8FEB. 1973
ARC H LEE
Untersuchung über die bei starren
und gelenkigen Schubverbänden bei
Manövern, sowie bei Begegnungen
auftretenden KoppeIkräfte
Dr.-Ing. W. Graff
Ing. ft Binek
135. Mitteilung der Versuchsanstalt für Bihhenschiffbau eN.,
DuisburgInstitut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen
Hoch-schule, .AachenSonderdruck aus der Fáchzeitschrift ,,SCHIFF UND HAFEN"
Jahrgang 24, Heft 9, Sonderausgabe ,,Schiff und Maschine"
SEEHAFEN-VERLAG, Erik Blumenfeld, HamburgLab.
v.Sch'eepsbouwkUfldc
Téchnsc1'e
Flogaschøol
Untersucitungen über die bei starren und gelenkigen
Schubverbänden be Manövern, sowie bei Begegnungen
auftretenden Koppeikrafte
1. Aufgabenstellung
Die Untersuthung hat sidi das Ziel gesetzt, die irn Betrieb an den Koppeistellen von Sdiubverbänden auftretenden Krãfte und
Momente festzustellen. Deren Kenntnis ist notwendig für die Last-annahmen, nach denen die Kopplungselemente zu bemessen sind.
Die auftretenden Belastungen entstehen durdi Einzelkräfte an
Vortriebs und Steuerorganen fladienma&g verteilte Drucke auf
die Au&nhaut mid räümlich verteilte Massenkräfte. Als Ganzes
ist der Schiffskorper als Balken anzusehen, der in allen 6
Freiheits-graden Es treten Ungs-, Quer- und
Vertikal-krfte, Momente urn die Queradise (Ungsbiegungsrnomente), urn
die Hodiathse (Querbiegungsrnomente oder Dreh- bzw.
Gier-mornente) und urn die Lngsachse (Torsionsmomente) auf. Bei den Einzelsdiiffen der Binnensdiiffahrt werden die in Fahrt
auftreten-den Beansprudiungen vorn ganzen Festigkeitsverband aufgenornrnen
und bleiben im ailgemeinen in soichen Grenzen, da1 dadurch keine
nennenswerten Beanspruchungen auftreten. Bei Sdiubverbänden, die
in ihrer Lange etwa doppelt so gro1 sind wie die üblichen
Einzel-fahrzeuge, sind jeweils die Einzelleichter und das Sthubboot in
sich als Starr anzusehen. Der gesarnte starre Balken ist hier an mehreren Stellen geschnitten. Der KraftfluS ist an den
Trenn-stellen nitht' mehr uber den ganzen Querschnitt verteilt, sondern
in groüen Einzelkräften oder Mornenten an den
Verbindungs-stellen konzentriert. Die Zusammenfassung ünd Weiterleitung
die-5cr Krafte erfordert einen zusätzlichen konstruktiveñ Aufwand. Dabei ist die zusätzliche Forderung zu erfüllen, da1 die Kopp-lungen sdinell und ëinfath lösbar scm rnüssen und wediseinden, untersdiiedlithen Tiefgangen und Beladungen leitht angepa&
wer-den können. Zu prufen ist zunäthst die Frage, ob in allen 6
Frei-heitsgraden eine kraftsdilussige Kopplung notwendig ist, oder oh
für einzelne Freiheitsgrade Versthiebungen oder Drehungen
zu-gelassen werden durfen.
In bezug auf Querkrafte, Längskrlfte und Momente urn die
1-lodiachse ist. jedenfalls eine kraft= und mornentenschlussige
Ver-bindung notwendig. Bei den Vertikalkraften und Torsionsmomenten
können relative Verschiebungen als zulassig angesehen werden. In bezug auf Langsbiegung können die Koppelstellen rnit guter Nahe-rung als rnornentenfreie Gelënke betraditet werden.
Beim Versuth rnüssen damit durch Messung mindestens 3
Kraft-bzw. Mornentenkomponenten und 2 Versdiiebungen bzw. 1
Ver-sdiiebung und 1 Drehung erfa1t werden. Aus den beiden letzten
Werten können dann erforderlichenfalls über eine Trimmornenten-und Kràngungsmornentenrechnung auch die Vertikalkraft Trimmornenten-und das
Torsionsmoment bestimmt werden.
) Die VersuhsanstaIt dankt dem Lãrdèsarnt für Forschung des Làndes
Nordrhein-Westfalen für die Bereitstellung der Mittel für diese Untersuchung.
Die Frage, unrer weitheri Berriebsbedingungen die für die Be-rnessung der Koppelelemente wesentlichen höthsten
Beansprudiun-gen zu erwarten sind, konnte nur aus den bisher vorlieBeansprudiun-genden Betriebserfahrungen beantwortet werdçn. Danadi sind hohe
Be-anspruchungen bei der Begegnung und Uberholung sowie bei
Kurs-änderungen zu erwarren.
Mit Rücksidit auf die weitCre Entwidciung der Sdiubsdiiffahrt insbesondere. auf Kanälen soilte zusätzlith die Frage untersucht werden, weldie Krafte und Momente auftreten, wenn die
em-zelnen Verbandsteile kraftsdilussig aber knickbar miteinander
ver-bunden sind. Das Einkni&en laIh eine Verbesserung der
Manö-vrierfähigkeir und eine Verringerung der Verkehrsbreite erwarten. Da für eine theoretische Ermittlung der bei den verschiedenen Lastfällen auftretenden Beansprudiungen der einzelnen
Sdiubver-bandsteile nodi Iceine brauchbaren Ansätze vorhanden sind und
deren Entwicklung zu aufwendig erschien, wurde die Untersuchung experimentell durch Modeilversuche durchgefuhrt.
2. Versuchsplanung
2.1. Auswáhl der Schiffsform
Werin audi in der Sthubsthiffahrt auf dern Rhein und semen
Nebenflussen keine völlige Einheitlichkeit bei den Abmessungen der Leiditer und Sthubsdiiffe bestehe, so sind die Untersdiiede der
verwendeten Formen nicht sehr erheblidi. Die zu einer stetigen
Vergrolerung der Einheiten führende Tendenz zur Verbesserung der Wirtschaftlidikeit wird begrenzt durch die Gegebenheiten des
Fahrwassers, der Schleusen und Sidierheitsforderungen. Für die
vorliegende Untersuchung wurde eiñe Ausfuhrung gewàhlt, die an
der oberen Grenze des Zulässigen liegt, mit den Abrnessungen: Schubboot L. über alles 32,0 m L. zw. d. Loten 30,8 m Breite 11,3 m Seitenhöhe 2,6 m Tief gang 1,45 m
z=4
VerdrIngung 364,5 m3 mit Kortdüse
Leistung 2X900 PS 2X1 Fladien Hauptruder und Zweiflachen Flankenruder Sdsubleithter L. über alles 76,50 m L. i. d. W. L. 74,72 m Breite 11,30 rn Seitenhöhe 3,3 m Tief gang 2,8 m Verdrangung 2373,0 m Propeller D
=
1,82 m P/D=
0,928 m AE = 0,659 A0 3Die Modelle wurden im MaISstab 1:16 hergestellt. A1&
Wasser-tiefen wurden h5,0 und 7,5 rn gewàhlt, die entsprethend dem
gro1en Tiefgang für Niederrheinverhältnisse als typisdi angesehen
werden köniien.
Als typische und widitigste Verbandsformationen wurden in
erster Linie der Viererverband mit je 2 neben- und
hintereinan-derliegenden Sdiubleichtern und der Zweierlängsverband mit 2
hin-tereinanderliegenden Leiditern gewählt. Erganzend sind einzelne
Versuche audi mit einem Zweierverband mit 2
nebeneinander-liegenden Leichtern untersudit worden.
Die Versuche wurden in einem Leistungsbereich von 70-100 /o der Nennleitiing des Sdiubbootes ausgefuhrt. Dabei ergaben sidi
je nach der Formation verschiedene Geschwindigkeiten, die bei dem
Vjererverband im Bereidi von 10-13 krnlh gegen Wasser und bei dem Zweierverband bei 10-15,8 km/h lagen. Diese Gesthwindig-keiten liegen so weit unterhalb der Stauwellengesdiwindigkeit, daIs
nur em relativ geringfugiger F1adiwassereinflu1 zu erwarten ist,
der einen Vergleich der bei versthiedenen Gesdiwindigkeiten
ge-wonnenen Ergebriisse nodi nidit nennenswert beeinf1uIt.
Für die Begegnungs- und Uberholungsversudie wurde em Typ-sdiiff irn Europamaf J.Welker mit einem Tiefgang von 2,0 m und.
einer Gesthwindigkeit von 18,0 krnlh gegen Wasser verwendet.
Tab. I
2.2. Versudis- und MeBeinridnungen
Zur Messung der Kräfte und Momente zwisthen Schubboot und
dem hinteren Leiditer bzw. Leichterpaar (MeIste11e I) und zwischen
dem hinteren und vorderen Leiditer (Me1stel1e U) wurde eine
MeIanordnung entwidielt, die ebenso für den starren wie für den geknidtten Verband verwendbar war. Urn eindeutige und sidiere MeBergebnisse zu erhalten, wurde diese so ausgebildet, daI em eindeutiger KrafefluG durdi die Me1glieder gesidiert und die Trirnm- und Absenkung der einzelnen Leiditer nidit beeinflu&
wurde. Dazu dient em besonders entwickeltes Meglied, das sehr
steif ausgebildet ist und mit 8 zu einer Vol1brüce geschaltetén
Hi-ibleiter - DMS bestückt ist. Die Me1g1ieder liegen zwischen Kardangelenken, so daIs die Messung von reinen Zug- und Druck krften gesichert ist.
Mit einer besonderen Wärmeisolation haben diese Mefglieder
sehr zufriedenstellend gearbeitet. An jeder Me1stelle wurden drei Me1g1ieder angeordnet Davon wurden 2 zur Messung der
Längs-krIfte an den Sèiten der Leiditer und eines zur Messung der
komponentenmessung der in der Horizontalebene wirkenden Krãfte und Momente durthgefuhrt werden.
Die relative Sthwimmlagenänderung der einzelnen Gruppen wurde an BB und StB mit Stabpotenoiometern gemessen.
Für die Untersudiungen mit geknicktem Verband wurde eine hydro-pneurnatische Einrithtung entwickelt. Dabei wird tl durch
Luftdruck in Steuerzylinder gedru'ckt und durch Kolben4ruck
über eine StoIstange' der Zwischenraum zwischen den Leichtern
verndert. Der Kolbenweg ist dutch einstellbare Endschalter be-grenzt. Bei 4 an den Edcen jedes Leiditers bzw. Leithterpaares angebradnen Druckkolben konnten dann die Leiditer und/oder das Schubboot nadi BB mid StB urn einen festlegbaren Winkel
geknickt werden. GewI.hlt wurde em Knickwinkel von ± 100. der bei den Knickversuchen durdiweg verwendet wurde. Für
die-sen Knickwinkel wurde eine Knickzeit von 20 Sek. (am Model!
5 Sek.) festge!egt.
Tab. II
Die Ruderlegezeit für den bei den Sdilãngelversudien
einheit-1kb gewihilten Raiderwinke! von 20° betrug 3,5 Sek. (Schiffswer.t).
Während der Versudie wurden fo!gende MeIwerte auf 2 Lidit-strahloszillographen fortlaufend registriert:
Me8wert Symbol Geber Verstãrker MeBstelle
Lãngskraft LI BB Langskraft L I StB Lãngskraft LIIBB Langskraft LIIStB Querkraft QI Querkraft QII Kurswinkel
-Kursversetzung -Ruderwinkel - Drehgésdiwindigkeit-Synchronisation - Vertikalver-sdiiebung IGB StB IIGB StB Knickwinkel Model I-Cumhl,aLloll \rcroue)lsrt W11S5er MdlI led loVe SCil I Fl Tel T iel'gont Model-I[me) Schi IIirs!
'Ge sehWlnllltkel Model] [m/,7 tim/ilSc] VI 1) iweior- Sehhiogolfl 1,69 7,5 175 2,8 0,l)1 11,53 L2ngSver- mit 200 0,903 13.00 hen,I IlulIerlolle 0,997 111,35 starr 1,102 15,86 Vierer- SchlLifltelfl 469 7,5 175 2,8 0,651 9,37 LäflllS- mit 200 0.701 10,09 verband Iluderlage 0,80) 11,56 Starr o) Zweier- Schiiingeln 469 7,5 150 2,4 0,800 11,56
LOngs- mit und 0,900 12,96
'erbond gel0511i0 vorne le-knickt hlnten ge-knickt vorne mid hizlten gel,nickt 0800 Ruder Ruder,lrlke1 20° --469 7,5 175 -2,8 1,000 14,40 vie b) vie b) 313 5,0 150 2,'. 0,800 11,56 0,900 - 12,96 313 5.0 175 2,8 1,000 14,40 vIe 8) vie 8) 219 3,5 150 2,4 0,800 11,56 0,900 12,96 1,00 14,40 ) Viorer- Sehl8floeIn 469 7,5 175 2.8 0,700 10,07 I,hJgs- mit u.ohne 0,800 11,56 verb,nd gelonkig vorne e-knicht hinten zckniokt vorne u. hinten gelnicllt Ruder Rudervinkel 000 -0,90]) 12,96 vie c) vie c) 313 5,0 150 2,4 0,800 11,56 0,900 12,96 1,000 14,40 vie o) vie c) 313 5,0 - 175 2,8 0,700 10,07 0,800 11,56 0,900 12,96 Model
I.-ll000lflutiofl Versucheurt AbstondModeil
fe)
MS-MS Schiff f:mj Schubeinhelt Modell fm/n) Oeocho-lfl,l Sel,lfr 1dm/h) igkei ten r'pschlff Mollellfe/a) 1km/hiSchiff
7.weler- Begegnen 1 16 1,0 14,4 1.25 18 LOngover- 1,1 15,8 1,25 18 2 32 1,0 14,4 1,25 18 1.1 15,. 1,25 18 3 48 1.0 111,4 1,25 18 1,1 15,8 1,25 18 zweier- Uberholen 1 16 0.8 u 11,5 1,25 18 verba;d . 0,9 m13,0 1,15 18 2 32 0,8 mll,5 1,25 18 0.9 o13,0 1,25 18 5 48 0,8 cll.5 1,25 18 0.9 o13,0 1,25 18
Zveier- Degegnee 1,4 22,4 0,7 10,O 1,25 -18
Parallel- und 0,8 diI,5 1,25 18
verbund Uberholen 2 ' .32 0.7 olO,O 1,25 18 0,8 oll,5 1.25 18 3 48 0.7 -10,0 1,25 18 0,8 -11,5 1,25 18 Vierer- flegeg000 1,4 22,4 0,7 -10,0 1.25 18 Vert,and sOd - 0,8 oll,5 1.25 1,8
tlberholen 0,9 .13,0 1,25 18 - 2 32 0,7 10,0 1,25 18 0,8 11,5 1,25 18 0,9 -13,0 1,25 18 3 48 0.7 10,0 1.25 18 0,8 olj,5 1.25 18 0,9 o13,O 1,25 18 DMS Voll- K.W.S.2./5 I. Leichter-BrUcke K.W.S.2J5 J Schubboot K.W.S.2./5 II. Leichter-K.W.S.2.15 J Leichter K.W.S.2./5 I. K.W.S.2./5 II. Poti
-
Kurskreisel Poti -Poti -Wendezeiger:
Poti Poti Poti Poti Poti- 2-0 2-9 1.0 7.1 Schubbool 7 0,8 9 I '? einspurig -zwei Otieder zwilling -zwei Glieder
-V rm MA3.uJ
0.9 1.9 7.1
-V (mrnscn,jJ 74 16 78
3. Durthfuhrung und Auswertung der Versuche
Eine Dbersicht über die durchgefuhrten Versuche ist aus den
Tabellen I und II zu entnehthen.
3.1. GéradeaUsfahrten, mit Trimm- und Tauchungsmessungen
wurden durchgefuhrr, urn die in der Streckenfahrt auftretenden
Beanspruchungen festzustelleñ. Dabei waren die einzelnen
Em-heiten des Verbandes Vorderleichter bzw Vorderleichterpaar Hinterleichter bzw. Hinterleithterpaat und däs Sthubboot so -
knit-einander gekopeIt, da1 Trimm und Absenkung jeweils freigege-ben waren und getrennt gemessen werden konnren. Die
Ergeb-nisse sind in den Abb. 1 und 2 gegeben.
Wenn bei der schiffahrtsüblichen Kopplungsweise eine vertikale Relativversd-iiebung an den Koppeistellen verhindert oder
wenig-stens stark verringert wird, treten dort Vertika1krfte auf, die
von der Kopplung entweder direkt oder durth Reibung
über-tragen werden. Das jeweils holier liegende Sdaiff bzw. der
Leith-ter haben dann eine Last aufzunehmen, die eine Anderung der
Verdrängung und eine Vertrimmung ergibt. Hat der Gesamtbetrag
aus Tauthungs- und Trimmuntersthied den Wert AS und
be-zeichnet man die Tauchungsänderung der beteiligten Einheiten mit
4S21 und ASz, so ergibt sich
L+
L12± I
L22
-' F1 4JL1 F2 4JL2
Hierin siñd F uñd JL die WasserIinienfIdthen und deren
Träg-heitsmomente. Führt man em Jj. 2 F, so lautet die Formel
P 1 L2 I L
AS5 = LIS51 + AS =
(1 + .) + (1 +--)
y F 411- F2 4i Der Wert L2
2 ist von. der Wasserlinienv011igkeit abhángig. Er
hat für Rechteckf1chen den Wert 3, für E-llipsen 4.
Damit erhlt
die Formel für Rethtedcflädien die Form
AS5 4S51 + 4S = ±
I)
4P F2 + F1.Y Fi F2
'
F2Fi
und für gegebenen Absenkungsunterschied ergibt sich die Kraft
4
F+F1
Die Formel zeigt als wesentliches Ergebnis, daB die Absenkung
und die auftretenden Kräfte ausschlieBlith von den
Wasserlinien-fThchen und deren Trágheitsmoment abhängen. Es besteht keine unmittelbare Abhngigkeit von der Verdrángung. Für gleidigroBe Sduffe verteilt sith die zurn Ausgleith eines
Taudiungsuntersthie-des notwendige Vertrimmung zu gleidien Teilen auf die beiden
Schi5fe wahrend bes ungleichen Schiffen oder auth nur ungleidien Wasserlinienflathen das Schiff mit der kleineren Wasserlinienfladie den groBeren Anteil des Tauthungsuntersthiedes aufzunehmen hat
Linspuriger Zweigliedriger Schubverband - J. Welker
T=2.8m v=73,0km/h 2= 5IIOMP Tr20rn v,=i8P kin/h
Zwlscheneaumb=32,0m1h=75m,L5ngskr6f1 ¶= i JL/O V.1.Z.I1ilh.thho!l .L.J599.
/
.-/
L85'
t 7'I
-1 K.W.2.11 LkAA.V. LAAd.A.V Abb. 3: Oberh.IvèriUch 30 7/2 Obioholpe,iide =!i..../
L88/'_\
IE,.,,,,gI,.dr,g.r SVJn.bss72A52 .2. W&kC 12ft5/h 5.75,.. b.3Z0 TZ05; .2L0b&h -49 48 47 -46 45 0/
,
-49 08 42 46 45 4 21 2 72-- 6 167 r -168 78-9 20-70 22.-Il70' ,k.
\5\.3- 42
ci ''-L518Ta,chngws1'schi&L&SdnêbaQI - Leichie,
40 5.0 6P Z0 8ft ft\70.0 'LID DID 50 45 40 35 30 15 7.0 05 0' 45/ M '97 1'
'I.
.5 f0\
/
TcuchcngsunIerochied'.f! Leichler- Leichler
43 42 47 .-o54
42,7
,,o -5 20-Verbc,,,d einspUr/g Zwilling -Vorderleichler - zwi Zwei GUeder - 70-4- 2-Verbond Yo,erIeichter 0? 0.8 Glleder -- V fm/s Moeq7 0 07 98 99 17 2 2-7Q.3.4 -v [km/n &niiJ 70 12 20-70 77 74 76 18 C I I Hinler(Vichfer C HinterteichIer -2- Q7 Q8 0 Ci0
0.8 Q9 10 II C 2- l0-4-20Abb. 1: Trlmmiagen der Einzelglleder bel Abb.. 2: Absenkung der Elnzelgtleder bet Abb. 4: Oberhólvérsuch Trlmm- und Absenk Geradeausfahrt h = 7,5 m, T= 2,8 m Geradeausfahrt h = 7,5 in, 1= 2,8 m messung
Für die Koppeistelle Leiditer - Schubboot ergibt die Zahien-redinung, da1 beim einspurigen Verband von der Vertrimmung
etwa 30 0/0 vom Leichter und 70 0/0 vom Schubboot aufgenommen werden. Beim Zwillingsverband ubernehmen die beiden Leiditer
nur 17 0/o, während das Sdiubboot sogar 83 0/o der Tauchungs-nderung aufzunehmen hat. Zah1enmä3ig ergeben sith bei den in
den Abb. 1 und 2 angegebenen Absenkungs- und Trimmwerten
für die jeweils erreithbare Höchstgeschwindigkeit folgende Ver-tikalverschiebungen zwisthen den einzelnen Verbandsgliedern bei
kraftfreier Versdiiebung:
Die Relativversthiebung zwischen den Léithtern, die wohi in
jedem Fall als Differenz einer gleichsinnigen Bewegung erfolgt, ist relativ klein. Zwischen Leichter und Schubboot körinen wesentlich grö1ere Versthiebungen auftreten, da der Trimm des Schubbootes
sid abhngig von der Schraubenbelastung starker andern kann
und die Trirnmänderungen von Leiditer und Sthiibboot dann eine gegenlaufige Verschiebung und eine Summierung der Einzelwerte ergeben können. Bei einer für Vertikalkräfte kraftsthlüssigen
Kopp-lung, die eine Relativverschiebung verhindert, würden folgende
Kráfte auftreten:
Vertikalkräfte MP
Verband: Geschwindig- Leiditer - Leichter -keit km/h: Schubboot: Leichter:
45z in.ñ3 ,.laIIv 4bs.nkw,g
5.
O Q8 cs 0,4 Kopp.fsteffe I L.ichIr- Schubbooi L /claqr__1.
't2
0,4 2,040'° 2e-,oio-r.!c1i, Absenkung L
-
O2 O4'8 O.
_jp.jo_7
O q8 0,6
0,4 0,24 0,6
Q8 1,0.Abb. 5: Begegnungsversuch - Kraftmessung
Der Verlauf der Kräfte und der Trimm- und
Absenkungsändc-rungen ist für einen typisdien Fall der Begegnung in den Abb. 3 und 4 und für eine Oberholung in Abb. 5 und 6 wiedergegeberi.
Es soil hier zwar keine ins Einzelne gehende Analyse gegeben
werden, aber es ist für das Verständnis dodi widitig, den Verlauf
der Bewegungen und Kräfte in Zusamrnenhang mit dern Stro-mungsfeld des passierenden Sthiffes zu setzen. Der hier
wesent-liche Teil des Strömungsfeldes ist eine Mulde mit der gröI3ten
Tiefe am Sthiffskörper, die sich in Längsrichtung fast über die ganze Schiffslange erstredct und deren seitlidie Ausdehnung mit
ailmãhlidi abnehmender Tiefe rnehr als eine. Sthiffslange beträgt. Diese Mulde iauft mit dern Schiff mit und uberiagert sidi bei einer Begegnung oder Oberholung der Mulde des anderen Sdiiffes. Wenn
hier audi instationäre Anteile auftreten, so kann dodi festgestellt
werden, da1 die stationären Anteile uberwiegen, so daE die Vor-stellung einer Oberlagerung urid einer Addition gereditfertige ist
L1S (m)
Verband: Geschwindig-
Leidner -
Leichter
-keit: km/h Schubboot: Leichter: einspurig-zweigliedrig 16,0 0,0315 0,016 zwilling-zweigliedrig 14,4 0,536 0,045 L = Q 2Ll
gewissermafen als Gleitwinkel darstellen la&. Diese Werte
ent-sprechen ebenso als Emnheitskrafte je MP Verdrangung einer für die Angabe von Weilenwiderstanden gebraudilichen Darstellungs-weise und sind für ähnliche Sdiiffsformen und korrespondierende Geschwindigkeiten (gleidie F) streng ubertragbar Sinngema1 wird
für das besonders wichtige Drehmoment urn die Hothachse eine
Darstellung
M
CM
24'B
gcwählt. Dieser Wert besitzt audi eine besondere Anschaulidikeit,
da er gleidizeitig die in den Koppeistellen an BB und StB auf-tretenden Langskrafte je MP Verdrängung für den Fall angibt,
da1 die Koppelstellen einen Zwischenraurn von einer Leiditer-breite, bei Zwillingsanordnung von zwei Leiditerbreiten besitzt.
Einspuriger zweigliedriger Schubverband - J. Welker
T.2Am.v..l5.8kmIh;45flOMP; h.7.Sm;b.3ZOm; t.2Om, ib.18,O kin/h L&igakrdfl. C
f
Ou.r*ralI.
einspurig-zweigliedrig 16,0 1,95 1,71
zwilling-zweigliedrig 14,4 38,7 9,60
Es zeigt sich, dais unter dieser Voraussetzung beachtlithe Kräftc auftreten können, die bei der Bemessung der Kopplung zu
berück-sichtigen sind. Da aber im Hiiiblidc auf eine sithere Fahrt von
Schubverbanden eine kraftsdilussige Kopplung für Vertikalkräfte nitht erforderlith jOt, dürfte es zwedcmaBig oem, eine Kopplungs-methode anzuwenden, bei der die Vertikalbewegungen der
Einzel-glieder freigegeben sind.
3.2 Begegnungs- und Uberholversuche
Für diesen Teil der Versuche war es notwendig, die Messungen auf die Bedingungen zu besthränken, die hohe Beansprudiungen erwarteñ lassen. Gewählt wurde ais Begegner bzw. Oberholer em auf 2,0 m abgeiadener Selbstfahrer vorn Typ Johann Welker. Mit diesem Schiff wurden Begegnungs- und Oberhoiversuche
durth-gefuhrt. Die Geschwindigkeit von Johann Welker wurde dabei entsprethend einer üblidien Leistung von 700 Ps für den Eiñzel-fahrer mit 18,0 km/h gewa.hlt. Es wurden regelmig eine Reihe
von Fahrten mit versthiedenen Abstanden mid verschiedenen
Fahrt-geschwindigkeiten der Sdiubeinheit gewahit. Da sidi auf Grund
von früheren Versudisergebnissen und grundsätzlithen Uberlegun-gen herausgesteilt hat, daf die auftretenden Krafte und Momente für das ganze Sthiff. im wesentlithen durch das passierende Schiff bedingt sind, war es naheliegend, diese Vorstellung sinngem.I auf die Einzeleinheiten des Schubverbandes anzuwenden. Eiiie dirnen-siónsiose Darstellurig mit den Werten des Selbstfahrers. ersdiien aber unzwedcmäIig, weil sic die Anwendung der MeIergebnisse
ersdiwert hätte und au1erdern keine kiaren Vorstellungen iibër
die GröIe der Krafte und Momente vermittelt hätte. Diese Krãfte und Momente sind qualitativ und quantitativ eindeutig dem Strö-mungsfeld und insbesondere der diesem entspredienden
mulden-artigen Verformung der Wasseroberfiache des passierenden Schiffes
zugeordnet und korsnen als Gefällekr'áfte angesehen werdén. Dafür
ist also die Angabe des Gefälles kennzeichnend, das sith als
Es ist möglich, zum mindesten qualitativ für Begegnung und
Ubrho1ung einen analogen, einheitlichen Ablauf des Passierens zu beschreiben. Die Schwimmlagennderung des Schubverbandes
ist in jedem Fall am grolten neben der Mitte des Selbstfahrers.
Dementsprechend tritt bei der Vorbeifahrt an einem Leichter zu-erst eine starke Vertrimmung, dann die gröEte Absenkung und
8 Begegnwigversud, .32ft,,, r.,s.., ..,88,.m 6 3.70 £2 27 EIfl87g WII.dgmSchb-- I. W.lIm 78 £ lfl,; I2,8m, .. ?S,Okm/17
Abb. 6: Trlmm- und Absenkungsmessung
Ii
88 2Ql0 10-5
SIB 20-70
nachfolgend die entgegengesetzte Vertrimmung auf. Der Verlauf
der Quermomente (Kursmomente) entspritht den Trimmnderün-gen, während die Querkfáfte etwa phasengleith den Taàthungen
verlaufen.
In bezug auf die Gröfe der auftretenden Krfte und Momente
ist erkennbar, da1 bei der Begegnung deutlich höhere Werte
auf-treten als bei der t.Therholung.
Da bei der Zielsetzung der Untersuchung die Frage nach den grölhen Beanspruthungen der Koppelstellen zu beantworten ist.
sind aus den Schrieben der einzelnen MeGfahrten die Höchstwerte an den einzelnen Koppeistellen ausgewhIt und in den Schaubildern Abb. 10 und 11 zusammengestellt. Diese Darstellung ist durdi die Ergebnisse der Schlängelversuche vervollstndigt und wird unter 4.1
noch eingehender erörtert.
3.3 Sthliingelversuche mit dem starren Schubverband
Die Versuche sind in der üblichen. Weise durthgeführt worden. Nath Einregelung der Leistung und Geschwindigkeit bei geradeaus gefuhrtem Modell wurde die Fuhrung freigegeben und nath kurzer Geradeausfahrt Ruder gelegt. Nach einer Kursnderung von + 10 wurde autornatisth
gestützt und nath einer Kursnderung von
- 100 zur anderen Seite wieder gestützt. Den typisdien Verlauf
der auftretenden Bewegung und der
auftretenden Krfte und
Momente zeigt Abb. 7. Der Verlauf der Krfte und Momente ist
an den beiden Koppeistellen ganz untersdiiedlith. An der
Koppel-stelle
I Schubboot - Leichter tritt regelmig der Höchstwert
auf, wenn das Ruder die vorgegebene Endlage erreitht. Daraüs ist zu sthlieIen, da1 die Kräfte und Momente hier eindeutig von den
Steuerkrften der Ruder abhngen. Dem bekannten Abfall der
Ruderkrfte bei Aufnahme der Drehbewegung entspritht der Ab-fall der in den Koppelstellen wirksarnen Krfte.
An der Koppelstelle II zwischen den Leichtern ist nach einem
kräftigen Anstieg wThrend des Ruderlegens em weiterer, wehn
auth schwdierer Anstieg der Koppe1krfte feststellbar.
Endwerte sind zu beiden Stellen noth nitht festzustellen. Man kann diese bei dem Sthlnge1versuth auth kaum erwarten, da der
ganze Versudi keine stationären Endwerte erwarten lä1t. Bei der
SchI8mge1esd, £Ispw1gs Zoi8i.d,i., Sch8b,'.rb,,d
F. am, NA am/h, 4 1170*, A 7.5th
Rhdw-,me kfltM.l-Mo*thnn,
Untersuthung des Kraft- und Mornentenverlaufs ist zu beachten, daI3 es sidi an den Koppeistellen urn Resultierende handelt, die sith
aus dern Zusammenwirken äuferer und innerer Kräfte ergeben.
Die uferen -Kiàfte sind hydrodynamisth durth die Ruderwirkung
und die am Schiffskorper durdi Sthräganstrornung und Drehung
auftretenden Stromungskrfte bedingt. Hier sind beschleunigende
hmimNS.0. II La 7th-L.*AN,.7floh. Abb. 7: Schlängelversuch Abb. 8: Elnspurlger zwelgiledrlger Schubverbánd > Abb. 9: Zwelspurl-ger zwelglledrlZwelspurl-ger Schubverband £0 '(a.',
Be'averle I ü Mament ,,nd Oe,k,oIt beim, SchldmQAfrerg..,ch T=2.8m h7.5m CM a' w V.LT I -I-- -I - -0. Q3 02 QI 0 a' a 0.3 Q4 =5IIOMP a' 0 a' -2 Ork,oftb,..e,th
/
0.2 07 0 Q7 Q2 Q3 0.4und dmpfende Anteile vorhanden, die im Beharrungszustand im
Gleithgewicht sind. Solange die Bewegung besdileunigt verläuft,
treten zustzljthe Massenkrfte auf, die teilweise von der Sthiffs
masse und zum Teil von den hydrodynamisthen Massen abhngen.
Bei einer Untersuthung der für die Ausbildung der Kráfte
we-sentlithen Einflu1groen lieI sith feststellen, da1 diese vom Qua-drat der Gesthwindigkeit und von der Drehgesthwindigkeit abhän-gen. Die Werte sind auIerdein bei Ansthwenken und Stützen ver-sthieden. Dabei ergab sith eine Auftragung von Beiwerten
Q . M
CQ
= et2V
L T
und CM =/vL2 .
über einer dimensionslosen Drehgesthwindigkeit
7
0.3 Q2 QI I a' Q2 ai o.
-3 Qam,kafIbi,,e,fe Beiw,,te lu, Mome,,t u,,d Oue,k,mft b,irn SchISnqeltsrsch
Th2.8r7 h.ZSm =98555 MP 15 -K*pp&St...1 &h,,am&.L..eh,e CM /
/
//
M / Momantenbeiwerte/
o. Q3 0.2 QI 0 Qi Q2 Q3 0.4 1-2 0,k,oltbs,,vmte Q2 a3 04 a.' 2 l 0 0.7._;_;._., ;-,
wL L
v r
wobei die der Ruderwirkung beim Stützen entgegengerichteten Drehgesthwindigkeiten als negativ geredinet wurden.. Die Ergeb-nisse der Schlängelversuche sind dementsprechend in den Abb. 8 und 9 wiedergegeben. Es ist dabei em eindeutiger Kurven'erlauf
erkennbar, der zeigt, daI die grö1ten Querkräfte immer beim
Stützen auftreten. Dies gilt auth für die Momente an der
Koppel-stelle I zwischen Sthubboot und Leidner. An dieser Stelle sind
die KrIfte und Momente in uberwiegendem MaB von den
Ruder-querkräften bedingt. Dies 11t sich groIknordnungsmig auth
leidit nadirechnen.
Die Momente an der Koppeistelle II (zwischen den Leithtern)
steigen zunchst an und erreidien em Maximum und zeigen
dar-über hinaus eine fallende Tendenz. Es ist anzunehmen, daB der
Anstieg mit der Ausbildung des Driftwinkels zusammenhängt. Der
darauf folgende Abfall kann sowohi nut dem in der Beiwertbil-dung nidit beru&sithtigten Fhrtverlust beim Drehen als auth mit
der bei grolleren Driftwinkeln auftretenden Wanderung der Strö-mungskräfte und ihres Angriffspunktes zusammenhngen. Widitig
ist die Erkenntnis, da1 die hier durthgefuhrten Versuthe
jeden-falls die GröiIe des Maximums angeben. Die Ergebnisse zeigen
auch, daf bei dem zweigliedrigen Zwillingsverband wesentlich
höhere Werte auftreten als bei dem einspurigen Verband. Urn
einen direkten Vergleidi mit den bei Begegnen und Uberholen
gernessenen Werten zu erhalten, sind die Maxima der Me1werte
auth in den Anlagen 10 und 11 mit den dort verwendeten
Bei-werten cingetragen.
3.4 Versudse mit geknickten Verbänden
Bei den Versuchen mit dem einspurigen Zweigliederverband
er-gaben sidi eine Reihe von Variationsmoglidikeiten dadurdi, dali das Einknicken an der Koppeistelle I, II oder an beiden Stellèn
ausgefiihrt werden konnte und dabei die Knickwirkung allein oder vcrbunden mit Ruderlegen festaustellen war. Die Versudie zeigten, da1 ohne Mitwirkung des Ruders die Steuerwirkung des Knickens
allein unbefriedigend war. Da es im Schiffsbetrieb zu erwarten
ist, dalI im Regelfall mit dem Ruder allein gesteuert wird und
das Knidcen vorwiegend bei starken Krurninungen eines engen Fahrwassers zur Anwendung kommt, sind die Versuche mit Ruder vorzugsweise ausgeführt und ausgewertet worden. Diese ergeben
auth regeimlilig die grolleren Beanspruthungen.
Wemi auth die Manovriereigenschaften hier erst in zweiter Linic interessieren, so ist dodi die Feststellung withtig, dalI durch Knik-ken eine wesentlithe Verbesserung erreidibar ist. Das Abknidten des Schubbootes alleiñ zeigt keine erkennbare Wirkung, wãhrend das Knicken an der Koppeistelle II zwisthen den Leiditern grölIen-ordnungsmälIig eine Verdoppelung der Drehgesdiwindigkeit und sinngemäIl annThernd eine Halbierung des Drehkreisdurthmessers ergibt. Bei einenl Knidcen beider Koppelstellen ist noch eine
ge-ringfugige weitere Verbesserung feststdllbar. Die Werte für den Drehkreisdurthmesser sind nur qualitativ zu werten. Bei der
Be-redinung von
La'
Lw
LC, =
-Vo
rw
rist die Eingangsgeschwindigkeit v0 eingesetzt worden, da weder
der Fahrtverlust noth der Drehkreisradius gemessen worden sind.
Die auf den Beharrungszustand im Drehkreis bezogenen Werte
von c liegen dann nodi merklidi höher.
WThrend die beim Knidten und im weiteren Verlauf des
Sdilän-gelversuthes auftretenden Querkrfte in ihrer GrolIenordnung
nicht über die beim starren Verband gemessenen Werte hinaus-gehen, sind die beim Knidcen auftretenden Momente ganz wesent-lidi groller als bei dem starren Verband. Dies ist dadurth bedingt, dalI bèim Knicken erheblithe Massen zu beschleunigen sind und auth nath Beendigung der Beschleunigung bei konstanter
Knick-geschwindigkéit noth em zusätzlidies Moment aufzubringen ist. Die
Versuche zeigen, dalI die von der Knidtbesthleunigung abhngigén Anfangsmomente von der FahrtgeTsdiwindigkeit unabhängig siñd.
Eine einfadie Redinung zeigt, dalI em Minimum an Moment
er-reitht wird, wenn das besdileunigende Moment bis zum Erreidien
der Endlage konstant gehalten wird. Dieser Fall ist technisch
durchaus erreichbar, wenn bei der Verwendung einer hydraulischen
Knickeinriditung der Drudt konstant gehalten wird und jeweils
die der steigenden Knickgeschwindigkeit entsprethende
Förder-menge an Drucköl verfUgbar ist. Bei der für die Versudie
ver-wendeten pneumatischen Knickeinriditung war diese ideale Ab-stimmung nicht erreicht. Es sind jewèils zu Beginn des
Knickvor-gangs Spitzenwerte aufgetreten, die in der Grollausfuhrung nitht zu erWarten sind. Dabei traten zustzlith Eigensthwingungen des
hier vorliegenden elastisdien Systems auf, die sither nidit elastisth
hnlidi sind und durdi Mittelwertbildung eliminiert wurden. Die
Mitteiwerte sollen aber trotzdem hier angegeben werden.
Der wéitere Verlauf der Momente nath Erreidien der Endlage ist dann nur noth von der Entwidtlung der Drehgesthwindigkeit abhángig. Diese Werte weidien dann nidit mehr wesentlidi von den beim starren Verband erreiditen Werten ab. An der
Koppel-stelle I zwisthen Sdiubboot und Leichter ist wieder em
allmTh-lither Abfall mit steigender Drehgeschwindigkeit festzustellen. An der Koppelstelle II zwisthen den Leicheern ist der
Momenten-verlauf leicht ansteigend mit der Drehgesdiwindigkeit, wenn hier
nicht geknickt wird. Dies entspricht dem Ablauf bei dem starren Verband. Wenn audi an der Koppelstelle II geknidtt wird, so
wird nach dem Ende des Knickvorgangs em geringfügiger Abfall
des Moments beobachtet. Die Werte liegen dann in der
Gröllen-ordnung des starren Verbandes, aber tendenamIllig etwas niedriger.
Dieses Ergebnis entspritht durchaus den Vorstellungen und den
Meflergebnissen an Tragflugelprofilen mit gekrümmter Skelettlinie
und weist darauf hin, dalI die maximalen Unterdrüdte und die
Druckresultiercnde dann etwas mehr zur Mitte bin verlagert sind.
4. Ergebnisse der Versuche
4.1 Starrer Sdiubverband
Die Ergebnisse der Versudie sind in den Abb. 10 und 11
zu-sammengefallt, urn einen Begriff zu vermitteln, in weithen - Last-fallen die höthsten Beanspruchungen zu erwarten sind, die für eine Bemessung der Koppeiglieder mallgebend sind. In der Darstéllung
sind die Krafte in Relation gebradit zur Gesamtverdrängung des
Verbandes und die Momente bezogen auf die Gesamtverdrngung und die Gesamtbreite des Verbandes. Beim Zwillingsverband ist demgemIfl die doppelte Leiditerbreite verwendet und zwar, auth
für die Kopplung zwischen den Leithtern und dem Schubboot.
Beim Zwillingsverband mit einer Verdrängung 4 9856,5 MP und der Gesamtbreite von = 2 X 11,3
=
22,6 m ergibt sih bei einem cr = 0,0041 em Moment an der Koppelstelle IIM = 0,0040 . 9856,5 22,3 = 39,4X22,3 880 rn MP.
Tendenzmallig sind die Beanspruchungen in den meisten Fallen am geringsten beirn tYberholen, starker beim Begegnen und am
grollten beim Schlangein. Bei den Modeliversuthen wurden wáh-rend des Begegnens und tYbêrholens keine Ruderlageriänderungen
vorgenommen. Dies diirfte in der Praxis auch den Fall der Begeg-nung riditig wiedergeben. Bei einer Uberholung, die langere Zeit
in Anspruch nimrnt und auth in einer mallig gekrUmmten
Fahr-wasserstredce bei Begegnungsverkehr durdigefuhrt werden mull,
wird man aber doth wohi mit einer Uberlagerung von
verschie-denen Lastfallen redinen niüssen.
Es wird wahrsdieinlith nitht erforderlidi ein, als höthste
Be-triebslast die Summe von zwei der hier angegebenen
Höthst-beanspruchungen zu wählen, sondern nur einen angemessenen Zu-sdilag zur Hödistlast.
Die Ergebnisse zeigen audi, dalI die auftretenden Querkráfte eine erheblidie Grölle annehmen können und deshalb durdiaus
zu beachten sind.
Die Grölle von Vertikalkraften an den Koppelstellen ist hier
nidit in Zahlenwerten angegeben. Diese können keine
nennens-werte Grölle erreichen, wenn die Kopplungsmethode die vertikale
Verschiebung der Einzeleinheiten relativ zuelnander zulä&. Die
bei den Begegnungs- und Uberholungsversuthen gemessenen
Ver-sdiiebungen erreichten zwisdien Schubboot und Leiditer Werte
Die tlntersthiede zwischen dem einspurigen und detn
Zwillings-verband aind dabei unwesentl'ich. Bei einer für Vertikalkrfte k.raft-sdilussigen Kopplung würden daffn áber zwisthen Sthubboot und Leithter Kräfte von 5 bis 8 MP aufzunehnien sein, während
zwi-sthen den Leithtern 15 bis 16 MP bei dern einspurigen Verband
und die doppelten Werte beirn Zwillingsverband zTu erwarten sind. Zu beathten sind auth die Verschiebungen zwisthen Leichter und Schubboot, wenn beide in Fa.hrt im gleithen Sinn z. B. steuer lastig vertrimmen. Dann addieren sith beide Trirnmänderungen an der Koppelstelle, so da1 die vorher genannten Werte- erheblich
übersthritten werden können. Eine dementsprechende Korrektur der Kopplung während der Fahrt ist éine in der Praxis bekannte
Ma1nahme.
L=185 m Br2xll.3m T=2.8m V=14b-158Km/h Lr511O,5MP
Bearispruchung der Koppeiste i/en
M
I Schubboof-Leichter
H Leichter-Leichter
Abb. 10: Elnspuriger zwelgliedriger Schubverband
4.2 Knidtbarer Sdiübverband
Die Versuche zeigen an den jeweiligen Knickstellen beschleuni-gungsbedingte Momentenwerte, die an der Knickstelle I
(Schub-boot - Leichter) und an der Kni&stelle II (Leithter - Leiditer)
fast die 4fadien Werte des starren Verbandes erreichen. Diese
Ver-grö1erung der Momente ist durdi die im vorliegenden Fall
zu-gr'unde gelegte Forderung eines Knickens urn 10° in 20 Sek.
be-dingt.' Zur Minderung der Mornentë und des für den Betrieb erforderlithen Gewidns- und Kostenaufwands mui hier gepruft
werden, in weicher Weise in der Sthiffahrt mit einem knidtbaren Verband gefahren werden soil. Em wesentlicher Bedarf wird in
erster Lime fur die Fahrt eines zweigliedrig einspurigen Schub verbandes auf den vorhandenen Kanalen erwartet werden kon
nen Hier kann die Moglithkeit des Durdifabrens von Kanal-krurnmungen mit einem knickbaren Verband erst die Voraus setzüng für den Einsatz von zweigliedrigen Schubverbänden sein.
hne nick
Für d'iesen Fall st eine Knickgeschwindigkeit von der angenornrne
nen Gröüe nidit unbedingt erforderlich, da bei Begegnung die
Rudei-wirkung allein ausreichen müite ufld tYberholungen ausge-sthlossen werdeà können.
Für die Entwicklung und Verwendung von knidcbaren
Sthub-verbänden dürften die hier vorliegenden MeIergebnisse eine brauth-bare Unterlage geben.
5. Zusammenfassung
5.1 Aufgabe
Die Untersuthung hat den Zwe&, für zweigliedrige einspurige und Zwillingsschubverbände die unter Betriebsbedingungen auf-tretenden Kräfte und Momente in den Koppeistellen im
Modell-versuth zu messen.
Damit sollen dern Konstrukteur Grundlagen gegeben werden, die
angeben, unter weldien Bedingungen die hödisten Beanspruchungen
auftreten. Die zahlenmlige Angabe dieser Beanspruchungen ist
eine Voraussetzung für die richtige Bemessung der Kopplungs-elemente.
Für eine sithere Fahrt ist an den Koppeistellen eine eindeutige
Durthfuhrung und Weiterleitung der in der 1-lorizontalebene
wir-kenden Längs- und Querkrfte sowie des zugeordneten
Dreh-momentes urn die Hodiadise, also des Kurs- bzw. GierDreh-momentes
unbedingt notwendig. Vertikale Verschiebungen der
Einzelein-heiten des Verbandes relativ zueinander können als zulässig
angesehen werden. Es ist aber notwendig, die' Grö1e der
auf-tretenden Vertikalkräfte für eine in dieser Rithtung ganz oder
teilweise kraftschlussige Kopplung zu kennen. Für die ubri'gen
bei-den Freiheitsgrade, nImlith Längsbiegemoment und Torsions-moment, so1lten die Koppeistellen gelenkig, also momentenfrei
ausgebildet werden.
Lr185m Br2x71.3m Tr2,8m Vrl3KmIh A9855,5MP Beasrispruchung der Koppeistellen
C M
2Btti
b tq1 3 2 1 0 Co I Schubboot-Leichter CI
C Ob C if Leichter - LeichterH
Abb. 11: Zwelspurlger zwelglledrlger Schubverband
5.2 Lastfälle
2ur Ermitthing der höchsten Beanspruchungen wurden folgende Lastfälle für starre Sthubverbände untersutht:
Srreckenfahrt mit relativen Trimm- und Tauchungsänderungen. Begegnung mit einem Selbstfahrer vom Typ Johann Welker.
Cberholung durch den gleichen Selbstfahrer. Sthlängelversuche.
AuIerdem wurde der für die Fahrt in Kanälen widitige Fall
eines einpurigen, zweigliedrigen, knidcbâren Sdiubverbandes
unter-sucht.
5.3 Die. für dieie Vefsuthe erforderlithe Me1tethnik und die
MeIelemente siid hieifür besonders entwidelt worden und wer
den beschrieben.
5.4 Aus den Versuchen ergibt sith, dalI bei Uberholungsversu-then die niedrigsten und bei SthlängelversuUberholungsversu-then die gröllten
Bean-spruchungen in den Koppeistellen auftreten. Bei den SthIãngel-versuthen sind die an der Koppeistelle I (Schubboot - Leithter)
auftretenden Krafte und Momente in uberwiegendem Malle durch
die Ruderkräfte bedingt. An der Koppeistelle II zwisthen den
Leithtern sind Krafte und Momente hauptsathuith von den Stro mungskräften am Vorderleiditer, also Driftwinkel und
Drehge-schwindigkeit, abhängig.
5.5 Die Versuche mit einem zweigliedrigen, einspurigen
knick-baren Sthubverband zeigen, dalI beim Knidcen in der hier ange-nOmmenen Knickzeit von 20 Sek. für 100 sehr groIle Momente
auftreten, die als reine Massenwirkung nur besthleunigungsabhän-gig sind Die im weiteren Verlauf der Bewegungen auftretenden hydrodynaniisthei Kräfte unterscheiden sith nur unwesentlich von den für den starren Verband ermittelten Werten.
5.6 Die Anwendung der Ergebnisse und die Moglichkeit des
Züsammentreffens verschiedener Lastf11e werden erörtert. Die
Ergébnisse der Versuche werden getrennt für den einspurigen
