DE508053C - Steuergeraet fuer Schiffsstabilisierungswagen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, einen Wagen großer Masse quer zum Schiff so hin und her zu bewegen, daß er gegen Schlingerbewegungen dämpfend wirkt. Die Steuerung des Wagens erfolgt hierbei in Abhängigkeit von der Größe oder Geschwindigkeit der Schlingerwinkelausschläge um die jeweilige Gleichgewichtslage des Schiffes.

Gemäß der Erfindung wird ein ähnlich angeordneter Wagen derart gesteuert, daß er sowohl gegen Schlingerbewegungen dämpfend wirkt, als auch zur Behebung von Schieflagen, des Schiffes dient. Falls man auch längsschiffs einen solchen Wagen großer Masse durch eine grundsätzlich völlig gleichartige Steuervorrichtung zur Dämpfung der Stampfbewegungen und zur Behebung von Schiffsneigungen zur Bug- oder Heckseite hin und her bewegt, läßt sich eine annähernd vollkommene Stabilisierung des Schiffes erreichen. Der Wagen wird dabei beispielsweise von einem elektrischen Motor angetrieben, dessen Schaltung von den vorgesehenen Steuerorganen aus gesteuert wird, und zwar wirken die Steuerorgane einmal auf eine Schaltung, die im wesentlichen zur Dämpfung der Schiffsschwankungen dient, und dann über eine Dämpfungsvorrichtung auf eine andere Schaltung, die zur Behebung von falschen, einseitigen Wagenstellungen sowie Schieflagen des Schiffes und zu ganz beliebigen Verstellungen des Wagens sowie Neigungen desi Schiffes dient. Der "Wagen wird in erster Linie in Abhängigkeit von der Größe bzw. von der Größe und Geschwindigkeit des Schlingerwinkels um die Schiffssymmetrielage gesteuert, und zwar solange diese mit der Gleichgewichtslage, um die die Schlingerbewegungen erfolgen, übereinstimmt, von diesen allein. In dem Augenblick aber, wo eine mittlere falsche, einseitige Wagenstellung oder Schieflage des Schiffes eintritt, kommen noch andere Steuerorgane, teils selbsttätig, teils von Hand verstellt, zur Wirkung, die den Wagen bzw. das Schiff, letzteres durch Verstellung des Wagens, wieder in ihre richtige Lage bringen.

Die Abbildung zeigt beispielsweise, wie die Steuerorgane auf die hier als Spannungsteilerschaltung ausgebildete Regelung des elektrischen Antriebsmotors eines Dämpfungs- und Stabilisierungswagens wirken. Die Regulierung des Wagenantriebmotors 1 erfolgt hiernach einerseits durch den Hauptschalter 2 und andererseits durch den Hilfsschalter 3, die beide im Ankerstromkreis des Motors liegen. Der Stromabnehmer des Grobspannungsteilers wird von dem Nachlaufmotor 4, der dem Schlingerwinkelzeiger 5 folgt, und dem Nachlaufmotor 6, der dem Wendezeiger 7 folgt, verstellt. Die Bewegungen beider Motoren werden in Richtung der Pfeile weitergeleitet und durch das Differential 8 überlagert. Die Übertragung der

Bewegung der Zeiger 5 und 7 auf die Motoren 4 und 6 kann in irgendeiner bekannten Weise erfolgen.

Die Regelung des Hilfsschalters 3 wird einmal beeinflußt von dem Schlingerwinkel ψ, der vom Nachlaufmotor 4 entnommen wird, und dann von dem Synchronmotor 9, der proportional den Wegen s umläuft, die der Wagen bei seinen Pendelungen nach beiden Seiten des Schiffes hin durchläuft· Beide Bewegungen φ und s¹ werden wieder durch ein Differential 10 überlagert und verursachen eine Drehung der Spindel 11, auf der eine Mutter 12 entsprechend den Wegen φ und s⁽ hin und her wandert. Durch die Wanderungen der Mutter werden zwei Federn 13 und 14 periodisch entsprechend verschieden angespannt. Die anderen Enden der Federn greifen an einem Dämpfungszylinder 15 an, in dem ein Kolben 16, vermittels Kolbenstangen 17 relativ zum Schiff festgehalten, in seiner Mittellage steht. Die Drosselwirkung der Flüssigkeit in dem Dämpfungszylinder 15 wird vermittels Drosselventil 18 in dem Druckausgleichsrohr 19 derart bemessen, daß der Zylinder 15 den Bewegungen der Mutter 12 nur unwesentlich folgt, solange dieselben gleichmäßig sind. Sind aber die Wanderungen der Mutter 12 nach der einen Richtung hin ständig größer als nach der anderen, ist ihre mittlere Stellung also einseitig verschoben, so wird auch der Dämpfungszylinder 15 entsprechend nach dieser Seite hingezogen. An diesen Zylinder ist durch die Stange 20 der Stromabnehmer 21 des Hilfsschalters 3 angelenkt. Von der Handkurbel 22 kann über das Differentialgetriebe 23 noch eine zusätzliche, ganz beliebige Vorstellung des Winkels φ auf die Dämpfungsvorrichtung zur Einwirkung gebracht werden. Ebenso kann durch die Handkurbel 24 über das Differentialgetriebe 25 die von dem Synchronmotor 9 auf die Spindel übertragene Bewegung, die proportional dem Wagenwegs ist, zusätzlich beeinflußt werden.

Die Spannungsteilerschaltung des elektrischen Äntriebsmotors 1 besteht somit aus dem Hauptschalter 2 und dem Hilfsschalter 3, die beide im Ankerstromkreis des Antriebsmotors liegen mögen. Dieser sowohl wie auch der Erregerstromkreis 26 liegen beide an dem Gleichstromkreis 27 und 28. Die Widerstände 29, die zu der Kontaktreihe 30 führen, und die Widerstände 31, die zu der Kontaktreihe 32 führen, bilden zusammen mit dem Stromabnehmer 33 die Hauptspannungsregulierung. Der Hilfsschalter 3 liegt einerseits zwischen den beiden Netzleitungen 27 und 28 und ist zudem in der Mitte mit den beiden inneren Kontakten 34 und 35 des Hauptschalters 2 verbunden. Auf ihm schleift der Stromabnehmer 21, der durch die Leitung 38 mit dem Anker verbunden ist. Die Widerstände sind so bemessen, daß der Anker in der gezeichneten Stellung der Stromabnehmer 21 und 33 spannungslos ist. Der Motor steht also still. Erst wenn eine Verschiebung des einen oder des anderen Spannungsteilers oder beider zusammen erfolgt, wird der Motor in dem einen oder dem anderen Sinne umlaufen.

Die Wirkungsweise der gesamten Anordnung ist nun derart, daß, solange keine einseitige mittlere Wagenstellung und keine mittlere Schieflage des Schiffes, wohl aber Schlingerbewegungen vorhanden sind, nur der Hauptschalter 2 verstellt wird. Um die Wirkungsweise der Steuerorgane besser zu erkennen, sei zunächst einmal angenommen, daß der Wendezeiger 7 gar nicht vorhanden sei. Der Schlingerwinkelzeiger 5, der in diesem Falle mit gleich großen Ausschlägen nach beiden Seiten um seine Nullage pendelt, bewirkt dann allein die Verstellung des Stromabnehmers 33, und zwar derart, daß der Motor ι entsprechend den Ausschlägen des Zeigers einmal rechts und dann links herum umläuft. Beim Durchgang des Zeigers durch die Nullstellung wird der Motor jeweils umgepolt; der Wagen steht in diesem Augenblick still, und zwar am Umkehrpunkt seiner Bewegung auf derjenigen Schiffsseite, die gerade angehoben wird. Seine Bewegung ist somit zu derjenigen des Schlingerwinkelzeigers und damit auch zu derjenigen des Schiffes im wesentlichen um 90 in der Phase versetzt- Bei dieser Phasenverschiebung zwischen den beiden Bewegungen wird bekanntlich eine besonders gute dämpfende Wirkung erreicht. Der Hilfsschalter 3 wird in diesem Falle — gleichmäßige Schlingerbewegungen, aber keine mittlere einseitige Wagenstellung oder Schieflage des Schiffes — nicht betätigt, denn die auf die Spindel geleiteten Bewegungen φ und s bewirken eine Pendelung der Mutter 12 mit gleicli großen Ausschlägen um ihre Mittelstellung: der Dämpfungszylinder wird also aus seiner Mittelstellung praktisch nicht verschoben.

Werden nun die Schlingerbewegungen infolge einer mittleren Schieflage des Schiffes, die durch einseitige Wagenstellung, Leckage, einseitig starken Wind und Wellenschlag oder durch sonstige Gründe verursacht sein kann, einseitig stärker, schlägt also der Schlingerwinkelzeiger demzufolge nach der einen Seite um größere Beträge aus als nach der anderen, so sucht er über den Hauptschalter den Antriebsmotor so zu schalten, daß der Wagen diese einseitig stärkeren Ausschläge in der um 90⁰ versetzten Phase

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mitmacht, und zwar im gleichen Sinne. Das würde aber eine Vergrößerung der Unsymmetrielage des Schiffes verursachen, indem der Wagen in seiner Mittelstellung immer mehr nach der Seite der größeren Neigung hin verschoben würde. Dem wirkt nun die Steuerung, die die Feinspannungsteilung reguliert, entgegen. Entsprechend den ungleichmäßig größeren Werten φ und s wird die

ίο Spindelmutter 12 in ihrer Mittelstellung einseitig verschoben, infolgedessen auch der Dämpfungszylinder 15. Der Stromabnehmer 21 des Spannungsteilers 3 stellt sich dann einseitig zu seiner Mittelstellung, so daß die Regulierwirkung des Hauptschalters 2 einseitig wirkt und die Unsymmetriebewegung der Mutter und gleichzeitig die des Wagens zum Stillstand kommt. Zur Erklärung des sich dabei abspielenden Schaltvorganges sei angenommen, daß der Schlingerwinkelzeiger derart ungleichmäßig um seine Nullstellung pendelt, daß er den Stromabnehmer 33 gegen die Kontakte 30 höher und länger anhebt als gegen die Kontakte 32; in der Mittelstellung berühre der Stromabnehmer beispielsweise noch den Kontakt 30°. Das würde, falls der Hilfsschalter nicht verstellt würde, die obenerwähnte dauernde Vergrößerung der einseitigen Wagenstellung oder Schieflage des Schiffes verursachen. Nun bewirken aber die Bewegungen, die gleichzeitig vom Schlingerwinkelzeiger und von dem Synchronmotor 9 auf die Spindel 11 geleitet werden, eine Verschiebung der mittleren Stellung der Mutter 12 nach links. Infolgedessen wird auch der Dämpfungszylinder 15 nach links verschoben, also auch der Stromabnehmer 21. Die Stärke der Dämpfung kann durch das Drosselventil 18 in der Druckausgleichsleitung 19 eingestellt werden. Dadurch ist in dem Ankerstromkreis, der in der Mittelstellung des Stromabnehmers 33 von der Netzleitung 27 über Leitung 37, Widerstand 29«, Kontakt 30", Stromabnehmer 33, Anker 1, Leitung 38, Stromabnehmer 21, Widerstand 33, Leitung 39 zur Netzleitung 28 führt, durch den Spannungsteiler 3 so viel Widerstand gegengeschaltet worden, daß bei dieser mittleren Stellung am Anker keine Spannung mehr liegt; der Motor steht also still. Die Bewegung des Wagens zu derjenigen Schiffsseite hin, die durch die Schieflage mehr geneigt ist. ist also früher zum Stillstand gekommen, als es der Hauptschalterregulierung allein entsprechen würde, während die Bewegung zu derjenigen Schiffsseite hin, die durch die mittlere Schieflage gehoben ist, durch die Hilfsschalterregulierung vergrößert worden ist. Erreicht wird durch diese selbsttätige Regulierung des Hilfsschalters aber nur, daß die Verschiebung der mittleren Wagenstellung von der Schiffsmitte zu der durch die Schieflage geneigten Bordseite hin mehr oder weniger schnell zum_ Stillstand kommt. LTm nun aber die einseitige Wagenstellung bzw. die Schieflage des Schiffes zu beheben, ist es erforderlich, daß die mittlere Stellung, um die sich der Wagen mit gleich großen Ausschlägen nach beiden Seiten hin bewegt, entsprechend einseitig auf der Wagenbahn verlegt wird. Das wird dadurch erreicht, daß der Stromabnehmer 21 des Spannungsteilers 3 noch weiter nach links verschoben wird, so daß auch die Regulierwirkung des Hauptschalters noch mehr einseitig nach links wirkt, und zwar erfolgt diese weitere Verstellung des Stromabnehmers 21 dabei etwa von Hand, beispielsweise durch die Kurbeln 22 und 24. Das gleiche könnte natürlich auch durch Regulieren an dem »Horizont« 5 geschehen. Von diesen Handkurbeln aus kann man auch andere Unsymmetrien in den Bewegungen von Schiff oder Wagen ausgleichen, die beispielsweise dadurch bewirkt sein können, daß der Wagen in den einander entgegengesetzten Richtungen nicht beide Male dieselbe Reibung zu überwinden hat. Für diesen Fall wird man aber von den Handkurbeln aus den Widerstand des Hilfsschalters für die Fahrtrichtung, in der die größere Reibung zu überwinden ist, verkleinern, damit der Motor eine größere Leistung abgeben kann-

Bisher wurde angenommen, daß nur der Schlingerwinkelzeiger den Hauptschalter verstellt. Es empfiehlt sich aber, letzterem außerdem noch eine zusätzliche Verstellung über das Differentialgetriebe 8 von dem Wendezeiger 7 aus zu geben. Die Einstellbeträge, die vom Wendezeiger kommen, entsprechen der Winkelgeschwindigkeit der Schlingerbewegungen und eilen denen, die vom Schlingerwinkelzeiger kommen, um 90⁰ in der Phase voraus. Durch die Überlagerung wird also eine verfrühte Regulierung des Hauptschalters bewirkt. Diese ist aber unter Umständen notwendig zur Beschleunigung bzw. Verzögerung der Massen von Wagen und Antriebsmotor. Die vom Wendezeiger zu übertragenden Einstellbeträge sind den zu bewegenden Massen angepaßt.

Die vorstehend beschriebene Anordnung kann man auch dazu benutzen, um Schiffe künstlich aufzuschaukeln, was für Übungszwecke gelegentlich erforderlich ist. Wie in n₅ der Beschreibung der Wirkungsweise näher erläutert wurde, wirkt die Anordnung dann derart, daß die Schiffsschwankungen sehr schnell durch die Bewegungen des Wagens vergrößert werden.

Um die von den Steuerorganen eingeleiteten Bewegungen besser gegeneinander ab-

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gleichen zu können, empfiehlt es sich, in die Differentialgetriebe Reibradgetriebe mit Planscheibenvorgelegen o. dgl. einzubauen.

Die Summierung der auf die Spindel 11 übertragenen Bewegungen kann natürlich auch durch andere geeignete Vorrichtungen erfolgen, beispielsweise durch Ratschenmitnehmer nach jeder Schwingungsseite für sich. Ebenfalls ist für den Antriebsmotor ίο eine andere Schaltung möglich, beispielsweise eine Kontrollerschaltung oder eine Relaisanordnung o. dgl., die dann von den Steuerorganen ähnlich wie in der beschriebenen Art und Weise betätigt wird.

Bei Schiffen mit Neigung zu starken Schwebungen der Schlingerbewegungen ist es erforderlich, den Wagen diesen Schwebungen schnell folgen zu lassen. Dieses erreicht man zweckmäßig in der Weise, daß man die Dämpfungseinrichtung mehrmals vorsieht, beispielsweise außer der in der Zeichnung j dargestellten Weise noch für den Schlinger- ,; winkel oder Schlingerwinkelgeschwindigkeit j oder aber auch für den Wagenweg allein. ! Dabei wird die Dämpfungseinrichtung für den Schlingerwinkel bzw. für die Schlingerwinkelgeschwindigkeit zweckmäßig mit einer wesentlich schwächeren Dämpfung eingestellt als die Dämpfungseinrichtung gemäß der Abbildung. Infolgedessen reagiert die erstere Einrichtung besonders schnell auf die Schwebungen der Schlingerbewegungen und führt den Wagen entsprechend hin und her· Dabei empfiehlt es sich, unter Umständen Verstellwerte dieser Einrichtung (etwa durch ein Differential) auf den Hauptschalter zu übertragen statt auf den Hilfssdialter.

Steuerorgane dieser Art können bei allen möglichen Fällen als Integratoren zwecks Mittelbildung aus veränderlichen Werten verwendet werden.

Im allgemeinen empfiehlt es sich, mehrere (und zwar eine geradlinige Anzahl) Wagen von gleicher Masse und Bauart, die jeweils von einem Antriebsmotor mit der vorstehend beschriebenen Steuerung bewegt werden, zu verwenden; diese sind dann in ihrer Ruhelage so auf die beiden Bordseiten des Schiffes verteilt, daß sie die Schiffssymmetrielage nicht stören. Ihre Inbetrieb- bzw. Stillsetzung erfolgt dann durch Einschaltung des elektrischen Antriebsmotors in dem Augenblick, wenn das Schiff sich gerade in seiner Symmetrielage befindet, ferner derart naclveinander, daß die Bewegung der Wagen gegenüber derjenigen des Schiffes um 90⁰ in der Phase gleichmäßig verschoben ist.

Sind mehrere Wagen vorgesehen, dann

können alle vom Schlingerwinkel betätigten Organe für alle Wagen gemeinsam sein, während die auch vom Wagenweg mit beeinflußten Organe für jeden Wagen besonders vorzusehen sind. Dieses gilt sinngemäß auch von den Haupt- und Hilfsschaltern.

Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, mit der beschriebenen Steuerung Wassermassen zu steuern, auf die man etwa den Elektromotor direkt oder indirekt arbeiten läßt. Der Elektromotor könnte beispielsweise Pumpen oder Preßluftgebläse antreiben.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Steuerung des elekirischen Antriebsmotors für einen oder mehrere querschiffs oder längsschiffs hin und her bewegte Wagen von großer Masse, die auf die Schlingerbewegung des Schiffes dämpfend wirken, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgesehenen Steuerorgane auf die Schaltung des Wagenantriebsmotors derart einwirken, daß nicht nur die Schiffsschwankungen gedämpft, sondern auch Unsymmetrie!! in den Wagenstellungen sowie Schieflagen des Schiffes beseitigt werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane auf eine Hauptschaltung, die im wesentlichen zur Dämpfung der Schiffsschwankungen dient, und auf eine Hilfsschaltung, die zur Behebung von falschen einseitigen Wagenstellungen sowie Schieflagen des Schiffes dient, einwirken.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 für einen querschiffs hin und her bewegbaren Wagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschaltung in Abhängigkeit von der jeweiligen Größe des Schlingerwinkeis und die Hilfsschaltung in Abhängigkeit \^ron dem jeweiligen mittleren Schiffsneigungswinkel und von der jeweiligen Abweichung der mittleren W^Tagenstellung von der Schiffsmitte erfolgt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierung der von den Steuerorganen auf den Hilfssdhalter übertragenen Bewegungen durch eine Dämpfungsvorrichtung erfolgt, no derart, daß Federn, die durch die übertragenen Bewegungen periodisch gespannt und entspannt werden, auf einen Flüssigkeitszylinder arbeiten, der insbesondere den einseitig stärkeren Bewegungen folgt und n₅ diese auf den Hilfsschalter überträgt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- " schaltung nicht nur in Abhängigkeit von der Größe, sondern auch in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Schlingerbewegungen erfolgt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch ι bis 5, gekennzeichnet durch Handkurbeln, mittels derer die Hilfsschaltung derart verstellt werden kann, daß dauernde Schieflagen des Schiffes oder einseitige Wagenstellungen (etwa infolge ungleicher Reibungen) ausgeglichen werden.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der Schwebungen in den Schlingerbewegungen \veitere Dämpfungsvorrichtungen vorgesehen sind, auf die die Schlingerwinkel oder auch die Schlingerwinkelgeschwindigkeiten allein übertragen werden.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Dämpfungsvorrichtungen ermittelten Beträge auch auf den Hauptschalter einwirken.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8

   für mehrere Wagen an Bord eines Schiffes, dadurch gekennzeichnet, daß alle vom Schlingerwinkel allein betätigten Organe für alle Wagen gemeinsam vorgesehen sind, während die auch vom Wagenweg mit beeinflußten Organe für jeden Wagen besonders vorgesehen sind.
10. 10. Verfahren zur Inbetrieb- bzw. Stillsetzung mehrerer Wagen zur Dämpfung bzw. zur künstlichen Erzeugung von Schiftsschlingerbewegungen, die jeweils durch die Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 4 gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgesehenen Wagen in ihrer Ruhestellung auf die beiden Bordseiten des Schiffes mit ihren Massen symmetrisch verteilt werden und daß der elektrische Antriebsmotor eines jeden Wagens nur bei Schiffssymmetrielage und in richtiger Phase zur Schiffsbewegung an- bzw. abgeschaltet wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen