用于特殊地下工程打桩机的 SIKO 安全旋转编码器：自由落体位置监测
特殊地下工程中的重型机械需要精确和可靠的部件，以便能够以工艺安全的方式执行各项功能。对于 Stump-Franki 特殊地下工程有限公司的打桩机来说，传感器和定位系统制造商 SIKO GmbH 的绝对旋转编码器 WV58MR 正是安全方案的一部分。它们安装在三台绞车上，以检测固定其上的各元件位置。
特殊地下工程公司 Stump-Franki 为足球场、高速公路桥、购物中心或风力涡轮机等重型建筑确保地基承载力。为此，其制造自己的打桩机，用于生产基桩。建筑的载荷通过基桩转移到更深层。“我们有自己的机械制造部门，以便能够开发、设计、组装、调试适合我们的设备，然后也能自己使用”，Stump-Franki 公司机械制造主管 Stefan Hemmerle 解释说。尤其是打桩机，自行制造是最佳选择：直到 20 世纪 60 年代，打桩机仍然可以在比利时购买。随后，德国 Franki 公司开始生产自己的机器，如 Franki 打桩机，并从 2000 年开始生产 Atlas 设备。“对我们来说，按照我们的想法制造这些机器是一个明显的竞争优势，这样我们也能用我们自己的工艺为我们的客户带来好处”，Stefan Hemmerle 说道。
打桩锤及 Franki 桩基
打桩机的使用如图 1 所示：
插图 1：通过打桩过程生产 Franki 基桩。插图：©Stump-Franki Spezialtiefbau GmbH
Franki 打桩机顶部安装了四台绞车——包括三个用于位置监控的 SIKO 旋转编码器。在前区是所谓的龙头，这是一个上面安装有钢制打桩管或推进管的架子，其顶部和底部是开放的。混凝土和碎石制成的塞子被填入打桩管 (1)，打桩锤——这是一个巨大的钢块——用极小的冲击压实塞子 (2)。打桩锤是一个自由落体系统。当塞子被冲击力牢牢楔入管道时，下降高度会增加，并将打桩管送至可承重建筑地基的最终深度。然后用打桩锤夯实塞子 (3)。这就形成了所谓的 Franki 桩基，它的作用就像一个木楔。桩基形成后，安装钢筋笼，再填塑料混凝土 (4)，从而形成直贯的基桩。在混凝土硬化和桩头封顶 (5) 后，基桩就可以承重了。
监控四台绞车
在打桩过程中，这四台绞车有不同的任务：一台绞车用于拉动推进管，第二台用于驱动打桩锤，第三台上固定着用于填充混凝土和碎石的吊桶，最后还有一台辅助绞车，用于提升钢筋笼。四台绞车中的三台分别由一个 SIKO 旋转编码器监控，从而可以随时了解打桩管、辅助吊车和吊桶的位置。辅助绳索是一个安全技术构造，以确保打桩机在吊钩拉过滑轮之前是关闭的。也就是说，该旋转编码器有一个最终位置点，绞车不得旋转超越这个点。拉管绞车是设备中最敏感的区域；尽管对打桩管的冲击力非常猛烈，仍须随时了解其位置。
旋转编码器集成在一个自动控制系统中，该系统持续查询位置，从而控制绳索的制导。
安全性能等级为 PLd 的旋转编码器
“对我们来说，最重要的是位置检测的精度和作为旋转编码器安全功能的冗余度”，Stefan Hemmerle 说道。“作为一个多转编码器，它最多可以绝对检测到绞车的 4,096 圈；此外，我们还将传动比与之整合，这样我们就可以得到大量的信号，让我们能够持续检测位置。”由于个别部件的故障会对这种重型设备的应用产生严重后果，因此安全等级为 PLd 的旋转编码器安全功能至关重要。它由两个独立的传感器电路构成，做到完全冗余，从而确保安全操作。此外，它是一个绝对数值编码器，即使在断电状态下也能准确检测其位置，无需基准化运行。在这种情况下，通过 CANopen 安全接口与控制系统进行整合。“对我们的应用来说，同样重要的是绝对的坚固性。最后在夯实桩基时，一方面管道上拉着 240 吨，同时 6.5 吨重的打桩锤落入管道。这时，整台机器都弹跳起来！旋转编码器必须能够承受这种负荷——也确实做到了。”旋转编码器的磁性测量原理也有助于做到这一点，其极为适合在恶劣环境中使用。
用于贫瘠土壤和重型负荷的基桩
当土壤质量差和建筑物格外沉重时，夯实基桩是必要的。“我们 Franki 基桩系统的优势在于，它是一个全位移基桩系统。因此，我们不会挖掘出土壤，也不必处理任何东西”，Stefan Hemmerle 解释说。“借助夯实的桩基，我们可以应对任何地面。如果无法打得特别深，我们可以简单地把桩基夯得大一点，再压实一点，从而赋予建筑物所需的稳定性。”
如果是风力涡轮机，那么另一个参数开始生效：风轮的高度。为了安全地锚定在地面上，此时需要倾斜的桩，也可以用 Franki 打桩机结合自由落体重量将其打入地面。24 至 36 根桩锚定在四周地面上；两根桩倾斜度向外，一根桩向内倾斜。桩以这样的方式交替排列，因为，根据风向，它们必须既能承受拉力也能承受压力。
用于移动机器的模块化系统
SIKO 旋转编码器满足了 Stump-Franki 对其应用安全性、精确性和坚固性的期望。WV58MR 是 SIKO“PURE.MOBILE 传感器模块组件”的一部分，该系统专为移动机器和商业车辆的高要求而开发。本标识的所有传感器都具备以下特点：
- 可提供单通道或安全版本，性能等级达到 d (PLd)
- 防护等级高达 IP6K9K
- 扩展温度范围：-40 至 +85 °C（可选：+105 °C）
- 极高的抗撞击和振动性能
- 可扩展和可配置的功能，如倾斜、DIP 开关、凭借 PURE.MOBILE 选项卡实现的数字 I/O
“只要不影响旋转编码器的坚固性就行！”，Stefan Hemmerle 这样呼吁商业伙伴 SIKO，“在将来，这些特性也将是我们特殊地下工程应用所不可或缺的。”借此，SIKO 传感器专家通过其测量解决方案为移动机器找到了合适的答案。
更多图片：
插图 2 a) 和 b)：作为具有冗余位置检测的绝对数值编码器，WV58MR 是为挑战性测量任务而开发的，尤其是在移动机器中。插图：©SIKO GmbH
图 3：使用中的 Franki 打桩机：重量巨大的自由落体打桩锤进入推进管，将混凝土和碎石压实为稳固的基桩基脚。SIKO 旋转编码器 WV58MR 主要监测绞车的位置。插图：©Stump-Franki Spezialtiefbau GmbH
图 4：打桩机可以灵活使用，用专门运输车运到相应的施工现场。插图：©Stump-Franki Spezialtiefbau GmbH
图 5：Stefan Hemmerle，Stump-Franki Spezialtiefbau GmbH 机械制造主管；插图：©Stump-Franki Spezialtiefbau GmbH
