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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
作者:Michaela Wassenberg
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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:

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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。

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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

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。

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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

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。

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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

SIKO | 源自 1963 年的测量技术

SIKO 公司如今已经在许多不同的测量领域拥有50年的经验: 长度测量技术, 角度测量技术, 转速测量技术 以及测量倾斜度 或者 速度。基于这个核心部分 SIKO 研发生产了开创性的 测量设备 和 定位系统 应用于自动化过程。工业和机械制造领域的客户的严格要求引导我们不断提高产品和服务的质量, 精确性和功用。

SIKO 已经通过了 DIN EN ISO 9001 : 2015 质量认证。对现有资源的持续利用对我们来说是理所当然的事情。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/23/2021)
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