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Steuerung des Antriebs einer Zonstantzugwinde
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Die Erfindung betrifft die Steuerung des vorzugsweise elektrischen
Antriebs einer gonstantwinde, insbesondere für den Einsatz auf Wasserfahrzeugen,
mit einem in der Antriebs verbindung zwischen der Seiltrommei und dem Antriebsmotor
angeordneten Differentialgetriebe, dessen Käfig antriebsmäßig mit einer Steuereinrichtung
für den Antriebsmotor verbunden ist.
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Zum Vertäuen von Schiffen an einer Pier und z.B. in Schleusen werden
Verhohiwinden verwendet. Bei Änderung des Wasserstandes in Schleusenkammern oder
bei starkem Tidenhub in den EcLfen und bei schneller Tiefgangänderung beim Be- und
Entladen ist eir ständiges Verändern der Trossenlängen erforderlIch. Werden dazu
normale Verhohlwinden eingesetzt, ist eine ständige Bedienung notwendig. Verhohiwinden
werden auch bei Baggerarbeiten verwendet, um das baggernde Wasserfahrzeug auf der
vorbestimmten Position zu halten.
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Als Konstantzugwinden bzw. sogenannte Mooringwinden ausgebildete
Verhohlwinden halten den Trossenzug im Bereich eines eiz gestellten Wertes, indem
selbsttätig die Trosse gefiert oder eingeholt wird, sobald sich der Zug in der Trosse
ändert. Nach vorheriger Bestimmung der Trossenlängen und des Trossenzuges
ist
bei den KonstantzugT.cinden keinerlei Bedienung mehr erforderlich.
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In dem deutschen Patent 14 81 898 ist eine automatische Konstantzugwinde
mit elektrischem Antrieb beschrieben, bei der in der Antriebsverbindung zwischen
der Seiltrommel und dem Antriebsmo-tor ein Planetengetriebe angeordnet ist, dessen
Außenring antriebsmäßig mit einer Steuereinrichtung für den Antriebsmotor der Winde
verbunden ist. Die Verdrehung des Außenrings bei Anderung des Trossenzuges wird
aber geeignete Gestänge mechanisch auf einen Meßwertumformer übertragen, der als
Differentialtransformator ausgebildet ist. Der daraus abgehende elektrische Impuls
wird zur Steuerung des Antriebsmotors der Winde genutzt.
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Die mechanischen Gestänge zur Umformung eines vom Trossenzug abhängigen
Bewegungsweges in einen elektrischen Impuls stellen jedoch einen als nachteilig
empfundenen erheblichen Konstruktionsaufwand dar, der außerdem auch störanfällig
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerung des Antriebsmotors
einer Winde der eingangs genannten Art noch weiter zu verbessern und zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß der
Käfig des Differentialgetriebes frei umlaufend gelagert ist und daß die Steuereinrichtung
eine mit dem umlaufenden Käfig in Wirkverbindung stehende hydrostatische Pumpe ist,
die ein Pumpmedium in einem Kreislauf fördert, der mindestens ein einstellbares
Überdruckventil aufweist und an den vorzugsweise ein hydromechanisch betätigbarer,
den Betrieb des Antriebsmotors beeinflussender Schalter angeschlossen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Pumpe als wesentliches
Bauteil der Steuereinrichtung können mechanische Gestänge zur Gewinnung eines aus
dem Trossenzug resultierenden Impulses zur Steuerung des Antriebsmotors der Winde
entfallen.
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Die Verdrehung des umlaufenden Käfigs in Abhängigkeit von dem Trossenzug
bewirkt den Antrieb der Pumpe. Die Pumpe arbeitet in einem Kreislauf, dessen Rohrleitungen
in vorteilhafter Weise sehr kurz gehalten werden können, so daß keine großen Bauabmessungen
entstehen. Sofern die Pumpe im Kreislauf ungehindert fördern kann , ist der Trossenzug
sehr gering. Wird der zustrom hinter der Pumpe durch das J0berdruckventil abgestaut,
so ergibt sich zu jedem auswählbaren Staudruck, gegen den die Pumpe fördern muß,
ein maximales Drehmoment der Seiltrommel, unterhalb dessen das verstellbare Cberdruckventil
geschlossen bleibt und die dadurch blockierte Pumpe den Käfig des Differentialgetriebes
abstützt.
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Wird gleichzeitig der Antriebsmotor der Winde eingeschaltet, kanr
die Trosse eingeholt werden bis der Zug in der Trosse einen Wert erreicht hat, bei
dem der mit dem übedruckventil eingestellte Staudruck der Pumpe überschritten wird.
Das Überdruckventil öffnet und die Pumpe kann durch das Ventil fördern, wodurch
die Seiltrommel zum Stillstand kommt.
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Der in Abhängigkeit vom Trossenzug sich ausbildende Staudruck im
Kreislauf des Pumpmediums kann erfindungsgemäß noch dazu benutzt werden, einen hydromechanisch
betätigbaren Schalter zu betreiben, durch den der Antriebsmotor der Winde in vorbeschriebener
Weise gesteuert wird. Bei stetig laufendem Antriebsmotor kann aber auch auf die
zusätzliche Steuerschaltung verzichtet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Steuerung
des Antriebs einer Xonstantzugwinde ist das Differentialgetriebe ein Kegelradgetriebe,
dessen die Kegelräder tragender Käfig als mit einer außen angeordneten Stirnradverzahnung
versehenes Gehäuse ausgebildet ist. Das Differentialgetriebe dieser Ausführungsform
ist konstruktiv sehr einfach und kann auch ohne weiteres zur Wachrastung von::i'inden
verwendet werden, um diese für einen Mooringbetrieb geelgnet zu machen.
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Als hydrostatische Pumpe ist eine Axialkolbenpumpe vorgesehen, deren
Antriebsritzel in die Stirnverzahnung des als Gehäuse ausgebildeten Differentialkafigs
eingreift. Eine Axialkolbenpumpe ist durch ihr charakteristisches Betriebsverhalten
besonders vorteilhaft für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck geeignet.
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Als Differentialgetriebe kann jedoch auch ein Planetengetriebe oder
ein sonstiges Umlaufgetriebe verwendst werden. Wesentlich für die Eignung von Getrieben
für den erfindungsgemäßen Zweck ist ihre Eigenschaft, daß aus zwei eingeleiteten
Drehbewegungen eine dritte Bewegung resultiert, die zum Antrieb der Pumpe genutzt
wird.
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Als den Motorbetrieb beeinflussender Schalter kann ein vom Pumpmedium
beaufschlagbarer Arbeitszylinder vorgesehen sein, dessen Kolben in Abhängigkeit
von Pumpenstaudruck elektrische Schaltelemente eines an sich bekannten Mooringwahlschalters
für den Antriebsmotor bewegt. Bei einer bevorzugten Ausführung des Schalters wird
der Kolben des Arbeitszylinders vom entsprechend dem Istwert des Trossenzugs angestauten
Pumpmediumdruck unter Auslenkung einer Feder zur Verschiebung einer Zahnstange oder
eines
Zahnsegments benutzt; Die Zahnstange verdreht eine mit Kontakten versehene Scheibe.
Die Kontakte werden entsprechend einer vorwählbaren Anordnung abgetastet und steuern
den Betrieb des Antriebsmotors.
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Jedes Uberdruckventil ist in einer zugeordneten Zweigleitung des
Pumpenkreislaufs angeordnet und abgangsseitig mit einem den Kreislauf des Pumpmediums
im Normalfall sperrenden Bremsventil in Wirkverbindung gebracht, so daß beim Wbersc-!reiten
des im t;ber druckventil eingestellten Staudrucks im Kreislauf des Pumpmediums das
Bremsventil geöffnet wird. Vorzugsweise sind mehrere auf verschiedene Staudrücke
eingestellte Sberdruckventile parallel zu dem Pumpenkreislauf geschaltet. Jeweils
eis der Überdruckventile kann in Betriebsstellung gesetzt werden, so daß sich durch
den damit vorgewählten Staudruck im Kreislauf des Pumpmediums an der Seiltrommel
ein entsprechender Trossenzug einstellt.
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Um den Betrieb der erfindungsgemäßen Steuerung einer Winde zu vereinfachen
ist jedem llberdruckventil ein Magnetventil vorgeschaltet, wobei jedes Magnetventil
bezüglich seiner elektrischen Ansteuerung mit vorbestimmten Schaltelementen des
Mooringwahlschalters in Wirkverbindung steht.
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Die parallele Anordnung mehrerer Xberdruckventile, die auf ein Bremsventil
im Pumpenkreislauf arbeiten, hat den Vorteil, daß, bei Auslegung des Bremsventils
auf die gesamte Pumpenfördermenge, die Oberdruckventile und Magnetventile kleiner
dimensioniert werden können. Sofern die Uberdruckventile für die volle Pumpenfördermenge
ausgelegt werden, kann das Bremsventil entfallen.
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Für die Bedienung vorwiegend vom Standort der Winde aus, kann auch
ein von Hand verstellbares Zberdruckventil eingebaut werden, welches unter Kontrolle
eines in den Pumpenkreislauf eingesetzten Druckmessers eingestellt wird. Der Druckmesser
bzw. das Manometer weist eine auf die mittlere Seilkraft geeichte Skala auf.
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Um die manuelle Bedienung der Winde in keiner Weise durch die erfindungsgemäße
Steuereinrichtung zu beeinträchtigen, kann der Käfig des Differentlaigetriebes festgesetzt
werden. Die Seiltrommel der Winde dreht dann mit voller Drehzahl entsprechend der
Drehzahl des Antriebsmotors und der Untersetzung des Windengetriebes. Vorzugsweise
ist zur Festsetzung des Käfigs des Differentialgetriebes dem Antriebsritzel der
Pumpe, welches in die Stirnverzahnung des als Gehäuse ausgebildeten Käfigs eingreift,
eine Bremse zugeordnet. Es kann auch ein Freilauf vorgesehen werden, der beim Fieren
der Trosse von der Seiltrommel das Mitlaufen der Pumpe verhindert und das Differentialgetriebe
stützt.
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In den Kreislauf des Pumpmediums kann auch noch ein zusätzliches
ü'berdruckventil eingebaut sein, welches analog zum maximalen Trossenzug bzw. zum
maximal möglichen Trommelmoment eingestellt wird. Die Dimensionierung dieses berdruckventils
erfolgt nach der vollen Pumpenfördermenge, sofern kein Bremsventil vorgesehen ist.
Zusammen mit einem in jedem Fall vorhandenen Kontrollelement, beispielsweise dem
Manometer, ist damit eine ständige Überwachungsmöglichkeit und ein Schutz gegen
Sberlastung der Winde gegeben.
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Die mit der erfindungsgemäßen Steuerung ausgerüstete Winde kann in
verschiedenen Betriebsformen arbeiten.
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Bei einer ersten Betriebsform hat der stetig laufende Antriebsmotor
eine sehr niedrige Drehzahlstufe und es wird dabei nur eine geringe Mooringeinholgeschwindigkeit
gefordert.
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Bei dieser Betriebsform wird der Mooringwahlschalter nicht benutzt.
Die elektrischen Steuerleitungen vom Mooringwahlschalter zum Betriebsschalter des
Motors werden außer Eingriff gesetzt.
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Erscheint unter sonst gleichen Umständen wie vorgeschildert der dauernde
Lauf des Antriebsmotors unerwünscht, so wird bei einer zweiten Betriebsart der Mooringwahlschalter
wieder mit den Steuerleitungen des Antriebsmotors der Winde in Wlrkverbindung gebracht.
Der Mooringwahlschalter bringt dann den Antriebsmotor zum Anlauf in die niedrigste
Drehzahlstufe, wenn der Trossenzug absinkt und somit auch der Staudruck im Kreislauf
des Pumpenmediums unter einen durch ein eingestelltes Überdruckventil gewählten
Wert sinkt. Der die Kontakte bewegende Teil des Mooringwahlschalters wird, wie bereits
beschriebens durch den Kolben vom angestauten Druck des Pumpmediums entsprechend
dem Istwert des Trommelmomentes gegen eine Feder bewegt. Die Festkontakte für den
Sollwert des Trommelmoments, für dessen geringe Unterschreitung sowie für mögliche
weitere Unterschreitungsgrade werden vom Mooringwahlschalter in Bereitschaft geschaltet,
indem ein entsprechendes Magnetventil mit zugeordnetem Überdruckventil angesteuert
wird. Die Zahl der möglichen Kont akt gruppen des Mooringwahlschalters entspricht
der Zahl der Magnetventile und der Überdruckventile, die parallel zum Kreislauf
des Pumpmediums geschaltet sind. Der Arbeitszylinder und die Rückholfede: für den
Kolben sind derart ausgelegt, daß unmittelbar bevor das
zugeordnete
fUberdruckventil öffnet und das Pumpmedium z.B. über das Bremsventil abströmen läßt,
der Sollwertkontakt des Mooringwahlschalters geschlossen wird. Bei weiterem Rückgang
des Druckes, also bei weiterem Nachlassen des Trossenzuges, werden dann die erwähnten
weiteren Kontakte überstrichen. Die letzteren Eontite veranlassen ein dem Antriebsmotor
zugeordnetes Schütz zum Umschalten auf die nächste Drehzahlstufe des Antriebsmotors.
Diese Betriebsform ist auch für solche Fälle vorgesehen, bei denen die Leistung
des stetig laufenden Antriebsmotors eine unzulässige Erwärmung des Pumpmediums im
Kreislauf der Axialkolbenpumpe hervorrufen würde.
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Eine dritte Betriebsart ist möglich, wenn weitere Drehzahlstufen
beim Antriebsmotor vorhanden sind. Dabsi schaltet der Mooringwahlschalter bei erheblichem
Nachlassen des Trossenzuges die zweite Drehzahlstufe ein. Bei nachfolgendem Ansteigen
der Seilkraft wird dann zunächst auf die niedrigste Drehzahlstufe zurückgeschaltet,
bis bei Erreichen der gewählten Seilhaltekraft, welche durch den sich ausbildenden
Staudruck definiert ist, der Antriebsmotor stillgesetzt wird. Eine solche Betriebsform
gestattet eine schnellere Anpassung der Winde an auftretende Verhältnisse, wie es
z.B. bei Schwimmbaggern nötig ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische
Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Winde mit
erfindungsgemäßer Steuerungseinrichtung und Fig. 2 ein schematisches Schaltbild
der Steuereinrichtung.
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In Fig. 1 ist eine Seilwinde schematisch in der Draufsicht dargestellt.
Die Seiltrommel 1 ist mit einem Getriebekasten 2 versehen, in welchem ein Stirnrad
3 und ein Antriebsritzel 4 angeordnet sind. Mit 5 ist ein Antriebsmotor bezeichnet,
der über ein Kupplung 6 auf ein Kegelraddifferential 7 wirkt, das abtriebsseitig
mit dem Antriebsritzel 4 des Getriebekastens 2 verbunden ist. Der Käfig des Kegelraddifferentialgetriebes
ist als Gehäuse 8 ausgebildet, das frei umlaufen kann. Der Außenumfang des Gehäuses
ist mit einer Stirnradverzahnung 9 versehen, die mit einem Ritzel 10 auf der Antriebswelle
einer schematisch angedeuteten Axialkolbenpumpe 11 in Eingriff steht. Auf der der
Axialkolbenpumpe abgekehrten Seite weist die Antriebswelle der Axialkolbenpumpe
eine Bremse 112 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich schematisch angedeutet
ist.
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In Fig. 2 ist ein die Funktion der Steuereinrichtung der Winde verdeutlichendes
Schaltbild dargestellt. Die über das Differentialgetriebe 7 angetriebene Axialkolbenpumpe
ist wieder mit 11 bezeichnet. Das Pumpmedium, beispielsweise Hydrauliköl, wird über
die Rohrleitung 12 in einem Kreislauf in einen kleinen Tank 13 gefördert und von
dort wieder über die Leitung 14 von der Pumpe 11 angesaugt. Mit 15 ist ein Bremsventil
bezeichnet, welches den Kreislauf unterbrechen kann, so daß die Pumpe dann gegen
einen sich in der Leitung 12 bildenden Staudruck arbeitet.
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Mit 16,17,18,19 und 20 sind Überdruckventile bezeichnet, die auf abgestufte
berdruckwerte eingestellt sind und die zuflußseitig über die Leitungen 21,22,23,24
und 25 parallel zur Kreislaufleitung 12 geschaltet sind. Abflußseitig arbeitet jedes
Oberdruckventil auf eine Steuerleitung 26, mit der das Bremsventil 15 be=
tätigt
werden kann. Jedem Überdruckventil ist noch ein zugehöriges Magnetventil 27,28,29,30,
31 vorgeschaltet, welches den Zufluß des Pumpmediums zum zugehörigen Überdruckventil
absperrt und somit über die Einschaltung jeweils eines Magnetventils die Inbetriebsetzung
eines zugeordneten Lrterdruckventils möglich ist.
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Von der Kreislauf leitung 12 zweigt eine Leitung 32 ab, die zu einem
Arbeitszylinder 33 führt, dessen Kolbenstange 34 zur Aus lenkung eines Hebels 35
dient. Der nebel schwenkt um die Drehachse 36, wobei seine auslenkung mittels der
Kolbenstange 34 gegen die Federkraft einer Rückholfeder 37 erfolgt. Ein Ende des
Hebels 35 ist mit einem schematisch angedeuteten Zahnsegment 38 versehen, so daß
bei Verschwenkung des Hebels eine Scheibe 39 mit Kontaktpunkten 40 verdreht wird.
Diese Kontaktpunkte können elektrisch abgetastet werden und zur Steuerung des Antriebsmotors
5 sowie zur Schatung der Magnetventile 27,28,29,30 und 31 dienen.
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Mit 41 ist ein an die Kreislaufleitung 12 angeschlossenes Manometer
bezeichnet.
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Kit 42 ist ein zusätzliches Überdruckventil bezeichnet, welches zum
Schutz der Winde auf den maximal möglichen irossenzug bzw. den entsprechenden Staudruck
eingestellt werden kann.
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Die Vorrichtung arbeitet im Prinzip folgendermaßen: Die normalerweise
durch das Bremsventil 15 blockierte Pumpe 11 hält einen vorbestimmten Staudruck
in der Kreislaufleitung 12. Bei Nachlassen des Trossenzuges an der Seiltrommel 1
fällt der Staudruck ab, so daß sich die Kolbenstange 34 durch die Zugkraft der Rückholf
eder 37 in den Arbeitszylinder 33 hineinbewegt. Dadurch
wird über
das Zahnsegment 38 eine Verdrehung der Scheibe 39 bewirkt und entsprechende Kontakte
40 schließen einen Steuerstromkreis durch welchen der Antriebsmotor 5 der Winde
zum Anlaufen gebracht wird. Dadurch holt die Winde die Trosse ein.
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Das Einholen erfolgt solange; bis die Pumpe 11 wieder einen entsprechenden
Staudruck aufgebaut hat, bei dem sich ein vorgewähltes Oberdruckventil, beispiels.~eise
das TJberdruckventil,65 öffnet.
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so daß die nunmehr vom weiterlaufenden Antriebsmotor 5 über das Differentialgetriebe
direkt angetriebene Pumpe 11 durch das vom Überdruckventil geöffnete Bremsventil
15 frei fördern kann. Zu diesem Zeitpunkt dreht sich die Seiltrommel 1 nicht weiter,
weil der vorbestimmte Trossenzug erreicht ist. Geleichzeitig wird über den Arbeitszylinder
33 eine Abschaltung des Antriebsmotors 5 bewirkt.
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Die Vorrichtung kann aber auch derart arbeiten, daß der Antriebsmotor
5 fortlaufend in Betrieb gehalten wird und somit ständig von der Pumpe 11 im Kreislauf
durch das vom zugehörigen vorgewählten Überdruckventil geöffnete Bremsventil 15
fördert.
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Fällt der Trossenzug an der Seiltrommel 1 ab, ändern sich die Drehmomentverh;altnisse
im Differentialgetriebe 7. Der Druck in der Kreisleitung 12 sinkt ab und das Bremsventil
15 wird geschlossen. Durch die damit blockierte Axialkolbenpumpe 11 wird der umlaufende
Käfig des Differentialgetriebes 7 gestützt, so daß das Drehmoment des welterlaufenden
Antriebsmotors auf die Seiltrommel gegeben wird. Die Winde holt somit Trosse ein,
bis vom Trossenzug das durch die vom Bremsventil blockierte Pumpe in Abhängigkeit
vom ausgewählten Überdruckventil eingestellte
Stützmoment so groß
geworden ist, daß das rberdruckventil 16 das Bremsventil 15 wieder öffnet und somit
die Seiltrommel 1 bei weiterlaufendem Antriebsmotor zum Stillstand kommt.