本申请要求2015年12月9日提交的美国临时专利申请第62/265,104号的权益。
发明领域
本发明总的涉及一种用于将树桩、原木和灌木转换成碎屑的磨碎机，并且涉及一种用于控制磨碎机操作的系统和方法，特别是当用于磨碎相对均匀大小的进料物料时。
发明背景
磨碎机是一种自行式或便携式机器，其用于通过撕裂、切碎、冲击或剪切树木、灌木和其他物料来将这些物料减小成相对均匀的粒度。水平磨碎机通常具有在机器前部的用于喂送物料的料斗和用于将物料沿大致水平的方向从前部料斗向磨碎机构推进的进料机构。进料机构可以包括位于料斗底部的进料输送器和位于磨碎机构上方和前面的一个或多个进料辊组件。磨碎机构通常包括具有围绕周界设置的切割部件的鼓或一系列盘。格栅也通常位于磨碎鼓或盘之后，以提供对正被减小的物料的粒度进行控制的一些措施。排料槽或输送器定位成紧邻磨碎机构并位于磨碎机构之后，以将由磨碎机构减小的物料引导或输送离开机器。可包括内燃机和含有一个或多个液压马达的液压回路的动力源被提供来为磨碎机构、进料机构和(如果提供的话)排料输送器提供动力并使其运行。
当进料机构被操作成最大限度地处理通过机器的物料，而不会由于超喂而促进或导致失速时，水平磨碎机的生产速度最大化。当进料机构被操作成将物料流量限制在提供最大单位燃料燃烧的产出的稳定预定流量时，水平磨碎机的生产效率最大化。当进料机构被操作成限制物料流量使得减小物料所需的功率等于或小于发动机允许的连续功率输出时，避免了发动机过载。当使用传统机器和方法磨碎不同大小的进料物料时，不可能通过控制进料流量来最大化生产效率或调节功率需求。然而，当磨碎具有均匀小粒度范围的进料物料时，可以采用进料流量控制方法来最大化生产速度和效率，而不会使发动机过载。
将先前减小的物料减小至更小的粒度的磨碎被称为再磨碎。因为再磨碎处理先前减小的物料，所以进行再磨碎的磨碎机的生产速度和效率可以通过控制进料流量来最大化而不会使发动机过载。当磨碎机构以恒定流量进料以保持磨碎室充满但物料不溢出时，再磨碎生产最理想的产品。这种进料流量被称为“扼流进料”，并且当木质物料的再磨碎用于制造覆盖物，特别是施加有着色剂或其他添加剂的覆盖物时，这是特别重要的。覆盖物制造中的扼流进料将通常确保着色剂或添加剂均匀分布在最终的覆盖物产品中。
进行再磨碎的磨碎机的进料流量可以进一步控制以获得最大效率或限制发动机功率需求。这种进料流量控制被称为“调节进料”。调节进料使发动机能够以受控的速度运行，由此优化燃料使用并最大限度地延长发动机的运行寿命。
磨碎机中的受控进料可以通过将进料辊组件固定在相对于磨碎机构的固定高度处或通过使用在进料辊组件之前的调平杆来限制进入磨碎机构的进料流的高度来实现。但是，将进料辊组件固定在升起位置可能会妨碍进料辊组件的安全特性，并且调平杆是添加到机器的部件。此外，这些用于实现受控进料的已知方法都不允许控制发动机的最大连续功率输出以延长发动机寿命并使燃料效率最大化。因此，如果可以提供其他系统和机构来在磨碎机操作期间维持扼流进料或调节进料，那将是合乎需要的。
本发明的优点
本发明的优选实施例的优点在于，其提供了一种用于保持磨碎机的扼流进料或调节进料的系统，该系统操作安全并且除了与控制器相关的组件外，不需要调平杆或其他结构部件添加到机器。本发明的其它优点和特征将从附图和随后描述的查阅中变得显而易见。
解释注意事项
在描述本发明的上下文中，术语“一”、“一个”、“该”和类似术语的使用应被解释为覆盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包含但不限于”)，除非另有说明。术语“基本上”、“大致”和其它程度词语是旨在表示从所修改的特征的可允许变化的相对修饰词。在描述本发明的物理或功能性特征中使用这样的术语并不意图将这种特性限制为术语修改的绝对值，而是提供这种物理或功能性特征的值的近似值。本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另有规定或由上下文清楚地指明。
诸如“连接”和“互连”的关于附接、联接等的术语是指其中结构直接或通过中介结构间接彼此固定或附接的关系，以及活动和刚性附接或关系，除非本文另有规定或由上下文清楚地指明。术语“可操作地连接”是这种允许相关结构借助该关系按预期操作的附接、联接或连接。
本文中任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”和“优选地”)的使用仅旨在更好地说明本发明及其优选实施例，而不是对本发明的范围进行限制。说明书中的任何内容都不应被解释为表示任何技术特征对于本发明的实践是必要的，除非特别地这样陈述。本文中具体定义了若干术语。这些术语将被赋予与这些定义一致的其最广泛可能解释，如下：
当参考在水平磨碎机或这种机器的部件或部分上的相对方向或相对于水平磨碎机或这种机器的部件或部分的相对方向使用时，术语“在...上方”及类似术语是指远离表面的相对方向，机器放置在该表面上以处理物料。
术语“处理方向”是指在水平磨碎机中的处理期间待减小的原木或其他物料的行进方向。
术语“前端”及类似术语是指水平磨碎机或者这种机器的部件或部分的端部，其最接近待处理的进料物料被引入该机器所在的点。
“在...之前”及类似术语，如本文用于描述在水平磨碎机或这种机器的部件上的相对位置或方向或者与水平磨碎机或这种机器的部件相关的相对位置或方向的术语，是指朝向该机器的前端的相对位置或方向。
术语“后端”及类似术语是指水平磨碎机或这种机器的部件或部分的端部，其远离该机器或其部件或部分的前端。
“在...之后”及类似术语，如本文用于描述在水平磨碎机或这种机器的部件上的相对位置或方向或者与水平磨碎机或这种机器的部件相关的相对位置或方向的术语，是指朝向该机器的后端的相对位置或方向。
术语“致动器”是指适于相对于机器的壳体、框架或另一部件向水平磨碎机的部件施加力的电动装置、液压装置、电动液压装置、气动装置或机械装置。
术语“直线致动器”是指产生沿直线指向的力的致动器。“直线致动器”的常见例子包括双作用液压或气动致动器，其包括缸、缸内的活塞和连接到活塞的杆。通过增加活塞一侧上的缸内压力(超过活塞另一侧上的压力)，杆将从缸伸出或缩回缸内。
术语“发动机控制模块”是指适于将信息通讯给装配有发动机的水平磨碎机的控制器的任何装置或部件，控制器可用于确定发动机的燃料消耗率。
技术实现要素：
本发明包括适于处理物料的水平磨碎机。磨碎机包括框架和适于接收待处理物料的进料斗。进料输送器与进料斗相关联并且适于使物料沿处理方向移动。磨碎圆柱体适于围绕大致水平的磨碎轴线旋转，并且进料辊组件在进料斗后端处和磨碎圆柱体前方安装在框架上。进料辊组件包括进料辊，该进料辊适于沿第一方向和第二方向绕大致水平的轴线旋转，该第一方向将物料推向磨碎圆柱体，该第二方向将物料推离磨碎圆柱体。控制器可操作地附接到进料辊并适于控制进料辊的旋转速度。控制器还可操作地附接到进料输送器并适于控制进料输送器的速度。此外，控制器适于控制进料辊的旋转速度和进料输送器的速度，以获得进料辊旋转速度与进料输送器速度的预定所需的比值。
本发明的优选实施例包括具有发动机以及发动机控制模块的动力单元，，该发动机控制模块可操作地连接到控制器并且适于将指示发动机的燃料消耗率的信号通讯给控制器。控制器还可操作地附接到发动机并且适于控制发动机的运行的至少一些方面。在本发明的这个实施例中，控制器适于与发动机的燃料消耗率成比例地调节进料输送器的速度。
为了便于理解本发明，本发明的优选实施例以及用于实施本发明的发明人所知的最佳模式在附图中示出，并且其详细描述如下。然而，并不意味着本发明限于所描述的具体实施例或者结合本文所示的设备使用。因此，发明人设想的本发明的范围包括权利要求书中记载的主题的所有等同物，以及例如本发明所属领域的技术人员通常会想到的各种修改和替代实施例。本发明人期望技术人员采用看起来对他们适当的这些改型，包括除本文具体描述的以外的本发明的实践。此外，任何可能变型中的本文所描述的本发明的元件和组件的任何组合都包含在本发明中，除非本文另有说明或由上下文清楚地排除。
附图说明
本发明的当前优选实施例在附图中示出，在全部附图中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：
图1是装配有本发明的控制系统的水平磨碎机的局部剖视侧视图，示出了：(a)正常运行期间其进料辊的旋转方向；(b)进料辊支架和因此进料辊的垂直运动范围；和(c)磨碎圆柱体的旋转方向。
图2是图1所示的机器的俯视图。
图3是图1和图2所示机器的一部分的局部剖视侧视图，示出了其进料辊相对于均匀大小进料物料的进料流的放置和旋转方向。
图4是本发明优选实施例的所选择的运行参数的图示。
具体实施方式
本发明的优选实施例的说明应当结合附图来阅读，附图应当认为是本发明的整个文字说明书的一部分。为了清晰和简明，附图不一定按比例且本发明的某些特征可能按比例或以稍微示意的形式放大示出。
如图1和2所示，机器10是适用于处理原木、树桩、灌木或其他木质物料的水平磨碎机。待处理的物料放置在位于进料斗14的底部并且与进料斗14相关联的进料输送器12上。
输送器12由传统的驱动系统操作，以沿处理方向d(向右，如图1所示)将物料运送到进料辊组件16。该驱动系统适用于沿向前方向和反向两个方向(即，分别向右和向左，如图1所示)并以可变速度驱动输送器12。进料辊组件16可枢转地在进料斗12的后端处和磨碎机构20的上方和前方安装在机器框架18上。进料辊组件16的进料辊22由传统的驱动系统操作以驱动进料辊22绕大致水平的旋转轴线23沿顺时针和逆时针方向(如图1和3所示)并以可变速度旋转，旋转轴线23垂直于页面，如图3所示。当机器以其正常运行模式运行时，进料辊22适于沿逆时针方向旋转(如图1所示)，以促使进料斗中的物料与磨碎机构接触。磨碎机构20包括水平安装的磨碎圆柱体24，该磨碎圆柱体24具有设置在其环形表面上的切割元件26，如图3所示。磨碎圆柱体24适于绕大致水平的磨碎轴线25(如图3示出为垂直于页面定向)沿顺时针方向(如图1所示)旋转。
由磨碎机构处理后的物料穿过格栅28并进入到排料输送器30上以从机器移除。优选地包括内燃机34和含有一个或多个液压马达(未示出)的传统液压回路的动力单元32被提供来为磨碎圆柱体24、进料输送器12的驱动系统、进料辊22的驱动系统和排料输送器30的驱动系统提供动力并使其运行。
控制系统包括控制器36，控制器36可操作地附接到发动机控制模块38，发动机控制模块38可操作地连接到控制器并且适于将表示发动机34的燃料消耗率的信号通讯给控制器。控制器36还可操作地附接到发动机34、进料输送器12和进料辊22的驱动系统并附接到升降机构，该升降机构优选地包括用于调节进料辊22的竖直位置的一个或多个直线致动器40。控制器36位于机器10的操作员站42(图1所示)中并且适于控制发动机34的运行、进料输送器12和进料辊22的驱动系统的运行以及用于调节进料辊22的垂直位置的升降机构的至少一些方面。控制器可以从操作员站42进行操作或者通过远程控制器44(图1中所示)进行远程操作。优选地，控制器在正常运行状态期间操作旋转进料辊22的驱动系统和进料输送器12的驱动系统，使得进料辊旋转速度与进料输送器速度比值为大约1.5，当料辊旋转速度转换成线速度(rpmx2)并且两个速度均根据每单位时间的直线距离进行表示。
优选地，当机器运行时，控制器36将与发动机燃料消耗率成比例地调节进料输送器12的速度。图4示出了本发明的较佳运行模式，对于该较佳运行模式，良好结果通过将预定起动负载燃料消耗率r起动选择为发动机的最大额定燃料消耗率的约20％，将预定最小运行燃料消耗率r最小选择为发动机的最大额定燃料消耗率的约80％，并且将预定最大运行燃料消耗率r最大选择为发动机的最大额定燃料消耗率的约93％来获得。当然，也可以选择其他燃料消耗率，只要r最大大于r最小且r最小大于r起动。
当发动机起动并且发动机以等于或小于r起动的燃料消耗率，即以图4所示的范围“a”内的燃料消耗率消耗燃料时，控制器将操作进料输送器12的驱动系统以将物料从进料斗14向进料辊组件16移动。然后，如果发动机燃料消耗率从r起动增加到不大于r最小的燃料消耗率，即在图4所示的范围“b”的燃料消耗率下，则控制器36将致使升降机构将进料辊组件16升高到预定升起位置，诸如例如以将进料辊22的底部升高到进料输送器12的表面上方约25英寸并将其保持在该升起位置。当进料辊组件被升高时，进料辊的旋转方向反转，如通过比较图1和图3所示，并且控制器调节进料辊旋转速度和/或进料输送器速度以将进料辊旋转速度与进料输送器速度比值减小到预定的较低比值。优选地，在该再磨碎模式下进料辊速度与进料输送器速度比值减小至大约0.7。这些调节致使进料辊将进料流的上部分推离磨碎机构入口而不是推向磨碎机构入口。如果控制器确定发动机燃油消耗率减小到r起动，则控制器将会把进料辊组件降低至其原始位置，并再次反转其旋转方向，使得其将物料引向磨碎机构。控制器还将调节进料辊旋转速度和/或进料输送器速度，以使进料辊旋转速度与进料输送器速度比值恢复到其正常运行值，即恢复到大约1.5的值。如果在再磨碎模式下着色剂或其他添加剂正在施加，则控制器也可操作地附接到传统添加剂供应系统(未示出)并且适于控制通过添加剂喷嘴46(在图3中示出)的添加剂施加，使得添加剂仅引入到与物料进料流量成比例的进料流中并仅当进料物料存在于进料输送器上时才进行。
如果控制器确定发动机34以大于r最小但不大于r最大的燃料消耗率，即以图4所示的范围“c”内的燃料消耗速率消耗燃料，则控制器36将与发动机34的燃料消耗率成比例地调节进料输送器12的速度。因此，在本发明的这个实施例中，当发动机燃料消耗率在预定最小运行燃料消耗率r最小和预定最大运行燃料消耗率r最大之间增加时，控制器36将按比例地减小进料输送器12的速度。类似地，当发动机燃料消耗率在由图4的范围“c”所示的燃料消耗率内降低时，控制器36将按比例地增加进料输送器12的速度。如果控制器确定发动机34以大于r最大的燃料消耗率，即以图4所示的范围“d”内的燃料消耗率消耗燃料，则控制器36将停止进料输送器，直到发动机燃料消耗率下降到r最大以下，此时控制器将沿向前方向重新起动进料输送器。
因此，本发明的优选实施例包括用于控制和保持水平磨碎机的扼流进料或调节进料状态的系统。该控制系统包括控制器、用于确定实时发动机燃料消耗率的装置、用于升降进料辊的升降机构以及用于使进料辊沿两个旋转方向上旋转以交替地将物料引向或引离磨碎机构的旋转驱动器。控制系统还包括进料输送器的驱动机构，其适于以可变速度且沿向前方向和反向两个方向驱动进料输送器。在正常运行中，当发动机燃料消耗率不大于r起动时，控制器将致使进料输送器驱动机构和进料辊的旋转驱动器以产生进料辊旋转速度与进料输送器速度预定的所需比值的速度运行。控制器还会致使进料辊沿将物料引向磨碎机构的旋转方向上旋转。当控制器确定发动机燃料消耗率增加超过r起动时，控制器将致使升降机构将进料辊组件升高到预定的升起位置并将其保持在该升起位置。当进料辊组件升高时，进料辊的旋转方向反转，以将物料引离磨碎机构，并且进料输送器速度和/或进料辊旋转速度被调节，以将进料辊旋转速度与进料输送器速度比值减小至预定的较低水平。另外，控制器将操作进料输送器驱动机构以与发动机燃料消耗率成比例的速度驱动进料输送器。这些调节致使进料辊将进料流的上部分推离磨碎机构入口而不是推向磨碎机构入口，并且它们阻止发动机以超出推荐范围的占空比运行。如果发动机燃料消耗率增加到r最小和r最大之间的燃料消耗率，则控制器将致使进料输送器相应按比例减速。如果发动机燃料消耗率在r最小和r最大之间的范围内降低，则控制器将致使进料输送器相应按比例加速。如果发动机燃料消耗率增加到大于r最大，则控制器将停止进料输送器，直到发动机燃料消耗率降至r最大以下，此时控制器将沿向前方向重新起动进料输送器。
发明人已经发现，该控制系统允许水平磨碎机的发动机以受控的燃料消耗率运行并且机器的磨碎机构在稳定的调节进料或扼流进料状态下运行。当在再磨碎模式下添加剂添加到产品中时，添加剂均匀分布。调节进料状态使机器经营者能够获得最大的燃油经济性和发动机寿命。扼流进料状态使机器经营者能够通过产生更均匀的产品粒度来获得较佳的产品质量。在许多情况下，调节进料状态和扼流进料状态的优点均可以实现。
尽管本说明书包含许多细节，但是这些不应被解释为限制本发明的范围，而是仅仅提供其当前优选实施例的说明，以及实施本发明的由发明人想到的最佳模式。如本文所描述的，本发明易于进行本发明所属领域的普通技术人员会理解的各种修改和适应。