[0001] 本公开涉及一种用于建筑机械的防翻覆系统和方法。更具体地，本公开涉及如下一种用于建筑机械的防翻覆系统和方法：在建筑场地中或在斜坡上挖掘期间，当建筑机械
的重心偏离安全范围或进入临界范围时，该系统和方法能够在阻止工作油的供给的同时警
告操作员，以防止建筑机械翻覆或倾翻。

[0002] 在诸如挖掘机或轮式装载机的建筑机械的操作中，建筑机械的重心不同地改变。特别地，在斜坡上挖掘或采掘期间或者在搬运有效载荷(包括引起过度负载的大量岩石)的
操作中，建筑机械的重心可能偏离所允许的安全范围，从而导致翻覆。

[0003] 典型地，当建筑机械的重心靠近上框架或上部回转结构的回转轴线时，建筑机械更安全。在重心远离回转轴线的情况下，安全程度降低并且翻覆的风险增加。驾驶室中的操
作员不能识别建筑机械的重心的变化。因此，即使在建筑机械的重心已经偏离所允许的安
全范围的情况下，操作员仍然允许用于挖掘或采掘的工作附件的移动。因为工作附件在操
作期间移动，所以建筑机械的重心变得不稳定。

[0004] 传统建筑机械未设有用于通知操作员重心已偏离所允许的安全范围的技术手段。不存在当翻覆的风险由于重心已经移动远离了回转轴线而增加时用于限制工作附件或建
筑机械的移动的方案。

[0005] 作为众所周知的实例，美国专利No.8,768,581公开了“WORK MACHINE SAFETY DEVICE(工程机械安全装置)”。该专利旨在使用ZMP计算装置来防止设备的翻覆。

[0006] 然而，该专利并非旨在当翻覆的风险由于重心偏离安全范围而增加时自动地或强制地限制工作附件或设备的移动。

[0007] 因此，建筑机械需要如下一种功能：在操作期间当翻覆的风险由于重心的偏离而增加时，能够通过用关于重心的信息警告操作员并且强制地限制建筑机械的移动来防止翻
覆。

[0030] 现在将详细参考本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中被示出。虽然将结合以下实施例来描述本公开，但应当理解，它们并非旨在使本公开仅限于这些实施例。相
反，本公开旨在涵盖可以被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替代
物、变型例和等同物。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了众多具体细节以提供对本
公开的透彻理解。然而，可以在无这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他情形
中，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和回路，以免不必要地模糊本公开的各方面。

[0031] 根据本公开的示例性实施例的用于建筑机械的防翻覆系统能够用在诸如挖掘机或轮式装载机的建筑机械中，并且将参考示例性的挖掘机来描述该防翻覆系统。图1是示出
了应用本公开的挖掘机的立体图。

[0032] 如图1中所示，该挖掘机包括使用履带在地面上行进的底盘1和以可旋转方式安装在底盘1上的上框架5。

[0033] 包括工作附件10的上部回转结构6被设置在上框架5上。工作附件10包括：动臂2，该动臂2的近端部分被可枢转地连接到上框架5；斗杆3，该斗杆3被可枢转地连接到动臂2的
远端部分；和铲斗4，该铲斗4被可枢转地连接到斗杆3的远端部分。

[0034] 优选的是，使用铲斗固定销7a将铲斗4固定到斗杆3的远端部分，使得铲斗4能够绕铲斗固定销7a枢转。使用斗杆固定销7b将斗杆3的近端部分固定到动臂2的远端部分，使得
斗杆3能够绕斗杆固定销7b枢转。使用动臂固定销7c将动臂2的近端部分固定到上框架5，使
得动臂2能够绕动臂固定销7c枢转。

[0035] 在诸如斜坡的建筑场地中进行挖掘工作期间，动臂2响应于动臂缸8的伸展和收缩而被驱动。同样，斗杆3和铲斗4分别响应于斗杆缸9和铲斗缸7的伸展和收缩而被驱动。另
外，回转马达26能够使包括上部回转结构6的上框架5回转。

[0036] 优选的是，回转马达26、动臂缸8、斗杆缸9和铲斗缸7由液压源致动。

[0037] 图2示意性地示出了用于图1中所示的挖掘机的液压回路。使用了双泵液压系统来驱动应用了本公开的挖掘机。

[0038] 优选的是，该液压系统包括发动机21、连接到发动机21的第一和第二可变容量液压泵(在下文中被称为“第一和第二液压泵”)22和23、以及先导泵24。

[0039] 在与第一液压泵22连通的流动通道25上，设置有控制回转马达26的操作的回转控制阀27、控制斗杆缸28的操作的斗杆控制阀29、以及控制左行进马达30的操作的行进控制
阀31。

[0040] 另外，在与第二液压泵23连通的流动通道32上，设置有控制动臂缸33的操作的动臂控制阀34、控制铲斗缸35的操作的铲斗控制阀36、以及控制右行进马达37的操作的行进
控制阀38。

[0041] 流动通道25和32允许从第一液压泵22和第二液压泵23排出的油通过流动通道25和32被输送。与第一液压泵22连通的平行流动通道25a被连接到流动通道25，而与第二液压
泵23连通的平行流动通道32a被连接到流动通道32。返回管线39允许从第一液压泵22和第
二液压泵23排出的液压油通过该返回管线39返回到液压罐T。

[0042] 图3是示出了根据本公开的实施例的用于建筑机械的防翻覆系统的框图。

[0043] 参考图3，根据本公开的用于建筑机械的防翻覆系统包括第一角度检测单元12和第二角度检测单元13。第一角度检测单元12被邻近于转动接头11布置，以检测上框架5的回
转角度。转动接头11被布置在以可旋转方式布置在底盘1上的上框架3的中心部分上。第二
角度检测单元13被布置在上框架5上，以检测上部回转结构6的角运动。

[0044] 第一角度检测单元12包括旋转编码器。在这种情况下，能够基于与转动接头11邻近的小齿轮的转数(number of revolutions)、或者基于与和环形齿轮或联接器有关的回
转角度成比例的脉冲来检测上框架5的回转角度。第二角度检测单元13包括双轴线角度传
感器。在此情况下，第二角度检测单元13可以是被布置在电子控制器14上的片上系统装置
(system-on-chip device)，该电子控制器14设置在此建筑机械中。第二角度检测单元13的
所述双轴线被定义为该建筑机械的宽度轴线X’和纵向轴线Y’。

[0045] 对于在包括斜坡的工作场地中的挖掘工作，每个控制装置19各自通过先导信号管线Pi提供用于阀芯的切换的阀控制信号。该阀控制信号包括与操作员的操控程度相对应的
先导信号或电信号。

[0046] 优选的是，当由操作员操控时，控制装置19分别各自向控制阀27、29、31、34、36和38的阀芯提供从先导泵24提供的先导信号压力。

[0047] 例如，操作员能够通过操控该控制装置19(例如一个或多个控制装置)以组合的方式来控制铲斗缸7和回转马达26的操作，以在斜坡上的挖掘工作期间执行使用铲斗的挖掘、
上下地驱动动臂或者使上部回转结构回转。

[0048] 根据本公开的防翻覆系统包括被布置在流动通道25和32上的安全阀40，该流动通道25和32与用于所述工作附件的液压缸28、33和35及回转马达26连通。安全阀40响应于外
部信号而打开和关闭流动通道25和32，以便控制被供给到液压缸28、33和35的工作油的流
动。

[0049] 例如，安全阀40包括：第一安全阀40a，该第一安全阀40a被布置在流动通道25上，以阻止从第一液压泵22供给的油的流动；和第二安全阀40b，该第二安全阀40b被布置在流
动通道32上，以阻止从第二液压泵23供给的油的流动。

[0050] 安全阀40不限于具有单个液压泵的液压系统，并且应解释为能够被修改成各种形式。例如，在三泵液压系统的情况下，能够添加第三安全阀。

[0051] 优选的是，每个安全阀40均被实现为电磁阀，其连接到控制器14以由此被打开和关闭。

[0052] 根据本公开的另一个实施例，虽然中未示出，但安全阀40可以被分别布置在从控制装置19连接到液压控制阀27、29、31、34、36和38的阀芯的先导信号管线Pi上。例如，在动臂上升或动臂下降操作期间，来自控制装置19的先导信号压力可以被安全阀40阻止。因此，
动臂控制阀34由于在斜坡上时的阀弹簧的弹力而返回到中立位置，由此，停止了将会导致
所述工作附件的重心偏离的、动臂2的移动。

[0053] 根据本公开的用于建筑机械的防翻覆系统包括电子控制器14，该电子控制器14电连接到第一角度检测单元12、第二角度检测单元13和安全阀40。电子控制器14包括重心计
算部14a、安全范围确定部14b和信号输出部14c。

[0054] 重心计算部14a遵循预设的算法、基于从第一角度检测单元12和第二角度检测单元13申请到的角度的值来计算底盘1的重心Buc、上框架5的重心Buf、工作附件10的重心Bat、该建筑机械在第一状态下的第一重心B1、以及该建筑机械在第二状态下的第二重心B2。该建
筑机械的第一重心B1取决于第一状态，而该建筑机械的第二重心B2取决于第二状态，在第一
状态下，铲斗4在离回转轴线Z最远距离A处且被装载满，在第二状态下，铲斗4在离回转轴线
Z最近距离G处且未被装载。

[0055] 安全范围确定部14b确定该建筑机械的第一重心B1或第二重心B2是否存在于安全范围内。

[0056] 当该建筑机械的第一重心B1或第二重心B2偏离所述安全范围时，信号输出部14c提供用于安全阀40的关闭信号并向操作员提供警告信号。

[0057] 根据本公开，这些重心是能够基于宽度轴线X、纵向轴线Y和相对于建筑机械的转动接头11的回转轴线Z被计算并能够被确定为坐标的、遵循右手法则的XYZ坐标。

[0058] 另外，所述安全范围应被解释为如图5b中所示的安全重心范围，在该安全重心范围内，建筑机械能够在建筑场地中的地面或斜坡的表面上安全地执行挖掘工作而不会翻覆
或倾翻。

[0059] 所述安全范围被设定在由底盘1和地面之间的接触表面限定的临界范围内，并且具有矩形的尺寸，所述矩形的尺寸包括该接触表面的沿着轴线X的宽度W和该接触表面的沿
着轴线Y的长度L。

[0060] 所述临界范围包括表面或四面体，在工作过程期间，该表面或四面体的重心偏离所述安全范围。

[0061] 显示单元42被连接到控制器14。显示单元42呈现由控制器14的信号输出部14c提供的安全范围，使得操作员能够在视觉上识别出该安全范围。优选的是，显示单元42被布置
在设置于上部回转结构6中的驾驶室中。

[0062] 警告单元41被连接到控制器14。当该建筑机械的第一重心B1或第二重心B2偏离所述安全范围时，警告单元41向操作员提供听觉信息。例如，警告单元41包括蜂鸣器或扬声
器。

[0063] 图4是示出了根据本公开的实施例的用于建筑机械的防翻覆方法的流程图。该防翻覆方法包括：

[0064] 使用邻近于转动接头11布置的第一角度检测单元12来检测上框架5相对于转动接头11绕回转轴线Z的回转角度的变化的步骤；

[0065] 使用邻近于上框架5布置的第二角度检测单元13来检测上部回转结构6沿着建筑机械的上框架宽度轴线X’和纵向轴线Y’的角运动的步骤；

[0066] 计算相对于底盘宽度轴线X、纵向轴线Y和回转轴线Z限定的上框架5的重心坐标Buf(xuf，yuf，zuf)的步骤；

[0067] 基于在第一状态下确定的工作附件的第一重量Wat1和在第二状态下确定的工作附件的第二重量Wat2来计算工作附件在第一状态下的第一重心Bat1(Xat1，Yat1，Zat1)和工作附件在第二状态下的第二重心Bat2(Xat2，Yat2，Zat2)的步骤，在第一状态下，铲斗4在离回转轴线Z最远距离处且被装载满，在第二状态下，铲斗4在离回转轴线Z最近距离处且未被装载；以及

[0068] 基于底盘1的重心坐标Buc(Xuc，Yuc，Zuc)、底盘1的重量Wuc、上框架5的重量Wuf、工作附件在第一状态下的重量Wat1和工作附件在第二状态下的重量Wat2来计算建筑机械的第一重心B1(X1，Y1，Z1)和建筑机械的第二重心B2(X2，Y2，Z2)的步骤。第一角度检测单元12被实现为旋转编码器，而第二角度检测单元13被实现为2-轴线角度传感器。

[0069] 如图4中所示，关于绕转动接头11的回转轴线Z的角度变化的参数被从该旋转编码器读出，并且控制器14或重心计算部14a计算并校准重心坐标。

[0070] 另外，关于绕上框架宽度轴线X’和纵向轴线Y’的角度变化的参数被从所述2-轴线角度传感器读出，并且控制器14或重心计算部14a计算并校准重心坐标。

[0071] 图5a和图5b是示出了建筑机械的底盘的重心、上框架的重心和工作附件的重心的示意图。

[0072] 如图5a和5b中所示，该底盘、上框架和工作附件被示意性地用方框表示。被实现为2-轴线角度传感器的第二角度检测单元13基于水平平面来定义沿着轴线X’的倾斜角度α和
沿着轴线Y’的倾斜角度β，而被实现为旋转编码器的第一角度检测单元12定义沿轴线Z的回
转角度θ。在工作附件11面向前的位置上，回转角度θ被设定为“零(0)”。

[0073] 根据本公开，底盘的重心坐标Buc(Xuc，Yuc，Zuc)、上框架的重心坐标Buf(Xuf，Yuf，Zuf)和工作附件的重心坐标Bat(Xat，Yat，Zat)被分别计算和确定如下：

[0074] 底盘的重心坐标Buc(Xuc，Yuc，Zuc)的计算

[0075] 如果底盘1存在n个部件，各部件的重量为w1到wn，各部件的重心坐标为(X1，Y1，Z1)到(Xn，Yn，Zn)，则：

[0076]

[0077] 底盘(1)的总重量为Wuc。

[0078]

[0079] 上框架的重心坐标Buf(Xuf，Yuf，Zuf)的计算

[0080] 在此计算过程中，为了检测上框架5相对于转动接头11绕回转轴线Z的回转角度的变化，进一步包括了复位第一角度检测单元12的步骤。

[0081] 参考图5a，坐标系OXYZ建立在底盘的底平面上，其中，轴线X总是沿着底盘的宽度方向，轴线Y总是沿着底盘的纵向方向，轴线Z是回转轴线。坐标系OXYZ将与底盘一起移动。
当回转角度θ为0°时，假定上框架1的原始重心为Buf0(Xuf0，Yuf0，Zuf0)。使用公式3.1的相同方法，能够获得Buf0(Xuf0，Yuf0，Zuf0)的坐标。在此情况下，当旋转编码器12首次在该建筑机械上使用时，它需要被校准，这意味着：当θ等于0°时，所述附件正好位于建筑机械的前方。当上框架围绕回转轴线Z旋转θ时：

[0082] Zuf＝Zuf0............(3.3)

[0083] 为了得到Buf的全坐标，仅需要考虑2维轴线系OXY：

[0084]

[0085] 然后，能够如下地获得坐标Xuf和Yuf：

[0086]

[0087] 工作附件的重心坐标Bat(Xat，Yat，Zat)的计算

[0088] 图6是示出了根据图1中所示的铲斗的移动而绘制出的路线的示意图。

[0089] 参考图6，工作附件的相对重心根据工作附件的位置而不同。因此，为了获得工作附件的重心Bat的坐标，假定工作附件10具有如下的两个极端状态：

[0090] 第一状态：具有离回转轴线最远的距离A和被装载满的铲斗，所述附件的重量为Wat1；和

[0091] 第二状态：具有离回转轴线最近的距离G和未被装载的铲斗，所述附件的重量为Wat2。

[0092] 第一状态最有可能沿着底盘和斜坡之间的前界面边缘(这里，前后方向是根据驾驶室中的驾驶员的视线)而倾翻，并且第二状态最有可能沿着后界面边缘而倾翻。第一状态
和第二状态的重心分别是Bat1(Xat1，Yat1，Zat1)和Bat2(Xat2，Yat2，Zat2)。

[0093] 当回转角度θ等于0°并且假定所述附件在第一状态和第二状态下的重心坐标分别是Bat1’(Xat1’，Yat1’，Zat1’)和Bat2’(Xat2’，Yat2’，Zat2’)时，能够根据公式3.1的类似方法用公式表示Bat1’(Xat1’，Yat1’，Zat1’)和Bat2’(Xat2’，Yat2’，Zat2’)。此外，利用公式3.5的类似方法，能够如下地用公式表示Bat1(Xat1，Yat1，Zat1)和Bat2(Xat2，Yat2，Zat2)的坐标：

[0094]

[0095]

[0096] 为了分别计算整个机械在第一状态和第二状态下的坐标B1和B2，假定上框架的重量、所述附件在第一状态下的重量和所述附件在第二状态下的重量分别为Wuf、Wat1和Wat2，计算方法类似于公式3.1的方法。然后，能够如下地用公式表示B1(X1，Y1，Z1)和B2(X2，Y2，Z2)：

[0097]

[0098] 接下来，参考图5a，坐标系OXYZ建立在底盘的底平面上，其中，轴线X总是沿着底盘的宽度方向，轴线Y总是沿着底盘的纵向方向，坐标系OXYZ将与底盘一起移动。坐标系O’X’Y’Z’建立在上框架的底平面上，其中，轴线X’总是沿着上框架的宽度方向，轴线Y’总是沿着上框架的纵向方向，坐标系O’X’Y’Z’将与上框架一起移动或旋转。假定存在经过点O的水平平面H，并且平面H的方程是：

[0099] x+By+Cz＝0..................(5.1)

[0100] 倾斜角度“α”等于轴线X’(平行于上框架的宽度方向)和水平平面H之间的角度，倾斜角度“β”等于轴线Y’(平行于上框架的纵向方向)和水平平面H之间的角度。利用旋转角度“θ”，坐标系OXYZ中的沿轴线X’的单位矢量 和沿轴线Y’的矢量 能够被表示如下：

[0101]

[0102]

[0103] 并且，矢量 是水平平面H的法向矢量，它能够被表示如下：

[0104]

[0105] 根据角度“α”和“β”的定义，则

[0106]

[0107] 经由公式5.5，能够计算B和C的值。此外，能够获得用于经过坐标系OXYZ中的点B1(X1，Y1，Z1)和B2(X2，Y2，Z2)的铅垂线的公式。经过点B1(X1，Y1，Z1)的铅垂线是：

[0108]

[0109] 经过点B2(X2，Y2，Z2)的铅垂线是：

[0110]

[0111] 假定坐标系OXYZ中的经过B1(X1，Y1，Z1)的铅垂线与平面XOY的交叉点是B’1(X’1，Y’1，0)，经过B2(X2，Y2，Z2)的铅垂线与平面XOY的交叉点是B’2(X’2，Y’2，0)。根据公式5.6，能够如下地获得B’1(X’1，Y’1，0)：

[0112]

[0113] 根据公式5.7，能够如下地获得B’2(X’2，Y’2，0)：

[0114]

[0115] 在此计算过程中，为了检测上部回转结构6或上框架5沿着建筑机械的宽度轴线X’和纵向轴线Y’的角运动，进一步包括了复位第二角度检测单元13的步骤。

[0116] 与安全范围的比较和确定

[0117] 本公开包括了确定建筑机械的第一重心B1或建筑机械的第二重心B2是否存在于安全范围内的步骤，其中，该安全范围被设定在由底盘1和地面之间的接触表面限定的临界范
围内。该临界范围被限制为矩形结构，此矩形结构具有该接触表面的平行于轴线X的宽度W
和该接触表面的平行于轴线Y的长度L。该安全范围的宽度和长度取决于预设的临界参数
γ，并且小于该接触表面的宽度W和长度L。

[0118] 例如，能够通过将B’1(X’1，Y’1，0)和B’2(X’2，Y’2，0)的坐标与底盘和斜坡之间的接触表面的公式相比较来确定建筑机械是否可能翻覆。

[0119] 如图5b中所示，假定底盘和斜坡之间的接触表面的宽度为W并且长度为L，那么，能够在坐标系OXY中如下地描述该接触表面：

[0120]

[0121] 接下来，参考图5b，当将B’1(X’1，Y’1，0)和B’2(X’2，Y’2，0)的坐标与公式6.1相比较时，如果B’1(X’1，Y’1，0)和B’2(X’2，Y’2，0)落入公式6.1的安全范围内，则建筑机械是安全的。如果B’1(X’1，Y’1，0)或B’2(X’2，Y’2，0)偏离该安全范围，则建筑机械存在倾翻或翻覆风险。另外，为了提前向操作员提供警告或报警指示，可以引入临界参数γ(0≤γ≤0.5)，并且坐标系OXY中的安全范围能够被更新如下：

[0122]

[0123] 在此步骤中，如上所述，当确定重心B’1(X’1，Y’1，0)或重心B’2(X’2，Y’2，0)偏离所述安全范围时，关于翻覆风险或安全状态的信息被提供给操作员。

[0124] 例如，警告信号由控制器14的信号输出部14c转换并输出。该警告信号包括指示了翻覆风险或安全状态的图像，并且被提供给显示单元42，使得操作员能够在视觉上看到该
警告信号。另外，当警告单元输出音频信号时，操作员能够在听觉上识别出翻覆风险。

[0125] 本公开进一步包括了如下步骤：当确定建筑机械的第一重心B1或第二重心B2偏离安全范围时，输出用于安全阀40的关闭信号并向操作员输出警告信号。例如，参考图2，当在操控回转操作和动臂上升或动臂下降操作的过程中确定所述重心偏离安全范围的阈值时，
控制器14输出用于安全阀40a和40b的阀关闭信号。因此，从第一液压泵22和第二液压泵23
排出的工作油的供给被停止，并且上框架5和上部回转结构6的回转操作以及动臂操作均被
停止。

[0126] 根据本公开的另一实施例，当安全阀40a和40b被布置在控制装置的先导信号管线Pi上时，由控制装置19输出的先导信号压力被停止并且返回到液压罐T，控制阀元件被转换
到中立位置，因此该建筑机械的移动被停止。

[0127] 如上文所阐述的，本公开能够被不同地应用于诸如挖掘机和轮式装载机的建筑机械。本公开在允许将重心保留在安全范围内的同时为操作员提供安全信息。另外，当在建筑
场地中或在斜坡上执行挖掘的过程中确定建筑机械的重心偏离安全范围或进入临界范围
时，向操作员提供警告并停止工作油的供给，从而防止翻覆。

[0128] 另外，根据本公开，增强了操作员的安全意识，并且防止了翻覆。

[0129] 虽然已参考附图中的优选实施例描述了本公开，但应注意，在不偏离如权利要求中限定的本公开的范围的情况下，可以采用等同物并在此进行替换。