ITTO20130323A1 - Puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza. - Google Patents

Description

“PULEGGIA PERFEZIONATA PER VERRICELLO AD ALTA EFFICIENZAâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza, del tipo usato per trasmettere energia meccanica per mezzo di forze di trazione applicate a funi collegate ad un carico in movimento.

Un verricello ad alta efficienza viene usato in diverse applicazioni, per sollevare o spostare un carico, tirare una fune e trasmettere energia per mezzo di una fune avvolgibile.

Recentemente, l’applicazione di argani e verricelli per la trasmissione di energia à ̈ diventata importante nel settore della gestione dell’energia eolica, in cui argani e verricelli, collegati ad alternatori ed apparati elettronici di potenza, vengono usati per estrarre l’energia cinetica del vento e per convertire l’energia meccanica prodotta in energia elettrica.

Un aspetto importante nel recupero di energia meccanica dalle funi collegate ad un carico in movimento à ̈ rappresentato dall'efficienza del verricello di manovra, per cui: piccole percentuali di perdita di energia comportano un elevato riscaldamento delle pulegge conduttrici e della fune.

Un processo di estrazione di energia dal vento comporta l’uso di funi ad alta resistenza. La tensione delle funi à ̈ generata dalla portanza di un aquilone in volo con vento traversale. La puleggia o il tamburo, su cui à ̈ avvolta la fune, ruota grazie alla forza di svolgimento indotta dalla fune stessa. La potenza meccanica viene generata dalla combinazione della tensione meccanica nella fune e la velocità con la quale la fune si distende, srotolandosi dalla puleggia.

La puleggia o il tamburo, su cui à ̈ avvolta la fune, ruota grazie alla forza di svolgimento indotta dalla fune stessa. Durante questo processo l'energia cinetica del vento viene dapprima convertita in energia meccanica, per effetto dell’attrito tra la fune e la superficie di contatto della puleggia o il tamburo; viene quindi convertita in energia elettrica mediante alternatori collegati al verricello.

Durante la conversione si verificano perdite di energia sotto forma di calore il quale riscalda la superficie di contatto della puleggia ed aumenta la temperatura interna della fune compromettendone le proprietà meccaniche per effetto del surriscaldamento.

Argani e verricelli convenzionali non sono adatti per trasmettere una grande quantità di energia a causa della loro bassa efficienza. Quando si tratta di un verricello di elevata potenza munito di funi ad alta resistenza, anche una parte relativamente piccola di potenza persa potrebbe risultare critica. Ad esempio, un verricello con un rendimento del 97%, usato per manipolare una potenza di 1,5 MW, genera un flusso termico di 45 kW che deve essere adeguatamente dissipato per non surriscaldare la fune. Accanto alle perdite generate dai cuscinetti degli elementi rotanti, il flusso di calore viene principalmente generato dalle forze di attrito tra la fune e la puleggia.

L’attrito all'interno della fune à ̈ generato da spostamenti relativi e deformazioni di fili e trefoli diversi, costituenti la fune e geometricamente disposti in modo da sfregarsi reciprocamente. D’altra parte, l’attrito tra la fune e la puleggia costituisce l’ingrediente necessario per permettere al verricello di estrarre energia dalla fune, mentre l’attrito dipendente da qualsiasi spostamento relativo tra la fune e la puleggia deve essere ridotto al minimo.

L’architettura di un verricello o di un argano ad alta efficienza deve sottostare a due concetti: la fune che percorre il verricello à ̈ soggetta ad un gradiente di tensione associato ad un gradiente di deformazione dipendente dalla natura del materiale costitutivo della fune stessa; la fune avvolta su una puleggia per più di un giro, assunto che la puleggia ruoti rispetto al proprio asse longitudinale, deve necessariamente traslare perpendicolarmente alla direzione della forza principale di trasmissione, per esempio lungo l’asse longitudinale della puleggia, al fine di evitare la sovrapposizione di tratti di fune di diversa curvatura.

La domanda di brevetto WO2011121272 descrive un’applicazione riguardante il primo concetto, finalizzata a rendere più uniforme il gradiente di deformazione rendendo la fune meno sollecitata e sottoposta ad effetti di degrado. Questo problema viene affrontato con due pulegge compenetranti, ognuna delle quali definisce una superficie discontinua del contatto tra la fune ed il tamburo.

Il brevetto FR1105165 descrive un layout di un verricello riguardante il secondo concetto, comprendente pulegge con scanalature cilindriche il cui diametro gradualmente diminuisce o aumenta adattandosi al diverso stato di deformazione lungo la fune, in modo che la scanalatura con il diametro maggiore sia in contatto con il tratto di fune soggetto ad uno stato di tensione elevata e viceversa.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo una puleggia perfezionata per verricello ad alta efficienza, a favore di una maggiore produttività energetica e di una riduzione delle perdite di potenza dovute a fenomeni di attrito, e a favore di una ridotta usura delle funi.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con una puleggia perfezionata come quella descritta nella rivendicazione 1 a contatto con un tratto di fune compreso tra due capi, di cui uno collegato ad un carico utile, l’altro di tensione minima o nulla, caratterizzata dal fatto di comprendere una catena cinematica formata da supporti periferici. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la FIG. 1 mostra una vista in assonometria di una puleggia collegata ad una fune comprendente una catena cinematica di supporti periferici, secondo la presente invenzione;

- le FIGG. 2, 2b e 2c mostrano una vista trasversale dello sviluppo di tre meccanismi articolati collegati e adiacenti, riguardanti i supporti periferici della puleggia di FIG. 1;

- le FIGG. 3, 4, 6 e 7 mostrano una vista in assonometria di componenti appartenenti a ciascun supporto periferico collegato alla puleggia di FIG.

1;

- la FIG. 5 mostra una vista frontale del componente di FIG. 4;

- la FIG. 8, mostra una vista frontale della puleggia di FIG. 1;

- la FIG. 9 mostra una vista in sezione, secondo un piano passante per la linea IX-IX di FIG. 8, della puleggia di FIG. 1;

- la FIG. 10 mostra un particolare X ingrandito appartenente alla FIG. 8;

- la FIG. 11 mostra un particolare XI ingrandito appartenente alla FIG. 9.

Con riferimento alla FIG. 1, almeno un tratto di una fune 1, compreso tra un tratto di ingresso 11 ed un tratto di uscita 12, Ã ̈ avvolto per tre giri su una puleggia 2.

La puleggia 2 à ̈ costituita da almeno un disco 21 munito di un foro centrale 22 usato per il centraggio e l’unione con un albero (non mostrato) collegato ad un verricello ad alta efficienza (non mostrato).

I tratti di ingresso 11 e di uscita 12 della fune 1 sono collegati rispettivamente ad un carico utile (non mostrato) ed un dispositivo di immagazzinaggio (non mostrato) secondo un gradiente di tensione che stabilisce un valore massimo di tensione al tratto di ingresso 11 ed un valore minimo o nullo al tratto di uscita 12.

Il disco 21 sostiene le spire della fune 1 per mezzo di una catena cinematica formata da supporti periferici 3 collegati e distribuiti uniformemente lungo una circonferenza.

Con riferimento alle figure da 3 a 7, ciascun supporto periferico 3 Ã ̈ formato da:

- almeno un telaio 31, ricavato da un estruso di sezione trasversale ad U, in cui alloggiano almeno due coppie di fori imbussolati 311 e 312;

- almeno una manovella 32, formata da un eccentrico a collare 321, il cui asse interno à ̈ occupato da un perno 322 alle cui estremità sono collocate forcelle 323 e 324;

- almeno un’asta a bilanciere 33, in cui alloggiano due fori imbussolati 331 e 332;

- almeno una biella 34, ricavata da un estruso di sezione trasversale a T, munito almeno di due fori imbussolati 341 e 342.

Con riferimento alle figure da 8 a 11, ciascun supporto periferico 3 à ̈ solidale alla periferia del disco 21 attraverso il telaio 31. La manovella 32 à ̈ collegata al telaio 31 attraverso il perno 322, questo ultimo essendo calettato nella coppia di fori coassiali 311. L’asta a bilanciere 33 à ̈ collegata al telaio 31 attraverso un perno 35, questo ultimo essendo calettato rispettivamente nella coppia di fori coassiali 312 e nel foro 331. La biella 34 à ̈ rispettivamente collegata alla manovella 32 ed all’asta a bilanciere 33 attraverso l’eccentrico 321 calettato nel foro 341, ed attraverso un perno 36 calettato nel foro 342 e nel foro 332.

Le forcelle 323 e 324, appartenenti alla manovella 32, sono configurate geometricamente con un certo sfasamento T (come si può notare, per esempio, nella FIG. 5) rispetto ad un piano perpendicolare all’asse del perno 322.

La fune 1 Ã ̈ avvolta per tre giri sulla puleggia 2 attraverso il contatto con la superficie dorsale di ciascuna biella 34.

Ciascun supporto periferico 3 risulta cinematicamente collegato ai due supporti adiacenti attraverso l’unione di forcelle 323 e 324 solidali ad una manovella 32, rispettivamente con una prima forcella 324a solidale ad una prima manovella 32a adiacente, e con una seconda forcella 323b solidale ad una seconda manovella 32b adiacente (come si può notare, per esempio, nella FIG. 10).

Ciascun supporto periferico 3 costituisce un meccanismo articolato, cinematicamente equivalente ad un quadrilatero articolato, comprendente un eccentrico a collare 321, un’asta a bilanciere 33 ed una biella 34, questa ultima essendo a contatto con i tratti della fune 1.

La catena cinematica formata dai supporti periferici 3, collegati attraverso le forcelle 323 e 324 solidali a ciascun eccentrico 321, realizza un contatto discontinuo tra la fune 1 e la puleggia 2 in grado di discretizzare il gradiente di tensione lungo il tratto di fune 1 compreso tra le estremità 11 e 12.

La catena cinematica formata dai supporti periferici 3, collegati attraverso le forcelle 323 e 324, oltre a realizzare un contatto discontinuo tra la fune 1 e la puleggia 2, consente di realizzare un contatto mobile azionato mediante opportuni attuatori (non mostrati) secondo una legge di moto alternativo.

Il moto alternativo di ciascun supporto periferico 3 Ã ̈ sfasato rispetto al moto alternativo dei supporti periferici 3 adiacenti.

Lo sfasamento tra le forcelle 323 e 324 di ciascun supporto periferico 3 ha un valore arbitrario compreso tra 0 gradi e 360 gradi.

La puleggia 2, abbinata alla catena cinematica formata dai supporti periferici 3, raggiunge lo scopo dell’invenzione avendo discretizzato il gradiente della tensione della fune 1 avvolta sulla periferia della puleggia 2 per diversi giri.

In particolare la soluzione adottata permette di:

- annullare il gradiente di tensione lungo ciascun tratto di fune privo di contatto con il supporto periferico 3;

- realizzare un avvolgimento elicoidale della fune 1 lungo una generatrice formata dalla superficie di contatto di ciascuna biella 34; - realizzare un moto alternativo e sfasato di ciascun supporto periferico 3 per mezzo di un meccanismo cinematicamente equivalente ad un quadrilatero articolato, come forma di realizzazione preferita ottenuta con un rotore eccentrico ed una biella (FIGG. 2a, 2b e 2c).

Vengono di seguito descritte ulteriori soluzioni considerate varianti della soluzione inventata.

Detto moto alternativo e sfasato di ciascun supporto periferico 3 viene realizzato per mezzo di un meccanismo cinematicamente equivalente ad un pentalatero articolato, in cui un’asta aggiuntiva (non mostrata) consente di eseguire una traiettoria all’incirca quadrata, sovrapponendo un ulteriore moto armonico.

Il meccanismo cinematicamente equivalente ad un pentalatero articolato à ̈ del tipo in cui due delle cinque aste (non mostrate) sono meccanicamente realizzate mediante rotori eccentrici muniti di cuscinetti, detti rotori eccentrici avendo velocità di rotazione indipendenti e fasi predeterminate, una di dette velocità di rotazione indipendenti essendo preferibilmente tre volte l'altra.

Il profilo radiale di ciascun supporto periferico 3, misurato in un piano X-Z (FIG. 9), sottostà ad una funzione esponenziale per adattarsi al gradiente di tensione variabile lungo la fune 1.

La superficie dorsale di ciascuna biella 34, in contatto con un tratto di fune 1, ha un profilo, misurato in un piano X-Y (FIG. 8), di forma arrotondata circonferenzialmente (non mostrata).

La catena cinematica formata dai supporti periferici 3 Ã ̈ collegata per mezzo di giunti cardanici o equivalenti.

Detto moto alternativo può essere azionato da camme o attuatori meccanici.

Detto moto alternativo può essere altresì azionato da motori elettrici o attuatori elettromagnetici.

Detto moto alternato à ̈ sfruttato in un argano comprendente un dispositivo (non mostrato) capace di immagazzinare e rilasciare rapidamente, durante il tensionamento, una certa quantità della fune 1 dalla parte 11, alta tensione, oppure dalla parte 12, bassa tensione.

Detto moto alternato à ̈ sfruttato in un argano comprendente un dispositivo (non mostrato) capace di regolare e limitare la tensione della fune 1 dalla parte 11, alta tensione, oppure dalla parte 12, bassa tensione.

Un argano, composto da almeno una puleggia 2 munita di supporti periferici 3, sostiene e guida una fune 1 avvolta per un giro, preferibilmente per tre giri, detta fune 1 essendo immagazzinata in uno stato di bassa tensione 12.

Un argano à ̈ composto da n-pulegge 2 munite di supporti periferici 3, di cui almeno due pulegge sono motorizzate.

Un argano à ̈ composto da quattro pulegge 2 motorizzate, munite di supporti periferici 3, dette pulegge 2 essendo disposte ai vertici di un rettangolo ideale.

Un argano à ̈ composto da quattro pulegge 2 motorizzate, munite di supporti periferici 3, dette pulegge 2 essendo disposte secondo assi di rotazione non paralleli reciprocamente.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Puleggia perfezionata (2) per verricello o argano, a contatto con almeno un tratto di fune (1) compreso tra un tratto di ingresso (11), collegato ad un carico utile, ed un tratto di uscita (12), di tensione minima o nulla, caratterizzata dal fatto di comprendere una catena cinematica formata da supporti periferici (3).
2. 2. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che ciascun detto supporto periferico (3) à ̈ un quadrilatero articolato formato da almeno un telaio (31) solidale ad almeno un disco (21), almeno una manovella (32), almeno un’asta a bilanciere (33) ed almeno una biella (34) a contatto con detto tratto di detta fune (1).
3. 3. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che ciascun detto supporto periferico (3) à ̈ collegato a due detti supporti periferici (3) adiacenti attraverso l’unione di forcelle (323, 324) solidali a detta manovella (32), rispettivamente con una prima forcella (324a) solidale ad una prima manovella (32a) adiacente, e con una seconda forcella (323b) solidale ad una seconda manovella (32b) adiacente.
4. 4. Puleggia perfezionata (2) secondo una delle precedenti rivendicazioni 2 o 3, caratterizzata dal fatto che ciascun detto supporto periferico (3) Ã ̈ azionato mediante un motore secondo una legge di moto alternativo.
5. 5. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta manovella (32) à ̈ formata da un eccentrico a collare (321), il cui asse interno à ̈ occupato da un perno (322) alle cui estremità sono collocate dette forcelle (323, 324), e dal fatto che detta forcelle (323, 324) sono configurate geometricamente con uno sfasamento (T) rispetto ad un piano perpendicolare a detto asse di detto perno (322).
6. 6. Puleggia perfezionata (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto moto alternativo e sfasato di ciascun detto supporto periferico (3) Ã ̈ realizzato per mezzo di un meccanismo cinematicamente equivalente ad un pentalatero articolato.
7. 7. Puleggia perfezionata (2) secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che due di cinque aste costituenti detto pentalatero articolato sono meccanicamente realizzate mediante rotori eccentrici aventi velocità di rotazione indipendenti e fasi predeterminate, una di dette velocità di rotazione indipendenti essendo tre volte l'altra.
8. 8. Puleggia perfezionata (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che un profilo radiale di ciascun detto supporto periferico (3), misurato in un piano X-Z parallelo ad un asse di rotazione di detta puleggia (2), sottostà ad una funzione esponenziale per adattarsi ad un gradiente di tensione variabile lungo detta fune (1).
9. 9. Puleggia perfezionata (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che una superficie dorsale di ciascuna detta biella (34), in contatto con un tratto di detta fune (1), ha un profilo, misurato in un piano X-Y perpendicolare a detto asse di rotazione, di forma arrotondata circonferenzialmente.
10. 10. Puleggia perfezionata (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta catena cinematica formata da detti supporti periferici (3) à ̈ collegata per mezzo di giunti cardanici o equivalenti e/o detto moto alternativo à ̈ azionato da camme o attuatori meccanici, attuatori elettrici o elettromagnetici.