卡特彼勒机器控制与导航技术及其在水利水电工程中的应用

在工程建筑行业，承包商面临的挑战和压力越来越大，在成本控制、质量管理、人员(机手)素质方面遇到越来越多的困难。为了帮助承包商应对挑战和压力，卡特彼勒很早就致力于用于土方工程机械的控制与导航(以下称“机器控制”)技术的发展，并逐步把这项技术集成为机器的一部分。实践证明，机器控制技术的作用是巨大的，是应对上述挑战的最有效途径。以下就这项技术的功能与作用、卡特彼勒主要相关方案及其应用进行简要讨论。

1 核心功能

在无需传统的放桩和挂线的条件下，机器控制技术为操作手与机器互动提供了纽带，使操作手能实时了解机器工作装置的位置(2D或3D)，并利用引导信息或自动控制功能按事先导入机载控制箱的设计要求准确操控工作装置(比如:铲斗或铲刀)的位置。图1为2D挖掘机场地参照系统控制箱的引导信息。

图1 2D挖掘机控制系统引导信息

除了图1所示的图形和数字引导以外，在工作装置接近目标坡度和高程时还有光标和蜂鸣提示操作手，也只有在铲斗斗齿或铲刀刀刃即将到达目标时，操作手才会更多关注控制箱的引导信息。在3D控制系统的情况下，控制箱将实时显示工作装置相对设计目标的三维距离。

总而言之，机器控制系统赋予了机器二维或三维测量功能，把挖方和填方作业面当时的状态与记忆中的设计要求相比较的结果显示给操作手，并在控制模块与机器液压系统对接的条件下实现工作装置的自动控制。

2 系统优点

a.提高生产效率并延长可作业时间。

b.节省燃油、人工和材料成本。

c.改善作业精度。

d.提升操作手胜任高质量和复杂工作的能力。

e.提升机器的多功能性、灵活性并减少机队的规模。

f.使工地更环保、更安全。

3 卡特彼勒相关方案及其在堤坝等水利设施建设中的应用

卡特彼勒为多种土方工程机械提供2D和3D机器控制解决方案。在水利水电项目的建设中，机器控制技术的应用对坝体填筑(物料的摊铺和压实)以及堤坝和灌渠的边坡开挖都具有重要价值。

3.1 用于部分机器的控制方案

用于部分机器的控制方案见下表。

用于部分机器的控制方案表

3.2 应用举例

3.2.1 挖掘机

图2和图3为一台卡特329DL挖掘机使用GPS 3D系统在土耳其一个引水灌溉工程中开挖水渠边坡的情景。该项目使用机器控制技术之前连续半年多每个月的成本都高于中标价格。使用后，计入投资机器控制技术的费用在内，只用了3个月时间，承包商就开始盈利，而且盈利幅度逐月增加。不仅如此，整个项目计划3年的工期(包括水渠全程混凝土衬砌)预计最少可缩短30%。

图2 挖掘机GPS 3D系统用于土耳其灌溉工程水渠的边坡开挖

图3 控制箱显示铲斗左右侧斗齿处在目标位置

3.2.2 推土机

图4 2D激光系统用于D5N推土机

图4 为葛洲坝集团在缅甸水电工程成功将2D激光系统用于卡特D5N推土机进行大坝碾压混凝土作业。实践证明，在大面积平整时，从卡车卸下料堆开始，粗平和精平加起来2～3个往返就可以把平整度控制在±20mm以内。工作效率大幅提高。

图5为斯洛文尼亚某抽水蓄能电站项目将GPS系统用于卡特D6K推土机进行水库衬砌物料的摊铺和平整。使用了GPS控制系统的1台推土机替代了原来2台推土机和1台平地机才能完成的工作。原计划6个月的工期缩短到4个月。

图5 3D系统用于D6K推土机

3.2.3 平地机

图6为3D UTS和横坡控制系统用于卡特140K平地机在湖南东常高速公路项目进行路堤填筑的精整作业。经过近1周的使用，承包商现场施工人员统计显示整个机队(1台推土机+1图平地机+1台压路机)的效率提高了100%左右。

图6 3D UTS系统用于卡特140K平地机

3.2.4 压实机

图7和图8为GPS智能压实系统用于卡特CS56单钢轮压实机在加拿大某机场项目进行混合物料的填筑作业。如图所示，除了实时显示和记录压实遍数和位置以外，系统还利用CMV值判断压实密度，并通过数值和色差反映压实质量，绿色区域已达到压实密度要求。承包商通过在推土机、平地机和压实机上使用GPS 3D控制系统，效率提高和成本节省的幅度为30%～50%。另外，承包商认为机器控制技术可以帮他们更好地控制项目的全局和质量，从而在投标中赢得先机。

图7 GPS智能压实系统用于卡特CS56单钢轮压实机

图8 GPS智能压实系统控制箱显示

卡特彼勒机器控制技术除了机器出厂后安装，还为部分机器提供工厂安装(不包括传感器和控制箱)的选择。随着更多地将机器控制技术集成到机器的设计和制造过程中，卡特彼勒将为用户提供更加便捷和完备的机器及其控制技术。