用于确定辊轮解耦的压实系统和方法与流程

本专利发明总体涉及一种用于确定辊轮解耦的压实系统和方法，更具体地涉及一种通过耦接到辊轮上的传感器来确定辊轮解耦的压实系统和方法。

背景技术：

压实机器或压实机通常用于在建筑物、高速公路、停车场和其它结构的施工过程中将作业材料(诸如土壤、砾石、沥青等)压实至期望硬度或密度。另外，压实机通常用于对开采现场和垃圾填埋场新近移动和/或相对柔软的材料进行压实。压实过程通常需要在作业材料上通过多遍，以达到期望硬度或密度。

通常，压实机的操作员必须确定作业材料的压实状态。否则，操作员可能在作业材料上通过太多或太少遍数，浪费时间和资源。必须采用一些手段来监测这些材料的压实量，以确定作业材料在何时被压实至期望硬度或密度。在过去，已经采用了各种方法来确定压实量。其中一些方法涉及使用耦接到压实系统的加速度计。已经研发出了其它方法，以提供压实状态的更精确读数，诸如依靠压实系统的滚动阻力。

名称为“基于能量传递确定压实机器性能的方法和设备”的美国第6,188,942号专利(‘942专利)公开了一种基于滚动阻力确定作业材料的压实状态的方法。特别地，如‘942专利中所公开的，压实性能可以被确定为压实能量的函数或者压实机的推进力的函数。与采用加速度计的传统方法相比，‘942专利中公开的压实系统可以给出对作业材料的硬度或密度更一致的测量。然而，这种压实系统可能不包括依靠其来确定辊轮与作业材料解耦的加速度计。

因此，需要改进的压实系统和方法来解决上述问题和/或本领域已知的其它问题。

前面的背景技术的讨论仅仅旨在辅助读者。其并不旨在限制本文所述的创新内容，也不旨在限制或扩展所讨论的现有技术。因此，前述讨论不应认为指示现有系统中的任何特定元件都不适用于本文所述的创新内容，也不旨在指示任何元件是实施本文所述的创新内容所必需的。本文所述的创新内容的实施和应用由所附权利要求书限定。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，一种压实系统包括配置成通过与作业材料滚动接合而将作业材料压实的辊轮、配置成沿作业材料推进辊轮的推进装置、能够操作地耦接到推进装置的动力源、配置成产生指示来自动力源的动力势的信号的传感器，以及能够操作地耦接到传感器的控制器。控制器配置成接收来自传感器的信号，确定该信号的第一持续时间的第一方差，确定该信号的第二持续时间的第二方差，以及基于第一方差和第二方差中的至少一个来确定辊轮与作业材料解耦。

根据本发明的另一个方面，一种用于确定辊轮与作业材料解耦的方法包括使用由推进装置驱动的辊轮压实作业材料，接收来自传感器的信号(该信号指示能够操作地耦接到推进装置的动力源的动力势)，确定信号的第一持续时间的第一方差，确定信号的第二持续时间的第二方差，以及基于第一方差和第二方差中的至少一个来确定辊轮与作业材料解耦。

根据本发明的又一个方面，一种制品包括在其上编码的非暂时性机器可读指令，用于使控制器转发指令，以使用由推进装置驱动的辊轮压实作业材料，接收来自传感器的信号(该信号指示能够操作地耦接到推进装置的动力源的动力势)，确定该信号的第一持续时间的第一方差，确定该信号的第二持续时间的第二方差，以及基于第一方差和第二方差中的至少一个来确定辊轮与作业材料解耦。

附图说明

图1是根据本发明的一个方面的机器的侧视图。

图2是根据本发明的一个方面的压实系统的示意图。

图3是根据本发明的一个方面的压实系统的工艺流程图。

图4是根据本发明的一个方面的接收自传感器的信号曲线图。

具体实施方式

现在将参考这些附图详细描述本发明的各个方面，其中，除非另有说明，否则在整个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

图1示出了可以用于压实作业材料102(诸如土壤、砾石、沥青或其它材料)的机器100。机器100可以是自推进式单筒压实机，具有用于压实作业材料102的单个圆柱形滚筒或辊轮104。机器100包括框架106和原动机或动力源108，诸如发动机。动力源108可以耦接到推进装置或动力传动系统110(图2中所示)，其推进机器100通过作业表面112。本发明的系统和方法可以与适用于本领域的任何机器推进和动力传动机构结合使用，包括液力、电力或机械驱动装置。推进装置或动力传动系统110可以包括任何部件，诸如传动装置、推进器轴、轴等，以操作辊轮104并推进机器100以一个或多个轮子114通过作业表面112。在其它方面，也可以使用其它类型的作业材料102接合构件，诸如用另一个辊轮104代替轮子114。

如前所述，动力源108可以是发动机。发动机可以是包括往复活塞发动机的内燃机，诸如压燃点火式发动机或火花点火式发动机、涡轮机(诸如燃气涡轮机)或其组合，或本领域已知的任何其它内燃机。在其它方面，动力源108可以是电动机。动力源108能够操作地耦接到控制器116(图2中所示)。

辊轮104包括施加压实力到作业材料102上的振动系统118。更具体地，除了施加到作业材料102上的辊轮104和机器100的重量外，振动系统118还可以操作用于向作业材料102施加额外的力。如本文中所述，振动系统118可以包括通过辊轮104向作业材料102上施加振动、振荡或其它重复力的任何类型的系统。

振动系统118可以经由振动驱动系统120(图2中所示)能够操作地耦接到动力源108。振动驱动系统120可以是液压驱动系统、电力驱动系统、机械驱动系统、混合动力驱动系统或本领域已知的另一种驱动系统。动力源108可以是用于为动力传动系统110提供动力的相同部件。在其它方面，单独的动力源(未示出)(诸如电动机)可以配置成为振动系统118提供动力。由动力源108提供动力的振动驱动系统120可以转动辊轮104内偏心地安装的一个或多个质量块122，以在辊轮104内产生施加到作业材料102的振动或振荡力。在其它方面，质量块122可以作为转动系统的一部分线性地而不是偏心地移动。

机器100还包括至少一个传感器124，至少一个传感器124能够操作地耦接到动力传动系统110和/或振动驱动系统120，以测量动力传动系统110和/或振动驱动系统120的驱动势能。在一个方面，振动驱动系统120可以是液压驱动系统，传感器124可以配置成确定振动驱动系统120的液压信号。在另一个方面，振动驱动系统120可以是电力驱动系统，传感器124可以配置成确定振动驱动系统120的电势信号。传感器124可以在各个位置处能够操作地耦接到动力传动系统110和/或振动驱动系统120，并配置成确定那些位置的驱动势能。例如，传感器124可以耦接到动力传动系统110的轴驱动、辊轮104、振动驱动系统120内的导管156，和/或另一个合适的位置。也可以构想沿振动驱动系统120和/或动力传动系统110的其它位置。

传感器124可以将驱动势能信号转发至控制器116，控制器116可以使用该信号来确定辊轮104是否已与作业材料102解耦。采用加速度计来控制振动系统的压实机系统通常也将采用加速度计来探测辊轮解耦。然而，对于可能不依靠加速度计进行振动控制的压实机，传感器124提供更加有利的方法来探测辊轮解耦。传感器124可以是液压传感器或电压传感器，其与加速度计相比可以是更简单的部件以及具有更低的部件成本。进一步地，与加速度计相比，传感器124可以更加耐磨且更不易于出现故障。

机器100可以包括操作员工作站126，操作员可以通过操作员工作站126来控制机器100。操作员工作站126可以包括耦接到控制器116(图2中所示)的操作员界面128，操作员通过该界面可以发出命令来控制动力源108、动力传动系统110、振动系统118和/或机器100的其它部件。操作员界面128可以包括多个输入装置132，其包括节流输入装置、变速器输入装置、速度输入装置、振动频率输入装置、振动幅度输入装置等。输入装置132的一个或多个可以采取操纵杆、踏板、按钮、旋钮、开关或另一装置的形式。操作员可以操纵每个输入装置132，以影响机器100的相应操作。操作员界面128可以包括显示器，在显示器上可以显示对机器的操作有用或必要的各种类型的信息。

节流输入装置可以配置成生成一个或多个节流输入信号，其指示机器100在特定方向上的最大速度的期望百分比。在一些方面，节流输入装置可以是操纵杆，其可以从中间位置倾斜至一个或多个位移位置，以生成一个或多个节流输入信号。例如，节流输入装置可以在第一方向上(例如向前)从中间位置倾斜至最大位移位置，以生成相应的第一节流信号。同样，节流输入装置可以在第二方向上(例如向后)从中间位置倾斜至最大位移位置，以生成相应的第二节流信号。第一节流信号和第二节流信号的数值可以取决于节流输入装置从中间位置产生的位移。

变速器输入装置可以由机器100的操作员用于选择动力传动系统110的一个或任何数目的可用变速器控制设置，诸如当量齿轮或连续范围内的可用变速器速度扭矩比的部分。例如，机器100的操作员可以使用变速器输入装置来选择第一变速齿轮，其中动力传动系统110可以在最高扭矩输出范围和相应的最低地面速度范围内操作。同样，机器100的操作员可以选择第二变速齿轮，其中动力传动系统110可以在较低扭矩输出范围和相应的较高地面速度范围内操作。

速度输入装置可以是允许机器100的操作员选择一个或任何数目的最大容许速度或机器100的可用地面速度限值的输入装置132。最大容许速度或机器100的可用地面速度限值可以对应于上述节流输入装置的最大位移位置。

振动频率输入装置和振动幅度输入装置可以用于控制辊轮104和振动系统118的操作。振动频率输入装置可以是对通过辊轮104施加到作业材料102上的振动频率进行配置的输入装置132。更具体地，振动频率输入装置可以用于设置辊轮104中的质量块122移动的速度以及辊轮104施加到作业表面112的频率。振动幅度输入装置可以是对通过辊轮104施加到作业材料102上的振动幅度进行配置的输入装置132。更具体地，振动幅度输入装置可以用于设置质量块122的行程，从而确立辊轮104和作业材料102之间的冲击力。

振动系统118可以允许对振动频率和振动幅度进行无限多的调整，或者可以具有振动频率和振动幅度的一者或两者的预定数目的预设值。在一个示例中，根据机器100在其上操作的作业材料102的特性，振动频率可以设置为低、中或高。此外，根据作业材料102的特性，振动幅度可以设置为低、中或高。在其它情况下，根据作业材料102的特性，振动频率和/或幅度可以设置为具体数值。

图2是根据本发明的一个方面的机器100的压实系统101的示意图。尽管图2示出了液压驱动系统，但可以构想其它系统，诸如电力驱动系统、机械驱动系统、混合动力驱动系统等。图2示出了能够操作地连接到第一液压泵134和第二液压泵136的动力源108。第一液压泵134和第二液压泵136可以每个能够操作地耦接，以分别经由第一液压管线142和第二液压管线144为第一电动机138和第二电动机140提供动力。第一电动机138可以由来自第一液压泵134的液压流体驱动，以便为动力传动系统110提供动力并转动轮子114。第二电动机140可以由来自第二液压泵136的液压流体驱动并转动辊轮104。可以使用额外的泵和电动机来为机器100的额外部件提供动力。或者，泵134、136和电动机138、140还可以合并，以减少机器100的部件数目。

第一液压泵134和第二液压泵136各可以是可变排量泵，其排量由控制器116控制。在一个方面，来自控制器116的信号可以用于控制或调整第一液压泵134和/或第二液压泵136的排量。第一液压泵134和第二液压泵136各可以在两个不同的方向上将加压液压流体引导到和引导自它们相应的电动机138、140，以便在向前和向后方向上操作电动机138、140。第一液压泵134和第二液压泵136各可以包括行程调整机构(诸如斜盘)，其位置可以液力机械或电力机械地调整，以改变泵134、136的输出(例如，排放压力或速率)。第一液压泵134和第二液压泵136中的每一个的排量可以从零排量位置(在此位置处基本上无流体从泵134、136中排出)调整到最大排量位置(在此位置处流体以最大速率从泵134、136排出)。可以调整第一液压泵134和第二液压泵136中的每一个的排量，以便流体流入其第一液压管线142或其第二液压管线144，从而使得每个泵134、136均可以根据流体流动的方向在向前或向后方向上驱动其相应的电动机138、140。

第一电动机138和第二电动机140中的每一个可以由流体压力差所驱动而转动，该流体压力差由其相应的泵134、136产生且通过第一液压管线142和第二液压管线144供应。更具体地，每个电动机138、140可以包括位于泵送机构(诸如叶轮、柱塞或一系列活塞(未示出))的相对两侧上的第一腔室和第二腔室(未示出)。当第一腔室经由第一液压管线142充满来自泵的液压流体、而第二腔室经由第二液压管线144排空返回到泵的流体时，泵送机构被推动着在第一方向上(例如在向前行进方向上)移动或转动。相反，当第一腔室排空流体而第二腔室充满加压流体时，泵送机构被推动着在相反方向上(例如在向后行进方向上)移动或转动。流体流入和流出第一腔室和第二腔室的流动速率可以确定电动机的输出速度，而泵送机构上的压力差可以确定输出扭矩。

第一电动机138和第二电动机140中的每一个可以是可变排量电动机，其排量由控制器116控制。在该方面，电动机138、140中的每一个均具有无限数目的配置或排量。在另一方面，第一电动机138和第二电动机140中的每一个可以是固定和/或多速电动机。在该方面，每个电动机138、140具有无限数目(例如两个)的配置或排量，电动机138、140可以在其中偏移。电动机138、140因而可以作为具有多个不同排量的固定排量电动机进行操作。

振动驱动系统120可以包括振动系统泵146和振动系统电动机148，类似于泵134、136和电动机138、140。振动系统泵146和振动系统电动机148均能够操作地耦接到控制器116，其可以响应于上述振动频率输入装置和振动幅度输入装置而控制它们的操作。振动系统泵146能够操作地耦接到动力源108。如前所述，动力源108可以是与用于为动力传动系统110提供动力的部件相同或不同的部件。例如，动力源108可以包括内燃机，其配置成推进辊轮104和轮子114，并且还包括电动机，其专门用于为振动驱动系统120提供动力并转动质量块122。

动力源108可以配置成驱动振动系统泵146，其经由第一振动系统液压管线150和第二振动系统液压管线152能够操作地连接以便为振动系统电动机148提供动力。振动系统电动机148可以配置成驱动一个或多个轴154，以便转动质量块122。质量块122的转动在辊轮104内产生施加到作业材料102上的振动和/或振荡力。

压实系统101还包括至少一个传感器124。如前所述，传感器124可以配置成确定动力传动系统110和/或振动驱动系统120的势能。在图2所示的液压系统中，传感器124配置成确定液压信号。传感器124进一步配置成将势能信号转发至控制器116，控制器116可以使用该势能信号来控制机器100的各种部件。在图2所示的方面中，传感器124可以在导管156处耦接到振动驱动系统120。另一个传感器124可以耦接到导管158，其将第一电动机138连接到动力传动系统110和轮子114。应当理解，示出传感器124的位置仅仅是出于示例性的目的。本发明构想了位于其它位置的额外传感器124。

工业实用性

本发明适用于机器100的操作过程中确定辊轮104与作业材料102解耦的设备和方法。参照图1，机器100可以配置成由辊轮104和轮子114沿作业表面112被推进。机器100可以配置成使用辊轮104和振动系统118接合并压实作业材料102。在机器100的操作过程中，辊轮104可以与作业材料102解耦(例如，辊轮104和作业材料102之间失去接触或不规则接触)，并且无法正常进行其压实操作。因此，确定辊轮104的解耦可能是期望的。具体地，当辊轮104与作业材料102解耦时，动力传动系统110和/或振动系统118内各个点处的动力势可能变得不稳定。传感器124可以用于监测动力传动系统110和/或振动系统118的动力势，并向控制器116生成信号读数。控制器116可以接收这些信号，并随后确定辊轮104是否已与作业材料102解耦。

图3是根据本发明的一个方面的压实系统101的过程200的流程图，其在下文参照图1至图3进行进一步详细的描述。尽管过程200参照图2进行了描述，图中示出了液压压实系统，但过程200可以由其它压实系统执行。过程200可以由控制器116执行。过程200从步骤202处开始。在步骤202中，压实系统101可以利用机器100的辊轮104压实作业材料(例如，作业材料102)。控制器116可以转发用于控制由辊轮104进行压实的指令，诸如设置压实频率和幅度的指令。控制器116可以基于机器100的操作员的输入(诸如上述振动频率输入和/或振动幅度输入)而转发指令。

在步骤204中，控制器116可以接收来自传感器124的信号。该信号可以指示耦接到辊轮104、动力传动系统110或振动系统118的动力源108的动力势。如前所述，机器100可以通过液压、电力或机械驱动提供动力。该信号可以指示具体驱动系统的动力势。在一个方面，机器100可以使用液压驱动系统进行操作，该信号可以指示传感器124处的液压。在另一个方面，机器100可以使用电力驱动系统进行操作，该信号可以指示传感器124处的电势。在一些方面，传感器124可以向控制器116连续地传输信号。在其它方面，传感器124可以向控制器116定期传输信号，诸如每隔100毫秒。

在步骤206中，控制器116可以确定信号的第一持续时间的第一方差。第一方差可以是信号稳定性的量度。在一些方面，第一方差可以是第一持续时间内的信号值离散度的量度，诸如信号值的统计方差或标准偏差。例如，在第一持续时间内，信号可以具有200千帕(kpa)的平均值和10kpa的标准偏差。在该示例中，第一方差可以是标准偏差且具有10kpa的数值。

在一些方面，传感器124生成的信号可以呈现出类似于正弦的形态。本领域的普通技术人员将能够确定信号的幅度和频率值。在另一方面，第一方差可以是第一持续时间内的信号峰值-峰值幅度方差的量度。在该示例中，第一方差可以是峰值-峰值平均值的离散度的量度，诸如平均峰值-峰值幅度的标准偏差的统计方差。在又一个方面，第一方差可以是第一持续时间内的信号平均频率的量度。进一步地，第一方差可以是第一持续时间内的信号平均频率离散度的量度，诸如平均频率的统计方差或标准偏差。在进一步的方面，第一方差可以是一个或多个前述量度。本文所述的第一方差的描述并不旨在进行限制。第一方差还可以是本领域的普通技术人员所理解的信号稳定性的其它量度。

在步骤208中，控制器116可以确定信号的第二持续时间的第二方差。第二方差可以采用与第一方差相同的方式确定。例如，如果第一方差是第一持续时间内的信号频率的标准偏差，那么第二方差将是第二持续时间内的信号频率的标准偏差。

在步骤210中，控制器116可以基于第一方差和第二方差中的至少一个来确定辊轮104与作业材料102解耦。当辊轮104与作业材料102解耦时，接收自传感器124的信号可能改变并变得不稳定。第一方差和/或第二方差是信号稳定性的量度且可以用于确定辊轮104与作业材料102解耦。图4示出了根据本发明的一个方面的机器100的传感器124生成的示例性信号。在该示例中，辊轮104可以在第二持续时间t2开始时与作业材料102解耦。控制器116可以确定第一持续时间t1的第一方差并确定第二持续时间t2的第二方差，以探测辊轮104的解耦。

在一个方面，控制器116可以将第一方差和第二方差进行比较，并可在第一方差和第二方差之间的差值超过阈值时确定辊轮104已与作业材料102解耦。如前所述，第一方差是第一持续时间内的信号稳定性的量度。第一持续时间可以是辊轮104呈现出正常操作行为并保持适当地耦接到作业材料102的持续时间。当辊轮104与作业材料102解耦时，信号变化且第二持续时间的第二方差可能不同于第一方差。尽管即使在正常操作过程中可能出现第一方差和第二方差的一些变化，但第一方差和第二方差之间的差值超过预定阈值可能指示辊轮104已与作业材料102解耦。同样，当第一方差和第二方差之间的比值超过第一阈值时，控制器116可以确定辊轮104已与作业材料102解耦。

在另一个方面，当第二方差的幅度超过阈值时，控制器116可以确定辊轮104已与作业材料102解耦。控制器116可以具有对应于压实系统101的稳定范围的预定阈值。预定阈值以上的数值可以指示辊轮104已与作业材料102解耦。如前所述，第二方差可以是峰值-峰值幅度、峰值-峰值幅度方差、平均频率、平均频率方差等。当第二方差的幅度超过阈值时，控制器116可以确定辊轮104已与作业材料102解耦。阈值可能取决于机器100的操作参数，诸如发动机速度、变速等，以及作业场所的操作参数，诸如作业材料102的材料性质。

在步骤212中，控制器116可以响应于确定辊轮104与作业材料102解耦而做出纠正动作。在一些方面，控制器116可以向机器100的操作员转发警报。该警报可以指示辊轮104已与作业材料102解耦。控制器116可以向警报中的操作员提供有用的诊断信息。例如，警报可以是解耦时机器100的操作设置，诸如机器100的发动机速度、变速器设置、辊轮104的振动频率、辊轮104的振动幅度等。收到警报之后，机器100的操作员可以采取适当动作。

在其它方面，纠正动作可以是调整机器100的操作设置。例如，控制器116可以确定动力源108的动力势的变化、振动系统118的设置等，将允许辊轮104重新耦接到作业材料102。控制器116可以转发指令到机器100的操作员，指令中含有使辊轮104恢复与作业材料102重新耦接的操作设置变化。控制器116可以基于机器100的操作设置(诸如机器100的发动机速度、变速器设置、辊轮104的振动频率、辊轮104的振动幅度等)来确定设置变化。例如，控制器116可以转发使辊轮104的振动幅度从第一设置减至第二设置的指令。在其它方面，控制器116可以自动调整机器100的操作设置，而无需操作员输入。

如本文中所用，控制器116可以是基于处理器的装置，其通过执行从非暂时性计算机可读介质中读取的计算机可执行指令来进行操作。非暂时性计算机可读介质可以是硬盘驱动器、闪存驱动器、ram、rom、光存储器、磁存储器、其组合，或本领域已知的任何其它机器可读介质。控制器116可以是单个装置或多个装置。进一步，控制器116可以是专用控制器或者可以在同样提供一个或多个其它功能(例如发动机或机器速度控制)的现有控制器中实施。应该认识到，本文所述的任何过程或功能可以由控制器116实现或控制。

应该认识到，以上描述提供了所公开系统和技术的示例。然而，可以构想，本发明的其它实施方式可与前述示例在细节上不同。所有对本发明或其示例的引用旨在提及特定实例在那一时点被讨论，并且并不打算暗示对本发明范围更一般的任何限制。关于某些特征的差别和贬低的所有语言旨在指示缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本发明的范围之外，另有指示除外。

除非本文另有指示，否则本文对数值范围的叙述仅仅用作一种速记方法，分别涉及落入范围内的各单独数值，并且各单独数值包含在说明书内，如同在此个别列举一样。除非本文另有指示或者上下文清楚地相反指示，否则本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行。