卡特彼勒機器控制與導航技術及其在水利水電工程中的應用

在工程建筑行業，承包商面臨的挑戰和壓力越來越大，在成本控制、質量管理、人員(機手)素質方面遇到越來越多的困難。為了幫助承包商應對挑戰和壓力，卡特彼勒很早就致力于用于土方工程機械的控制與導航(以下稱“機器控制”)技術的發展，并逐步把這項技術集成為機器的一部分。實踐證明，機器控制技術的作用是巨大的，是應對上述挑戰的最有效途徑。以下就這項技術的功能與作用、卡特彼勒主要相關方案及其應用進行簡要討論。

1 核心功能

在無需傳統的放樁和掛線的條件下，機器控制技術為操作手與機器互動提供了紐帶，使操作手能實時了解機器工作裝置的位置(2D或3D)，并利用引導信息或自動控制功能按事先導入機載控制箱的設計要求準確操控工作裝置(比如:鏟斗或鏟刀)的位置。圖1為2D挖掘機場地參照系統控制箱的引導信息。

圖1 2D挖掘機控制系統引導信息

除了圖1所示的圖形和數字引導以外，在工作裝置接近目標坡度和高程時還有光標和蜂鳴提示操作手，也只有在鏟斗斗齒或鏟刀刀刃即將到達目標時，操作手才會更多關注控制箱的引導信息。在3D控制系統的情況下，控制箱將實時顯示工作裝置相對設計目標的三維距離。

總而言之，機器控制系統賦予了機器二維或三維測量功能，把挖方和填方作業面當時的狀態與記憶中的設計要求相比較的結果顯示給操作手，并在控制模塊與機器液壓系統對接的條件下實現工作裝置的自動控制。

2 系統優點

a.提高生產效率并延長可作業時間。

b.節省燃油、人工和材料成本。

c.改善作業精度。

d.提升操作手勝任高質量和復雜工作的能力。

e.提升機器的多功能性、靈活性并減少機隊的規模。

f.使工地更環保、更安全。

3 卡特彼勒相關方案及其在堤壩等水利設施建設中的應用

卡特彼勒為多種土方工程機械提供2D和3D機器控制解決方案。在水利水電項目的建設中，機器控制技術的應用對壩體填筑(物料的攤鋪和壓實)以及堤壩和灌渠的邊坡開挖都具有重要價值。

3.1 用于部分機器的控制方案

用于部分機器的控制方案見下表。

用于部分機器的控制方案表

3.2 應用舉例

3.2.1 挖掘機

圖2和圖3為一臺卡特329DL挖掘機使用GPS 3D系統在土耳其一個引水灌溉工程中開挖水渠邊坡的情景。該項目使用機器控制技術之前連續半年多每個月的成本都高于中標價格。使用后，計入投資機器控制技術的費用在內，只用了3個月時間，承包商就開始盈利，而且盈利幅度逐月增加。不僅如此，整個項目計劃3年的工期(包括水渠全程混凝土襯砌)預計最少可縮短30%。

圖2 挖掘機GPS 3D系統用于土耳其灌溉工程水渠的邊坡開挖

圖3 控制箱顯示鏟斗左右側斗齒處在目標位置

3.2.2 推土機

圖4 2D激光系統用于D5N推土機

圖4 為葛洲壩集團在緬甸水電工程成功將2D激光系統用于卡特D5N推土機進行大壩碾壓混凝土作業。實踐證明，在大面積平整時，從卡車卸下料堆開始，粗平和精平加起來2～3個往返就可以把平整度控制在±20mm以內。工作效率大幅提高。

圖5為斯洛文尼亞某抽水蓄能電站項目將GPS系統用于卡特D6K推土機進行水庫襯砌物料的攤鋪和平整。使用了GPS控制系統的1臺推土機替代了原來2臺推土機和1臺平地機才能完成的工作。原計劃6個月的工期縮短到4個月。

圖5 3D系統用于D6K推土機

3.2.3 平地機

圖6為3D UTS和橫坡控制系統用于卡特140K平地機在湖南東常高速公路項目進行路堤填筑的精整作業。經過近1周的使用，承包商現場施工人員統計顯示整個機隊(1臺推土機+1圖平地機+1臺壓路機)的效率提高了100%左右。

圖6 3D UTS系統用于卡特140K平地機

3.2.4 壓實機

圖7和圖8為GPS智能壓實系統用于卡特CS56單鋼輪壓實機在加拿大某機場項目進行混合物料的填筑作業。如圖所示，除了實時顯示和記錄壓實遍數和位置以外，系統還利用CMV值判斷壓實密度，并通過數值和色差反映壓實質量，綠色區域已達到壓實密度要求。承包商通過在推土機、平地機和壓實機上使用GPS 3D控制系統，效率提高和成本節省的幅度為30%～50%。另外，承包商認為機器控制技術可以幫他們更好地控制項目的全局和質量，從而在投標中贏得先機。

圖7 GPS智能壓實系統用于卡特CS56單鋼輪壓實機

圖8 GPS智能壓實系統控制箱顯示

卡特彼勒機器控制技術除了機器出廠后安裝，還為部分機器提供工廠安裝(不包括傳感器和控制箱)的選擇。隨著更多地將機器控制技術集成到機器的設計和制造過程中，卡特彼勒將為用戶提供更加便捷和完備的機器及其控制技術。