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Einrichtung zur Steuerung der Phasenverschiebung bei Schiffsstabilisierungsanlagen
Zusatz zum Patent 645 658 Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zur Steuerung der
Phasenverschiebung von Schiffsstabilisierungsanlagen in Abhängigkeit von der Periodenlänge
der Schiffsschwingungen. Bei Änderungen der normalen Schwingungsdauer des Schiffes
soll gemäß diesem Verfahren der etwa go° betragende Normalwert der Phasenverschiebung
zwischen Schiffsschwingung und Bewegung der Dämpfungsmassen geändert werden, und
zwar muß die Phasenverschiebung bei zunehmender Periodenlänge vergrößert, bei abnehmender
Periodenlänge verkleinert werden.
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Die Ausführung dieses Verfahrens setzt also das Vorhandensein von
Periodenmeß-. geräten voraus. Im Hauptpatent wird ein aus drei Pendeln bestehendes
Periodenmeßgerät vorgeschlagen, von denen eines auf eine gegen die normale Schwingungsdauer
des Schiffes sehr große Periodenlänge eingestellt ist,. während die Periodenlänge
der beiden anderen Pendel etwas. oberhalb bzw. unterhalb der normalen Schiffsschwingungsperiode
liegt. Ein anderes Periodenmeßgerät wird im ersten Zusatzpatent 657 471 beschrieben.
Es besteht aus zwei hydraulischen Dämpfungsvorrichtungen und einem Zahnradwechselgetriebe;
das Wechselgetriebe verstellt während einer der Schwingungsperiode proportionalen
Zeitspanne ein Meßorgan, so daß die von dem Meßorgan durchlaufende Wegstrecke ein
Maß für die Periodenlänge bildet.
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Während die genannten Periodenmeßgeräte mechanische Geräte sind, behandelt
die vorliegende
Erfindung ein rein elektrisches Periodenmeßgerät
für die Ausführung des Verfahrens nach Patent 6¢5 65s, das aus einer Anordnung von
Zeitrelais besteht, deren Uhrwerke den konstanten Ablauf gewisser Zeitstrecken gewährleisten.
Im Hauptpatent ist zwar bereits die Möglichkeit erwähnt, die Periodenmessung mittels
Zeitrelais vorzunehmen, indem ein oberhalb und ein unterhalb der normalen Schwingungszeit
liegender Grenzwert durch je zwei Zeitrelais eingegrenztwird. Es zeigte sich jedoch,
daß eine solche einfache Anordnung für ein einwandfreies Arbeiten noch zusätzliche
Maßnahmen erfordert, die den Betrieb sehr umständlich und störanfällig machen können.
Bei der erfindungsgemäßen Zeitrelaisanordnung ist daher darauf Bedacht genämmen
worden, diese Schwierigkeit zu vermeiden. Weiter gestattet das neue Periodenmeßgerät
in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweilige Eigenperiode der Schiffsschwingungen,
wenn sich diese im Lauf der Zeit etwa infolge Änderung des Beladungszustandes des
Schiffes ändert.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß es bei kürzer werdenden Schiffsschwingungen
vielfach nicht erforderlich ist, eine Änderung der Phasenverschiebung vorzunehmen,
und daß es genügt, nur bei den längeren Schiffsschwingungen die Phasenverschiebung
zu vergrößern. Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis besteht daher das neue Periodenmeßgerät
in der einfachsten Ausführung in einer Zeit-.relaisanordnung zur Durchführung dieser
Betriebsweise. Das Kennzeichen der neuen Anordnung besteht darin; daß zwei Zeitrelais
wechselseitig während der halben Schwingungsperiode des Schiffes angeregt werden
und ihre Kontakte auf ein drittes Zeitrelais arbeiten, das :ein Anzeigeorgan für
die Reriodenlänge oder ein Steuerorgan für die Phasenverschiebung betätigt, wobei
die Verzögerungszeiten der Relais so bemessen sind, daß beim Überschreiten oder
Unterschreiten eines bestimmten Wertes der Periodenlänge das Anzeige- bzw. Steuerorgan
umgeschaltet wird.
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Will man mehrere Steuerungsstufen vorsehen, z. B. auch die kurzen
Schiffsschwingungen bei der Einstellung der Phasenverschiebung berücksichtigen,
oder je nach dem Grade der Abweichung der Periodenlänge von ihrem normalen
Wert die Steuerimpulse abstufen, so werden zwei oder mehrere Zeitrelaisanordnungen
dieser Art mit verschiedenen Verzögerungszeiten in Parallelschaltung vorgesehen,
so daß das Anzeige- oder Steuerorgan in Abhängigkeit von der Periodenlänge stufenweise
verstellt wird.
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Die Erfindung soll durch die in den Figuren der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher-:erläutertwerden. 13s zeigt Fig. i ein erstes und Fig.
2 ein zweites Ausführungsbeispiel; in den Fig. 3 bis 6 sind besondere Ausbildungen
der Zeitrelais für die Anpassung an die sich ändernde Eigenschwingungsperiode des
Schiffes dargestellt.
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Das Periodenmeßgerät nach Fig. i spricht nur beim Überschreiten öder
Unterschreiten eines bestimmten Wertes der Periodenlänge an, und zwar vorzugsweise
derart, daß unterhalb dieses Grenzwertes die Stabilisierungsanlage auf Dämpfungswirkung
mit normaler Phäsenverschiebung eingeschaltet wird, oberhalb- dieses Wertes die
Schräglagenbekämpfung; d. h. eine Phasenverschiebung bis zu i8o; in Wirkung tritt.
Der Wechselkontakt i wird jeweils beim Durchgang des Schiffes durch eine Nullage
umgelegt, so daß er während der einen Halbperiode der Schiffsschwingung die Spule
:2 eines Zeitrelais erregt, während der anderen Halbperiode die Spule 3 eines zweiten
Zeitrelais. Als gemeinsame Stromquelle dient eine Batterie 4.. Der Kontaktarm für
den Wechselkontakt @ kann z. B., wenn es sich um die Schlingerbekämpfung handelt,
der Zeiger eines SchlingerwinkelmeBg.erätes sein. Die zu den Spulen 2 und ,3 gehörenden
Kontakte 211 bzw. 3a sind hintereinandergeschaltet und liegen ferner in Reihe mit
der Spule 5 eines dritten Zeitrelais, das ein Anzcigeorgan für die Periodenlänge
oder ein Steuerorgan für die Phasenverschiebung betätigt. Dieses Anzeige- bzw. Steuerorgan
besteht aus einem Elektromagneten, dessen Anker bei stromdurchflossener Spule 7
entgegen der rückziehenden Kraft einer Feder i i nach oben gezogen wird. Die Kontakte
2" und 3a sind als Ruhekontakte ausgebildet, d. h. sie sind dann geschlossen, wenn
die zu- i gehörigen Spulen 2 bzw.3 stromlos sind; fließt in den Spulen ein Strom,
so wird durch die Ankerbewegung der Kontakt unterbrochen. Der Kontakt
50 hingegen ist ein Arbeitskontakt, bei dem die Verhältnisse beim Öffnen
und Schließen gerade umgekehrt liegen. Gemäß der Erfindung sind die Verzögerungszeiten
der drei Zeitrelais so bemessen, daß beim. Überschreiten oder Unterschreiten eines
bestimmten Wertes der Berio.denlänge das Anzeige- bzw. Steuerorgan, d. h. der Anker
9, umgeschaltet wird.
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Der :eigentliche Zweck des Periodenmeßgerätes ist die Steuerung der
Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Periodenlänge, und zwar erfolgt diese
Steuerung auf elektrische Weise, .z. B. unter Benutzung der im Hauptpatent beschriebenen
Schaltung. Der Anker g. ist deshalb mit einem Kontaktarm io versehen, der beim Anziehen
oder Abfallen des Ankers über Kontakte i2, 13 gleitet. Wird das Schiff durch
die Wellenmomente zu
Schwingungen von einer Periodendauer, die in
der Nähe der Eigenperiode des Schiffes oder unterhalb dieses Wertes liegt, angeregt,
so soll der Kontaktarm io mit dem Kontaktsegment 13 Kontakt geben. Dieser Kontakt
hat ein Kommando zur Folge, das; ähnlich wie im Hauptpatent beschrieben, -zur Steuerung
bzw. Aufrechterhaltung der Phasenverschiebung ausgenutzt wird. Wie bereits oben
.erwähnt wurde, ist es in vielen Fällen nicht erforderlich, bei kurzen, unterhalb
der Resonanzperiode liegenden Schiffsschwingungen die Phasenverschiebung zu verkleinern.
Führt . das Schiff dagegen Schwingungen aus, die hinsichtlich ihrer Dauer oberhalb
der Eigenperiode des Schiffes liegen, so mu'ß die Phasenverschiebung vergrößert
oder die Anlage sogar auf reine Schräglagenbekämpfung umgeschaltet werden. Die Verzögerungszeiten
der Relais sind nun so gewählt, daß beim überschreiten eines festliegenden Grenzwertes
der Elektromagnet 7,9 . stromlos wird, so daß die Feder i nach unten bewegt
-und :dieser mit dein Kontaktsegment 12 Kontakt macht. Dadurch wird ein Steuerkommando
für die Verzögerung der Phasenverschiebung ausgelöst.
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Zur genaueren Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. i -dargestellten
Zeitrelais-Anordnung sei angenommen, daß die Eigenschwingungsperiode des Schiffes
z. B. i8 Sek. betrage. Es ist empfehlenswert, nicht sofort nach überschreiten dieses
Wertes die Umschalturig vorzunehmen, sondern erst, wenn die wirkliche Periodenlänge
einer Schiffsschwingung um einen gewissen Betrag .oberhalb der Eigenperiode von
i'8 Sek. liegt. Als Grenzwert sei eine Schwingungszeit von 22 Sek. angenommen. Die
Zeitrelais in der Anordnung nach Fig. i 'haben sämtlich Anzugsverzögerung, und zwar
muß bei dem angenommenen Grenzwert von 22 :Sek. die Verzögerungszeit der Relaisanker
.2a und 3a i i Sek., die des Relaisankers 5a etwas über i i Sek., z. B. 12 Sek.,
betragen, wie sich aus der Betrachtung der drei verschiedenen Be- . triebsfälle
(kurze Schwingungen, Resona4zschwingungen, lange Schwingungen) ergibt. Die Schwingungszeit
betrage z. B. 20 Sek., für eine halbe Schwingung werden also i o Sek. benötigt.
Während der einen Schwingungshälfte gibt der Wechselkontakt i io -Sek. lang nach
rechts Kontakt und setzt dadurch die Spule 2 unter Strom. In der zweiten Schwingungshälfte
wird ebenso die Spule 3 To Sek. lang von einem Strom durchflossen. Da die Zeitrelais
2, 24 und 3, 3a jedoch erst nach ii Sek. zum Ansprechen kommen, bleiben die Kontakte
2a und 3a ständig geschlossen. Damit ist auch die Spule 5 des dritten Zeitrelais
stets stromdurchflossen und der Kontakt 5,1 dauernd geschlossen. Der Elektromagnet
7, 9 ist also erregt, und der Kontaktarm io wird durch den angezogenen Anker auf
das Segment 13 gelegt. Dieser Zuständ bleibt aufrechterhalten, solange die halbe
Schwingungsdauer des Schiffes kleiner als ii Sek. ist.
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Es möge nun die halbe Schwingungszeit größer als i i Sek. sein, z.
B. 12 Sek. betragen. Dann werden die Kontakte 2a und 3a wechselweise jedesmal um
i Sekunde unterbrochen, bei langsameren Schwingungen entsprechend länger. Zwischen
zwei Stromunterbrechungen der Kontakte 2a und 3a liegt wegen der 1 i Sek., betragenden
Anzugsverzögerung immer eine Zeit von i i Sek., während oder die Relaisspule 5 vom
Strom durchflossen wird. Da die Anzugsverzögerung des zugehörigen Arbeitskontaktes
5a aber größer als I i Sek. gewählt wurde, z. B. 12 Sek. beträgt, kann der Kontakt
5Q niemals geschlossen werden. Der Elektromagnet 7, 9 ist also stromlos,
und die Feder ii zieht den Kontakt io auf das Segment 12.
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Das P.eriodenmeßgerät nach Fig.2 weist drei Steuerstufen auf, für
kurze, für Resonanz- und für langsame Schwingungen. Es ,besteht im wesentlichen
aus zwei Zeitrelaisanordnungen nach F ig. i in Parallelschaltung mit verschiedenen
Verzögerungszeiten. Die Anordnung umfaßt daher zunächst die Teile 1 bis 5 der Fig.
i in gleicher Anordnung und Wirkungsweise. Es sind alsdann noch zwei weitere Zeitrelais
2b und 3b vorgesehen, die auf en Zeitrelais 6, 611 arbeiten, und dieses letztere
Zeitrelais betätigt gleichzeitig das Anzeige- oder Steuerorgan für die Phasenverschiebung.
Der Anker 9 ,des Steuerorgans erhält daher zwei Wicklungen; die eine Wicklung 7
ist wie im vorigen Beispiel dem. Zeitrelais 5, die Wicklung 8 dem Zeitrelais 6 zugeordnet.
Zweckmäßig werden die Zeitrelaiskontakte 2a und 2b mit gemeinsamer Erregungsspule.2
in gemeinsamem Uhrwerk, die Zeitrelaiskontakte 3a und 3b mit gemeinsamer Erregungsspule
3 in gemeinsamem Uhrwerk ausgeführt. Die Kontakte 2b und 3b sind wiederum Ruhekontakte,
der Kontakt 6a ist ein Arbeitskontakt. Entsprechend den drei Steuerstufen weist
die Gleitbahn für den Kontaktarm io drei Kontaktsegmente.i2, 13, 14 auf.
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Die Kontaktsegmente 12 und 13 sind wiederum für die langsamen bzw.
die Resonanzschwingungen vorgesehen, während bei kurzen Schwingungen unterhalb der
Resonanzperiode der Kontakt io; 14 in Tätigkeit tritt.
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Die Schwingungszeit des Schiffes betrage wiederum 18 Sek., und die
Periodenlängen für den Normalbetrieb -der' Stabilisierungsanlage @ mögen zwischen
den Werten 1 ¢ und 22 Sek. liegen. Unterhalb einer Schwingungsdauer
von
1q. Sek. rnuß also die Anlage auf Verringerung der Phasenverschiebung geschaltet,
oberhalb 22 Sek. Schwingungszeit muß auf Vergrößerung der Phasenverschiebung geschaltet
werden, während bei dazwischenliegenden Periodenlängen die normale Betriebsweise
mit einer Phasenverschiebung von vorzugsweise 9o° vorhanden ist. Mit diesen angenommenen
Werten muß die Anzugsverzögerung der Relaiskontakte 2v und 3b 7 Sek., die des Relaiskontaktes
6a über 7 Sek., z. B. ß Sek., betragen, während die Verzögerungszeiten für die Relaiskontakte
2a, 3" und 5a wie im ersten Beispiel zu bemessen sind. Beträgt die halbe Schwingungszeit
des Schiffes weniger als 7 Sek., so sind sämtliche Kontakte dauernd geschlossen.
Die Spulen 7 und 8 sind also erregt und ziehen den gemeinsamen Anker 9 so hoch;
daß der Kontaktarm io mit dem Segment 14 Kontakt gibt. Liegt die halbe Schwingungszeit
des Schiffes zwischen 7 und i i Sek:, so werden die-Kontakte 2b urfd 3b wechselseitig
kurzzeitig unterbrochen, da die Anzugsverzögerurig 7 Sek. beträgt. Der. Kontakt
6a bleibt jedoch dauernd unterbrochen; da seine Verzögerungszeit größer als io Sek.
ist. Die Spule 8, wird also strornlosr und der Anker 9. steht nur unter der anziehenden
Kraft der Spule 7, so- daß er in seine Mittelstellung gelangt und der Kontaktarm
io mit dem -Segment 13 Kontakt macht. Beträgt die halbe Schwingungsdauer mehr als
1I Sek., so wird nach der bei Fig. i gegebenen Erklärung auch die Spule 7 stromlos
und der Anker von der Feder i i in seine unterste Stellung gezogen, so daß der Kontakt
io, 12 in Wirkung tritt.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen besitzen die Relais sämtlich
Anzugsverzögerung. Man kann die Anordnung natürlich auch so abändern, daß die Relais
Abfallverzögerung besitzen oder einen Teil der"Relais mit Anzugsverzögerung, den.
anderen Teil mit Abfallverzögerung ausführen. -Im praktischen Betrieb wird es häufig
notwendig sein, dieUmschaltpunkte des Periodenmeßgerätes zu ändern, da die Eigenperiode
des Schiffes großen Änderungen unterworfen sein kann, z. B. bei Änderung des Beladungszustandes
des Schiffes. Es ist daher erforderlich, Mittel für die Angleichung des Periodenmeßgerätes
an veränderte Resonanzschwing4ngszeiten vorzusehen, und zwar muß diese Anpassung
auf einfache und betriebssichere Art auch durch ungeübtes Bordpersonal vorgenommen
werden können. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß für verschiedene Eigenschwingungsperioden
des Schiffes verschiedene Gruppen von Zeitrelaisanordnungen der nach Fig. i und
2 beschriebenen Beispiele mit unter sich verschiedenen Verzögerungszeiten vorgesehen
-sind.- Für die wichtigsten in Frage kommenden Eigenperioden wird man jeweils eine
besondere Gruppe von Zeitrelais vorsehen, und je nach der gerade vorhandenen Eigenperiode
wird die dafür in Frage kommende Zeitretaisanordnüng eingeschaltet. Es handelt sich
bei diesem Verfahren also um eine stufenweise Anpassung.
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Ein anderes Mittel, mit dem eine stetige Anpassung möglich ist, besteht
darin, daß die Verzögerungszeiten der Relais einstellbar gemacht sind. Es ist an
sich bekannt, die Verzögerungszeiten von Zeitrelais einstellbar zu machen; und zwar
geschah dies bisher durch Änderung am Uhrwerk (z. B. Verstellen der Pendelgewichte)
oder durch Änderung des Winkelbereichs des Kontakthebels mittels Justierschraube.
Eine derartige Verstellung kann aber nur von geübtem Personal vorgenommen werden,
ist sehr zeitraubend und führt leicht zu Beschädigungen der Zeitrelais. Gemäß der
Erfindung wird daher vorgeschlagen, den Kontaktsatz des Zeitrelais drehbar oder
verschiebbar zu machen und die Einstellung durch ein Bedienungsorgan (z. B. Knopf,
Hebel), das außen am Schutzgehäuse des Periodenmeßgerätes angebracht ist, vorzunehmen.
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Fig.3 zeigt die Ansicht eines erfindungsgemäßen Zeitrelais mit verdrehbarem
Kontaktatz von vorn; Fig.4 stellt einen Teil dieser Anordnung von der Seite gesehen
dar, und zwar soll es sich um einen Arbeitskontakt mit Anzugsverzögerung handeln.
Das Zeitrelais ist in bekannter Weise so ausgebildet, daß bei Erregung der Spulen
2o und 21 der Anker 26 sofort angezogen wird. Dadurch wird die Feder des Kontakthebels
gespannt,. der nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit an den Lamellen 23
und 24 des Kontaktsatzes 36 den Kontakt auslöst, indes: sich die am Kontakthebel
befestigte Schraube 34 gegen den Stift 35 auf der Kontaktlamelle 24 legt. Mit 22
ist das Pendel für das Uhrwerk bezeichnet. Die Verzögerungszeit ist abhängig von
dem Abstand zwischen der Schraube 34 und dem Stift 35, und dieser Abstand kann durch
Verdrehen des Kontaktsatzes geändert werden. Zu diesem Zweck ist der Kontaktsatz
an der Stirnseite eines kleinen Schneckenrades 27 befestigt, wie die- Fig.. 4 deutlich
zeigt. Das Schneckenrad 27 sitzt drehbar auf einer im Tragrahmen des Relais
gdagerten Achse 37. Der Antrieb er- j folgt durch eine Schnecke 28, die ebenfalls
am Tragrahmen gelagert ist und deren Welle 29, durch das Schutzgehäuse 3o hindurchgeführt
ist. Die Einstellung erfolgt von außen durch den auf der Welle 29 sitzenden Bedie-
i nungsknopf 31; der mit einer Zeigerspitze 32 versehen ist.- An der Gehäusewand
ist ferner
eine Skala 33 angebracht, vor der sich der Zeiger 32
bewegt. Die Skala ist, in Resonanzschwingungszeiten geeicht, und die gerade vorhandene
Eigenperiode des Schiffes muß mittels dieses Knopfes an der Skala eingestellt werden.
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Im Beispiel nach Fig. 5 und 6 ist der Kontaktsatz 36 verschiebbar
gemacht. Er sitzt auf einem Schlitten 38, der in einer Führung 39 gleiten kann.
Die Führung 39 sitzt fest auf dem Tragrahmen des Relais. Die Verstellung kann durch
eine Schraube erfolgen, deren Muttergewinde durch den Schlitten 38 hindurchführt,
oder es wird der Schlitten 38, wie die Fig. 5 und 6 zeigen, entsprechend verzahnt
ausgeführt. Die Antriebsschraube q.o wird mittels des Bedienungsknopfes 3,1 verdreht.
Die Anordnung der Zeigerspitze 32 und der Skala 33 ist wie im vorigen Beispiel.
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Die Verdrehung des Kontaktsatzes durch Schnecke und Schneckenrad hat
den Vorteil, daß dieser Antrieb bereits selbsthemmend ist. Bei Verstellung durch
Schraube und Mutter müßte gegebenenfalls zusätzlich eine Selbsthemmung vorgesehen
werden. Es empfiehlt sich, sämtliche Kontaktsätze eines Periodenmeßgerätes auf einer
gemeinsamen Welle anzuordnen und die Übersetzungen der einzelnen Triebwerke für
die Verdrehung bzw. Verschiebung so zu wählen, daß die Einstellung auf die richtige
Eigenperiode von einem gemeinsamen Bedienungsknopf aus erfolgen kann.