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Hydraulisch gesteuerte Winde mit Seilspannvorrichtung Die Erfindung
bezieht sich auf hydraulisch gesteuerte Winden, die ohne nennenswerte Änderung ihrer
Normenausführung durch eine zusätzliche Einrichtung auch die Aufgabe erfüllen können,
ein Seil unter Aufrechterhaltung einer gegebenen Seilspannung selbsttätig sowohl
auf- wie abzuwickeln. Solche Aufgabe ist gestellt, wenn ein Seeschiff in einer Schleuse,
wie sie beispielsweise zwischen den oberamerikanischen Seen vorhanden sind, an den
Schleusenwänden vertäut ist und eine gewollte Seilkraft auch dann aufrechterhalten
bleiben muß, wenn Wasserspiegel und Schift schnell absacken bzw. steigen, ohne daß
es einer Bedienung bedarf. Die gleiche Forderung tritt auf bei schneller Beladung
eines Schiffes aus Bunkern, beim Auf- und Niedergehen des Schiffes während der Gezeiten,
beim Dümpeln eines Schiffes, das in einem gewissen Abstand von der Reede vor Anker
liegt bzw. gehalten werden soll.
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Derartige Verhol- bzw. Vertäuwinden (im Ausland als »mooring«-Winden
bezeichnet) wurden bisher als Sonderwinden hergestellt und im wesentlichen als Dampfwinden
gebaut.
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Die Erfindung löst die Aufgabe für hydraulisch geregelte Winden derart,
daß die Winden sowohl als Ladewinden in ihrer normalen Ausführung als auch als »mooring«-Winden
benutzt werden können, wobei im letzten Fall auch hier eine gewollte und sogar verstellbare
Seilspannung in beiden Richtungen (Heben und Senken) selbsttätig aufrechterhalten
wird.
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In bekannter Weise besitzen derartige Winden einen hydraulischen Pumpen-
oder Primärteil und einen hydraulischen Motor- oder Sekundärteil, wobei
die
Fördermenge beider Teile stufenlos regelbar ist. Derartige stufenlos regelbare Verdrängerpumpen
sind bereits insbesondere im Pressenbau als sogenannte Nullhubpumpen ausgeführt
worden. Ohne besondere Maßnahmen, die die vorliegende Erfindung trifft, gelingt
es jedoch nicht, dieses Prinzip für hydraulische Mooring-Winden anzuwenden. Diese
Maßnahmen und die Gründe hierfür sind an Hand der Fig. i erläutert, in welcher alle
für den Mooring-Vorgang maßgebenden Größen (Seilspannkraft S, Federkräfte F, Flüssigkeitsmenge
Q, Seilgeschwindigkeit v, Flüssigkeitsdruck a des Getriebes und Wirkungsgrade)
als Funktion des Federweges angegeben sind. Das Prinzip der Nullhubpumpe besteht
darin, daß die größt zugelassene Pumpenexzentrizität durch eine Feder entweder unmittelbar
oder mittelbar über mechanische Übertragungselemente gedrückt wird (Heben). Ein
hydraulisch betätigter Kolben, auf den der gleiche Druck wie in der Pumpe herrscht,
wirkt- dieser Feder entgegen.
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Betrachtet man zum besseren Verständnis zunächst nur die Hubseite,
d. h. beispielsweise beim Schleusen des Schiffes das Aufsteigen des letzteren entsprechend
dem Aufwickeln des am Ufer vertäuten Seiles, so ergibt sich ohne weiteres, daß,
wenn sich das Seil schneller aufwickeln wollte als das Schiff steigt, der hydraulische
Druck steigt, damit zugleich die Feder zusätzlich spannt, damit die Flüssigkeitsmenge
und die, Aufwickelgeschwindigkeit des Seiles selbsttätig so lange verringert, bis
zwischen hydraulischem Druck und Federkraft Gleichgewicht herrscht, wobei Seilgeschwindigkeit
und Steigegeschwindigkeit des Schiffes gleich groß sind. Jede Ungleichheit dieser
beiden Größen bedingt entweder Lockerwerden des Seiles, damit Abnahme des Getriebeflüssigkeitsdruckes,
wodurch die Feder eine größere Flüssigkeitsmenge, d. h. größere Seilaufwickelgeschwindigkeit
einstellt, oder zusätzliche Straffung des Seiles mit umgekehrter Wirkung (Zunahme
des Flüssigkeitsdruckes, verstärkte Federzusammendrückung, Abnahme der Flüssigkeitsmenge,
d. h. kleinere Seilgeschwindigkeit).
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Beim umgekehrten Schleusenvorgang, d. h. beim Absacken des Schiffes
muß die Feder die Tendenz haben, die Exzentrizität der Pumpe in ein Minimum, also
auch die Flüssigkeitsmenge in ein Minimum zu verwandeln, also umgekehrt wie beim
Heben des Schiffes. Denn beim Absacken des Schiffes muß das Seil abgewickelt werden.
Ein Zuviel-Abwickeln würde das Seil schlaff machen, den hydraulischen Druck verringern,
so daß die überwiegende Federkraft die Flüssigkeitsmenge und damit die Senkgeschwindigkeit
verringern muß. Das tut sie auch; insofern führt die über die 0-Exzentrizität zur
Senkseite hin gedrückte Pumpe gerade das aus, was von ihr verlangt wird. Allerdings
drehen sich sowohl der mechanische wieder hydraulische Wirkungsgrad dabei um und
nehmen sehr verschiedene Größen an. Beim Aufsteigen des Schiffes handelt es sich
vergleichsweise um das Aufwinden einer Last, beim Absacken um das Herablassen einer
Last. Ist nun im ersteren Fall der Wirkungsgrad 77, so ist er bekanntlich im zweiten
Fall 2 17-i. Im Fall hydraulisch geregelter Ladewinde verhält sich
wie etwa
d. h. beim Seilablassen (Senken) derselben gleich großen Seilkraft entsteht theoretisch
etwa nur der halbe Flüssigkeitsdruck wie beim Seilaufwinden (Heben). Wenn also nicht
besondere Maßnahmen getroffen werden, die im großen ganzen auf eine Höhertransformierung
des Flüssigkeitsdruckes oder auf eine Vergrößerung der Kolbenfläche hinauslaufen,
so fehlt es an hydraulischer Kraft, die Feder auch auf der Senkseite weiter zusammenzudrücken,
d. h. den Federbereich auf der Senkseite überhaupt zur Regelwirkung zu bringen.
Dieser Effekt ist erfindungsgemäß wie folgt erreicht: Es sind zwei Kolben vorgesehen,
die durch eine Scheibe, an die sie beide angeschlossen sind, zur gemeinsamen Axialbewegung
gezwungen sind. Während des Regelbereiches 0 = I (Heben) wird nur ein Kolben von
der Druckflüssigkeit beaufschlagt, wie später beschrieben. Im Augenblick, wo beide
Kolben in die Nullstellung (von rechts her, Heben) gezwungen werden, erhält auch
der zweite Kolben Verbindung mit der Druckflüssigkeit,. so daß von diesem Augenblick
an die doppelte Kolbenfläche zur Verfügung steht und so selbst ein stark verminderter
Druck, -wie er durch den rückwärtigen Wirkungsgrad 2 il -i nur entsteht, die Pumpe
auf die Senkseite mit Sicherheit hinüberdrückt und die Regelvorrichtung trotz verminderten
hydraulischen Druckes und trotz vermehrter Federkräfte sicher zum Funktionieren
bringt. Je nach Größe von 7 und dem Verhältnis von
kann man den Durchmesser des zweiten Kolbens verschieden groß wählen und damit allen
Verhältnissen gerecht werden. Wie in der späteren Beschreibung des Ausführungsbeispieles
angegeben ist, wird Zu- und Abfluß der Druckflüssigkeit für den zweiten Kolben von
dem Kolben selbst gesteuert.
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Die selbsttätige Längsbewegung der Kolben wird durch eine mit ihr
gekuppelte Zahnstange auf das Handsteuerrad übertragen. Die Vorspannung der Feder
kann durch eine Stellmutter verändert werden, wodurch es gelingt, die Federkräfte
und damit letzten Endes auch die Seilkräfte auf ein höheres oder tieferes Niveau
zu legen.
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Soll die Winde als Mooring-Winde benutzt werden, so wird die ganze
Umstellung hierauf durch eine um 9o° zu drehende kleine Handkurbel bewirkt. Hierdurch
wird i. eine angelenkte Zahnstange eingerückt, 2. der hydraulische Zuflußhahn zwischen
Getriebe und Kolben geöffnet und 3. das Handsteuerrad in die größte Stellung »Heben«
gezwungen, weil nur so die kleine Handkurbel in die Stellung »ein« gedreht werden
kann.
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Ein bevorzugtes Beispiel der Ausführung ist im nachfolgenden beschrieben.
Es stellt dar: Fig. i das bereits weiter oben besprochene Diagramm,
Fig.
2 einen Längsschnitt durch die für die Erfindung wesentlichen Teile, Fig. 3 einen
Querschnitt im wesentlichen nach der Linie III-III der Fig. 2, Fig..I einen waagerechten
Schnitt durch die beiden Steuerzylinder, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie V-V der
Fig. 4, Fig.6 einen Schnitt durch die Steuerzylinder, ähnlich demjenigen der Fig.
4., wobei jedoch die beiden Steuerzylinder in ihrer Mittelstellung stehen (0-Stellung
der Fig. i), Fig.7 einen Schnitt ähnlich Fig.6, jedoch die Kolben in der linken
Endstellung entsprechend Stellung I' der Fig. i.
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Die Winde ist mit einem nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Flüssigkeitsgetriebe
ausgerüstet, das einen Pumpen- oder Primärteil und einen Motor- oder Sekundärteil
aufweist. Der Pumpenteil des Flüssigkeitsgetriebes ist zwecks Umsteuerung von der
Null-Exzentrizität aus nach beiden Richtungen verstellbar, während sein Motorteil
durch einen von der Last abhängig beanspruchten Teil selbsttätig so beeinflußt werden
kann, daß bei gegebener Leistung die der Last zugeordnete Höchstgeschwindigkeit
nicht überschritten werden kann. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer gemeinsamen
Steuertrommel, indem zuerst nur die PumpenexzentrizitätvonNull bis auf ihren Höchstwert
verstellt wird, wonach dann die Motorexzentrizität nur so weit verstellt, also verkleinert
werden kann, wie es ein lastabhängig beanspruchter Anschlag zuläßt. Die Erfindung
betrifft nur die Steuerung der Pumpenexzentrizität und läßt die Art, wie die THotorexzentrizität
beeinflußt wird, völlig unbeachtet.
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Der Pumpen- und der Motorteil des Getriebes können beispielsweise
mit Flügelkolben ausgerüstet sein. Es sind statt dessen aber auch radial wirkende
oder axial wirkende Kolben auf bekannte Weise möglich.
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Gemäß den Fig.2 bis 6 ist in der Nähe des Handhebels i, von dem aus
eine Steuertrommel 2 betätigt wird, ein gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehendes
Gehäuse 3 vorgesehen. Die Steuertrommel2 dient auf bekannte Weise dazu, um über
kurvenförmige Nuten zuerst die Pumpenexzentrizität und danach die Motorexzentrizität
des hydraulischen Getriebes zu verstellen. In der einen Richtung der Drehung des
Handhebels i erfolgt das Heben, in der anderen Richtung das Senken. Mit ,4 ist ein
Teil des äußeren Gehäuses des Flüssigkeitsgetriebes bzw. der Winde angedeutet.
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In dem Gehäuse 3 ist eine Feder 5 angeordnet, die sich einerseits
gegen eine Federplatte 6 und andererseits gegen einen Federteller 7 abstützt, der
sich wiederum über ein Wälzlager 8 auf einer Mutter 39 abstützt, die in dem einen
Teil des Gehäuses 3 eingeschraubt ist. Ein Deckel 40 schließt das Ganze nach außen
ab und dient gleichzeitig als Gegenmutter für die Mutter 39. Durch Hinein- oder
Herausschrauben der Mutter 39 kann die Vorspannung der Feder 5 verändert werden.
An der Federplatte 6 sind auf irgendeine Weise zwei nebeneinander angeordnete Kolben
9, 1o befestigt, die verschiebbar in dem Gehäuse 3 angeordnet sind. Auf diese Weise
werden zwei Arbeitsräume 11, 12 geschaffen, die durch Deckel 13, 14 nach außen abgeschlossen
sind.
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An der Platte 6 ist außerdem auf nicht näher dargestellte Weise ein
Bolzen oder Tauchkolben 15 befestigt, der demgemäß an der Hinundherbewegung der
Kolben 9, io auf weiter unten näher beschriebene Weise teilnimmt. Der Bolzen oder
Tauchkolben 15 ist ebenfalls in dem Gehäuse 3 geführt und mit einer Zahnstange 16
fest verbunden, die mit einem Zahnsegment 17 kämmt, das mit einer \:@ elle 18 fest
verbunden ist, die in einem Ansatz i9 des Gehäuses 3 drehbar gelagert ist.
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Der Zylinderraum i i des Kolbens 9 ist über den Anschluß 2o auf nicht
näher dargestellte Weise mit der Druckseite (des Pumpen- oder Primärteiles) des
hydraulischen Getriebes verbunden. Beide Kolben 9, io sind in der Fig. -. in derjenigen
Endstellung gezeigt, in der die Pumpe mit der jeweils gewünschten größten Fördermenge
arbeitet und das schnellste Heben bzw. Aufwickeln stattfindet. Wenn jetzt der Förderdruck
der Pumpe steigt, wird der Kolben 9 von dem Arbeitsraum ii her nach links in der
Fig. .4 entgegen der Wirkung der Feder 5 gedrückt; in derjenigen Stellung, die der
0-Lage des Diagramms der Fig. i entspricht (also der Exzentrizität 0 der Pumpe selbst),
öffnet der Kolben 9 eine Ringnut 2i, die in dem Gehäuse 3 vorgesehen ist und die
mit einer Ringnut 22 in Verbindung steht, die den Arbeitsrahm 12 des zweiten Kolbens
io umschließt. Jetzt wird also auch der zweite Kolben mit Druckmittel beaufschlagt,
so daß nunmehr auch beim Senken oder Abwickeln die Feder 5 gespannt und zwecks Aufrechterhaltung
der Seilspannung die Kolben 9, io weiter nach links in der Fig..I geschoben werden
können.
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Der Kolben io ist mit einer zentrischen Bohrung 23 versehen, von deren
Grund zweckmäßigerweise mehrere Radialbohrungen 24. ausgehen. Während des ersten
Teiles der Bewegung des Kolbens io, also auf seinem Wege von der Stellung I der
Fig. i zu der Stellung 0, steht der Arbeitsraum 12 dieses Kolbens über die zentrische
Bohrung 23 und die Bohrung 24. mit einem Ringraum 25 in Verbindung, der über einen
Anschluß 26 an den Abfluß angeschlossen ist. Sobald jedoch der Kolben 9 den Ringraum
21 freigelegt und damit den Arbeitsraum 12 mit dem Drucl@mittelzufluß verbunden
hat, wird auch die Verbindung der Bohrungen 24. mit dem Ringkanal 25 unterbrochen,
wodurch der Arbeitsraum 12 von dem Abfluß abgesperrt ist.
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Der Äbfluß des Druckmittels aus dem Arbeitsrauin 12 bei in seine Ausgangsstellung
zurückgehendem Kolben kann dann wiederum über die Bohrung 23, die Radialbohrungen
24 und den Ringraum 25 erfolgen. In der Fig. 6 ist die Stellung der beiden Kolben
9, io in dem Augenblick dargestellt, wo gerade der Arbeitsraum 12 mit dem Druckmittelzufluß
verbunden und von dem Druckmittelabfluß
abgesperrt worden ist.
In der Fig. 7 dagegen ist die Stellung der beiden Kolben 9, io in der linken Endstellung
gezeigt, die also der Stellung I' der Fig. i entspricht und bei der der Pumpen-
oder Primärteil des Getriebes die größte Exzentrizität für das Senken oder Abwickeln
hat.
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Auf der Welle 18 ist ein Hebel 27 aufgekeilt, an den eine Zahnstange
28 angelenkt ist, deren Zähne mit den Zähnen eines Zahnrades 29 kämmen, das fest
mit dem Handrad i verbunden ist. Wenn jetzt auf weiter unten näher beschriebene
Weise die Zahnstange 28 mit dem Zahnrad 29 in Eingriff gehalten wird, wird der Pumpenteil
des Getriebes auf die beschriebene Weise selbsttätig so geregelt, daß immer diegewünschtegleicheSeilspannungvorlianden
ist, gleichgültig, ob sich das Schiff beispielsweise in einer Schleuse senkt, das
Seil also abgewickelt wird, oder ob sich das Schiff in einer Schleuse hebt, das
Seil also aufgewickelt wird. Obwohl die Federkraft ständig wächst, ergibt sich beispielsweise
in Übereinstimmung mit dem Diagramm der Fig. i sowohl beim Heben als auch beim Senken
des Schiffes eine Seilkraft, die nur wenig schwankt und die beim Heben und Senken
nur wenig voneinander abweicht.
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Es müssen jetzt noch Mittel vorgesehen sein, um zu erreichen, daß
die Zahnstange 28 mit dem-Zahnrad 29 in einer- Stellung gekuppelt wird, bei der
die Pumpe auf größte Exzentrizität für das Heben oder Aufwickeln gestellt ist.
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Zu diesem Zweck ist im Ausführungsbeispiel ein Handhebel
30 vorgesehen, der bei 31 drehbar in einem festen Punkt gelagert ist. Dieser
Handhebel ist über ein Gestänge 32 mit einem Stift 33 verbunden, der in eine Längsnut
34 der Zahnstange 28 eingreift. Der Handhebel 30 weist außerdem einen Stift
35 auf, der über eine Radialnut 36 in eine Ringnut 37 des Zahnrades 29 einzutreten
vermag. Die Radialnut 36 ist so angeordnet, daß der Stift 35 nur dann in sie eintreten
kann, wenn der Handhebel i über die Steuertrommel 2 die Pumpe auf ihre jeweils gewünschte
größte Exzentrizität während des Hebens oder Aufwickelns gestellt hat. Das Gestänge
32 ist gleichzeitig so eingerichtet, daß, wenn jetzt der Stift 35 in die Ringnut
37 eintritt, die Zahnstange 28 im Eingriff mit dem Zahnrad 29 steht. Das Zahnrad
29 und damit die Pumpenexzentrizität kann jetzt in Abhängigkeit von der Stellung
der Kolben 9, io und damit von dem Förderdruck des Pumpenteils verstellt werden.
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Der Handhebel 30 wirkt weiter auf eine Absperrvorrichtung 38
ein, die in die Leitung eingeschaltet ist, die zu dem Druckmittelanschluß 20 führt.
In der gezeigten Stellung des Hebels 30 (Fig. 2) ist diese Absperrvorrichtung 38
geöffnet, die Kolben 9, io stehen also unter dem Einfluß des Förderdruckes des Pumpenteils.
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Wenn jetzt der Hebel 30 um 90° in die gezeigte Aus-Stellung
gedreht wird (dies ist nur möglich, wenn wiederum die Pumpenexzentrizität ihren
größten Wert für das Heben oderAufwickeln hat), wird gleichzeitig die Absperrvorrichtung
38 geschlossen. Damit ist die beschriebene Einrichtung außer Betrieb gesetzt, die
für den Gebrauch der Winde als Verholwinde oder als »mooring-winch« dient. Die Winde
kann jetzt als Ladewinde weiter gebraucht werden, indem nun auch irgendwelche selbsttätige
Regelungen zur Auswirkung gelangen, die vorgesehen sind, um die Größe der Exzentrizität
des Motor- oder Sekundärteiles selbsttätig in Abhängigkeit von der Last zu begrenzen.
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Wenn dies insbesondere durch einen in Abhängigkeit von der Last bewegten
Teil des nachgeschalteten mechanischen Getriebes erfolgt, indem so eine Lastwaage
entgegen der Wirkung einer Feder einen verstellbaren Anschlag bildet, kann jetzt
die Exzentrizität des Motor- oder Sekundärteiles mittels des Handhebels i und der
Hubtrommel 2 nur so weit vergrößert werden, wie dies die Lastwaage zuläßt.
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Bei derartigen hydraulischen Getrieben ist zwischen dem Handhebel
i und dem Stellglied zum Verstellen der Pumpenexzentrizität eine Selbstsperrung
geschaltet. Es ist aus diesem Grund unbedingt erforderlich, daß die Regelung für
die Verstellung der Pumpenexzentrizität für die »mooringwinch« nicht im Inneren,
sondern von außen auf den Handhebel bzw. auf die Steuertrommel einwirkt. Beide Kolben
9, io werden im allgemeinen zweckmäßigerweise mit gleichem Durchmesser ausgeführt,
wenn auch Abwandlungen in den Abmessungen zur Anpassung an die verschiedenen jeweils
vorliegenden Verhältnisse möglich sind.