的至少一个。该处理器构造成响应于该至少一个传感器计算该至少一个 乳辊筒和该工作材料之间的界面（接触面）处的接触力、响应于该至少一个传感器计算该 至少一个乳辊筒的位移、以及基于该接触力和该位移计算该工作材料的硬度。该处理器还 构造成基于工作材料硬度和工作材料的弹性模量之间的关系确定工作材料的弹性模量。
[0008] 本发明的另一实施例包括一种压实机系统，该压实机系统具有用于在压实操作期 间确定工作材料的弹性模量的处理器。该处理器构造成基于由该压实机系统向工作材料施 加的力和该压实机系统的垂直位移确定工作材料硬度。该处理器还构造成基于工作材料硬 度和工作材料的弹性模量之间的关系确定工作材料的弹性模量。
【附图说明】
[0009] 图1是根据本发明的一方面的压实机系统的侧视图。
[0010] 图2是控制器的实施例的框图的图示。
[0011] 图3是根据本发明的一方面的、描述在向下压实和向上缩回期间滚筒和地面之间 的接触力的图表。
[0012] 图4A和4B是在本发明的一方面中，描述在压实期间的各种力和运动的自由体受 力图。
[0013] 图5是在一部分所要压实的工作材料上的乳辊筒的图示。
[0014] 图6是描述了一种用于确定工作材料的弹性模量的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明大体上涉及一种用于在工作材料被压实机或机器压实时，确定工作材料的 具有工程单位的弹性模量的系统和方法。该方法包括在表面上布置松散材料，该材料可以 被进一步压紧或压实。压实机或机器在布置的材料的表面上行进，产生与机器的重力配合 作用的力，该力被施加到材料上，将材料压缩到具有更大的硬度和密度的状态。压实机可以 在表面上经过一次或多次，以提供工作材料压实的期望程度。被压实的材料可以包括沥青、 土壤、砂烁、沙子、填埋垃圾、混凝土等。在下文中，待压实的材料可以被称作工作材料。
[0016] 图1示出根据本发明的一方面的压实机系统的侧视图。在该视图中，示例性压实 机系统10被示出成可以在表面S上行进，在其自身的动力下压实工作材料Z，并且可以实现 本发明的各方面。考虑其它类型的压实机来实现公开的过程和装置，包括土壤压实机、沥青 压实机、多用途压实机、气夯、振动式压实机、自推进式两轮和四轮压实机和后拖系统等。该 压实机系统10包括压实机11，该压实机11包括主体或框架12,该主体或框架12操作性地 互连和关联各种物理和结构特征件，这些特征件使得压实机11能够起作用。这些特征件可 以包括安装在框架12的顶部上的操作员驾驶室20,操作员可以从操作员驾驶室20控制和 指挥压实机11的工作。另外，转向特征件21和类似的控制器可以定位在操作员驾驶室20 中。为了在表面S上推进压实机11，诸如内燃机的动力系统（未示出）也可以被安装至框 架12,并且可以产生动力，该动力被转换成在物理上移动压实机11。一个或多个其它机具 (未示出）可以被连接至机器。这些机具可以被用于多种任务，包括例如装载、举升、刷扫， 并且可以包括例如铲斗、叉状提升装置、刷子、抓斗机、切割机、剪刀、刀片、破碎机/锤子、 螺旋钻等。
[0017] 为了使得压实机11能够在物理上移动，所示的压实机11包括与表面S滚动接触 的凸块滚筒24和橡胶轮胎22。应当意识到，机器11可以具有两个用于压实工作材料Z的 乳辊筒，并且多个滚筒（或在单滚筒压实机的情况下是一个滚筒）可以是光滑的或装备有 压实脚，例如凸块类型的设计。出于参考的目的，压实机11可以具有典型的行进方向，从而 凸块滚筒24可以被认为是前滚筒，橡胶轮胎22被认为是机器11的后面。凸块（前）滚 筒24和橡胶轮胎（后部）22可以是圆柱形结构，该结构可旋转地联接至框架12,并且可以 相对于框架12旋转。由于其前部和后部位置及其尺寸，凸块滚筒（前部）24和橡胶轮胎 (后部）22将压实机11的框架12支承在表面S上，并且允许其在表面S上行进。凸块滚 筒（前部）24和橡胶轮胎（后部）22大体上横向或垂直于压实机11的行进方向取向。应 当意识到，由于压实机11是可转向的，因此在操作期间，行