用于监控挖掘机的制动系统的系统和方法

用于监控挖掘机的制动系统的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种挖掘机。该挖掘机包括：可操作成停止挖掘机的部件运动的制动器；可操作成感测制动器的特征以产生制动数据的第一传感器；可操作成感测挖掘机的部件运动以产生运动数据的第二传感器；以及控制器。控制器可操作成接收制动数据和运动数据，根据制动器设定模型和制动器松开模型分析制动数据和运动数据，并通过所分析的制动数据或所分析的运动数据响应于问题输出警报。
【专利说明】用于监控挖掘机的制动系统的系统和方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时申请61/784, 067的优先权，其全 部内容被包含在此。

【背景技术】
[0003] 本发明涉及一种监控诸如铲的挖掘机的制动器。


【发明内容】

[0004] 制动器在铲操作和电铲的运动（即，伸缩、升降、回转和推进）中扮演着重要角色。 具体地说，制动器的过早或延迟松开可显著地制约铲操作。而且，每次应用制动器时检查制 动器状态对维护人员来说不是切实可行的。
[0005] 因此，本发明的实施例提供了制动器监控算法，该制动器监控算法在制动器将要 可能失效或失灵前及时指示制动器状态。该预先通知减少了发现并维修恶化制动器状态的 故障所用的时间和不可预知的停机时间。系统捕获关于制动器的数据，诸如制动压力、制动 器设定时间、制动器松开时间、制动指示器状态及相关分解器计数。系统提供了基于该捕获 的数据在各种运动期间持续监控制动器状态的自动报警/通知系统。
[0006] 具体地说，系统应用一个以上的分析模型来分析捕获到的数据。模型从铲中包含 的一个或多个制动系统（例如，伸缩制动器、回转制动器、升降制动器和推进制动器）收集 数据。在某些实施例中，模型包括三个子模型：(a)制动器设定、(b)制动器松开和（C)制动 压力。制动器设定模型记录制动器电磁线圈（制动器电磁线圈指示是否有来自操作员或控 制系统的命令应用到制动器）截止时的时间和由应用到的制动器控制的部件运动没有变 化时的时间。
[0007] 具体地说，应用该逻辑到伸缩制动系统，制动器设定模型记录发布命令以设定伸 缩制动器时的时间并同时监控伸缩分解器计数和记录分解器计数没有变化时的时间。模型 储存这两个时间之间的时间差作为设定伸缩制动所用的时间。然后该时间差可对照设定该 单个机器的制动器的平均时间和/或对照原始设备制造商（"OEM"）的说明书评价，以确 定是否制动器失效、失灵或可能快失效或失灵。在某些实施例中，制动器设定后行进的距离 用于指示制动器健康。该距离可使用分解器计数测量。如果探测到失灵，则可能产生警报。 在某些实施例中，警报包括一旦模型识别到任何差异或逻辑违反就通过监控系统产生的电 子邮件。警报通知与探测到的差异的铲相关联的诸如操作员、所有者、维修人员、分析员等 的用户。警报还可通知诸如制动器设定时间的监控数据的用户。
[0008] 类似于制动器设定模型，制动器松开模型记录制动电磁线圈导通的时间和制动器 松开指示器导通的时间之间的时间差。如上述制动器设定模型，在发送警报之前，该松开制 动器的持续时间对照该机器的平均持续时间和/或OEM说明书评价。
[0009] 制动压力模型设计成收集数据并创建关于平均多大压力用于施加到制动器以及 松开制动器时系统用了多少时间达到某一压力的图形。具体地说，该模型记录在制动电磁 线圈截止和导通时的制动压力以及制动器设定/松开指示器截止和导通时的压力。在某些 实施例中，制动压力模型还可监控主空气压力系统的状态。例如，制动压力和主空气压力可 用于诊断制动器状态。
[0010] 以下描述的制动器监控系统指示总体制动器健康和制动器状态。跟踪制动器健康 和状态可用于在失效前识别制动器问题。因此，跟踪到的信息可用于在问题变得紧急或灾 难性前提醒操作员制动器问题，这减少了维护时间、停机时间及不安全的机器操作。
[0011] 在一个实施例中，本发明提供了一种挖掘机，该挖掘机包括可操作成停止挖掘机 的部件运动的制动器；可操作成感测制动器的特征以产生制动数据的第一传感器；可操作 成感测挖掘机的部件运动以产生运动数据的第二传感器；以及控制器。控制器可操作成 接收制动数据和运动数据，根据制动器设定模型和制动器松开模型分析制动数据和运动数 据，并通过所分析的制动数据或所分析的运动数据响应于问题输出警报。
[0012] 在另一实施例中本发明提供了一种监控挖掘机的制动器的健康的方法，挖掘机包 括可移动部件。方法包括感测制动器的特征以产生制动数据；感测可移动部件的运动以产 生运动数据；根据制动器设定模型和制动器松开模型分析制动数据和运动数据；以及通过 所分析的制动数据或所分析的运动数据响应于问题输出警报。
[0013] 本发明的其它方面通过考虑详细描述和附图将会变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1示出了根据本发明的实施例的挖掘铲。
[0015] 图2示出了图1所示的挖掘铲的控制系统。
[0016] 图3示出了通过图2所示的控制系统执行的制动器监控过程或方法。

【具体实施方式】
[0017] 在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解本发明的应用不限于以下说明书中 阐述或附图中示出的结构细节和部件布置。本发明可具有其它实施例并可以各种方式实践 或实施。而且，应理解本文所采用的措辞和术语是为说明的目的而不应认为是限制。本文 中"包含"、"包括"或"具有"及其变体的使用意思是包含此后所列项目及其等同物和附加 项目。除非指定或限制，否则术语"安装"、"连接"、"支撑"和"联接"及其变体被广泛使用 并包含直接和间接的安装、连接、支撑和联接。
[0018] 另外，应该理解，本发明的实施例可包括硬件、软件以及电子部件或模块，为了讨 论，该硬件、软件以及电子部件或模块可说明和描述为假设主要部件仅仅以硬件的方式实 施。然而，本领域的普通技术人员基于阅读该详细说明可认识到，在至少一个实施例中，本 发明的电子基础方面可用软件（例如，存储在非暂时性计算机可读介质上并由至少一个处 理器执行的）实现。这样，应该注意，多种硬件和基于设备的软件以及多种不同结构部件可 用于实施本发明。而且，以及如随后段落中描述的，附图中所示的具体机械构造旨在例示本 发明的实施例以及其它可能的替代机械构造。
[0019] 图1示出了诸如电挖掘伊的挖掘伊100。图1所示的实施例示出了作为绳伊的挖 掘机，然而，在其它实施例中，挖掘铲100是不同类型的挖掘机，诸如，例如混合挖掘铲、拉 铲挖掘机等等。挖掘铲100包括用于推动绳铲100前进和倒退并用于使绳铲100转向的履 带（即，通过相对于彼此改变左右侧履带的速度和/或方向）。履带105支撑包括驾驶室 115的基座110。例如，基座110可绕回转轴125回转或旋转以从挖掘位置移动到倾卸位置。 对于回转运动不一定需要移动履带105。绳铲还包括支撑可枢转的铲斗柄135 (柄135)和 铲斗140的铲斗轴130。铲斗140包括用于将容纳物从在铲斗140内倾卸到诸如漏斗或自 动倾卸卡车的倾卸位置的门145。
[0020] 绳铲100还包括联接在基座110和铲斗轴130之间用于支撑铲斗轴130的绷紧悬 挂钢缆150 ;附连到基座110内的绞车（未示出）用于卷绕钢缆155以升高和降低铲斗140 的升降钢缆155 ;以及附连到另一绞车（未示出）用于打开铲斗140的门145的铲斗门钢缆 160。在某些实例中，绳伊100是由Joy Global公司生产的Joy Global Surface Mining" 4100系列铲，但电挖掘铲100可以是另一类型或型号的挖掘设备。
[0021] 当挖掘铲100的履带105静止时，铲斗140可操作成基于三个控制运动，升降、伸 缩和回转，移动。升降控制通过卷绕和退绕升降钢缆155升高和降低铲斗140。伸缩控制伸 展和收回柄135和铲斗140的位置。在一个实施例中，柄135和铲斗140通过使用齿条和 小齿轮系统伸缩。在另一实施例中，柄135和铲斗140使用液压驱动系统伸缩。回转控制 相对于回转轴125旋转柄135。在倾卸其容纳物之前，铲斗140被操纵到适当的升降、伸缩 和回转位置以1)确保容纳物不会错过倾卸位置；2)门145在松开时不会撞击倾卸位置；以 及3)铲斗140不会太高以便松开的容纳物不会损坏倾卸位置。
[0022] 如图2所示，挖掘铲100包括控制系统200。控制系统200包括控制器205、操作 员控制装置210、挖掘铲控制装置215、传感器220、用户界面225和其它输入/输出230。 控制器205包括处理器235和非暂时性存储器240。存储器240储存可由处理器235执行 的指令和例如允许控制器205和操作员之间或控制器205和传感器220之间通信的各种输 入和输出。存储器240包括例如程序存储区和数据存储区。程序储存区和数据存储区可包 括诸如只读存储器（"ROM"）、随机存取存储器（"RAM"）（例如，动态RAM[ "DRAM"]、同步 DRAM[ "SDRAM"]等）、电可擦除可编程只读存储器（"EEPR0M"）、闪存、硬盘、SD卡或其它 合适磁性、光学、物理或电子存储器设备的不同类型存储器的组合。
[0023] 处理器235连接到存储器240并执行能够储存在存储器240中的软件指令。挖掘 铲100的实施方式中包含的软件可存储在控制器205的存储器240中。软件包括例如固 件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其它可执行指令。 其中，处理器235被配置成从存储器240检索并执行涉及本文所述的控制过程和方法的指 令。在某些实例中，处理器235包括微处理器、数字信号处理器（DSP)、现场可编程门阵列 (FPGA)、专用集成电路（ASIC)等等中的一个或多个。
[0024] 控制器205从操作员控制装置210接收输入。操作员控制装置210包括推进控制 装置242、伸缩控制装置245、回转控制装置250、升降控制装置255和门控制装置260。推进 控制装置242、伸缩控制装置245、回转控制装置250、升降控制装置255和门控制装置260 例如包括诸如操纵杆、操作杆、脚踏板等的操作员控制的输入设备和其它致动器。操作员控 制装置210经由输入设备接收操作员输入并将数字运动命令输出到控制器205。运动命令 例如包括左履带前进、左履带倒退、右履带前进、右履带倒退、升起、降下、伸缩伸展、伸缩收 回、顺时针回转、逆时针回转以及铲斗门松开。
[0025] 当接收运动命令时，控制器205通常按操作员的命令控制挖掘铲控制装置215。挖 掘铲控制装置215包括一个或多个推进电动机262、一个或多个伸缩电动机265、一个或多 个回转电动机270和一个或多个升降电动机275。挖掘铲控制装置215还包括用于使挖掘 铲100的相应运动减速的一个或多个推进制动器263、一个或多个伸缩制动器266、一个或 多个回转制动器271和一个或多个升降制动器276。在某些实施例中，制动器是电控制动器 (例如，电磁制动器）。在其中制动器是电磁制动器的实施例中，当电磁线圈截止时弹簧吸 住制动器，而当电磁线圈导通时制动器放开或松开。在其它实施例中，制动器包括机械制动 器和电磁制动器。
[0026] 在铲100的操作期间，如果操作员经由回转控制装置250指示使柄135逆时针转 动，则控制器305通常会控制回转电动机270以使柄135逆时针转动。一旦操作员通过回 转控制器250指示使柄135减速，控制器305就通常会控制回转制动器271以使柄135减 速。然而，在本发明的某些实施例中，控制器205可操作成限制或修改操作员运动命令和/ 或不依赖于操作员输入产生运动命令。
[0027] 控制器205还与多个传感器220通信以监控铲斗140的位置和状态。例如，控制 器205与一个或多个推进传感器278、一个或多个伸缩传感器280、一个或多个回转传感器 285及一个或多个升降传感器290通信。推进传感器278将关于履带105的数据（例如，位 置、速度、方向等）指示给控制器205。伸缩传感器280指示铲斗140的伸展或收回水平。 回转传感器285指示柄135的回转角度。升降传感器290基于升降钢缆155位置指示铲斗 140的高度。在某些实施例中，推进传感器278、伸缩传感器280、回转传感器285及升降传 感器290中的一个或多个包括指示用于移动铲斗的电动机（例如，伸缩电动机、回转电动机 和/或升降电动机）的绝对位置或相对移动的分解器。例如，当升降电动机275转动以卷 绕升降钢缆155以升高铲斗140时，升降传感器290输出指示升降的转动量和移动方向的 数字信号以指示铲斗140的相对移动。控制器205将这些输出转换成铲斗140的位置、位 置变化（例如，行进距离）、速度和/或加速度。
[0028] 在某些实施例中，传感器220还包括门闩传感器，其中，该门闩传感器指示铲斗门 145是打开还是关闭并测量铲斗140内容纳的负载的重量。传感器220还包括一个或多个 重量传感器、加速度传感器和/或倾角传感器以将关于铲斗140内的负载的附加信息提供 给控制器205。
[0029] 控制器205还与多个制动传感器300通信以监控各种制动系统。例如，控制器205 与一个或多个推进制动传感器305、一个或多个伸缩制动传感器310、一个或多个回转制动 传感器315及一个或多个升降制动传感器320通信。制动传感器300监控相应的一个或多 个推进制动器263、一个或多个伸缩制动器266、一个或多个回转制动器271及一个或多个 升降制动器276。在某些实施例中，制动传感器300感测关于一个或多个制动模型的数据， 诸如制动器设定时间、制动器松开时间及制动压力。在其它实施例中，制动传感器300监控 关于一个或多个制动器的其它数据和特征。
[0030] 如以上
【发明内容】
部分所述，制动器设定时间是设定制动器所用的时间量。在某些 实施例中，制动器设定时间是制动器被吸住（例如，电磁线圈截止）的时间和通过吸住的制 动器制动的相应部件的运动没有变化的时间之间的时间差。在其它实施例中，制动器设定 时间是制动器被吸住（例如，电磁线圈截止）的时间和指示制动器被设定的制动器设定指 示器导通的时间之间的时间差。在另一实施例中，制动器被设定后行进的距离用于指示制 动器健康。该距离可使用分解器计数测量。
[0031] 制动器松开时间是松开制动器所用的时间量。在某些实施例中，制动器松开时间 是制动器被放开（例如，电磁线圈导通）的时间和指示制动器被松开的制动器松开指示器 导通的时间之间的时间差。制动器的过早松开可指示可能的未来制动器失效（例如，制动 器锁定、制动器损坏等）。因此，如果制动器松开时间落在最佳或期望值或范围外，则制动器 可能需要维护以校正制动器松开时间和/或防止制动器的状态进一步恶化（即，防止未来 制动器失效）。例如，当制动器设定或部件（例如，液压流体）配置不正确（例如，磨损、损 坏、未对准）时，制动器可能不会如希望的那样快松开或可能太快松开。
[0032] 制动压力是制动器所用的压力。在某些实施例中，制动压力是施加到制动器时利 用了多少平均压力。在某些实施例中，制动压力还指示制动器放开时达到某一压力所用的 时间量。如果由制动器施加的制动压力量落在最佳或期望值或范围外，则制动器可能需要 维护以校正制动压力并/或防止制动器的状态进一步恶化。类似地，如果达到特定制动压 力所用的时间落在最佳或期望值或范围外，则制动器可能需要维护以校正制动压力并/或 防止制动器的状态进一步恶化。例如，达到小于最佳的制动压力或达到期望的制动压力太 快或太慢可指示可能的未来制动器失效（例如，制动器锁定、制动器损坏等）。当存在制动 器失效或恶化时（例如，液压流体泄漏、磨损的制动器部件、未对准的制动器部件、不正确 的制动器设定等），这些情况可发生。
[0033] 控制器205接收从制动传感器300感测到的数据并应用以上
【发明内容】
部分所述的 模型监控与传感器300相关联的一个或多个制动系统。例如，如上所述，执行该模型的控制 器205将接收到的感测制动数据与前面记录的制动器松开数据、OEM说明书的平均值或其 它统计数字或前面记录的制动器松开数据和OEM说明书进行比较，以确定是否存在会指示 即将发生的制动器失效、失灵或常规更换的任何差异。
[0034] 如果控制器205通过感测到的制动数据确定存在诸如可能的未来失效的任何问 题或差异，则控制器205产生警报。如上所述，警报可包括电子邮件消息。在其它实施例中， 警报包括（例如，经由用户界面225)直接提供给铲100的操作员的可视的、可听的或触觉 警报。
[0035] 在某些实施例中，控制器205经由一个或多个有线或无线网络（例如，局域网、广 域网、电话网、互联网等）连接到服务器350。控制器205将制动传感器数据输出到服务器 350。在这样的实施例中，服务器350应用上述模型处理制动传感器数据并针对可能故障或 其它问题监控铲100的一个或多个制动器。如果服务器350通过感测到的制动数据确定存 在诸如可能的未来失效的问题，则服务器350产生诸如电子邮件消息的警报。在其它实施 例中，服务器350经由用户界面225或远程用户界面将问题指示给操作员。
[0036] 例如，图3示出了通过控制器205、服务器350或其组合执行的制动器监控过程或 方法400。如图3所示，一个或多个制动传感器300监控一个或多个制动器263、一个或多 个伸缩制动器266、一个或多个回转制动器271和/或一个或多个升降制动器276 (在405 处）。一个或多个制动传感器300将感测到的数据输出到控制器205和/或服务器350 (在 410处）。执行一个或多个制动模型的控制器205和/或服务器350将感测到的数据与特 定挖掘铲100的以前记录的感测到的制动数据的平均值和在某些实施例中的OEM说明书进 行比较（在415处）。控制器205和/或服务器350使用所公开的模型以确定一个或多个 制动器是否存在问题（在420处）。如果存在问题，则控制器205和/或服务器350产生警 报（在425处）。
[0037] 应该理解，本文所述系统和方法可监控挖掘机的制动系统并将探测到的制动器状 态（例如，制动器设定时间、制动器松开时间、制动压力量、制动压力时间等）与一个或多个 值或阈值进行比较以识别制动系统的健康以及是否要求或建议任何维护以防止未来制动 器失效或操作不当。例如，制动器设定时间可与第一阈值或范围进行比较以识别制动系统 是否已失效，并与第二阈值或范围进行比较以识别制动系统是否需要维护以防止制动系统 失效或执行不当。可基于其中所监控的制动器状态落在相对于一个或多个数值或范围的情 况产生不同警报。而且，数值或范围可以是不变的（例如，通过制造商设定）和/或可动 态地变化（例如，基于制动系统或其它制动系统的以往性能，诸如平均值、平均数、中位数 等）。
[0038] 而且，在某些实施例中，系统和方法使用所监控的制动器状态的组合来识别制动 系统的健康。例如，在制动器设定时间模型指示建议维护且制动压力量模型指示建议维护 时（但不在仅模型中的一个指示建议维护时），建议维护的警报可产生。此外，模型本身可 使用一个以上的条件。例如，制动器设定时间模型可使用所监控的制动器设定时间和所监 控的制动压力量来确定制动器的健康。
[0039] 因此，其中，本发明提供了监控挖掘机的制动系统的系统和方法。本发明的各种特 征和优点在以下权利要求书中阐述。
【权利要求】
1. 一种挖掘机，所述挖掘机包括： 制动器，所述制动器可操作成停止所述挖掘机的部件的运动； 第一传感器，所述第一传感器可操作成感测所述制动器的特征以产生制动数据； 第二传感器，所述第二传感器可操作成感测所述挖掘机的所述部件的运动以产生运动 数据；以及 控制器，所述控制器可操作成 接收所述制动数据和所述运动数据， 根据制动器设定模型和制动器松开模型分析所述制动数据和所述运动数据，并且 通过所分析的制动数据或所分析的运动数据响应于问题输出警报。
2. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述控制器还根据制动压力模型分析所述制动 数据。
3. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述制动压力模型基于将感测到的制动压力与 平均制动压力进行比较。
4. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述制动器设定模型基于将所述制动器被启动 和所述部件停止移动之间的时间段与平均制动器设定模型时间段进行比较。
5. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述制动器松开模型基于将所述制动器被关闭 和制动器松开指示器启动之间的时间段与平均制动器松开模型时间段进行比较。
6. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述制动器松开指示器指示制动器电磁线圈已 经被启动。
7. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述警报被输出到网络。
8. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述警报被输出给用户。
9. 如权利要求1所述的挖掘机，其中，所述警报完全关闭所述挖掘机。
10. -种监控挖掘机的制动器的健康的方法，所述挖掘机包括可移动部件，所述方法包 括： 感测所述制动器的特征以产生制动数据； 感测所述可移动部件的运动以产生运动数据； 根据制动器设定模型和制动器松开模型分析所述制动数据和所述运动数据；以及 通过所分析的制动数据或所分析的运动数据响应于问题输出警报。
11. 如权利要求10所述的方法，还包括根据制动压力模型分析所述制动数据。
12. 如权利要求10所述的方法，其中，所述制动压力模型基于将感测到的制动压力与 平均制动压力进行比较。
13. 如权利要求10所述的方法，其中，所述制动器设定模型基于将所述制动器被启动 和所述部件停止移动之间的时间段与平均制动器设定模型时间段进行比较。
14. 如权利要求10所述的方法，其中，所述制动器松开模型基于将所述制动器被关闭 和制动器松开指示器启动之间的时间段与平均制动器松开模型时间段进行比较。
15. 如权利要求10所述的方法，其中，所述制动器松开指示器指示制动器电磁线圈已 经被启动。
16. 如权利要求10所述的方法，其中，所述警报被输出到网络。
17. 如权利要求10所述的方法，其中，所述警报被输出给用户。
18. 如权利要求10所述的方法，其中，所述警报完全关闭所述挖掘机。
19. 如权利要求10所述的方法，其中，所述分析通过所述挖掘机的控制器本地进行。
20. 如权利要求10所述的方法，还包括将所述制动数据和所述运动数据输出到远程服 务器，其中，所述远程服务器执行所述制动数据和所述运动数据的分析。
【文档编号】B60Q1/00GK104334405SQ201480001033
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】迈克尔·J·里科拉, 沙希基兰·古杜尔, 阿努巴·布尚 申请人:哈尼施费格尔技术公司