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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung
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des Ausgleichs von durch Niveauschwankunc3en der Wasseroberfläche
hervorgerufenen Höhcnschwankungen einer auf einem schwimmenden Gerät wie einem Schiff
od. dgl. angeordneten, mit einer Antriebseinrichtung verbundenen Seilwinde, deren
im Wasser befindliches Seilende einen nicht schwimmfähigen Gegenstand wie einen
Anker od. dgl. trägt, sowie eine Seilwindenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei mit einer Antriebseinrichtung verbundenen Seilwinden auf Schiffen
ist bereits versucht worden, zur Steuerung des Ausgleichs von durch Niveauschwankungen
der Wasseroberfläche wie beispielsweise Seegangsschwankungen hervorgerufenen Höhenschwankungen
der Seilwinde, einen Druckmeßfühler an dem nicht schwimmfähigen Gegenstand wie beispielsweise
einem Anker anzubringen, um mit Hilfe der Druckmeßsignale, die über eine zusätzlich
zum Seil über eine zweite Winde mit abzurollende Meßleitung übertragen werden, Steuerinformationen
über die Bewegungen des im Wasser befindlichen Gegenstandes zu erhalten. Da bei
kleinen Vertikalbewegungen des Ankers die in bezug auf den hydrostatischen Druck
auftretenden Druckschwankungen sehr gering sind, ist bei einer solchen Anordnung
die Verwendung von hochempfindlichen Druckmeßeinrichtungen notwendig. Außerdem hat
sich die neben dem Tragseil notwendige Meßleitung als nachteilig erwiesen, da neben
der Verwendung einer zweiten Winde, deren Ab- und
Aufwicklung synchron
zur Hauptseilwinde verlaufen muß, als nachteilig dahingehend erwiesen, daß es leicht
zu einerVerhakung zwischen Tragseil und Meßleitung konzen konnte.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung so zu schaffen, daß eine Steuerung des Ausgleichs von durch Niveauschwankungen
der Wasseroberfläche hervorgerufenen Höhenschwankungen der Seilwinde ermöglicht
wird, ohne daß neben dem Tragkabel eine zusätzliche Verbindung, beispielsweise ein
Meßkabel oder eine Funkverbindung verwendet werden muß, und d&ß eine Vorrichtung
hierzu geschaffen wird, mit der die Einhaltung einer Ruhelage eines im Wasser befindlichen
nicht schwimmfähigen Gegenstandes wie eines Ankers relativ zu dem ihn umgebenden
Wasser einfach und ohne großen meßtechnischen Aufwand durchgeführt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung des Ausgleichs
von durch Niveauschwankungen der Wasseroberfläche hervorgerufenen Höhenschwankungen
einer auf einem schwimmenden Gerät wie einem Schiff od.
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dgl. angeordneten, mit einer Antriebseinrichtung verbundenen Seilwinde,
deren im Wasser befindliches Seilende einen nicht schwimmfähigen Gegenstand wie
einen Anker od. dgl. trägt, vorgeschlagen, nach dem zur Ermittlung einer Ruhelage
des Gegenstandes relativ zu dem ihn umge-
benden Wasser die Winclentromme]
von einer genüyend weit von der Drehzahl Null l entfeinten Neßbeginndrehzahl ausgehend,
die Windentrommeldrehzahl kontinuierlich gesenkt, bis das an der Winde durch das
Seil übertragene, anliegende und von der Windenantriebseinrichtung aufgebrachte
Drehmoment den einer Ruhelage des Gegenstandes entsprechenden Wert MWS erreicht,
wobei die an der Winde anliegenden Drehmomentwerte und die Windentrommeldrehzahlen
von einer Meßvorrichtung aufgenommen und durch mathematische Differenzierung die
Windentrommeldrehzahl und das Windendrehmoment von einer Meßwertauswertungseinrichtung
ermittelt wird, bei der das nach der Windentrommeldrehzahl differenzierte Drehmoment
den Wert Null erreicht, und daß zur Erhaltung der Ruhelage des Gegenstandes das
von der Windenantriebseinrichtung aufgebrachte Drehmoment mit dem Wert MWS konstant
gehalten wird.
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Des weiteren sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur Steuerung des Ausgleichs von durch Niveauschwankungen der Wasseroberfläche
hervorgerufenen Höhen schwankungen einer auf einem schwimmenden Gerät wie einem
Schiff od. dgl. angeordneten, mit einer Antriebseinrichtung verbundenen Seilwinde,
deren im Wasser befindliches Seilende einen nicht schwimmfähigen Gegen-
stand
wie einen Anker od. dgl. trägt, vor, bei dem e-rfindungsgemäß die Seilwindenvorrichtung
aus einer auf einer frei gelagerten Welle fest angeoidneten Seilwindentr-ommel mit
einem darauf aufgewickelten und an der Seilwindentrommel einendseitig befestigten
Seil, an dessen anderem Ende ein Gegenstand lösbar befestigt ist, einem Windenantrieb,
dessen Antriebswelle fest mit der Welle und dessen Gehäuse fest mit dem einen Ende
einer Welle verbunden ist, einer Drehzahl-/Drehmomentmeßeinrichtung, in der zur
Drehmomentmessung das andere Ende der Welle fest und drehstarr gelagert ist und
deren Drehzahlmeßfühler mit der Welle in Wirkverbindung stent, und einer Steuerungseinrichtung,
die die Meßwerte der Drehzahl-/Drehmomentmeßeinrichtung aufnimmt, speichert und
in entsprechende Steuersignale für den Windenantrieb umwandelt, besteht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäß
in der Weise ausgebildet, daß die Windenantriebseinrichtung als Elektromotor, dessen
die Anker wicklung tragende Antriebswelle fest mit der Weile und dessen Gehäuse
fest mit dem einen Ende der Welle verbunden ist, ausgebildet ist.
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Dieses Verfahren und die Vorrichtungen ermöglichen eine Steuerung
einer beispielsweise auf einem Schiff angeordneten und mit einer Antriebseinrichtung
verbundenen Seilwinde so, daß ein nicht schwimmfähiger Gegenstand wie beispielsweise
ein Anker im Wasser in einer vorbestimmten Ruhelage relativ zu dem ihn umgebenden
Wasser gehalten
werden kann, auch wenn d«ich Niveauschwankungen
der Wasseroberfläche eine ISöhenschw»arlkung der Seilwinde eintritt.
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Weite vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor, In der Zeichnung ist die Seilwindenvorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels
dargestellt, und zwar zeigt F i g . 1 eine auf einem Schiffskörper angeordnete Seilwindenvorrichtung
in einer schematischen Darstellung F i g . 2 die Seilkraft in einem Tragseil einer
Seilwindenvorrichtung nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines
im Wasser befindlichen Gegenstandes relativ zum Umgebungswasser in einer graphischen
Darstellung, F i g . 3 die mathematisch differenzierte Seilkraft nach Fig. 2 in
einer graphischen Darstellung, F i g . 4 das Drehmoment, das an einer Seilwindenvorrichtung
nach Fig. 1 anliegt, in Abhängigkeit von der Windentrommeldrehzahl in einer graphischen
Darstellung, F i g . 5 das mathematisch differenzierte Drehmoment nach Fig. 4 in
einer graphischen Darstellung, F-i g . 6 das Drehmoment, das an einer Seilwindenvorrichtung
nach Fig. 1 anliegt, in Abhängigkeit von der Windentrcmmeldrehzahl bei aufsteigender
Schiffsbewegung in einer graphischen Darstellung, F i g . 7 das mathematisch differenzierte
Drehmoment nach Fig. 6 in einer graphischen Darstellung,
F i g
. 8 das Drehmoment, das in einer Seilwindenvorrichtung nach Fig. 1 anliegt, in Abhängigkeit
von der Windentrommeldrehzahl bei absinkender Schiffsbewegung in einer graphischen
Darstellung, F i g . 9 das mathematisch differenzierte Drehmoment nach Fig. 8 in
einer graphischen Darstellung, und F i g . 10 eine weitere Ausführungsform einer
Seilwindenvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
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In Fig. 1 ist eine mit 100 bezeichnete Seilwindenvorrichtung rein
schematisch dargestellt, die aus einer Seilwinde W, einem Motor M, einer Meßvorrichtung
ME, einer Meßwertauswertungseinrichtung MA, einer Steuereinrichtung ST und einem
an seinem einen Ende an der Seilwinde befestigten und an seinem anderen Ende einen
lösbar befestiqten Gegenstand G tragenden Tragseil 5 besteht.
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Der Gegenstand G, der ein Anker, ein Netz oder dgl.
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sein kann und aufgrund seiner hohen spezifischen Dichte nicht schwimmfähig
ist, weist durch die Einwirkung der hydrostatischen Auftriebskräfte eine Restgewichtskraft
g auf, die im Ruhezustand eine Seilkraft Kg = g erzeugt.
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Bei einer durch die Abwicklung bzw. Aufwicklung des Seiles S durch
die Seilwinde W und der damit verbundenen Bewegung des Gegenstands G wirkt im Seil
S eine sich mit der Geschwindigkeit des Gegenstandes G verändernde Seilkraft Kg,
die infolge der mit der Geschwindigkeit stark ansteigenden hydrodynamischen Reibung
zwischen dem
Gegenstand G und dem ihn umgebenden Wasser mit ansteigender
Geschwindigkeit des Gegenstandes G stark anwächst. Infolge dessen ergibt sich eine
ganz bestimmte Relation zwischen der Seilkraft K im den C.ct3enstand G tragenden
Teil und g der durch die Seilbewegung hervorgerufenen Vertikalbewegung des Gegenstandes
G, wie sie in Fig. 2 graphisch dargestellt ist. Da durch das Seil S nur Zugkräfte
auf den Gegenstand G übertragen werden können, stellt sich bei einer vertikalen
Abwärtsbewegung des Gegenstandes G eine Maximalgeschwindigkeit Vm ein, die sich
bei Kräftegleichgewicht zwischen der Gewichtskraft g und den Strömungswiderstandskräften
ergibt. Bei einer vertikalen Aufwärtsbewegung des Gegenstandes G wächst die Kraft
Kg sehr stark an und wird nach oben durch die maximale Zugkraft des Seiles begrenzt.
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Der Ruhezustand des Gegenstands G relativ zu dem ihn umgebenden Wasser
wird wesentlich dadurch gekennzeichnet, daß im Seil S die Seiltragkraft K den Wert
g aufweist, g da in diesem Fall keine Strömungskräfte auf den Gegenstand G wirken.
Wenn nun der meßbare und durch geeignete Speichervorrichtungen aufnehmbare Kräfteverlauf
der Seilkraft g in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit Vg des Gegenstandes G als
geeignete mathematische Funktion erfaßt und mathematisch in bezug auf die Geschwindigkeit
Vg differenziert wird, ist die Ruhelage bzw. der Ruhezustand des Gegenstandes G
wesentlich durch das Minimum bzw. die Null-
stelle der Ableitungsfunkt
ion K ' (Vg) gckennzeichnet, g wie es in Fig. 3 anhand der graphischen Darstellung
einer rein schematisch dargestellten Ab1eitun(sfunktion der Seiltragkraft K im Seil
S dargestellt ist.
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Da die Kraft K durch das Seil S auf die Seilwinde g W übertragen
wird, ergibt sich hier das Drehmoment MW.
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Das Drehmoment NW hat in bezug auf die Drehzahl nW der Windentrommel,
die über einen Faktor 2wir, wobei r der halbe Windentrommeldurchmesser ist, der
Geschwindigkeit Vg des Gegenstandes G entspricht, qualitativ den gleichen Verlauf
wie die Seilkraft K über der Geschwindigkeit Vg, g wie anhand der rein qualitativen
graphischen Darstellung in Fig. 4 dargestellt ist. Auch in bezug auf das an der
Trommel anliegende Drehmoment MW ist die Ruhelage des Gegenstandes G durch das Minimum
bzw.-der Nullstelle der nach der Windendrehzahl nW differenzierten Ableitungsfunktion
MW'(nW) gekennzeichnet (Fig. 5). Die dem Ruhezustand bzw.
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der Ruhelage des Gegenstandes G zuzuordnende Windendrehzahl nWS hat
für den in Fig. 4 und 5 dargestellten Fall einer fehlenden Schiffsbewegung den Wert
Null und ist mit nWS gekennzeichnet.
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Die anhand der Figuren 2 bis 5 dargestellten Zusammenhänge zwischen
der Seilkraft K im Tragseil S und der Geg schwindigkeit des Gegenstandes G bzw.
zwischen dem an der Seilwinde W anliegenden Drehmoment MW und der Seilwinden-
drehzahl
nW sind in Form einer geeigneten Steuerschaltung und eines geeigneten Proglammsieicherwerkes
in der Steuereinrichtung enthalten, so daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
folgende Arbeitsweise verwirklicht wird: Wenn in die Steuereinrichtung ST der Startbefehl
eingegeben wird, das Gewicht G in der Position im Wasser zu halten, die es zur Zeit
des Startbefehls zur Positionshaltung einnimmt, wird von der Steuereinrichtung der
Steuer-und Meßvorgang zur Erhaltung einer als Ruhelage bezeichneten Lage des Gegenstandes
G durchgeführt. Zunächst hat die Seilwinde eine Meßbeginndrehzahl nWM, die der Drehzahl
nW zur Zeit des Startbefehls entspricht. Hat zum Zeitpunkt des Startbefehls die
Drehzahl nW den Wert Null (nW = 0) wird die Seilwinde auf eine genügend weit von
der Drehzahl Null (nW = 0) entfernte Meßbeginndrehzahl nWM gebracht.
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Anschließend wird die Windendrehzahl nW kontinuierlich gesenkt, bis
das an der Seilwinde durch das Seil S übertragene, anliegende und von der Windenantriebseinrichtung
WA aufgebrachte Drehmoment MW den einer Ruhelage des Gegenstandes G entsprechenden
Wert MWS erreicht. Die Drehmomentwerte MW des an der Winde anliegenden Drehmomentes
werden während des Meßvorganges, d.h. während der kontinuierlichen Senkung der Windendrehzahl
gespeichert und ausgewertet, indem der Verlauf durch eine geeignete mathematische
Funktion angenähert und diese den Drehmomentverlauf während des Meß-
vorgangs
darstellende Funktion math matisch in bezug auf die Windendrehzahl nW differenziert
wird, um den den Ruhezustand bzw. die Ruhelage des Gegenstandes G kennzeichnenden
Wert MWS des Drehmomentes MW und den kennzeichnenden Wert nWS der Windendrehzahl
nW zu ermitteln. Der von der Meßwertauswertungseinrichtung MA für den Ruhezustand
ermittelte kennzeichnende Wert für das Drehmoment wird von der Steuereinrichtung
ST in entsprechende Steuerbefehle umgewandelt und der Windenantrieb wird hierdurch
auf den den Ruhestand bzw. die Ruhelage des Gegenstands kennzeichnenden Drehmomentwert
MWS gebracht, so daß der Gegenstand G unabhängig von einer Bewegung des die Seilwindenvorrichtung
tragenden Schiffes seine Ruhelage einnimmt.
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Der Meß- und Steuervorgang, wie er bei einer Ruhelage des die Seilwindenvorrichtung
tragenden Schiffes abläuft, ist rein schematisch anhand einer qualitativen Därstellung
des Drehmomentverlaufes MW (nW) und des differenzierten Drehmomentverlaufes MW'
(nW) in Fig. 4 und 5 dargestellt, wobei hier die wichtigsten den Meß- und Steuervorgang
kennzeichnenden Größen, die Meßbeginndrehzahlen nWM, die maximale Drehzahl nm in
Gegendrehrichtung und die die Ruhelage des Gegenstandes hervorrufende Windendrehzahl
nWS, die für eine Ruhelage des Schifes B den Wert Null einnimmt, eingetragen sind.
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In Fig. 6 und 7 ist anhand des Drehmomentverlaufes MW (nW) und des
differenzierten Drehmomentverlaufes MW'-(nW)
der Meß- und Steuervorgang
bei einer Abwärtsbewegung des die Seilwindenvorric})tung tragenden Schiffes B dargestellt.
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Der die Ruhelage des C e:ns,1andes G G bewirkende Drehmomentwert MWS,
der an der Sellwinde anliegt und vom Windenantrieb M aufyebracht wird, hat, da er
nur vom Unterwassergewicht des Gegenstandes G abhängt, den gleichen Wert MWS wie
bei einer Ruhelage des Schiffes B. Die eine Ruhelage des Gegenstandes G bewirkende
Windendrehzahl nWS stellt sich durch einen in Pfeilrichtung in Fig. 1 gesehen positiven
Wert dar, der in der Ableitungsfunktion (Fig. 7) durch eine Nullstelle bzw. ein
Minimum der Ableitungsfunktion gekennzeichnet ist, und der bezüglich der Seilwinde
einem kontinuierlichen Aufwickeltvorgang des Seiles S entspricht.
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In den Fig. 8 und 9 ist der Meß- und Steuervorgang der Seilwindenvorrichtung
in Analogie zu den Fig. 6 und 7 für eine Aufwärtsbewegung des die Seilwindenvorrichtung
tragenden Schiffes B dargestellt. Die Ruhelage des Gegenstandes G ist wiederum durch
den Drehmomentwert MWS gekennzeichnet, während die eine Ruhelage des Gegenstandes
G bewirkende Windendrehzahl nWS bei einer aufsteigenden Schiffsbewegung einen in
bezug auf die in Fig. 1 angedeutete Pfeilrichtung negativen Wert aufweist, der einer
kontinuierlichen Abwickelbewegung der Seilwinde entspricht.
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Auch bei einer aufsteigenden Schiffsbewegung ist die Ruhelage des
Gegenstandes G durch eine Nullstelle bzw. durch
ein Minimum der
Ablitunsiunktion mwS (nW) gekennzeichnet. Da sowohl für eine aufsteigende bzw. abfallende
Schiffsbewegung des die Seilwindenvorrichtung tragenden Schiffes B durch den Meß-
und Steuervorgang der Seitwindenvorrichtung eine Steuerung der Seilwinde so möglich
ist, daß mit Hilfe eines kurzen Meßdurchgangs und unter Verwendung der hieraus gewonnenen
Steuerdaten bzw. Steuerbefehle die Windenantriebseinrichtung MA immer so eingestellt
werden kann, daß der Gegenstand G eine Ruhelage relativ zu dem ihn umgebenden Wasser
erreicht, ist eine Einhaltung dieser vorgewählten Ruhelage unabhängig von einer
auftretenden Schiffsbewegung möglich.
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In Fig. 10 ist eine bevorzugte Ausführungsform der mit 100 bezeichneten
Seilwindenvorrichtung dargestellt.
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Das an seinem freien im Wasser befindlichen Ende den Gegenstand G
tragende Seil S ist über eine am Schiffskörper des Schiffes B befestigte Umlenkrolle
geführt und mit seinem anderen Ende fest mit der Seilwindentrommel 20 verbunden,
auf der ein Teilabschnitt des Seiles S aufgewickelt ist.
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Die Seilwindentrommel 20 ist drehfest auf einer Weile 10 angeordnet,
die frei gelagert ist, und die einendseitig mit der Antriebswelle 10a eines elektromotorischen
Windenantriebs 30 verbunden ist. Die Antriebswelle 10a des elektromotorischen Windenantriebs
30 ist im Gehäuse 31 des-Windenantriebs 30 frei gelagert und trägt den Anker 32
mit der Ankerwicklung, während das Gehäuse 31 des Windenantriebs
30
drehfcst mit dem Ende einer frei gelagerten Welle 40 verbunden ist, deren anderes
Endc fest und drehstarr in einer Meßejnrichung 50 gelagert ist, wobei in der Lagerung
der Welle 40 in der Meßeinrichtung 50 ein piezoelektrisch arbeitendes Meßelement
55 angeordnet ist, mit dem das von der Welle 40 übertragene Drehmoment MW gemessen
wird. Die Meßeinrichtung 50 ist mit einer Steuereinrichtung 60 verbunden, in der
ein eine Meßwertauswertungseinrichtung MA enthaltenes Programmsteuerwerk 61 integriert
ist.
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Die Meßeinrichtung 50 ist auch mit einer Meßeinrichtung 55 verbunden,
die im Bereich der Welle 40 angebracht ist und mit dieser in der Weise in Wirkverbindung
steht, daß sie die Drehzahl nW der Welle 40 und damit die Drehzahl der Seilwinde
bzw. der Antriebswelle 10a des Windenantriebs 30 aufnimmt.
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Der Windenantrieb 30 ist elektromotorisch so ausgebildet, daß es
möglich ist, daß ein Drehmoment MW auf die Antriebswelle 10a und damit auf die Seilwindentrommel
20 aufgebracht wird, unabhängig von der jeweiligen Drehzahl nW der Antriebswelle
10a und damit der Seilwindentrommel 20 und unabhängig von der Drehrichtung der Antriebswelle
10a. Das auf die Antriebswelle 10a des Windenantriebs 30 aufgebrachte Drehmoment
MW liegt mit umgekehrtem Vorzeichen auf der Welle 40 und wird somit in den Meßfühler
52 der MeBeinrichtung 50 übertragen, so daß es möglich ist, das durch den Gegenstand
G über das Seil S an der Seilwindentrommel
20 erzeugte Drehmoment
qualitativ in der Meßeinrichtung 50 zu erfassen und in der Steuereinrichtung 60
auszuwerten und in ein entsprechendes Steuersignal umzuwandeln.
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Die Erfindung ist nicht auf die voranstehend beschrienen und in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt, eine andere Anordnung der
die erfindungsgemäße Vorrichtung umfassenden Elemente licgt ebenso im Rahmen der
Erfindung wie die Anwendung einer die gleichen Wirkungen erzielenden Antriebseinrichtung
30.
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