用于特殊地下工程打樁機(jī)的 SIKO 安全旋轉(zhuǎn)編碼器：自由落體位置監(jiān)測(cè)

  特殊地下工程中的重型機(jī)械需要精確和可靠的部件，以便能夠以工藝安全的方式執(zhí)行各項(xiàng)功能。對(duì)于Stump-Franki特殊地下工程有限公司的打樁機(jī)來(lái)說(shuō)，傳感器和定位系統(tǒng)制造商SIKO GmbH的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器WV58MR正是安全方案的一部分。它們安裝在三臺(tái)絞車上，以檢測(cè)固定其上的各元件位置。

  特殊地下工程公司Stump-Franki為足球場(chǎng)、高速公路橋、購(gòu)物中心或風(fēng)力渦輪機(jī)等重型建筑確保地基承載力。為此，其制造自己的打樁機(jī)，用于生產(chǎn)基樁。建筑的載荷通過(guò)基樁轉(zhuǎn)移到更深層。“我們有自己的機(jī)械制造部門，以便能夠開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試適合我們的設(shè)備，然后也能自己使用”，Stump-Franki公司機(jī)械制造主管Stefan Hemmerle解釋說(shuō)。尤其是打樁機(jī)，自行制造是最佳選擇：直到20世紀(jì)60年代，打樁機(jī)仍然可以在比利時(shí)購(gòu)買。隨后，德國(guó)Franki公司開(kāi)始生產(chǎn)自己的機(jī)器，如Franki打樁機(jī)，并從2000年開(kāi)始生產(chǎn)Atlas設(shè)備。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，按照我們的想法制造這些機(jī)器是一個(gè)明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這樣我們也能用我們自己的工藝為我們的客戶帶來(lái)好處”，Stefan Hemmerle說(shuō)道。

  打樁錘及Franki樁基

  打樁機(jī)的使用如圖1所示：

  Franki打樁機(jī)頂部安裝了四臺(tái)絞車——包括三個(gè)用于位置監(jiān)控的SIKO旋轉(zhuǎn)編碼器。在前區(qū)是所謂的龍頭，這是一個(gè)上面安裝有鋼制打樁管或推進(jìn)管的架子，其頂部和底部是開(kāi)放的。混凝土和碎石制成的塞子被填入打樁管(1)，打樁錘——這是一個(gè)巨大的鋼塊——用極小的沖擊壓實(shí)塞子(2)。打樁錘是一個(gè)自由落體系統(tǒng)。當(dāng)塞子被沖擊力牢牢楔入管道時(shí)，下降高度會(huì)增加，并將打樁管送至可承重建筑地基的最終深度。然后用打樁錘夯實(shí)塞子(3)。這就形成了所謂的Franki樁基，它的作用就像一個(gè)木楔。樁基形成后，安裝鋼筋籠，再填塑料混凝土(4)，從而形成直貫的基樁。在混凝土硬化和樁頭封頂(5)后，基樁就可以承重了。

  監(jiān)控四臺(tái)絞車

  在打樁過(guò)程中，這四臺(tái)絞車有不同的任務(wù)：一臺(tái)絞車用于拉動(dòng)推進(jìn)管，第二臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)打樁錘，第三臺(tái)上固定著用于填充混凝土和碎石的吊桶，最后還有一臺(tái)輔助絞車，用于提升鋼筋籠。四臺(tái)絞車中的三臺(tái)分別由一個(gè)SIKO旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)控，從而可以隨時(shí)了解打樁管、輔助吊車和吊桶的位置。輔助繩索是一個(gè)安全技術(shù)構(gòu)造，以確保打樁機(jī)在吊鉤拉過(guò)滑輪之前是關(guān)閉的。也就是說(shuō)，該旋轉(zhuǎn)編碼器有一個(gè)最終位置點(diǎn)，絞車不得旋轉(zhuǎn)超越這個(gè)點(diǎn)。拉管絞車是設(shè)備中最敏感的區(qū)域；盡管對(duì)打樁管的沖擊力非常猛烈，仍須隨時(shí)了解其位置。

  旋轉(zhuǎn)編碼器集成在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)持續(xù)查詢位置，從而控制繩索的制導(dǎo)。

  安全性能等級(jí)為PLd的旋轉(zhuǎn)編碼器

  “對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最重要的是位置檢測(cè)的精度和作為旋轉(zhuǎn)編碼器安全功能的冗余度”，Stefan Hemmerle說(shuō)道。“作為一個(gè)多轉(zhuǎn)編碼器，它最多可以絕對(duì)檢測(cè)到絞車的4,096圈；此外，我們還將傳動(dòng)比與之整合，這樣我們就可以得到大量的信號(hào)，讓我們能夠持續(xù)檢測(cè)位置。”由于個(gè)別部件的故障會(huì)對(duì)這種重型設(shè)備的應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此安全等級(jí)為PLd的旋轉(zhuǎn)編碼器安全功能至關(guān)重要。它由兩個(gè)獨(dú)立的傳感器電路構(gòu)成，做到完全冗余，從而確保安全操作。此外，它是一個(gè)絕對(duì)數(shù)值編碼器，即使在斷電狀態(tài)下也能準(zhǔn)確檢測(cè)其位置，無(wú)需基準(zhǔn)化運(yùn)行。在這種情況下，通過(guò)CANopen安全接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行整合。“對(duì)我們的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，同樣重要的是絕對(duì)的堅(jiān)固性。最后在夯實(shí)樁基時(shí)，一方面管道上拉著240噸，同時(shí)6.5噸重的打樁錘落入管道。這時(shí)，整臺(tái)機(jī)器都彈跳起來(lái)！旋轉(zhuǎn)編碼器必須能夠承受這種負(fù)荷——也確實(shí)做到了。”旋轉(zhuǎn)編碼器的磁性測(cè)量原理也有助于做到這一點(diǎn)，其極為適合在惡劣環(huán)境中使用。

插圖 2 a) 和 b)：作為具有冗余位置檢測(cè)的絕對(duì)數(shù)值編碼器，

WV58MR 是為挑戰(zhàn)性測(cè)量任務(wù)而開(kāi)發(fā)的，尤其是在移動(dòng)機(jī)器中。插圖：©SIKO GmbH

  用于貧瘠土壤和重型負(fù)荷的基樁

  當(dāng)土壤質(zhì)量差和建筑物格外沉重時(shí)，夯實(shí)基樁是必要的。“我們Franki基樁系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，它是一個(gè)全位移基樁系統(tǒng)。因此，我們不會(huì)挖掘出土壤，也不必處理任何東西”，Stefan Hemmerle解釋說(shuō)。“借助夯實(shí)的樁基，我們可以應(yīng)對(duì)任何地面。如果無(wú)法打得特別深，我們可以簡(jiǎn)單地把樁基夯得大一點(diǎn)，再壓實(shí)一點(diǎn)，從而賦予建筑物所需的穩(wěn)定性。”

  如果是風(fēng)力渦輪機(jī)，那么另一個(gè)參數(shù)開(kāi)始生效：風(fēng)輪的高度。為了安全地錨定在地面上，此時(shí)需要傾斜的樁，也可以用Franki打樁機(jī)結(jié)合自由落體重量將其打入地面。24至36根樁錨定在四周地面上；兩根樁傾斜度向外，一根樁向內(nèi)傾斜。樁以這樣的方式交替排列，因?yàn)椋鶕?jù)風(fēng)向，它們必須既能承受拉力也能承受壓力。

  用于移動(dòng)機(jī)器的模塊化系統(tǒng)

  SIKO旋轉(zhuǎn)編碼器滿足了Stump-Franki對(duì)其應(yīng)用安全性、精確性和堅(jiān)固性的期望。WV58MR是SIKO“PURE.MOBILE傳感器模塊組件”的一部分，該系統(tǒng)專為移動(dòng)機(jī)器和商業(yè)車輛的高要求而開(kāi)發(fā)。本標(biāo)識(shí)的所有傳感器都具備以下特點(diǎn)：

  可提供單通道或安全版本，性能等級(jí)達(dá)到d(PLd)

  防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP6K9K

  擴(kuò)展溫度范圍：-40至+85°C（可選：+105°C）

  極高的抗撞擊和振動(dòng)性能

  可擴(kuò)展和可配置的功能，如傾斜、DIP開(kāi)關(guān)、憑借PURE.MOBILE選項(xiàng)卡實(shí)現(xiàn)的數(shù)字I/O

  “只要不影響旋轉(zhuǎn)編碼器的堅(jiān)固性就行！”，Stefan Hemmerle這樣呼吁商業(yè)伙伴SIKO，“在將來(lái)，這些特性也將是我們特殊地下工程應(yīng)用所不可或缺的。”借此，SIKO傳感器專家通過(guò)其測(cè)量解決方案為移動(dòng)機(jī)器找到了合適的答案。