JP6326128B2 - 高効率ウインチのための改良版プーリー - Google Patents

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Description

本発明は、高効率ウインチのための改良版プーリーに関するものである。 それは、移動荷重につながれたロープに作用させる牽引力の手段で、機械的エネルギーを伝達させる際に使われるタイプのものである。
高効率ウインチはいくつかの用途に使われる。たとえば、荷物を持ち上げるあるいは移動させるために、あるいは、巻くのに適したロープを用いて、ロープを引っ張ってエネルギーを伝達させるためなどである。
近年、エネルギー伝達のためのウインチの利用は、風力エネルギー運用の分野で重要になってきた。そこでは、交流発電機や電力装置に接続したウインチは、風から運動エネルギーを取り出し、生産された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために使われる。
移動荷重につながれたロープから機械エネルギーを回収する際に、稼働ウインチの効率は重要である。すなわち、エネルギーのわずかのパーセントが稼働ウインチとロープを強く加熱するからである。
風からエネルギーを引き出す過程は、高耐力のロープの使用を伴う。該ロープの張力は移動する風により飛ぶ凧の上昇によって発生する。該ロープが巻かれるプーリーあるいはドラムは、ロープ自身により生じた巻き戻し力により回転する。機械動力は、ロープの機械的張力と、プーリーが巻き戻される際にロープが引き伸ばされる速度との合成で発生する。
該ロープが巻かれるプーリーあるいはドラムは、ロープ自身により生じた巻き戻し力により回転する。この過程において、風の運動エネルギーは、ロープとプーリーまたはドラムの間の摩擦のおかげで、最初には機械的エネルギーに変換される。次いで、それはウインチにつながれた交流発電機によって電気エネルギーに変換される。
その変換の間に、エネルギーロスが発生して熱となり、プーリーの表面を加熱し、ロープの内部温度を上昇させ、過温度上昇により機械的性質を危うくする。
従来のウインチは、その低い効率のため、大きなエネルギーの伝達には適していない。高耐力のロープを持つ高出力のウインチの場合、損失動力の相対的に小さな部分が、クリティカルになり得る。 たとえば、97%の効率を持つウインチがあって、1.5MWの動力を扱うために使われた場合、45kWの熱流を発生するので、ロープが過剰に加熱されないためには、それを適当に消散しなければならない。回転部分のベアリングにより発生する損失とともに、熱流は主としてロープとプーリーの間の摩擦よって生じる。
ロープ内部の摩擦は、ロープを構成する異なる線とブレイドの相対的な変位と歪みによって発生する。また、ロープはこれらが相互にこすり合うような形状に配置されている。他方、ロープとプーリー間の摩擦はロープからエネルギーを取り出すためには必要な要素であるが一方ロープとプーリー間の相対的な変位による摩擦は最小に減らさなければならない。
高効率ウインチの構造は二つのコンセプトに適合していなければならない。ウインチに沿って動く該ロープは、ロープを構成する材料の特性に基づく歪みの勾配に伴う張力の勾配にさらされることであり、もう一つは、プーリーに一回転以上巻かれたロープは、プーリーがその縦軸に対して回転すると仮定すると、その主たる伝達力の方向に直角にー−それはたとえば、プーリーの縦軸の方向であるがー−移動する必要があることである。それはロープの一部が異なる曲率となり 重なり合わないためである。
W02011121272は第一のコンセプトに関する応用を開示している。すなわち、歪みの勾配を均一にしてロープにかかるストレスを少なくしその影響を減じることを目的としている。この問題は二つの相互に貫通するプーリーによって解決される。それらのプーリーはロープとドラムの間の接触が不連続な面であることを特徴としている。
FR1105165は第二のコンセプトを扱っている配置を開示している。そこでは、ロープに沿って異なる歪みの状態にあることに適合するように直径が徐々に減少または増加する円形の溝を持つプーリーで構成され、大きい直径の溝は高張力の状態のロープに接触し、逆の場合はその逆となっている。
本発明の目的は、高効率なウインチのための改良されたプーリーと提供することにより、上記の従来技術の問題点を解決することにある。そこでは、より高いエネルギーの生産性、摩擦現象による動力の損失の減少及びロープの摩耗の減少が見込まれる。
本発明の上記あるいはそれ以外の目的と利点は、以下の記述で明らかになるが、請求項1に請求された改良型プーリーが仕事側の負荷につながる一端と、抵抗側負荷につながる一端の間にあるロープの一部分と接触することによって得られる。当該改良型プーリーは少なくとも一の主たる慣性軸と弾性的に反応する一連の周囲支持体から構成されている。本発明の好もしい実施態様と重要なバリエーションは従属の請求項に示してある。
すべての含まれる請求項は、本記述の重要な部分であるが、本発明は本記述に限定されるものではない。 多数のバリエーションや改良が(たとえば、同等な作用を持つ、形状や、大きさや、配置や部品などである。)ここに記載された請求項に示された発明の範囲から逸脱することなく、記述されたものに対して作られ得るのは明らかでありこれらはすべて本発明に含まれる。
本発明はいくつかの好もしい実施態様で――実施例に請求の範囲が限定されないことを条件に、含まれる図を参考にして――うまく記述できるであろう。
図1は、ロープに接続された本発明によるプーリーの斜視図である。 図2は、図1のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の斜視図である。 図3は、図1のプーリーに接続された各周囲支持体に属する部品の斜視図である。 図4は、図1のプーリーの正面図である。 図5は、図4のV−V断面の断面図である。 図6は、図4のVI部の拡大図である。 図7は、図5のVII部の拡大図である。 図8は,図1のプーリーに接続された各周囲支持体に属するエレメント間の接続の異なる構成a, b , c を、図5のX−Z平面に沿って示している。 図9は、図8の構成a, b , cの線図を示している。 図10は、図1に示すタイプのいくつかのプーリーを結合したシステムを示している。 図11は、本発明の第二の態様に属する周囲支持体の斜視図である。 図12は、前図の周囲支持体の正面図である。 図13は、図12のXIII―XIIIに沿った断面図である。 図14は、図11の周囲支持体の動作ダイヤグラムの側面図である。 図15は、図11の周囲支持体に属する角柱状インサートの斜視図である。 図16は、図15の該インサートの側面図である。 図17は、本発明の第三の態様に属する周囲支持体の斜視図である。 図18は、前図の一部品の斜視図である。 図19は、図17の周囲支持体の正面図である。 図20は、図19のXX−XX断面図である。 図21は、図17の周囲支持体のバリエーションの斜視図である。 図22は、図21の一部品の斜視図である。
図1に示すように、入口部11と出口部12の間のロープ1の少なくとも一部分が、部分回転によってプーリー2の周囲に巻きつけられるということができる。
プーリー2は、高効率ウインチ(図示せず)に接続するシャフト(図示せず)に軸合わせし、結合するための中心穴22を装備するディスク21で構成されている。
ロープ1の入口部11と出口部12はそれぞれ作用負荷(図示せず)と蓄電負荷(図示ぜず)あるいは他の抵抗負荷に繋がって、入口部で最大の張力値、出口部で最小あるいはゼロの張力値となる。
有利なのは、ウインチのための本発明による改良されたプーリー2は、作用負荷とつながっている入口部11と抵抗負荷とつながっている出口部12間に含まれるロープ1の少なくとも一の部分と接触していて、前記張力の勾配によるロープの当該部分の長さの変化に従って変形可能な一連の周囲支持体3,4,5,6から構成される。
図1,2,3によれば、ディスク21は該ディスク21の外周に沿って一様に配置された一連の周囲支持体3によって、ロープ1の一部を支持しているといえる。
各周囲支持体は以下によって構成される
―:少なくとも一のチップからなる構造体31、それは第一の慣性軸に対しては薄く柔軟であり、第二の慣性軸に対しては厚く剛であるようにテーパを持っていて、その両端部で穴311(隠れている)と312に取り付けられている。
―:少なくとも一の角柱状インサート32、それは横断する溝321とめくら穴322とからなり、適当なテーパをつけた背部面323を持っている。
図4〜7から、各周囲支持体3はディスク21の外周とチップ31を通して一体となっていることが分かる。チップ31は、ディスク21に、前記穴311とディスク21の外周壁面の穴23にピン33を挿入することで繋がれている(たとえば図5に示されている)。前記角柱状インサート32はチップ31にピン34を孔312と孔322に挿入することで繋がれている(たとえば図7に示されている)。
ロープ1は、部分回転でプーリー2上に、各角柱状インサート32の背部面323に接触して巻かれる。
図8,9で示すように、チップ31と角柱状インサート32の結合の方法によって、各周囲支持体3は柔軟な結合a, 剛結合b, 機構的結合cにすることができる。
本発明の前記第一の実施態様バリエーションによれば、各周囲支持体3は、隣接する支持体と緩衝器35,36を通して弾性的に繋がれる。緩衝器35,36は円形螺旋状のバネで出来ていて、(図2に例示するように)各角柱状インサート32のそれぞれの壁に収納され、(図4に例示するように)プーリー2の回転軸に直角なX−Y平面の接線方向に作用し、プーリー2に周囲支持体3の弾性的鎖が装備されているようになる。
当該実施態様バリエーションによれば常に、当該チップ31はその端部のはめ込みの関係で弾性的に変形しまっすぐになろうとするのに適した少なくとも一の傾斜ロッドを構成として含む。
各角柱状インサート32の前記背部面323には少なくとも一の円周状溝327がロープ1をガイドするため付けられている(たとえば図7参照)。
本発明の第二の実施態様を以下に記述する。
図11から図16によれば、ディスク21(図示せず)は該ディスク21の外周に沿って一様に配置され一連の周囲支持体4によって、ロープ1(図示せず)の一部を支持していることが理解できる。
ディスク21は、フランジ25で囲まれた円筒状のバンド24からなる周囲リングから構成される。フランジ25には、プーリー2の回転軸を中心軸として円周状に一様に並べた円筒孔251が横切っている。
当該フランジ25の側壁252,253には、一連の溝254が均一に配置されている。その溝は前記円筒孔251を中心とする半円の部分とそれに接し、フランジ25の円周端に抜ける一対の直線の部分からできている(図14参照)。
前記周囲支持体4の各々は以下の通り構成されている
―: 構造体41は傾斜したハーモニック線の一対のUベンドを構成として含み、それは前記溝254内に端部がはめ込まれていて弾性的に変形するため半径方向に整列するのに適している。
―:側壁421,422で限られた角柱状インサート42は、前記の適正にブロックされたハーモニック線端部を収める直線状の溝423一対を有している。
前記角柱状インサート42はロープ1の当該部分の伸びに合わせるように可動なエレメントである。その伸びは、プーリー2の入り口と出口の間に含まれる部分に発生する張力の勾配により引き起こされるものである。
これは、ロープ1と前記角柱状インサート42の間の相対すべり速度の減少によって発生し、各角柱状インサート42の背部面424内の弧の長さによって制限される最大値内に抑えられる。
ロープ1に接触している角柱状インサート42は前記背部面424を通して前記ハーモニック線41に負荷を伝える。ハーモニック線はその両端部が前記溝254、423にはまっているので、両端を二重に拘束された円形断面の 梁(はり)のように変形することになる。
ロープ1による負荷の伝達と、直線255上に置かれている各ハーモック線41の傾きのため、各角柱状インサート42はプーリー2の中心から離れる軌道に沿って動く。該軌道は接線方向の移動と半径方向の移動の合成によって与えられる。
具体的には、各角柱状インサート42の半径方向の移動成分の合計は、プーリー2に巻かれたロープ1の当該部分の伸長に等しくなる。
したがって、前記個々の角柱状インサート42は周方向だけでなく半径方向にも、かかる負荷の増加により移動し、ロープに接触する部分を増加させ、非接触部分を減少させる螺旋状の軌道を発生させる。
前記溝254,423にはめこまれたU―ベントのハーモニック線の各一対は負荷のかかった状態で、前記角柱状インサート42が回転と平行移動ができるようにする相対的発散性を持っている。それは、プーリーの中心に対する回転ずれを補償して、接触面とそれに伴う粘着を損ねることなく前記背部面424とロープ1との一定の接線方向のアラインメントを保証する。
本発明の前記実施態様での好ましい形状では、プーリー2は120個の角柱状インサートからなり、前記溝254はプーリー2の周方向の中心からの半径に対して17.5°の傾きを持っている。
前記角柱状インサートのセットはロープ1の負荷でプーリー2が破壊されるのをその配置が最小直径になることで防ぐ。該最小直径の配置では、各角柱状インサート42の前面壁425が次の角柱状インサートの後面壁426に正確に接するので、予測よりも高い負荷がかかった場合の機械的安全リミットスイッチを作り出している。
具体的には、前記前面壁425には横切る溝427があって、そこには弾性材料で作られた緩衝器43が入れることができるようになっている。
各周囲支持体4は前記隣接する二つの支持体に前記弾性要素43を介して接線方向につながっていて、弾性的な鎖を形成している。
前記緩衝器43は、ロープ1から離れたのちのプーリー2のフリーな部分においても、また、プーリー2の負荷のかかった部分においても前記角柱状インサート42間の接触を保つことを可能にするとともに、ロープ1からプーリー2が離れる間に、振動や衝撃がないように、形状を徐々に調節することを可能にする。
無負荷の状態では、前記ハーモニック線41に反対側にプレロードをかけておくことによって、前記緩衝器43は前記角柱状インサート42を少し分離し、前記最小半径でなくすることを可能にする。
負荷の掛かった状態では、前記緩衝器43は前記角柱状インサート42の離れる動きと半径方向に動きを可能にする。
前記ハーモニック線41のプレロードは、前記角柱状インサート42の溝423とフランジ25の溝254の直線部の間の2度のずれによって得られる。
前記角柱状インサート42はロープ1と接触する背部面424を、エラストマー材料で覆うか、あるいはそのような材料を混ぜて構成することができ、その結果、ロープ1と角柱状インサート42の間の摩擦係数を増加できる。それゆえ、付着状態はその変形が起こっている間、保証され、個々の角柱状インサート42にロープ1が何らかの理由で生じさせた小さな伸びが回復される。
第三の実施態様を以下に述べる。
図17から図20を見れば、ディスク21(示していない)はロープ1(図示せず)のある部分をディスク21の周囲に沿って均一に配置された一連の周囲支持体5によって支持されていることが分かる。
ディスク21は円柱状のバンド26からなる周囲リングで構成されていて、該バンド26はプーリー2の回転軸に対して円周状に中心を持って均等に配置された円柱状の穴271が横切るように開けられているフランジ27で囲われている。
該フランジ27の各側壁272,273は前記周囲支持体5の各々の角度を持った動きを規定する溝274を持ち、その動きの規定はプーリーの中心を通る半径に対しある角度を持って傾斜した橋脚歯275によって行われる(たとえば図17に示されている)。
前記周囲支持体5の構成は
―:構造体51は傾斜した一組の連結棒を構成として含み、該連結棒は前記穴271の中にピン511を通じて回転端に対しての回転によって半径方向に整列するのに適している、そしてそれはピン511を軸に沿って作用する弾性バネ512によって前記橋脚歯275に押し付けられている。
―:角柱状のインサート52は前記連結棒51の自由端にピン521で接続されている。
前記角柱状インサート52は前記角柱状インサート42と同様にプーリー2の上に巻かれたロープ1の部分の同様な伸びを許容するように作用する。
前記連結棒51は、半径方向に対して傾いていて、前記ロープに張力がかかった時には前記ピン511を支点として回転できるので、前記角柱状インサート52が動くことができ、プーリー中心からの距離を増加させ、それでロープの伸びに追従できる。
前記ピン521の回転軸は前記角柱状インサート52の背部面524に対するロープ1の接触点より上に位置する。
このためロープ1の圧力の下、前記背部面524と接触しているロープの当該部の長さを一定に保つため前記角柱状インサート52の回転が起きる。
ロープ張力を生じさせるのは、前記事前にプレロードされた弾性バネ512の剛性による。
前記外周支持体5は一対の緩衝器43を包含し、それは前記緩衝器43と同じ作用をする。
図21,22を参照すれば、本発明の前記実施態様の一つのバリエーションが一対の連結棒61のオフセット点におかれたピン613の軸に沿って作用するプレロードされた弾性体バネ612が含まれる周囲支持体6にあるということが出来るであろう。それにより、ピン611に対して前記連結棒61が回転している間に直線的でなく増加していく弾性応答を持つ機会が与えられる。
角柱状インサート62は強い弧の形の背部面624からなり、そこにはロープ1への密着把握を増すための穴が設けられている。
エラストマー材料で作られた緩衝器63はネジで角柱状インサートに締結されている。
前記一連の周囲支持体3,4,5及び6は、ロープ1とプーリー2の間に非連続的な接触を作り出し、その結果前記端部11と12を含むロープ1の各部分に沿って離散した張力勾配を作り出すことが出来る。
前記プーリー2は前記一連の周囲支持体3,4,5及び6と一緒になって、本発明の目的を達成している。それはプーリー2の周囲上に巻きつけられたロープ1の張力勾配を分散させることである。
特に、前記採用された解においては前記周囲支持体3,4,5、及び6と接触不十分でロープの各々の部分に沿っての張力勾配がなくなるのも許容される。
各周囲支持体3,4,5、及び6のX−Z平面(図5に例として示されている)で計測した半径方向のプロファイルはロープ1に沿って変化する張力の勾配に適合し指数関数に従っている。
各周囲支持体3,4,5、及び6には歪み状況を計測し前記ロープ1により生じた負荷曲線を計算するロードセルをつけることができる
前記プーリー2上の前記周囲支持体3,4,5、及び6に生じた弾性動作を利用して、デバイス(図示せず)を備えたウインチでは、張力をかける間に、高張力の11部分や低張力の12部分からロープ1のある量を蓄えたり急速に放出したりすることができる。
前記弾性動作はデバイス(図示せず)を備えたウインチでは高張力の部分11あるいは低張力の部分12からのロープ1の張力を規定したり制限したりすることに利用ができる。
周囲支持体3,4,5、及び6を装備する、すくなとも一のプーリー2からなるウインチは回転によって巻きつけられたロープ1を支持しガイドするが、そのロープ1は低い張力状態で蓄えられる。
ウインチは周囲支持体3,4,5、及び6を装備する、n個のプーリー2からなり、それらのプーリーのうち少なくとも2つがモーターを備えている。
ウインチは周囲支持体3,4,5、及び6を装備する、4個のモーター付きプーリー2からなり、該プーリー2は理想的な長方形の頂点に配置されている(例として図10参照)。
ウインチは周囲支持体3,4,5、及び6を装備する、4個のモーター付きプーリー2からなり、該プーリー2は相互に非平行な回転軸に沿って配置されている。

Claims (4)

  1. 作用負荷とつながっている入口部(11)と抵抗負荷とつながっている出口部(12)間に含まれるロープ(1)の少なくとも一の部分と接触しているプーリー(2)において、
    前記ロープ(1)の前記部分の長さの変化に従って変形可能な一連の周囲支持体()を備え、
    前記周囲支持体()の各々が前記ロープ(1)の前記部分に付着する少なくとも一の角柱状インサート(42)を支持する少なくとも一の構造体(41)を備え、
    前記構造体(41)ははめ込み端部に対して弾性的に変形するため半径方向に整列する少なくとも一の傾斜した一対のU−ベンドのハーモニック線を構成として含むことを特徴とするプーリー(2)。
  2. 前記構造体(41)の各々は接線方向と半径方向の組み合わせに従って動くように前記角柱状インサート(42)を拘束するような形になっていることを特徴とする請求項1に記載のプーリー(2)。
  3. 前記周囲支持体()の各々は弾性鎖を形成するため緩衝器(43)を通して隣接する2つの前記周囲支持体に接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプーリー(2)。
  4. 前記各周囲支持体()は歪み状況を計測し前記ロープ(1)により生じた負荷曲線を計算するロードセルが一体となってつけられていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載のプーリー(2)。
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