Drehmomentmessung an oberturaswellen von eimerketten-baggern und Die automatische messdaten erfassungs-anlage des forschungs-schiffes Fritz Horn

Lab. v. Scheepsbouwkuntle

57022

Technische Hogeschool

Delft

Die automatiseke

Meildaten-Erfassun.gsanlage

des Forsehungssehiffes

_{Fritz Horn"}

Von Dr.-Ing. Sc hale

Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau Institut an der Rhein. Westf. Technischen Hochschule Aachen

Drehmomentmessung

_{an Oberturaswellen}

von Eimerkettenbaggern

Von Dr.-Ing. Sc h a le

Mitteilung der Versuchsanstalt far Binnenschiffbau Institut an der Rhein. Westf. Technischen Hochschule Aachen

Sonderdrud< aus der Fachzeitschrift Schiff und

_Hafen"

Jahrgang 17 Heft 12 Dezember 1965 Jahrgang 18 Heft 3 Marz 1966 Druck und Verlag: C. D. C. Heydorns Buchdruckerei, Uetersen bei Hamburg

Nr. Bezeichnung Ottflagel-Log Drehmoment-Dynamometer Drehzahl-Messer Schubmesser Zugmesser Weggeber Winkelgeber Kurskreisel Windmesser 2

Die automatische MeBdaten-Erfassungsaniage

des Forschungsschiffes

Fritz Horn"

Von Dr.-Ing. Schale

78. Mitteilung der Versuchsanstalt far Binnenschiffbau, Institut an der Rhein. Westf. Techn. Hochschule Aachen 1. Einleitung

Im Heft 1/1964 dieser Fachzeitschrift hat der Verfasser im letzten Abschnitt seines Berichtes iiber den zweijahrigen

Einsatz des Forschungs- und Versuchsschiffes-

Fritz Horn"

bereits auf die Notwendigkeit zur Entwidclung und

Be-schaffung einer elektronischen MeBdaten-Erfassungsanlage

auch fiir die GroBversuchsted-mik hingewiesen und anhand

eines Tabellenbildes gezeigt, in welcher Weise die MeB-daten erfaBt und ausgedruckt werden kOnnen [1].

Seit Sommer dieses Jahres ist eine solche Anlage

nun-mehr genau nach den damaligen Vorstellungen in

Erpro-bung und arbeitet

bis auf einige anfangliche Kinder-luanIcheiten" sehr zufriedenstellend.

(Bevor die Besthreibung einer Datenerfassungsanlage

folgt, miiBte zuvor einiges iiber Datentechnik und

-ver-arbeitung in elelctronischen Rechenmaschinen gesagt werden.

Diese Aufgabe hatte in Heft 8/1965 jedoch schon Herr

Dipl.-Ing. Bogs mit seinem Aufsatz Automatische

Daten-erfassung und -verarbeitung im Schiffbau-Versudiswesen"

erfiillt. Da ich mich semen Ausfahrungen vollinhaltlich

an-schlief3e und sie auch Grundlage unserer eigenen

Gedanken-gange waren, gestatte ich mir, den interessierten Leser be-sonders auf diese Veroffentlichung

[2] mit Foto in

[3]

hinzuweisen.)

Obwohl die automatische Me3datenerfassung und sofor-tige Weiterverarbeitung in elektronischen Rechenmaschinen

his zur Darstellung der Endlosungen geradezu ideal" zu

sein scheint, sollte man im Schiffbau-Versuthswesen, soweit

technisch vertretbar, trotz miiglicher Verwendung von

Klassier-und Toleranzgeraten vorerst doch nicht auf die Zwischen-kontrolle durth den Versudisingenieur" verzichten und emn Herausziehen und Auftragen wichtiger Teilergebnisse ermag-lichen. Der Versudisingenieur soil selbst nach dieser

Be-wertung entstheiden konnen, welche Daten direkt

iiber-nommen und welche vor Weiterverarbeitung korrigiert wer-den miissen. Infolgedessen endet auch der gerateinteme Be-arbeitungsvorgang jeder Information bei der

Me3daten-Er-fassungsanlage des MS,Fritz Horn" mit dem Ausdruckender

MeBwerte durth die SChreibmaschine und parallel dazu mit

der Speicherung auf Lochstreifen. Erst nach Uberpriifung des gesammelten Informationsmaterials

wird es zur

Weiter-verarbeitung freigegeben.

2. MeBwertgeber und Datenerfassungssystem

Die Untersuchungen bzw. Me3aufgaben des Schiffes sind

sehr vielseitig. Jede neue Aufgabe verlangt oft auch neue

Me3wertgeber. Natiirlich gibt es eine Reihe Gerate, die stets

wieder Verwendung finden konnen und teils sogar indu-striell gefertigt werden; meist ist man jedoth gezwungen, zur Eigenkonstruktion und aus Finanzienings- und

Zeit-granden dann auch zum Eigenbau iiberzugehen.

Alle Mef3wertgeber massen eines gemeinsamhaben,

nam-lith die ,Umwandlung der zu messenden mechanischen

GroBen in proportionale elelctrische Signale. Da

bei der

Planung der Datenerfassungsanlage von vornherein das

digitale System als einziges in Frage kommendes gewahlt wurde, sollen these Ausgangssignale entweder proportionale Frequenzen (zahlbare Impulsfolgen) oder proportionale

Gleichspannungen sein; letztere sind jahrzehntelang in der MeStechnik bekannt", erstere konnen aus allen in Rotation

oder in gleichmaBige axiale Geschwindigkeit versetzte Massen

erzeugt werden. Gleithspannungen werden in der zweiten

Er-fassungsstufe der Anlage, im sogenannten Spannungs- zu

Frequenzwandler" in meBbare Frequenzen umgewandelt, so daB der nachgesthaltete elektronische Zabler nur noth

Frequenzen also letztlith alle Eingangswerte aufnehmen

und anzeigen kann. Die Beschreibung und der Bestand

an MeBwertgebern des Schiffes kann Lit. [4] entnommen werden. Abb. 1 zeigt einige davon, deren

Grundeigenschaf-ten in Tabelle 1 verzeidmetsind.

Wandelt Wassergeschwindigkeit iiber Rotation in Impulse urn; f 50.bis 5000 Hz

Wandelt Torsionsspannung iiber Saitenschwingungen in

Impulse um; f 200 his 800 Hz

Wandelt Rotation iiber Polrad mad Induktivgeber in Impulse um; Polzahl 60 oder 100

Deckel ist als MeB-Membran ausgebildet, Durdibiegung

wird mittels Induktivgeber und MeBverstarker in analoge

Spannung umgewandelt

Innerhalb der Dose sitzt Zugstab, der mit 4 alctiven und

4 neutralen DehnungsmeBstreifen beldebt ist. "Ober Me13-verstarker wird der Zug in analoge Spannung umgewandelt

Im Gehause liegt

Schiebepotentiometer in Vollbriicken-schaltung. Stabilisierte MeBspannung speist Briicke, Weg

wird als analoge Span.nung ausgegeben

Im Gehause befindet sich Kreispotentiometer in Vollbrak-kenschaltung, Winkelausgabe wie unter 6.

Flugzeugkreisel mit Winicelgeber wie unter 7. .und

Pro-grammiereinrichtung fur Sonderfunktionen

Schalenkreuz dreht kleines Polrad wie unter

1. und 3.

Indulctivgeber erzeugt je nach Drehgeschwindigkeit 50 bis

250Hz.

Abb. 1: Einige MeAwertgeber

fiir schiffstechnische Grofluersuche

Die widitigste, bei der Planung der Anlage zu

entschei-dende Frage bezog sich auf die Art des Abfragevorgangs und auf die Umlaufgeschwindigkeit der Schreibmaschine bzw. des Lochers. Diese Frage ist unmittelbar mit den

Bewegungseigenschaften des Fahrzeuges und der

MeBauf-gabe verbunden und nur aus ihnen heraus zuentscheiden.

Handelt es sich urn die Aufnahme instationarer Vorgange

und deren Analyse, wie Schwingungen, merkliche

Beschleu-nigungen o. a., die innerhalb von Sekunden Charakter

und Richtung diadem, oder handelt es sich urn die

Auf-nahme und Untersuchung von stationaren bzw. quasistatio-flaxen Vorgangen, die nur in groBeren Zeitabstanden

schwanken? Die Praxis zeigt, da.13 Propulsionsversuche oder

ahnliche, mit der Fortbewegung gekoppelte

Untersuchun-gen, auch bei Flachwasserschiffen

in der Regel zu den

quasistationaren zahlen. Priifungen auf Binnenschiffen

zwi-Eigenbau

Flagel von Firma Ott Firma Maihak, Hamburg

Eigenbau

Induktivgeber von Fa. H & B

Eigenbau Induktivgeber von Firma Hottinger Eigenbau Eigenbau Potentiometer der Firma Teltronik Eigenbau Potentiometer der Firma Novoteclmik Eigenbau

Kreisel von Firma Siemens Eigenbau

Schalenlcreuz von

Firma Lambrecht TABELLE 1

11111111-1--*

oe-3. Aufbau, Arbeitsweise _{und Erprobung der}

MeBdaten-Erfassungsanlage 3.1 Aufbau

Die Anlage besteht aus:

Mef3stellenumschalter

Eichgerat ffir analoge Spannungen,

Spannungs- zu Frequenz-wandlei, Elelctronischem Zahler, Digitaluhr, Koppler bzw. Kodiergerat, Femsteuergerat MeBstellenumschalter

Eichgerat und Tiefpasse

SpannUngs- zu Frequenzwandler Elektronischer Zahler

Digitaluhr Koppler

Parallel-Serienwandler

Femschreibmaschine mit Streifenlocher

3.2 Arbeitsweise

Der Mef3stellenumschalter (MSU) hat 7 Frequenz- und

7 Spannungseingange. Letztere konnen wahlweise auch als

Frequenzeingange geschaltet werden.

In ihm sind

mit

Unterstfitzung der Firma Maihak auch 4 Oszillatoren

ein-gebaut worden, die ihrerseits die zu den

Maihak-Dreh-momentdynamometern gehorigen Saiten erregen. Gelangen

diese zum Einsatz, konnen die originalen Maihak-Kabel

verwendet werden. Alle Frequenzeingange sind in Jan-Norm, die Spannungseingange _{als Apparateklemmen" zweipolig}

ausgefiihrt.

Kommt vom Fernsteuergerat das Startsignal, werden alle Mef3stellen nacheinander abgefragt. Sind nicht alle

MeB-stellen besetzt, wird die .Abbruchleitung" in die auf die

letite Mef3leitung folgende Buchse gesteckt. Mittels verbindung ist eine Tabellenprogrammierung moglich.

Der MSU leitet die Frequenzen direkt, die Spannungen

Ober den Spannungs- zu Frequenzwandler" (ADVV) zum

Mier. Der Zahler selbst zahlt eine Selcunde lang die

Impulse aus, zeigt sie in Ziffemkolonnen an und speichert

sie. Danach wird - wahrend der Zahler neu zahlt

- der

Speicher vom Koppler abgetastet, auf intemationalen Fern-schreibcode umcodiert und fiber -den Parallel-Serienwandler von der Femschreibmaschine das Zahlergebnis ausgedruckt. Bei Bedarf kann der Streifenlocher mit hinzugeschaltet

wer-den. Nadi Durchlauf einer MeBreihe bleibt der MSU

zu-nachst stehen.

Das Fernsteuergerat enthalt auBer dem Starticnopf"

jedoch noch mehr Schaltvorrichtungen: einen Schalter, mit

dem der eben beschriebene Zeilenstop erreitht oder in

einen kontinuierlichen Lauf iiber mehrere Zeilen

umge-wandelt werden kann. Damit gekoppelt ist ein Multiswitch-Vorwahlschalter 0-9, mit dessen Hilfe die Anzahl der Zei-len eingestellt bzw. angezeigt wird. Aus Bearbeitungs- und

Obersichtsgriinden bleibt jedoch auch der kontinuierliche

Durchlauf nach 10maliger Wiederholung stehen, damit die

Maschine - mit einer Nummemscheibe wahlbar

Zwi-schenraume in die Wertetabelle rfickt. Diese ZwiZwi-schenraume

dienen zur Eintragung von Versuchsbezeichnungen oder

Mittelwerten. Weitere drei Vorwahlschalter, _{zu einer} Zif-ferngruppe zusammengefaBt, ermog,lichen das Eindrucken

Firma Fasim, Hamburg

Firma Fasim, Hamburg, mit Teillieferungen der Fa. Maihak

Eigenbau

Firma Hewlett, Packard USA Firma Hewlett, Packard USA Firma Fasim, Hamburg Firma Fasim, Hamburg

Firma Fasim, Hamburg, mit Teillieferung der SEL, 1 0.0 0 5. 0 6 2 0.0 0 4. 8 2 3 0. 0 ,0 6. 1 6 Oben: 4 0.0 0 6.0 2 5 0.0 0 1. 5 0 _{Abb. 2:} Elektronischer Ziihler 1 0.0 0 2 0.0 0 3 0.0 0 5.0 4. 9 6. 2 4 4 0 nzit MOstellenumschalter,

Codeumsetzer und Zifferndrucker 4 0.0 0 6. 0 4 5 0.0 0 1. 5 0 Links: 1 0.0 0 5.0 2 2 0. 0 0 3 0.0 04.76. 1 0 4 Abb. 3: 4 0.0 0 6. 0 2 Gedruckter Originalstreifen

5 0.0 0 L 5 0 _{mit Mel3stellen-Nummer und Mef3wert}

1 0.0 0 5.0 13 2 0.0 0 4.98

3 0.0 0 6. 1 6 4 0.0 0 6.0 2 5 0.0 0 1. 5 0

schen 1000 und 8000 t VVasserverdrangung zeigten bei

konstanter Brennstoffpumpenfilllung zeitliche

Schwankungs-perioden von 30 bis 60 Sekunden bzw. Beschleunigungen Digital-Ube Spumumgswandler

wesentlich kleiner als 1hoo g.

Da die

automatische Datenerfassungsanlage in erster

Linie zur Fortbewegung" gehorige MeBwerte registrieren

soil, _{geniigt es, alle MeBstellen nacheinander abzufragen} und nacheinander auszudrucken. Zur Registrierung inSta-tionarer Vorgange wird diese Datenerfassungsanlage _also nicht verwendet. _{Sie werden weiterhin von}

Mehrkanal-Eichgedif u. 77elpf!sse Keppier Fornszhreiber Locher 1 umachafter Seriumeimitior Steuergeriit

Lichtstrahloszillografen aufgezeidmet. _{Abb. 4: Gestellaufbau der Mef3daten-Erfassungsanlage} Das automatische Nacheinandererfassen digitaler

MeBwerte wurde im Herbst 1963 auf dem

Schubboot Parallel-Serienwandler,

Marseille" erprobt [5]. Einem seit jahren auf dem Schlepp-wagen betriebenen elektronisthen Zahler mit Umsetzer und

Fernschreibmaschine mit Streifenlocher,

und Fernsteuergerat.

Zifferndrudcer wurde em n kleiner Mefistellenumschalter vor-_{gesetzt, der zwei MeBsaiten}

Alle Gerate - bis auf die beiden letzten

- sind als

des Maihak-Drehmoment- 19-Zoll-Einschiibe" konstruiert. jedes Gerat hat em n eige-dynamometers, zwei Wellendrehzahlen und den Geber filr nes stabilisiertes Netzteil,-der Eingang ist fiir 220 V Wech-die Schiffsgeschwindigkeit abzufragen hatte; siehe hierzu

auch Lit.

[6]. Diese kleine, in der Folgezeit offer

ein-selstrom au.sgelegt. Die Verbindung untereinander wird

durch Einzelkabel mittels Amphenol-Stedcem an der Riick-gesetzte Anlage zeigt Abb. 2 und einen mit ihr

aufgenom-menen Streifenausschnitt Abb. 3. _{Innerhalb eines} Strom-kilometer-Bereiches wurden von Hand" die arithmetischen

Mittelwerte gebildet und aus ihnen die entsprechenden Endwerte errechnet. Schon diese Anlage lie13 trotz ihrer

Bescheidenheit die Vorteile einer Datenerfassungsanlage

erkennen und wies weiterhin den Weg fur dieEntwicklung der groBen Anlage.

seite vorgenomnaen. Die Einschiibe sind in zwei mobilen

kleinen Schranken untergebracht. Keiner der Schranke wiegt

mehr als 50 kg, die Femschreibmaschine 58 kg, das

Fern-steuergerat mit Kabeltrommel 10 kg. Die Planung und der

Aufbau der Anlage erfolgten in Zusammenarbeit mit der Firma Fasim bzw. Herrn Dr. rer. nat. Sienknecht. Abb. 4

zeigt die Gerateverteilung, und Tabelle 2 fiihrt die Gerate-hersteller auf.

TABELLE 2

einer Versuchsnummer oder sonstigen Bezeichnung. Bei

fortlaufenden Betriebsmessungen wird es der

Stromkilo-meter" o. a. sein!

Die Digitaluhr ihrerseits ist auf die genaue Tageszeit ein-gestellt. Sie zeigt demzufolge Selcunden, Minuten und Stun-den an. Ihr SelcunStun-denimpuls wird in der Regel dem

50-Hz-Netz entnommen. Er kann aber auch von einemChronometer 707oti:

rimnioscill toren

oder einer Quarzuhr extern eingegeben werden. Letzteres

vor allem bei unstabilen SchifFsnetzen oder bei Umformer-betrieb der Anlage aus einem 24-V-Netz. Merbwrte

Aus Einordnungsgrunden werden Uhrzeit und die re

ziffrige Konstante" des Femsteuergerates an den Anfang Enchgerat und

!le-der Zeile gestellt, erst dann folgen die Mef3werteiiber den = Auf die Steuerung des MSU wirken also anfangs die

Digitaluhr und die Automatilc des Fembediengerates mit

em. Das elektrische Zusamrnenwirkenist der Abb. 5 zu ent-nehmen.

3.3 Erprobung

Die Planung und Beschaffung der Anlage Einschub

fiir Einschub nacheinander (fiir Versuchsanstalten ist die Finanzierung stets das Problematischste) lief iiber knapp 3 Jahre; trotzdem funktionierten nach Lieferung des letzten Einschubs alle Gerate auch im Zusammenspiel fast

auf Anhieb. Eine dreitagige Dauerpriifung, bet der zwei Maihak-MDS 2, 2 Drehzahlgeber, 1 Log, 2 Schubmesser, 2 TreibstoffmeBgerate und 1 Windmesser angeschlossen waxen, zeigte lediglich im Zusammenspiel Uhr,

Fembedie-nung und MeBstellenumschaltereinige Impulsfehler, die den

kontinuierlichen Durchlauf unterbrachen. Durch Hand-start" konnten solche Unterbrechungen jedoch iiberbriickt

werden.

Abb. 6 zeigt die Gesamtanlage nach dem

Zusammen-bau und Abb. 7 einen Protokollausschnitt. 4. Datenverarbeitung

Die Versuchsanstalt für Binnenschiffbau arbeitet in

Duis-burg mit dem IBM-Rechenzentrum zusammen, wo u. a. _{probe Lauf}

eine Recherunaschine vom Typ 1620 betrieben wird. Fiir

sie liegen aus der Modellversuchstechnik

bereits 11 be-

versuchsstrecke: rheingau, stromkilometer

wahrte Programme vor, denen weitere folgen konnen. wah-beget bingen: 268 cm, wassortemperatur: 16

rend die Modellversuchsdaten auf dem Schleppwagen noch in herkommlicher Weise, jedoch bereits mitmodemen

MeB-wertgebem ermittelt und nach Priifung an Ort und Stelle

auf Karten gelocht werden, urn sie spater an das IBM- 123425 522

Rechenzentrum zu geben, gestattet uns bet Bordversuchen 14i5lt

der Streifenlocher der Fernschreibmaschine, alle auf dem123546 522

ausgeschriebenen Protokoll enthaltenen

riditigen Wertelmiz

von irgendeinem Ort mit offentlicher Femschreibverbin-123707 522

dun aus direkt zur IBM zu iibermitteln und nach Dumb_123734 522

rechnung das gewiinschte Endergebnis liber Femsdireiber zuriidc zu erhalten. Am Empfangsort wird der

Ergebnis-streifen" iibemommen and in der eigenen Maschine so oft

vvie benotigt ausgedrudct.

Damit das Rechenprogramm keine wechselnden

Konstan-ten erhalKonstan-ten mull, ist ein 6-Kanal-Eicheinsdiub vorgesehen.

Mit semen dekadisch von 0,1 bis 100 kQ gestaffelten

Ein-stellpotentiometem kann, je nach den

Widerstandsverhalt-nissen, bet samtlichen analogen Spannungseingangen der

MeBgerate proportionale Ziffernanzeige eingestellt werden: fiir 10 t Schub konnte z. B. 1000, fiir 5,0 m Wassertiefe = 5000, fur Windrichtung 300 Stb = 300 eingeeicht werden. Vorausgesetzt wird dabei etwa 1°/oige Linearitat der MO-wertgeber und genauer Abgleich des ADW!

Der Eicheinschub ist universell verwendbar und enthalt auch Filter ,(Tiefpasse) mit den Grenzfrequenzen von 10 his

400 Hz, insbesondere zur Beseitigung von Storpegeln bei

Liditstrahloszillografen-Registrierung. 5. Zusammenfassung

Die Versuchsanstalt Binnenschiffbau e.V., Duisburg,

setzt bei GroBversuchen in Verbindung mit dem

Forschungs-schiff Fritz Horn" eine automatische

MeBdaten-Erfassungs-anlage ein, die in der Lage ist,

stationare und quasista-tionare Bewegungsvorgange mittels herkommlicher

MeB-wertgeber quantitativ so zu registrieren, daB der

Ziffern-drudc tabellenmaBig geordnet eine Vorausbewertung zulaBt. Lochstreifenspeicherung gestattet eine Weiterver-arbeitung in elektronischen Rechenmaschinen. Die automa-tische Datenerfassungsanlage entlastet nicht nur das

personal, sondem erh6ht in erheblidiem MaBe durch die Vielzahl der Informationen die Aussagegenauigkeit der MeBergebnisse.

Die Anwendung des intemationalen Fernschreibcodes

er-moglidit darilber hinaus die fehlerfreie Versendung der

Ergebnisse von Oftzu Ort fiber das offentliche

Femschreib-4

Abb. 5: Prinzip:eller Aufbau der Mef3daten-Erfassungsanlage

; Li W.

U7)331334. 4 Stwu.rgeral ID, Hand-and acreematischen 9t, .17 [21 for and ZiffemansIng. gpannungs-Fhlgemanwandlor

Abb. 6: Die automatische Mef3daten-Erfassungsanlage

des Forschungsschiffes Fritz Horn" wiihrend desProbelaufes

sines propuLslonsversuchs 2 3 4 5 6 '7 8 9 10 11 12 13, 14 km s11 s12 521 s22 n1 n2 vs vw h tr be1 be2 0298 0572 0256 0559 0281 0572 0241 0559 0270 0536 0236 0559 0287 0573 0247 0559 0289 0573 0245 0560 0290 0572 0242 0561 0286 0572 0238 0559 0298 0572 0241 0560 0561 0559 123801 522 23828

522.0 MI Nn

0278 0280 0278 0280 0277 0279 0278 0280 0279 0282 0278 0281 0279 0281 0278 0280 0279 0281 0278 0279 Digital - Uhr Hop he Paralle Strienwandler Sfrirlfirnfacher Fornschrelb-maschinv 523 - 511 grad, wind: so 0 - 2 0375 0182 0062 0161 0789 0801 0372 0111 0460 0160 0755 0796 0366 0181 0448 0167 0793 0821 0381 0155 0457 0162 0785 0806 0384 0177 0462 0159 0782 0799 0379 0148 0452 0161 0792 0822 0366 0163 0446 0171 0768 0801 0376 0121 0458 0163 0777 0831 0375 0144 0451 0159 0781 0809 0368 0155 0449 0164 0785 0802 Abb. 7: Ein u;iihrend des Probelaufes aufgenommenes Protokoll mit Klartext und MeTheerten nach 10zeiligern

Durchlauf

Hierin bedeuten:

t laufende Uhrzeit vs Schiffsgeschwindigkeit

km Stromkilorneter

vw Windgeschwindigkeit

sll Zugsaite der Stb-VVelle h VVassertiefe

s12 Drucksaite der Stb-Welle tr Trimm

s21 Zugsaite der Bb-VVeHe bel Treibstoffverbrouch s22 Drucksaite der Bb-Welle der Stb-Maschine

n1 C)rehzahl der Stb-VVelle be2 Treibstoffverbrauch

n2 Drehzahl der Bb-VVelle.. der Bb-AAaschine

netz nod gestattet auf diesem

Wege insbesondere eine schnelle Durchrechnung des Informationsmaterials durch

eine Rechenzentrale and Riicksendung der Endergebnisse zum Versuchsort. Das dadurch entlastete Versuchspersonal

kann sich mehr den Versuchs-Nebenerscheinungen

zuwen-den und folglich nicht our die Quantitat, sondem auch die Qualitat einer oft sehr aufwendigen Versuchsfahrt im

Endeffekt steigem. Literatur

[1] Schole: Dos Forschungsschiff Fritz Horn' 2 Jahre im Einsatz.

Schiff und Hafen, Heft 1/1964

Boes: Automatische Datenerfassung und -verarbeitung im

Schiff-bau-Versuchswesen. Schiff und Hafen, Heft 8/1965

Motzfeld: Moderne Untersuchungsmethoden der Schiffstechnik. Schiffbautechnik Heft 9/1965, Seite 505

Sturtzel, Schale, Dittberner: Forschungsschiff Fritz Horn', dos

schwimmende Laboratorium fir schiffstechnische Graversucheder

Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V. Duisburg,

Forschungs-bericht des Landes NRW Nr. 1244, Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen

Schole: NaturgroBe Versuche mit Schubverbanden auf dem Rhein.

Schiff und Hafen, Heft 11/1964

Thomsen: Ober die AusfOhrung schiffbaulicher Rechnungen mit Hilfe sines Datenverarbeitungssystems IBM 1401.

1. Einleitung

Im Sommer 1965 wurde der Versuchsanstalt fiir Binnen-sdriffbau von der Weserwerft Minden der Auftrag erteilt,

Drehmomentmessungen an der Oberturaswelle eines

Eimer-kettenbaggers auszufiihren (Abb. 1), urn den

Gesamtwirkung,s-grad der dieselhydraulischen Antriebsanlage bei einigen

Be-lastungsfallen zu ermitteln. Die Aufgabe schien anfangs leicht

losbar, weil den Schiffbau-Versuchsanstalten Drehmoment-messungen an rotierenden Wellen in der Regel

Propeller-wellen gelaufig sind. Hier ware also das Drehmoment am Abtriebsflansch des Antriebsmotors und das Gegenmoment der Eimerleiter beiderseits des Oberturas zu messen, denn

Md Oberturas n

N.

Md Antriebsmotor n

Nach Einsichtnahme der Zeichnungen und mehreren

Rack-sprachen mit der Werft zeigte sich jedoch, daf3 eine

Moment-n g e s = Oben: Abb. 2: Messung des Pumpenverstellweges Rechts: Abb. 4:

Oberturaswelle mit Schleif-ring- undDehnungsstreifen-anordnung auf

Schwimm-bagger Wal"

Drehmomentmessung

an Oberturaswellen von Eimerkettenbaggern

Von Dr.-Ing. Schale

79. Mitteilung der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e. V., Duisburg, Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule, Aachen

74:

Konstont

Spannung

TT'

messung an der Abtriebsseite des Motors, also zwischen Motor

und Hydraulikpumpe, nicht durchfiihrbar sei und daf3 auch der Anbau handelsiiblicher Geber an der Oberturaswelle gar nicht bzw. nur nach Umkonstruktion moglich ist. Befragte

Dokurnentationsstellen korinten auch keine Auskunft iiber diesbeziigliche Veroffentlichungen geben, so daB letztlich

doch auf die allgemeine Methode der Leistungsermittlung

an Antriebsanlagen im Schiff" zuriickgegriffen werden muBte. 2. Versuthsvorbereitung

Die Drehmoment- bzw. Leistungsmessung am

Antriebs-motor, Mercedes-Benz M204B, erleichterte uns der

Priifstand-Ingenieur des Herstellers, indem er wahrend der Probelaufe bei konstanter Drehzahl den Regelstangenweg in Abhangig-keit von der Bremsleistung ermittelte und als Diagramm mit-lieferte. Zur Kontrolle waren Luftdrudc, Lufttemperatur,

Ab-gastemperatur und Treibstoffverbrauch mit angegeben, so daf3

die wirkliche Leistung im Versudi durch Messung des Regel-stangenweges und ggf. redmerische Korrektur einigermaBen

Schiebe- Null-Potentio- poll

meter

Abb. 3: Elektrische Schaltung des Wegmessers fur Brennstoffpunzpe Betrags- Oszillogrofen-abgleich schleife '

-S.

4.rvalitirdid;'

Abb. I: Eimerkettenbagger Wal"

genau ermittelt werden konnte. Da der Versuch selbst keine

stationaren Werte lieferte, mullte der Regelstangenweg

zwecks Registrierung in elektrische Spannung umgewandelt werden. Dieses geschah durch Anbau eines

Schiebepotentio-meters in Verbindung mit einem elektrisch gleich grof3en

Ein-stellpoti, beide zusammen als Vollbradce" geschaltet. Das Einstellpoti diente zum Nullabgleich". Fiir die Eichung des Schreibers (mm Regelstangenweg = mm Schreibbreite, 1 : 5 abersetzt) wurde em n weiteres in Reihe geschaltetes

Einstell-potentiometer verwendet. Die Speisung der Bracken erfolgte

mit Konstantspannung". Der Linearitat wegen wurden die

Stromkreise im Widerstandsverhaltnis 1 : 100 : 10 000

aus-gelegt (siehe hierzu auch Abb. 2 und 3 sowie Literatur

Die Drehmoment- = Torsionsspannungsmessung an der

Oberturaswelle war deshalb so schwierig, weil einerseits

zwischen Turas und Lager die freie Wellenlange nur 140 mm betrug, weiterhin das Moment von beiden Seiten gemessen werden mullte, denn Bb wie Stb treibt em n Hydraulik-Motor das Antriebsrad, und andererseits man diese freien Wellen-stiidce nur gerade noch mit den Handen erreichen konnte. Eine Montage der Dehnungsmellstreifen, besonders aber des Philips-Sdileffringsystems, war nach Vorschrift" also nur

begrenzt moglith. Trotzdem gelang es mit viel Geduld, die Streifen exakt aufzukleben und zu verdrahten. Die Schleif-ringe dagegen rnuf3ten auf einer Seite zusammengefal3t und

iiber den freien Raum des Dehnungsbereichs aufgebracht

werden. Um Beeinflussungen auszuschalten, wurden samtliche

Polster aus Schaumstoff ausgefiihrt und dabei trotzdem emn

guter Rundlauf" und fester Sitz erreicht (siehe Abb. 4-7).

Da auf die Oberturaswelle mit angehangter Eimerleiter kein

definiertes Drehmoment zur Eichung des MeBverstarkers

aufgebracht" werden konnte, mul3te das Drehmoment nach

internem Abgleich des Verstarkers rechnerisch ermittelt werden.

6

Wenn Dehnungsmef3streifen wie skizziert unter 450 auf der

Welle kleben, ist der Zusammenhang zwischen Dehnung und

Drehmoment bei sinngemaf3 geschalteter Vollbriicke"

folgender:

Md = 2 Wr

e = n k ir d3

\VP = 16

2 2E

rd3

n k 2 (1 + 0,3) 16 s E 2r d3 [cmkp] 10,4 n k Hierin ist Md = Drehmoment = Polares Widerstandsmoment = Schubspannung G = Schubmodul 1.4= Poisson'sche Zahl E = Elastizitat

n = Anzahl der DehnungsmeBstreif en k = Faktor der DehnungsmeBstreifen d = Wellendurchmesser

Für d = 14 cm, E = 2,1

106, n = 4 und

das Moment der Oberturaswelle: Md = 8,56 106 [mkt)]

Da die zu erwartenden Momente der Oberturaswelle je

nach Drelizahl zwischen 1000 und 8000 mkp liegen werden,

schwankt E etwa zvvischen 0,15 und 1,0 6/00, also einem recht giinstigen Bereich, der mit dem verwendeten Hottinger-MeB-verstarker KWS 1115 bequem zu erfassen ist.

Fiir die Drehzahlmessung der Oberturaswelle wurde emn Vierpolnocken aufgesetzt, der pro Umdrehung mittels Kon-takten vier Signale abertrug.

Die drei Mef3werte: Pumpenweg Oberturasmoment Turasdrehzahl

wurden mit einem Lichtstrahloszillografen Typ Honeywell

Visicorder 1504" registriert und die Kurvenziige bei der

Auswertung zwedcs Mittelwertbildung far jeweils eine voile

Turasumdrehung also innerhalb von vier Kontakten planimetriert.

Abb. 5: DehnungsmePstreifen sind aufgeklebt

"WU

416alati.

Abb. 6: Schleifringe sind

,

Nole

b.

aufgebracht

Abb. 7: Der Barstenapparat ist montiert Dadurch hoben sich auch die Durchbiegungsfehler auf.

Leider ist eine solche MeBanordnung nur kurze Zeit betriebsfahig, da alle Eimer mit dem nassen Baggergut un-mittelbar neben den auBerordentlich empfindlichen

Schleif-ringen vorbeilaufen und Beschadigungen verursachen kannen. Eine provisorische Ableitvorrichtung wie Abb. 8 zeigt

reichte gerade fiir die notwendige MeBzeit aus, ware aber fur Daueruntersuchungen ilber mehrere Tage unzweclanaBig.

z45° = 2 G e

G=

2 (1 + ,u) 2E Md = d 0,3 [cmkp] [cm3l [kp/cm2] [kpicm9 [--1 [---]

1]

[cml k = 2,12 ist

Oben:

Abb. 8:

Schilit-Trichter mit Sdzutzblechen versehen

Rechts:

Abb. 9:

Oberturaswelle als Mef3welle nach neuem Vorschlag

__1111111 ,

ilolloningi

1 9 /0

Abb. 10: Drehmomentmel3welle Liingsschnitt

3. Anlage fiir Dauermessungen

Da die Ermittlung von Baggerleistungen iiber einen langeren Zeitraum und bei verschiedenartigem Baggergut von

allgemeinem Interesse sein diirfte, ggf. sogar eine

Dauer-anzeige fur den Oberwachungsdienst des Baggerfiihrers not-wendig werden kann, empfehlen wir, den Einbau einer

Dreh-moment-Mef3anlage vorzusehen, die zuverlassige

Dauer-priifungen mit einfachen Mitteln gestattet. Eine solche MeB-anlage ist vom Verfasser konstruktiv ausgearbeitet worden.

Sie tragt z. Z. die MaBe fiir den vorgegebenen Fall, kann aber bei nur einer einzigen Mal3anderung für jeden anderen Bagger

zur Anwendung gelangen. Sie beruht auf der ebenfalls be-kannten Torsionswinkelmessung mittels Induktivgeber so

ausgelegt, da.13 der Geberteil stirnseitig, beiderseits oder

ein-seitig der Welle angesetzt wird und somit weit auBerhalb ge-fahrlicher Einfliisse liegt. Notwendig ist lediglich eine glatte Bohrung durch die Mittelachse der Oberturaswelle von 26 bis

30 mm Durchmesser.

Iddiese Bohrung wird bis zur Mitte der Oberturaswelle mit einigen Zehntel Spiel eine zweite Hohlwelle geschoben und

durch Gewindebolzen und Konus verspannt. An der Stimseite wird sie in einem aufschraubbaren Flansch mittels Kugellager

110...16111

zentriert und iibertragt jetzt den Torsionswinkel der Ober-turaswelle reibungs- und biegefrei nach auf3en. Dieser wird nun iiber einen Hebel auf die Kerne der zur Vollbracke

ge-schalteten Induktivgeber iibertragen und die elektrischen

Signale iiber einen handelsiiblichen Schleifringkopf zum

MeBverstarker geleitet. AntriA4 - Zohnroci ObIVIVI071.14e z Yoirlmvil aborerows-Jr/milro If-lOrrrm Satrap, r 1_2t_vr/royienitital,

ismd /Dein I ianSedurrh/iihrwrag._

Unten: Abb. 11:

Stimseite (Flansch)

der Drehmoment-mef3welle

Zusammenstellung der Einzelteile nach Abb. 10 und 11:

1 Stimseitiger Flansdi

2 tibertragungsstab (hohl wegen Gewindebolzen) 3 Gewindebolzen (hohl wegen Kabeldurchfiihrung

4 Spannkonus

5 Fiihrungskeil (gegen Mitdrehen) 6 Aufspannplatte des Hebels

7 Hebel fiir Torsionswinkel-Ubertragung

8 Befestigung (900 verdreht)

9 Befestigung des Flansches an der Oberturaswelle

8

0

Abb. 12:. Hottinger-Baldwin-Schleifringkopf

10 Zentrierlager

11 Sitz fiir Sdileifringkopf

12 Induktivgeber

Abb. 12 zeigt den empfohlenen Schleifringkopf.

Nach AbschluB der Montage, jedoch vor Aufziehen der Eimerkette, 1st es empfehlsenwert, die MeBanlage der Ober-turaswelle statisch zu eichen. Wahrend des Betriebes lassen sich jetzt samtliche instationaren Krafte, vor allem die Grab-arbeit der Eimer im Boden, Torsionsschwingungen, ausgelost durch die dreidimensionale Bewegung der Eimerleiter sowie die mittlere Antriebsleistung (nadi Integration iiber Zeit oder Umdrehung) dauerhaft bestimmen.

4. Zusammenfassung

An einem ausgefiihrten Beispiel wird gezeigt, daB

Dreh-momentmessungen an Oberturaswellen von

Eimerketten-baggern moglich sind. Die angewandte Methode ist jedoch

gegen mechanische Besdiadigungen empfindlich und somit fiir Langzeitmessungen unbrauchbar. Den Bagger-Herstellem

wird vorgeschlagen, die Oberturaswelle zentrisch zu durch-bohren, damit spater jederzeit eine mechanisch

unempfind-neuartige MeBanlage eingebaut werden kann, die

jahre-lang verlaBliche Drehmomentniessungen erlaubt. Den

Er-lauterungen sind mehrere Fotos und Zeichnungen

hinzu-gefiigt. Interessenten kiinnen fertige Werkstattzeichnungen bei der VBD anfordem.

Literatur

[1] Schale: Die automatische MeBdaten-Erfassungsanlage des Forschungsschiffes ,Fritz Horn