EP3290383B1

EP3290383B1 - Einrichtung zum heben, senken oder halten einer last

Info

Publication number: EP3290383B1
Application number: EP17167049.0A
Authority: EP
Inventors: Maarten Kuijpers; Patrick Verbakel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2020-12-30
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: DE102017206591A1; EP3290383A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heben, Senken oder Halten einer Last gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Seegangs- oder Dünungskompensationseinrichtungen (Heave Compensation System) - im Folgenden auch HCS genannt - werden beispielsweise in der Offshore-/Marinetechnik eingesetzt, wenn eine Last von einem Schiff mittels eines Krans auf ein am Meeresboden abgestütztes Objekt, beispielsweise eine Plattform abgesetzt werden soll. Eine derartige Aufgabenstellung liegt bei der Montage von Bohrinseln oder Offshore-Windkraftanlagen vor oder wenn ein Bohrstrang von einer schwimmenden Plattform aus abgesenkt wird und diese durch den Seegang angehoben und abgesenkt wird. In der Forschung werden schwere Messgeräte oder Versorgungsstationen für Roboter oder dergleichen von einem Schiff über eine Winde in große Tiefen abgesenkt, wobei dann durch den Seegang verursacht das Halteseil erheblichen Zugbelastungen ausgesetzt ist.
Zum Ausgleich derartiger durch Seegang oder Dünung verursachten Relativbewegungen der Last zur jeweils vorgegebenen Zielposition sind passive Kompensationssysteme und aktive Kompensationssysteme bekannt. Bei einem passiven System, wie es beispielsweise in der Beschreibungseinleitung der FR 2 383 876 und der US 4,121,806 beschrieben ist, wird eine linear verstellbare Einheit, beispielsweise ein Hydrozylinder oder eine rotatorisch betriebene Einheit, beispielsweise ein Hydromotor in Abstützrichtung über eine hydropneumatische Speichereinheit beaufschlagt, dessen Druck so ausgelegt ist, dass die Last ohne Seegang in einer Mittelposition abgestützt ist - die hydropneumatische Speichereinheit wirkt somit als eine Art Gasfeder.
Derartige passive Kompensationssysteme sind konstruktiv auf den jeweiligen Anwendungszweck und die zugehörigen Lasten abgestimmt, so dass eine Anpassung an unterschiedliche Lasten nur mit größerem Aufwand möglich ist. Passive Kompensationssysteme sind häufig zwischen dem eigentlichen Kranhaken und der Last angeordnet und befinden sich somit beim Absenken unterhalb des Meeresspiegels.
Ein Problem bei derartigen passiven Systemen besteht darin, dass die Aufladung der hydropneumatischen Speichereinheit in Abhängigkeit von der Last und dem Seegang und auch von der Eintauchtiefe angepasst werden muss. In der US 7,934,561 B1 ist ein passives System mit einer Wassertiefenkompensation gezeigt, über die sich die Einflüsse der Wassertiefe beim Absenken der Last etwas kompensieren lassen.
Bei Anwendungen, bei denen es auf eine sehr präzise Führung der Last beim Absenken ankommt, werden vorzugsweise aktive Kompensationssysteme verwendet, bei denen ein Linearantrieb, vornehmlich ein Hydrozylinder, oder ein rotatorischer Antrieb, vornehmlich ein Hydromotor, mit einem Positionsregelsystem ausgeführt ist, durch das die Last durch Ansteuerung des Antriebs stets auf der vorbestimmten Position gehalten werden kann. Eine derartige Einrichtung mit aktiver und passiver Kompensationseinrichtung ist in der FR 2 383 876 und der US 4,121 , 806 beschrieben.
Derartige aktive Kompensationssysteme werden üblicher Weise auf dem Schiff angeordnet, so dass sie auch das Gewicht des Kranseils, der Kranblöcke (Flaschenzug) und des Kranhakens bewegen müssen, so dass die Nutzlast durch das zusätzliche Gewicht dieser Komponenten reduziert ist.
Bei größeren Lasten wird üblicherweise eine Kombination eines aktiven und passiven Kompensationssystems eingesetzt, wie es beispielsweise in der EP 1 869 282 B1 erläutert ist.
Dabei wird zum einen die Last über ein passives hydropneumatisches Speichersystem kompensiert und zum anderen die Sollposition der Last über ein aktives Regelsystem konstant gehalten. Ein derartiges System hat den Vorteil, dass über das aktive System lediglich die Ausgleichsbewegung der Last bewirkt werden muss, während das eigentliche Abstützen über das passive System erfolgt. Derartige Kombinationssysteme sind insbesondere dann erforderlich, wenn eine Last mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit vom Meeresboden oder von einer auf diesem verankerten Plattform abgehoben oder auf diese abgesenkt werden soll. Ein ähnliches System ist auch in den eingangs genannten FR 2 383 876 und US 4,121,806 erläutert. Bei dieser Anordnung sind passiv wirkende, über eine hydropneumatische Speichereinheit vorgespannte Hydrozylinder und aktive Hydrozylinder mit einer Positionsregelung parallel zueinander in einer Kompensationseinheit angeordnet, an der der eigentliche Kranhaken befestigt ist, der wiederum über ein Kranseil mit der Last verbunden ist.
Die US 4,021,019 zeigt ein System, bei dem ein aktiver Hydrozylinder in einen passiven Hydrozylinder integriert ist.
Derartige Systeme haben einen relativ komplexen Aufbau und werden seitens der Hersteller bei der Konzeption des Krans integriert. Eine Nachrüstung des aktiven Systems bei bestehenden Kränen, die lediglich mit einem passiven Kompensationssystem ausgeführt sind, ist nur mit äußerst großem Aufwand möglich, da ein Eingriff in die Kranstruktur des bestehenden Designs erforderlich ist und auch zusätzliche hydraulische Leistung bereitgestellt werden muss. Hinzu kommt, dass existierende Krandesigns aufgrund Restriktionen im Hinblick auf die maximale Seilgeschwindigkeit, das Gewicht und den Durchmesser der Seilscheiben/Blöcke und die Steifigkeit der Konstruktion unterliegen, so dass eine Nachrüstung mit einem aktiven System nahezu ausgeschlossen ist.
In den Druckschriften DE 10 2015 225 936 A1 und EP 2 896 589 A1 sind jeweils Systeme gezeigt, bei denen eine aktive Kompensationseinheit und eine mit einer passiven Kompensationseinrichtung versehene Hubeinrichtung getrennt an der Last angreifen. Aufgrund der getrennten Kraftflusslinien des aktiven und passiven Teils können bestehende Systeme mit einer aktiven Kompensationseinheit nachgerüstet werden.
Bei diesen Systemen ist die aktive Kompensationseinheit jeweils mit einer Windenanordnung ausgeführt, wobei ein Windenseil oder dergleichen an der Last angreift, um die Hubeinrichtung und die passive Kompensationseinrichtung beim Absenken zu unterstützen, indem das Fieren des Windenseils durch entsprechende Ansteuerung der aktiven Winde gesteuert wird. Nachteilig bei derartigen Lösungen ist, dass eine Unterstützung der Absenkbewegung, das heißt ein aktives Absenken durch "Drücken" nicht möglich ist.
Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, bei der das Absenken der Last aktiv unterstützt ist. Dabei soll die Förderrichtung eine Hydropumpe der aktiven Kompensationseinheit einfach durch Umsteuern eines Windenantriebs steuerbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß hat die Einrichtung zum Heben, Senken oder Halten einer Last eine Kompensationseinrichtung, die zum Ausgleich von insbesondere durch Seegang verursachten Relativbewegungen der Last mit Bezug zu einer Zielposition ausgeführt ist. Die Last ist mittels einer Hubeinrichtung in Richtung der Zielposition oder von dieser weg bewegbar. Der Hubeinrichtung ist zum einen eine passive Kompensationseinrichtung zugeordnet. Des Weiteren ist eine aktive Kompensationseinheit vorgesehen, die über eine Regeleinheit in Abhängigkeit von einer Relativbewegung der Last oder einer wirksamen Kraft ansteuerbar ist. Die passive Kompensationseinrichtung ist dabei so ausgelegt, dass sie das Gewicht der Last zumindest teilweise stützt. Die aktive Kompensationseinheit ist erfindungsgemäß als Linearaktor, beispielsweise als Aktivzylinder oder als Linearmotor ausgeführt, dessen Stellelement parallel zu der passiven Kompensationseinrichtung an der Last angreift. Dem Linearaktor ist ein aktiver Antrieb zum Betätigen des Stellelementes zugeordnet.
Mit einer derartigen Lösung kann die Last aktiv, das heißt durch geeignete Betätigung des Linearaktors sowohl in Absenkrichtung als auch in Anheberichtung beaufschlagt werden, so dass die Absenkbewegung auch bei komplexem Wellengang oder komplexer Dünung gemäß den Vorgaben erfolgt.
Der Antrieb der Hydropumpe erfolgt erfindungsgemäß über einen Windenantrieb. Die Förderrichtung wird einfach durch Umsteuern des Windenantriebs gesteuert.
Erfindungsgemäß ist der Windenantrieb mit einer oder zwei Aktivwinden ausgeführt, denen ein Windenseil oder dergleichen zugeordnet ist, das mittels eines Umlenkrades umgelenkt ist. Das Windenseil erstreckt sich somit von einer Aktivwinde über das Umlenkrad zur anderen Winde oder anderen Aktivwinde, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Aktivwinde oder Aktivwinden die Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Umlenkrades bestimmt ist, über das dann die Hydropumpe angetrieben wird.
In dem Fall, in dem der Linearaktor ein Aktivzylinder ist, ist dieser vorzugsweise als Hydrozylinder ausgeführt.
Bei einer Variante der Erfindung ist der Hydrozylinder ein Gleichgangzylinder, der in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordnet ist.
Die passive Kompensationseinrichtung ist vorzugsweise mit einem Hydrozylinder ausgeführt. Dieser hat einen Kolben, der einen in Stützrichtung wirksamen Druckraum begrenzt. Dieser Druckraum steht in Wirkverbindung mit einer hydropneumatischen Speichereinheit und bildet somit eine Art Gasfeder aus.
Der Aktivantrieb eines als Hydrozylinder ausgebildeten Linearaktors der aktiven Kompensationseinheit, auch Aktivzylinder genannt, kann die Hydropumpe mit zwei Förderrichtungen sein, deren Anschlüsse in einem geschlossenen Kreislauf mit jeweils einem Druckraum des Aktivzylinders verbunden sind.
Alternativ kann der Antrieb der Hydropumpe bei einer nicht zur Erfindung gehörenden Weiterbildung über einen elektrischen Antriebsmotor erfolgen. Die Förderrichtung wird dann einfach durch Umsteuern des Antriebsmotors gesteuert.
Das Fördervolumen der Hydropumpe ist auf einfache Weise verstellbar, wenn der Antriebsmotor frequenzgesteuert ausgelegt ist.
Bei einer besonders kompakten nicht zur Erfindung gehörenden Lösung bilden die Hydropumpe und der Antriebsmotor mit dem Aktivzylinder eine bauliche Einheit, wobei eine Signal- und Stromversorgung über eine Aktivleitung erfolgt, deren Eintauchlänge über eine am Deck angeordnete Aktivwinde einstellbar ist, so dass praktisch die Aktivleitung mit der Positionsänderung der Last verlängert oder verkürzt wird.
Die Hydropumpe und das Umlenkrad können an einem Rollenblock gelagert sein, an dem auch die losen/beweglichen Rollen eines Flaschenzugs der Hubeinrichtung gelagert sind.
Der vorrichtungstechnische Aufwand ist besonders gering, wenn eine Aktivwinde eine Komponente des Flaschenzugs ist, der als Teil der Hubeinrichtung zum Heben und Senken einer Last vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, wenn die passive Kompensationseinrichtung vorgespannt ist, wobei die Vorspannung so ausgelegt ist, dass eine resultierende, in Stützrichtung wirkende Kraft etwa dem Gewicht der Last entspricht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Bei den konkreten Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung mit Kompensationseinrichtungen zum Ausgleich von durch Seegang verursachten Relativbewegungen der Last mit Bezug zu einer Zielposition ausgeführt.
Es zeigen

Figur 1: eine als Seegangskompensationseinrichtung ausgeführte Einrichtung mit einer passiven Kompensationseinrichtung und einer aktiven Kompensationseinheit, wobei letztere als Hydrozylinder ausgeführt ist, und
Figuren 2 bis 4: Varianten des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1, wobei die Variante aus Figur 3 nicht zur Erfindung gehört.

Figur 1 zeigt ein stark vereinfachtes Prinzipschaubild eines mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Seegangskompensation (HCS- Heave Compensation System) 1 ausgeführten Schiffes oder Schwimmkrans 2, über den eine Last L auf einem anderen Schiff oder dem Meeresboden 4 oder einer auf diesem verankerten Plattform abgesetzt werden soll. Die Einrichtung 1 (Bewegungskompensationseinrichtung, HCS) hat eine passive Kompensationseinrichtung 6 und eine aktive Kompensationseinheit 8, deren konkreter Aufbau im Folgenden erläutert ist. Auf dem angedeuteten Schwimmkran 2 ist ein Ladekran 10 montiert, der in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von ortsfesten Rollen 14 (Scheiben) und beweglichen Rollen (Scheiben) 16 aufweist, die gemeinsam mit einem Tragseil 18 einen Flaschenzug 20 bilden. Die beweglichen Rollen 16 (lose Part) sind an einem Rollenblock 22 gelagert. Das mit einem Ende an Deck festgelegte Tragseil 18 kann mittels einer Winde 21 des Ladekrans 10 eingeholt oder gefiert/ausgelassen werden, um die Last L anzuheben oder abzusenken. Die wirksame Kraft der Winde 21 wird dann entsprechend über den Flaschenzug 20 übersetzt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist am Rollenblock 22 ein passiver Hydrozylinder 24 gehalten, der als Differentialzylinder mit nur einer Kolbenstange 34 ausgeführt ist. Ein Kolben 26 unterteilt den Zylinder 24 in einen in Stützrichtung wirksamen Druckraum 28 und eine in Absenkrichtung wirksame Druckkammer 30. Der Druckraum 28 ist mit einer hydropneumatischen Speichereinheit 32 verbunden, die wie üblich als hydropneumatischer Kolbenspeicher mit einer oder mehreren nachgeschalteten Gasflaschen ausgebildet sein kann und durch die der Druckraum 28 mit einem Vorspanndruck beaufschlagt ist. Die aus dieser Vorspannung resultierende Kraft entspricht dabei beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa der zu bewegenden Last L. Diese wird somit zu etwa 100% kompensiert. Der Druckraum 28 und die Speichereinheit 32 bilden eine Art Gasfeder, deren Druck sich jedoch mit zunehmender Wassertiefe ändert. Zum Ausgleich dieser Änderung kann beispielsweise der Drucckammer 30 eine Einrichtung zur Kompensation der Wassertiefe zugeordnet sein. Die Druckkammer 30 kann auch mit einem Druckmittelausgleichsbehälter verbunden sein.
Wie erläutert, ist der Hydrozylinder 24 als Differentialzylinder ausgeführt. Die in Figur 1 lastseitige Kolbenstange 34, die den Druckraum 28 durchquert, trägt die Last L, die beispielsweise über einen Kranhaken oder dergleichen an der Kolbenstange 34 befestigt ist. Der passive Hydrozylinder kann auch als Gleichgangzylinder mit zwei Kolbenstangen ausgebildet sein, so dass die durch den Druck des Wassers erzeugten Kräfte kompensiert sind.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel greift die aktive Kompensationseinheit 8 ebenfalls an der Last L an. Die Kompensationseinheit 8 hat einen Aktivzylinder 36, der über eine Brücke 38 mit dem Hydrozylinder 24 der passiven Kompensationseinrichtung 6 verbunden ist. Der Aktivzylinder 36 ist als Gleichgangzylinder ausgeführt, wobei ein Aktivkolben 40 zwei mit Druckmittel gefüllte Ringräume 42, 44 des Aktivzylinders 40 voneinander trennt. Eine lastseitige Kolbenstange 46 greift direkt oder über eine Verlängerung an der Last L an. Denkbar ist auch, dass die lastseitige Kolbenstange 46 des Aktivzylinders 36 wie die Kolbenstange 34 des passiven Hydrozylinders über den Kranhaken an der Last angreift, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Die andere Kolbenstange 48 ist aus dem Zylindergehäuse herausgeführt, so dass die beiden Ringräume 42, 44 in der Mittelstellung des Aktivkolbens 40 gleiche Volumina aufweisen. Diese beiden Ringräume 42, 44 sind mit einer Hydropumpe 50, deren Anschlüsse über Druckleitungen 52, 54 mit jeweils einem Ringraum 42 bzw. 44 verbunden sind, in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordnet. Je nach Förderrichtung der Hydropumpe 50 kann somit Druckmittel aus einem der Ringräume, beispielsweise dem Ringraum 42 heraus über die Hydropumpe 50 in den anderen, sich vergrößernden Ringraum 44 verschoben/gefördert werden. Die Hydropumpe 50 ist eine Konstantpumpe und bildet eine bauliche Einheit mit dem Aktivzylinder 36 und ist somit beim Absenken auf den Meeresboden 4 ebenfalls unterhalb des Wasserspiegels angeordnet. Der Antrieb der Hydropumpe 50 erfolgt direkt über eine Welle 56 oder über ein Getriebe durch ein Umlenkrad 58, das Teil eines Windenantriebs 60 ist. Dieser hat zwei Aktivwinden 62, 64, die jeweils einen elektrischen oder hydrostatischen Antrieb haben, der über eine Regeleinheit (siehe Figur 3) ansteuerbar ist.
Über die Aktivwinden 62, 64 kann ein Windenseil 66 gefiert oder eingeholt (abgewickelt/aufgewickelt) werden, das teilweise auf die eine Aktivwinde aufgerollt ist, von dieser Aktivwinde zum Umlenkrad 58 führt, über das Umlenkrad 58 umgelenkt ist vom Umlenkrad 58 zur anderen Aktivwinde führt und teilweise auf die andere Aktivwinde aufgerollt ist. Somit hängt die Drehzahl des Umlenkrads 58 und damit die Drehzahl der Hydropumpe 50 und die pro Zeiteinheit von der Hydropumpe 50 geförderte Druckmittelmenge / Fördermenge davon ab, wie sich die Drehzahlen der beiden Aktivwinden 62 und 64 zueinander verhalten, wobei der Einfachheit vorausgesetzt sei, das der Wickelradius für das Windenseil 66 auf der einen Aktivwinde genauso groß wie auf der anderen Aktivwinde ist.
Zur Erklärung der Funktionsweise seien im Folgenden verschiedene Zustände der Hubeinrichtung betrachtet:

Beim Absenken der Last L ohne Wellengang werden die beiden Aktivwinden 62, 64 mit gleicher Drehzahl angetrieben, so dass pro Zeiteinheit von beiden Aktivwinden 62, 64 dieselbe, auf die Senkgeschwindigkeit der Last L abgestimmte Strecke Windenseil 66 abgerollt wird. Das Umlenkrad 58 dreht sich nicht.
Beim Heben der Last L ohne Wellengang werden die beiden Aktivwinden 62, 64 mit gleicher Drehzahl in umgekehrter Richtung wie beim Absenken angetrieben, so dass pro Zeiteinheit von beiden Aktivwinden 62, 64 dieselbe, auf die Hubgeschwindigkeit der Last L abgestimmte Strecke Windenseil 66 aufgerollt wird. Wiederum dreht sich das Umlenkrad 58 nicht.
Soll die Last L weder abgesenkt noch gehoben werden, sondern in Bezug zur Erde auf einer festen Höhe gehalten werden, und ist ein Wellengang auszugleichen, so werden die beiden Aktivwinden 62, 64 derart angesteuert, dass je nachdem, ob der Schwimmkran 2 gerade auf einen Wellenberg angehoben oder in ein Wellental abgesenkt wird, entweder die Aktivwinde 62 oder die Aktivwinde 64 Windenseil 66 abgibt und die jeweils andere Aktivwinde 64, 62 Windenseil 66 aufnimmt. Die abgerollte Seillänge und die aufgerollte Seillänge sind dabei gleich, da sich der Abstand zwischen dem Schwimmkran 2 und dem Rollenblock nicht ändert.
Soll während eines Heben- oder eines Senkenvorgangs der Wellengang ausgeglichen werden, so ist der durch die Heben- oder Senkbewegung der Last L bedingten Drehbewegung einer Aktivwinde 62, 64 eine Drehbewegung zu überlagern, die zu einer Drehung des Umlenkrades 58 und damit zu einem Antrieb der Hydropumpe 50 führt. Beim Absenken der Last L und Anheben des Schwimmkrans 2 durch einen Wellenberg muss die Hydropumpe 50 in den Ringraum 44 fördern. Dazu möge die Drehzahl der Aktivwinde 62 erhöht und die Drehzahl der Aktivwinde 64 verringert werden. Beim Absenken des Schwimmkrans 2 muss die Hydropumpe 50 in den Ringraum 42 fördern und in umgekehrter Drehrichtung angetrieben werden. Es wird dazu die Drehzahl der Aktivwinde 64 erhöht und die Drehzahl der Aktivwinde 62 verringert. Beim Heben der Last L und Anheben des Schwimmkrans 2 durch einen Wellenberg wird dann die Drehzahl der Aktivwinde 64 erhöht und die Drehzahl der Aktivwinde 62 verringert. Beim Absenken des Schwimmkrans 2 wird die Drehzahl der Aktivwinde 62 erhöht und die Drehzahl der Aktivwinde 64 verringert. Die unterschiedlichen Drehzahlen der Aktivwinden 62, 64 führen dazu, dass ein Seilabschnitt von dem Trum zwischen der schneller drehenden Aktivwinde 62, 64 und dem Umlenkrad 58 über das Umlenkrad 58 zu dem Trum zwischen dem Umlenkrad 58 und der langsamer drehenden Aktivwinde 62, 64 gelangt und sich das Umlenkrad 58 dreht. Insbesondere wenn die Hydropumpe 50 schnell gedreht werden muss, um die notwendige Fördermenge zu liefern, oder insbesondere bei einer kleinen Geschwindigkeit der Last L wird sich die Drehrichtung der verlangsamten Aktivwinde 62, 64 sogar umkehren, wie dies in dem oben geschilderten Fall, in dem die Last L weder gehoben noch abgesenkt werden soll, besonders deutlich wird. Von der einen Aktivwinde 62, 64 wird dann Seil 66 abgerollt und von der anderen Aktivwinde 64, 62 Seil 66 abgerollt, wobei aber die Länge des abgerollten Seilabschnitts eine andere als die Länge des aufgerollten Seilabschnitts ist.

Das Windenseil 66 muss unter einer gewissen Spannung stehen, um das Umlenkrad 58 und die Hydropumpe 50 drehen zu können. Allerdings muss die Hydropumpe 50 nicht gegen übermäßig hohe Drücke fördern, da das Gewicht der Last L durch die passive Kompensationseinrichtung 6 zu annähernd 100 Prozent getragen werden soll. Der Aktivzylinder 36 hat deshalb nur eine Kraft aufzubringen, die die durch die Bewegung des Kolbens 26 und durch die Volumenänderung des Druckraums 28 bedingte Änderung des Druckes in dem Druckraum 28 ausgleicht. Die Drücke in den Ringräumen 42 und 44 sind also niedrig und das für den Antrieb der Hydropumpe 50 aufzubringende Antriebsmoment ist gering.
Entsprechend der Umfangsgeschwindigkeit und der Drehrichtung des Umlenkrades 58 wird die Hydropumpe 50 angesteuert und entsprechend der Aktivzylinder 36 betätigt, wobei die Kolbenstange 46 entweder ein- oder ausfährt.
Das Windenseil 66 kann im Bereich der Umlenkung auf einer Länge auch als Kette oder dergleichen ausgeführt sein. Das Umlenkrad kann als Zahnrad ausgebildet sein, mit dem die Kette zusammenwirkt.
Anhand der Figuren 2 bis 4 werden weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Seegangskompensationseinrichtung erläutert. Dabei entspricht der Grundaufbau der passiven Kompensationseinrichtung 6 jeweils demjenigen des Ausführungsbeispiels in Figur 1, so dass im Hinblick auf den Aufbau der Kompensationseinrichtung 6 der Einfachheit halber auf die entsprechenden Ausführungen in Figur 1 verwiesen wird und lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu der beschriebenen aktiven Kompensationseinheit 8 eingegangen wird.
Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Hydropumpe 50 und das Umlenkrad 58 mit der Antriebswelle 56 oder einem Getriebe aktivzylinderseitig angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind das Umlenkrad 58, die Welle 56 oder anstatt der Welle ein Getriebe und die Hydropumpe 50, die gemeinsam das Pumpenaggregat ausbilden, auf oder an dem Rollenblock 22 gelagert, wobei die Lagerung beispielsweise über Stützkonsolen oder dergleichen erfolgt. Das heißt, dass das Umlenkrad 58 entsprechend den beweglichen/losen Rollen 16 am Rollenblock 22 gelagert ist. Die Achsen der Rollen und des Umlenkrades können parallel zu einander angeordnet sein. Aufgrund des größeren Abstandes der Hydropumpe 50 zum Aktivzylinder 36, genauer gesagt zu dessen Ringräumen 42, 44, sind die Druckleitungen 52, 54 länger als beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ausgebildet. Prinzipiell können diese Druckleitungen auch als Kanäle durch den Rollenblock 52 und die Brücke 38 hindurch ausgeführt sein. Im Übrigen entspricht das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel demjenigen in Figur 1, so dass weitere Ausführungen entbehrlich sind.
Figur 3 zeigt eine nicht zur Erfindung gehörende Variante, bei der zum Antrieb der Hydropumpe 50 kein Windenantrieb 60 sondern ein elektrischer Antrieb verwendet wird. Dementsprechend wird die Hydropumpe 50 über die Welle 56 oder ein Getriebe von einem elektrischen Antriebsmotor 68 angetrieben. Dieser bildet eine bauliche Einheit mit der Hydropumpe 50 und dem wiederum als Gleichgangzylinder ausgeführten Aktivzylinder 36, dessen Ringräume 42, 44 mit der Hydropumpe 50 in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordnet sind.
Die bauliche Einheit kann beispielsweise als Pumpenblock an das Gehäuse des Aktivzylinders 36 angesetzt werden. Die Ansteuerung und Stromversorgung des Antriebsmotors 68 erfolgt über eine lose elektrische Leitung 70, die entsprechend der Bewegung des Rollenblocks 22 von einer Trommel 71 abgerollt oder auf die Trommel 71 aufgerollt wird. Die Tauchlänge der Leitung 70 ändert sich also mit der Bewegung der des Rollenblocks. Die Ansteuerung des Elektromotors 68 erfolgt über die bereits genannte elektrische Regeleinheit 72.
Der Antriebsmotor 68 kann dabei frequenzgeregelt oder in sonstiger Weise geregelt sein, so dass die Hydropumpe 50 im Prinzip als Verstellpumpe ausgeführt ist.
Die elektrische Leitung 70 dient lediglich der Signalübertragung und der Stromversorgung des Elektromotors 68.
Selbstverständlich kann die Positionierung der Hydropumpe 50 mit dem Antriebsmotor 68 auch entsprechend Figur 2 erfolgen. Der Antriebsmotor 68 und die Hydropumpe 50 können sich also auch auf oder an dem Rollenblock 22 befinden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind die Hydropumpe 50 und das Umlenkrad 58 sowie die Welle 56 wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 auf oder am Rollenblock 22 gelagert. Das Umlenkrad 58 bildet dabei jedoch eine der losen/beweglichen Rollen 16 aus und ist somit einen Teil des Flaschenzugs 20, der beispielhaft einerseits durch zwei feste Rollen 14, 14' und andererseits durch zwei lose Rollen 16, 16' sowie das ebenfalls als "bewegliche Rolle" wirkende Umlenkrad 58 gebildet ist, die von dem gemeinsamen Tragseil 18 umschlungen sind. Das Fieren und Einholen des Tragseils 18 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über zwei synchron arbeitende Winden 62, 64, wobei die erst genannte Wind 62 auch die Funktion der Winde 21 aus Figur 1 hat. Das Bezugszeichen 21 wird daher in Figur 4 zusätzlich in Klammern hinzugefügt. Das in Figur 1 "feste Ende" des Windenseils 18 steht dementsprechend in Wirkverbindung mit der Aktivwinde 64.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist es jedoch nicht unbedingt notwendig, dass die Winde 62 auch als Aktivwinde ausgebildet ist. Es genügt auch, dass diese Winde nur die Funktion der Winde 21 gemäß den Figuren 1 und 2 hat.
Die Seillänge, die auf die Aktivwinde 64 aufgewickelt ist, ist wesentlich geringer als die Seillänge, die auf die Winde 21, 62 aufgewickelt ist. Die Trägheitsmasse der Aktivwinde 64 ist deshalb gering, so dass auch die für den Antrieb der Aktivwinde 64 zu installierende Leistung gering ist.
Zur Erklärung der Funktionsweise der Hubeinrichtung gemäß Figur 4 seien im Folgenden wieder verschiedene Zustände der Hubeinrichtung betrachtet:

Beim Absenken der Last L ohne Wellengang wird von der Winde 62 und von der Winde 64 Seil 18 abgerollt, wobei die Länge der von der Winde 64 abgerollten Seilstrecke gleich dem Weg der Last L und die Länge der von der Winde 62 abgerollten Seilstrecke unter Berücksichtigung der Weguntersetzung des Flaschenzugs 20 ebenfalls gleich dem Weg der Last L ist. Das Umlenkrad 58 dreht sich deshalb nicht,
Beim Heben der Last L ohne Wellengang wird auf die Winde 62 und auf die Winde 64 Seil 18 aufgerollt, wobei die Länge der auf die Winde 64 aufgerollten Seilstrecke gleich dem Weg der Last L und die Länge der auf die Winde 62 aufgerollten Seilstrecke unter Berücksichtigung der Weguntersetzung des Flaschenzugs 20 ebenfalls gleich dem Weg der Last L ist. Das Umlenkrad 58 dreht sich deshalb wiederum nicht.
Für den Fall, dass die Last L weder abgesenkt noch gehoben werden, sondern in Bezug zur Erde auf einer festen Höhe gehalten werden soll, und ein Wellengang auszugleichen ist, sei davon ausgegangen, dass die Winde 21 keine Aktivwinde ist. Diese bleibt also in Ruhe. Es wird nur die Aktivwinde 64 angesteuert. Und zwar wird die Aktivwinde 64 derart angesteuert, dass das Seil 18 von ihr abgerollt wird, wenn der Schwimmkran 2 gerade auf einen Wellenberg angehoben wird. Das Umlenkrad 58 dreht sich also und treibt die Hydropumpe 50 in eine solche Richtung an, dass die Hydropumpe 50 Druckmittel dem Ringraum 42 entnimmt und in den Ringraum 44 fördert. Aufgrund des Abrollens des Seils 18 von der Aktivrolle 64 vergrößert sich auch der Abstand des Rollenblocks 22 und damit der Last L vom Schwimmkran 2. Die Last L bewegt sich aufgrund der Bewegung des Rollenblocks 22 also in dieselbe Richtung, in die auch die aktive Kompensationseinheit 8 die Last L bewegt, so dass die Bewegung des Rollenblocks 22 die Kompensation der Bewegung des Schiffskrans 2 unterstützt. Taucht der Schwimmkran 2 in ein Wellental ein, so wird die Aktivwinde 64 derart angesteuert, dass das Seil 18 aufgerollt wird. Das Umlenkrad 58 dreht sich in die entgegengesetzte Richtung wie vorher und treibt die Hydropumpe 50 in eine solche Richtung an, dass die Hydropumpe 50 Druckmittel dem Ringraum 44 entnimmt und in den Ringraum 42 fördert. Aufgrund des Aufrollens des Seils 18 von der Aktivrolle 64 verkleinert sich auch der Abstand des Rollenblocks 22 und damit der Last L vom Schwimmkran 2. Die Last L bewegt sich aufgrund der Bewegung des Rollenblocks 22 also wiederum in dieselbe Richtung, in die auch die aktive Kompensationseinheit 8 die Last L bewegt, so dass die Bewegung des Rollenblocks 22 die Kompensation der Bewegung des Schiffskrans 2 unterstützt.
Soll während eines Heben- oder eines Senkvorganges der Wellengang ausgeglichen werden, so ist der durch die Heben- oder Senkbewegung der Last L bedingten Drehbewegung der Aktivwinde 64 eine Drehbewegung zu überlagern, die zu einer Drehung des Umlenkrades 58 in die richtige Richtung führt.

Beim Absenken einer Last L und Anheben des Schwimmkrans 2 durch einen Wellenberg wird die Drehzahl der Aktivwinde 64 erniedrigt, so dass ein Mangel an Seil 18 in dem Trum zwischen dem Umlenkrad 58 und der Aktivwinde 64 auftritt und dieser Mangel durch den Lauf des Seils 18 über das Umlenkrad 58 ausgeglichen wird. Dadurch wird der Hydropumpe 50 in eine solche Richtung angetrieben, dass die Hydropumpe 50 Druckmittel dem Ringraum 42 entnimmt und in den Ringraum 44 fördert. Beim Senken einer Last und Absenken des Schwimmkrans 2 wird die Drehzahl der Aktivwinde 64 erhöht, so dass ein Überschuss an Seillänge von ihr abgerollt wird. Das Umlenkrad 58 dreht sich also und treibt die Hydropumpe 50 in eine solche Richtung an, dass die Hydropumpe 50 Druckmittel dem Ringraum 44 entnimmt und in den Ringraum 42 fördert.
Beim Heben einer Last L und Anheben des Schwimmkrans 2 durch einen Wellenberg wird die Drehzahl der Aktivwinde 64 erhöht, so dass sie mehr Seilstrecke aufrollt als der Hebegeschwindigkeit der Last L entspricht. Dadurch werden das Umlenkrad 58 und damit die Hydropumpe 50 in eine solche Richtung angetrieben, dass die Hydropumpe 50 Druckmittel dem Ringraum 42 entnimmt und in den Ringraum 44 fördert. Beim Heben einer Last L und Absenken des Schwimmkrans 2 wird die Drehzahl der Aktivwinde 64 erniedrigt, so dass sie zu wenig Seillänge aufrollt. Das Umlenkrad 58 dreht sich also in die entgegengesetzte Richtung und treibt die Hydropumpe 50 in eine solche Richtung an, dass die Hydropumpe 50 Druckmittel dem Ringraum 44 entnimmt und in den Ringraum 42 fördert.
Die Drehzahl der Aktivwinde 64 wird unter Umständen soweit erniedrigt, dass sie ihre Drehrichtung umkehrt.
Wird auch die Winde 21 als Aktivwinde 62 genutzt, so kann durch eine Ansteuerung der Winde 21, 62 vermieden werden, dass sich die aktive Kompensation auf die Bewegung des Rollenblocks 22 auswirkt. Im Übrigen entspricht die Funktion unter Berücksichtigung der Übersetzung von der Umlenkrolle 58 zur Winde 21 der Funktion der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1 und 2.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1, 2 und 4 sind die Antriebe der Hydropumpe 50 mit Winden (Winde 21, Aktivwinden 62, 64) ausgeführt. Prinzipiell können anstelle derartiger Winden auch andere Aktoren, beispielsweise Linearantriebe oder dergleichen verwendet werden.
Wie beschrieben, kann das Windenseil 66 im Bereich der Umlenkung um das Umlenkrad 58 als Kette oder sonstiges verschleißfestes Zugmittel ausgeführt sein und zum Beispiel aus hochfestem Kunststoff, beispielsweise. Dyneema® bestehen. Die aktive Kompensationseinheit 8 kann mit geringem Aufwand nachgerüstet werden, da die aktiven und passiven Systeme im Wesentlichen unabhängig voneinander betreibbar sind. Wie erläutert, ist die Anwendung der Einrichtung nicht auf die Kompensation von durch Seegang verursachten Bewegungen begrenzt sondern allgemein dort anwendbar, wo aufgrund äußerer Umstände verursachte Relativbewegungen einer Last kompensiert werden sollen. Die aktive Kompensationseinheit kann auch als mobile Lösung ausgeführt sein.
Offenbart ist eine Seegangskompensationseinrichtung, bei der eine Last über einen passive Kompensationseinrichtung abgestützt ist und eine aktive Kompensationseinheit als Linearaktor ausgeführt ist.

Bezugszeichenliste

1: Einrichtung
2: Schwimmkran
4: Meeresboden
6: passive Kompensationseinrichtung
8: aktive Kompensationseinheit
10: Ladekran
14: feste Rolle
16: lose Rolle
18: Tragseil
20: Flaschenzug
21: Winde
22: Rollenblock
24: Zylinder
26: Kolben
28: Druckraum
30: Druckkammer
32: Speichereinheit
34: Kolbenstange
36: Aktivzylinder
38: Brücke
40: Aktivkolben
42: Ringraum
44: Ringraum
46: Kolbenstange
48: Kolbenstange
50: Hydropumpe
52: Druckleitung
54: Druckleitung
56: Welle
58: Umlenkrad
60: Windenantrieb
62: Aktivwinde
64: Aktivwinde
66: Windenseil
68: elektrischer Antriebsmotor
70: elektrische Leitung
71: Trommel
72: Regeleinheit

Claims

Einrichtung zum Heben, Senken oder Halten einer Last (L) mit einer Kompensationseinrichtung zum Ausgleich von insbesondere durch Seegang verursachten Relativbewegungen der Last (L) mit Bezug zu einer Zielposition, wobei die Last (L) von einer Hubeinrichtung in Richtung zur Zielposition oder von dieser weg bewegbar ist und der Hubeinrichtung eine passive Kompensationseinrichtung (6) zugeordnet ist, die das Gewicht der Last (L) zumindest teilweise stützt, wobei eine aktive Kompensationseinheit (8) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einer Relativbewegung der Last (L) oder der wirksamen Kraft ansteuerbar ist, wobei die aktive Kompensationseinheit (8) einen Linearaktor hat, dessen Stellelement parallel zur passiven Kompensationseinrichtung (6) an der Last (L) angreift, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kompensationseinheit (8) einen Windenantrieb (60) zum Betätigen des Linearaktors aufweist, wobei der Windenantrieb (60) zwei Aktivwinden (62, 64) hat, denen ein Windenseil (66) oder ein Tragseil (18) zugeordnet ist, das mittels eines Umlenkrades (58) umgelenkt ist, über das eine Hydropumpe (50) angetrieben ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, wobei der Linearaktor ein Aktivzylinder (36), vorzugsweise ein Hydrozylinder ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 2, wobei der Aktivzylinder (36) als Gleichgangzylinder ausgeführt ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei die passive Kompensationseinrichtung (6) einen Zylinder (24) mit einem Kolben (26) hat, der einen in Stützrichtung wirksamen Druckraum (28) begrenzt, der mit einer hydropneumatischen Speichereinheit (32) in Wirkverbindung steht, wobei der Aktivzylinder (36) in etwa parallel zum Zylinder (24) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, wobei der Windenantrieb (60) die Hydropumpe (50) mit zwei Förderrichtungen hat, deren Anschluss mit jeweils einem Druckraum des Aktivzylinders (36) verbunden ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, wobei die Hydropumpe (50) und das Umlenkrad (58) an einem Rollenblock (22) gelagert sind, an dem auch lose Rollen (16) eines Flaschenzugs (20) der Hubeinrichtung gelagert sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 6, wobei eine Aktivwinde (64) eine Komponente des Flaschenzugs (20) ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die passive Kompensationseinrichtung (6) mit einer Vorspannung derart beaufschlagt ist, dass die aus der Kompensation resultierende Stützkraft etwa so groß ist wie das Gewicht der Last (L).