專利名稱：壓力感應軟管的制作方法
技術領域：
本公開涉及用于測量軟管特性的方法和系統(tǒng)；特別地，本公開涉及壓力感應軟管。
背景技術：
高壓加強液壓軟管通常用在諸如挖土機的多種流體動力操作機械中，以提供在機器上或機器內使用的液壓回路的多個移動部分之間的柔性連接。這樣的軟管可包括中空聚合物內管，在該內管上連續(xù)的圓柱形增強材料層，例如線或織物，被集中應用以包含在內管內產生的徑向和軸向壓力。許多應用要求軟管結構具有高爆裂強度和長時間的抗疲勞性。使用傳統(tǒng)的技術，軟管設計的爆裂強度可通過增加額外的加強材料和/或層，通常因為在軟管柔性上的負面碰撞所阻礙的實踐，或通過普遍增加每層加強材料的拉伸強度而增加，這可在損失軟管的抗疲勞性的情況下進行。脈沖測試通過循環(huán)地使軟管遭受液壓來測量軟管設計對疲勞失效的抵抗能力。另一方面，爆裂測試是通過一致地增加內部壓力直到失效來確定軟管的極限強度的破壞性液壓測試。基于這些和其他測試，生產商可估計軟管壽命，可使用該壽命來確定何時軟管到達其壽命終點并需要更換。在某些情況下，期望以非破壞性的和不制造混亂的方式檢測液壓軟管的失效可能性。在美國專利N0.7，555，936中討論了具有這種能力的一種方法，并公開了在軟管壁的兩個平行的，至少部分導電的層之間連接監(jiān)控電路。通過監(jiān)控電路觀察到的電特性的改變可指示能夠指示軟管壁即將失效的軟管壁結構的特性變化。但是，即使采用這種方案，也可能難以確定改變的電特性事實上是否由于軟管壁的物理特性的改變，或者如果改變的電特性是由于傳感電子設備的改變，連接監(jiān)控電路到軟管壁的線束的電特性的改變，或僅僅是到軟管壁的電連接的老化。在這些情況下，即使當不妥協(xié)軟管壁的整體性時也可存在觀察到的電特性中的變化，而相反的是由于軟管內的位置和壓力的改變。這是因為現(xiàn)有的方案沒有考慮到軟管內的壓力，或者用于監(jiān)控的目的或者用于補償失效感應電路上的壓力效應。

發(fā)明內容
在第一示例方面，壓力感應軟管組件包括軟管組件，該軟管組件包括具有第一和第二導電層的軟管和電連接到軟管組件的第一和第二導電層的電路。該電路產生在軟管組件的第一和第二導電層兩端的電信號，軟管組件產生對電信號的電響應。壓力感應軟管組件進一步包括被配置為接收電響應和基于電響應估計在軟管組件內的壓力的計算系統(tǒng)。在第二示例方面，感應軟管組件的內部壓力的方法包括提供電信號給軟管組件和基于軟管組件對電信號的響應計算至少一個軟管組件的電特性。該方法同樣包括基于電響應估計軟管組件內的壓力。在第三示例方面，感應軟管組件的內部壓力的方法包括在通過彈性絕緣層分隔的軟管組件的第一和第二同心導電層兩端施加電壓，并確定在軟管組件兩端的電壓降。該方法進一步包括基于軟管組件兩端的電壓降計算軟管組件的電阻和電容，并至少部分基于電阻和電容估計軟管組件的壁厚度的改變。該方法同樣包括對壁厚度的所估計的改變應用滯后模型以估計軟管組件內的壓力。


圖1是使用具有根據本公開原理的方面的示例性特征的失效檢測器的示例性軟管組件的部分橫截面視圖。圖2是圖示使用適合與圖1的軟管組件一起使用的編織導電層的示例性軟管的部分切掉的透視圖。圖3是圖示使用適合與圖1的軟管組件一起使用的螺旋線導電層的示例性軟管的部分切掉的透視圖。圖4是圖1-3的軟管組件的模型的示意性橫截面圖。圖5是圖4的軟管組件的電原理模型。圖6是根據一個示例實施例的軟管組件的一部分的示意性軸向切開視圖。圖7是受壓的軟管組件的模型的示意性橫截面圖。圖8是受壓的軟管組件的電原理模型。圖9是圖示根據本公開實施例的包括在軟管組件中的絕緣層的彈性響應性的滯
后豐吳型。圖10是圖示被施加到軟管組件的示例輸入壓力波的圖。圖11是圖示響應于圖11的輸入壓力波在軟管觀察到的電壓改變的圖。圖12是圖示基于圖11的輸入壓力波包括在軟管組件中的絕緣層的響應性的示例滯后曲線的圖。圖13是根據示例實施例，用于感應和計算軟管組件的內部壓力的方法流程圖。圖14是圖示被施加到軟管組件的示例輸入壓力波的圖。圖15是圖示響應于圖14的輸入壓力波的示例性測量的軟管組件電壓響應的圖。圖16是圖示基于圖15中示出的所測量的電壓所估計的在位于導電層之間的彈性層厚度的圖。圖17是圖示在圖16中示出的厚度計算上施加滯后模型后在軟管組件內的所估計的壓力的圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考在附圖中圖示的本公開的示例性方面更詳細地描述。只要有可能，相同的參考數字將在全部附圖中用于指代相同或相似的結構。通常，本公開涉及用于確定軟管組件的內部壓力的方法和系統(tǒng)。根據在此討論的不同實施例，包括同心導電層的軟管組件可作為具有隨壓力變化的電響應的同軸電纜來建模。通過考慮在導電層之間的彈性層的滯后效應，可基于隨時間的軟管的電響應來估計軟管組件內的當前壓力。這允許液壓軟管的用戶能夠用合理的精度監(jiān)控軟管內的壓力，而不需要單獨的壓力計或其他儀器。現(xiàn)在參考圖1，示出示例性軟管監(jiān)控系統(tǒng)，通常指定為10。軟管監(jiān)控系統(tǒng)10包括軟管組件，通常指定為12，和與軟管組件12電和物理通信的監(jiān)控組件14。軟管監(jiān)控系統(tǒng)10例如可用于確定軟管組件12的當前可操作特性，例如軟管組件12內的當前壓力，或用于監(jiān)控軟管組件中的老化和/或失效。軟管組件12包括軟管，通常指定為16，具有多層結構。在主題實施例中，軟管16通常是柔性的并包括由聚合材料制成的內管18，該聚合材料例如是橡膠或塑料，或其他取決于特定應用需要的材料，第一導電層20，中間層22，第二導電層24和外罩26。第一和第二導電層20，24限定了軟管組件12的電特性，例如電容，電導和/或電阻(阻抗)。在主題實施例中，第一導電層20覆蓋內管18且中間層22覆蓋第一導電層20。第二導電層24覆蓋中間層22。第一和第二導電層20, 24可被配置為加強層。外罩26可覆蓋第二導電層24，并例如可包括橡膠或塑料的模壓層。外罩26本身可包括加強層。中間層22用來至少部分相互電絕緣第一和第二導電層20，24。中間層22可具有任意的多種結構。例如，中間層22可由單層電阻材料構成。中間層22同樣可由多層構成，其中至少一層展現(xiàn)電絕緣特性。同樣可在中間層22中使用某些復合材料，例如結合到聚合材料的機織織物。同樣可使用具有多種其他結構的復合材料。同樣可結合其他材料使用復合材料以形成中間層22。第一和第二導電層20，24通常延伸整個長度并跨越軟管的整個圓周。當導電層同樣作為增強層運行時是通常的情況。中間層22同樣可在軟管的整個長度和圓周上延伸。但是可存在第一和第二導電層20，24的至少一個僅在軟管長度的一部分和/或其圓周的一部分上延伸的例子。在這個例子中，中間層22同樣可被配置為通常在包括部分導電層20，24的軟管的區(qū)域上延伸。部分中間層22可位于軟管內以使第一和第二導電層20，24彼此分開。現(xiàn)在參考圖2和3，第一和第二導電層20，24例如可包括例如圖2中所示的導電編織增強材料或例如圖3中所示的導電螺旋增強材料的替代層。編織增強材料可由單層構成或可包括多層。盡管圖3中描述了雙導線螺旋增強布置，但同樣應當理解的是其他的配置，例如可同樣使用四或六線布置。第一和第二導電層20，24的可每一個具有相同的配置，或每一層可被不同地配置。例如，第一和第二導電層20，24的每一個可包括圖2中示出的編織材料，或第一和第二導電層20，24的中一個可包括編織材料，而第一和第二導電層20，24中的另一個可包括圖3中示出的螺旋增強材料。此外，第一和第二導電層20，24可包括單層(ply)或多層增強材料。第一和第二導電層20，24可包括金屬線，天然或合成纖維或織物和其他增強材料，假設所選擇的材料是導電的。再次參考圖1，軟管組件12可包括軟管接頭，通常指定為30，用于流動地將軟管16耦接到其他部件。軟管接頭30可至少部分取決于特定應用的需要，具有任意多種不同的配置。在主題實施例中，軟管接頭30包括通常指定為32的接合到軟管16的內側的螺紋接頭和通常指定為34的接合到軟管16的外側的插座。螺紋接頭32包括接合軟管16的內管的伸長的圓柱形端部36。插座34的圓柱形端部38接合軟管16的外罩。插座34和螺紋接口 32可由導電材料構成。插座34和螺紋接口 32可通過卷曲覆蓋軟管16的插座34的端部38而被固定到軟管16。卷曲處理使插座34的端部38變形，從而壓縮在螺紋接口 32和插座34之間的軟管
16。在該主題實施例中，當將插座34卷曲以幫助固定軟管接頭30到軟管16時，接合軟管16的螺紋接口 32和插座34的部分包括至少部分地嵌入到相應的更軟的軟管材料中的一系列鋸齒。鋸齒可被配置成防止侵入內管和外罩并接觸第一和第二導電層20，24的鋸齒。在主題實施例中，插座34包括向內延伸的圓周凸緣40，該凸緣40位于與軟管的端部44鄰近的插座34的端部42附近。凸緣40接合在螺紋接口 32中形成的對應圓周槽46用于固定插座34到螺紋接口 32。具有凸緣40的插座34的端部42最初形成比螺紋接口 32更大以使插座34能夠被裝配在螺紋接口 32上。在裝配過程中插座34的端部42被卷曲，這使插座34變形并迫使凸緣40與螺紋接口 32中對應的槽46接合。插座34可通過在凸緣40接合槽46的點處在插座34和螺紋接口 32之間放置電絕緣環(huán)48來與螺紋接口32電絕緣。軟管接頭30同樣包括附接到螺紋接口 32的螺母50。螺母50提供用于固定軟管組件12到其他部件的裝置。第一導電層20可被配置為延伸超過軟管16的內管的端部。第一導電層20可接合螺紋接口 32以產生在螺紋接口 32和第一導電層20之間的電連接。相似地，第二導電層24可被配置為延伸超過軟管16的外罩的端部。第二導電層24可接合插座34以產生在插座34和第二導電層24之間的電連接。為了幫助防止延伸超過軟管16的端部的第一和第二導電層20，24的一部分互相接觸，電絕緣墊片52可放置在第一和第二導電層20，24暴露端之間。墊片52可完整地形成作為用于電絕緣插座34和螺紋接口 32的環(huán)48的一部分。墊片52同樣可由延伸超過內管18和外罩26的端部的軟管16的中間層構成。墊片52同樣可配置成與環(huán)48和軟管16的中間層22分開的孤立部件。監(jiān)控組件14可具有任意多種配置。通常，監(jiān)控組件14在軟管組件12的一部分上，特別是圖1示出的部分上可連接。當被安裝在軟管組件12上時，監(jiān)控組件14形成與軟管組件12的物理和電連接，并且分別特別連接到螺紋接口 32和插座34。通常，監(jiān)控組件14在確認到螺紋接口 32和插座34的連接的同時檢測軟管組件12的電特性。下面將結合圖4至17,進一步詳細地描述示例性監(jiān)控組件14。現(xiàn)在參考圖4至5，給出軟管組件12和可包括在監(jiān)控組件14中的監(jiān)控電路的示意性表示。在圖4中，示出了軟管組件100的橫截面示意性物理表示。軟管組件100示意性地作為分別具有同心的第一和第二導電層102，104的同軸電纜出現(xiàn)。第一和第二導電層102,104在某些實施例中可以對應于上面圖1至3的層20，24。彈性層106位于第一和第二導電層102，104之間，并用作電隔離上述層的絕緣體。因此，如圖5所示，軟管組件100可被表示為平行的電容器140和電阻器120(例如，模仿同軸電纜布置)。注意在圖4中，通過彈性層106隔開的導電層102，104的面對部分，將用作分隔的電容器板，具有各自的電阻分量。因此，如圖5所示，監(jiān)控電路200可采用施加到第一導電層的電壓(VsensOT) 202和電阻(RsensOT) 204的形式，以及可在第二導電層上檢測到響應。同樣地，在電阻204和軟管組件100 (由平行的電阻器120和電容器140示意性表示)之間的點處的電壓(U指示歸因于電阻(Rsmsot) 204或軟管組件100兩端的電壓降的整體電壓(Vsensor) 202 的比例。為了評估圖4至5的軟管組件的電響應，考慮軟管組件的多種物理特性，包括彈性層106的電阻率(P )，還有彈性體的介電常數(ε )，和軟管的長度(L)。此外，也考慮導電層102，104的徑向位置(各自的距離a和b)。同樣地，當直流電壓，例如電壓(VsensOT)202在監(jiān)控組件200中施加時，電阻器(Rhtjse) 120和電容器(Ctose) 140可由如下等式表示:
權利要求
1.一種壓力感應軟管組件，包括: 軟管組件，其包括具有第一和第二導電層的軟管； 電路，其電連接到所述軟管組件的所述第一和第二導電層，所述電路產生在所述軟管組件的所述第一和第二導電層兩端的電信號，其中所述軟管組件產生對所述電信號的電響應； 計算系統(tǒng)，被配置為接收所述電響應并基于所述電響應估計在所述軟管組件內的壓力。
2.如權利要求1所述的壓力感應軟管組件，其中所述壓力是所述軟管組件內的液壓。
3.如權利要求1所述的壓力感應軟管組件，其中所述計算系統(tǒng)被配置為應用算法以估計所述軟管組件的壁厚度，所述計算系統(tǒng)進一步被配置為應用滯后模型以基于壁厚度隨著時間的變化來估計所述壓力。
4.如權利要求1所述的壓力感應軟管組件，其中所述第一和第二導電層包括同中心地設置的內部和外部導電層。
5.如權利要求4所述的壓力感應軟管組件，進一步包括位于所述第一和第二導電層之間的絕緣彈性層。
6.如權利要求5所述的壓力感應軟管組件，其中所述壁厚度包括所述絕緣彈性層的厚度。
7.如權利要求6所述的 壓力感應軟管組件，其中基于在所述軟管組件兩端的電響應和所述軟管組件的一個或多個物理特性來計算所述彈性層的厚度。
8.如權利要求7所述的壓力感應軟管組件，其中所述軟管組件的一個或多個物理特性包括軟管的長度和所述第一和第二導電層的半徑。
9.如權利要求7所述的壓力感應軟管組件，其中所述軟管組件的一個或多個物理特性包括在所述軟管組件中使用的材料。
10.如權利要求1所述的壓力感應軟管組件，其中所述電路包括包含電壓源和標量電阻器的監(jiān)控電路。
11.一種方法，用于感應軟管組件的內部壓力，該方法包括: 提供電信號給軟管組件； 基于所述軟管組件對所述電信號的響應來計算所述軟管組件的至少一個電特性； 至少部分地基于所述電特性估計在所述軟管組件內的壓力。
12.如權利要求11所述的方法，其中施加電信號到所述軟管組件包括使用監(jiān)控電路在所述軟管組件的第一和第二導電層兩端施加電壓。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述監(jiān)控電路包括電壓源和標量電阻器。
14.如權利要求11所述的方法，其中計算所述軟管組件的至少一個電特性包括計算所述軟管組件的電阻。
15.如權利要求11所述的方法，其中估計所述軟管組件內的所述壓力包括: 至少部分基于所述電特性估計所述軟管組件的壁厚度的變化；和 將滯后模型應用到壁厚度的估計的變化以估計所述軟管組件內的壓力。
16.如權利要求15所述的方法，其中估計所述軟管組件的壁厚度的變化至少部分基于所述電阻。
17.如權利要求16所述的方法，其中計算所述軟管組件的至少一個電特性包括計算電容。
18.如權利要求17所述的方法，其中估計所述軟管組件的壁厚度的變化至少部分基于所述電阻和所述電容。
19.如權利要求15所述的方法，其中對于在所述軟管組件中使用的特定材料組以經驗確定所述滯后模型。
20.如權利要求15所述的方法，其中所述滯后模型涉及位于所述軟管組件的第一和第二導電層之間的彈性層的厚度變化的響應性。
21.如權利要求20所述的方法，其中所述滯后模型通過如下等式表示: X2 (t) = X2 (t-1) *e-t*e +P (t) * α * (l-e_t*e)。
22.一種方法，用于感應軟管組件的內部壓力，該方法包括: 在由彈性絕緣層隔開的軟管組件的第一和第二同心導電層兩端施加電壓； 確定所述軟管組件兩端的電壓降； 基于所述軟管組件兩端的所述電壓降計算所述軟管組件的電阻和電容； 至少部分基于所述電阻和電容估計所述軟管組件的壁厚度的變化；和 將滯后模型應用到壁厚度的估計的變化以估計所述軟管組件內的壓力。
全文摘要
公開了一種壓力感應軟管組件及其使用方法。在示例方面，壓力感應軟管組件包括軟管組件和電路，其中軟管組件包括具有第一和第二導電層的軟管，電路電連接到軟管組件的第一和第二導電層。電路產生軟管組件的第一和第二導電層兩端的電響應。壓力感應軟管組件進一步包括被配置為接收電響應并基于電響應估計軟管組件內的壓力的計算系統(tǒng)。
文檔編號F16L11/127GK103221798SQ201180056353
公開日2013年7月24日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2010年11月22日
發(fā)明者L·R·佩雷拉, H·阿爾-阿塔特, M·A·朱德斯 申請人:伊頓公司