在工程建筑行業(yè)，承包商面臨的挑戰(zhàn)和壓力越來越大，在成本控制、質(zhì)量管理、人員(機手)素質(zhì)方面遇到越來越多的困難。為了幫助承包商應(yīng)對挑戰(zhàn)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(dǎo)航(以下稱“機器控制”)技術(shù)的發(fā)展，并逐步把這項技術(shù)集成為機器的一部分。實踐證明，機器控制技術(shù)的作用是巨大的，是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的最有效途徑。以下就這項技術(shù)的功能與作用、卡特彼勒主要相關(guān)方案及其應(yīng)用進行簡要討論。

1 核心功能

在無需傳統(tǒng)的放樁和掛線的條件下，機器控制技術(shù)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(dǎo)信息或自動控制功能按事先導(dǎo)入機載控制箱的設(shè)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(tǒng)控制箱的引導(dǎo)信息。

圖1 2D挖掘機控制系統(tǒng)引導(dǎo)信息

除了圖1所示的圖形和數(shù)字引導(dǎo)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(guān)注控制箱的引導(dǎo)信息。在3D控制系統(tǒng)的情況下，控制箱將實時顯示工作裝置相對設(shè)計目標的三維距離。

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

2 系統(tǒng)優(yōu)點

a.提高生產(chǎn)效率并延長可作業(yè)時間。

b.節(jié)省燃油、人工和材料成本。

c.改善作業(yè)精度。

d.提升操作手勝任高質(zhì)量和復(fù)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(guī)模。

f.使工地更環(huán)保、更安全。

3 卡特彼勒相關(guān)方案及其在堤壩等水利設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)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(shè)中，機器控制技術(shù)的應(yīng)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(yīng)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(tǒng)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(shù)之前連續(xù)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(shù)的費用在內(nèi)，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(yù)計最少可縮短30%。

圖2 挖掘機GPS 3D系統(tǒng)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(cè)斗齒處在目標位置

3.2.2 推土機

圖4 2D激光系統(tǒng)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(tǒng)用于卡特D5N推土機進行大壩碾壓混凝土作業(yè)。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(nèi)。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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)用于D6K推土機

3.2.3 平地機

圖6為3D UTS和橫坡控制系統(tǒng)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(yè)。經(jīng)過近1周的使用，承包商現(xiàn)場施工人員統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)。如圖所示，除了實時顯示和記錄壓實遍數(shù)和位置以外，系統(tǒng)還利用CMV值判斷壓實密度，并通過數(shù)值和色差反映壓實質(zhì)量，綠色區(qū)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(tǒng)，效率提高和成本節(jié)省的幅度為30%～50%。另外，承包商認為機器控制技術(shù)可以幫他們更好地控制項目的全局和質(zhì)量，從而在投標中贏得先機。

圖7 GPS智能壓實系統(tǒng)用于卡特CS56單鋼輪壓實機

圖8 GPS智能壓實系統(tǒng)控制箱顯示

卡特彼勒機器控制技術(shù)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(shù)集成到機器的設(shè)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(shù)。