KR20160007540A - 고효율 윈치를 위한 향상된 풀리 - Google Patents

고효율 윈치를 위한 향상된 풀리 Download PDF

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Abstract

윈치를 위한 향상된 풀리(2)로서, 이 풀리는 작업 부하에 접속된 유입 섹션(11)과 최소 또는 눌 긴장을 갖는 배출 섹션(12) 사이에 포함된 로프(1)의 적어도 하나의 섹션과 접촉하고, 풀리(2)는 주변 지지부들(3)로 구성된 연쇄를 포함한다.

Description

고효율 윈치를 위한 향상된 풀리{IMPROVED PULLEY FOR HIGH-EFFICIENCY WINCH}
본 발명은 이동하는 부하에 접속된 로프들에 인가되는 견인력에 의해 역학적 에너지를 전달하기 위해 사용되는 타입의 고효율 윈치를 위한 향상된 풀리를 다룬다.
고효율 윈치는 부하를 들어올리거나 이동시키고, 로프를 끌며, 감기도록 적응된 로프에 의해 에너지를 전달하기 위한 몇몇 애플리케이션들에서 사용된다.
최근에, 에너지를 전달하기 위한 위치들의 애플리케이션이 풍력 에너지를 관리하는 섹터에서 중요해졌으며, 이때 교류 발전기 및 전력 장치에 접속된 윈치들이 바람으로부터 운동 에너지를 추출하고 생성된 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 사용된다.
이동하는 부하에 접속된 로프들로부터의 역학적 에너지를 복구하는 데에서의 중요한 양태는 구동 윈치의 효율성에 의해 주어지며, 이때: 작은 비율의 에너지는 구동 풀리 및 로프의 높은 가열을 의미한다.
바람으로부터 에너지를 추출하기 위한 프로세스는 고-저항 로프들의 사용을 의미한다. 로프 긴장(rope tension)은 가로지르는 바람으로 날아가는 연의 리프트에 의해 생성된다. 로프가 감기는 풀리 또는 드럼이 로프 자신에 의해 유도되는 풀림 힘으로 인해 회전한다. 기계 동력은 로프 내의 역학적 긴장과 풀리로부터 풀리는 로프가 스트레치되는 속도의 조합에 의해 발생된다.
로프가 감기는 풀리 또는 드럼은 로프 자신에 의해 유도되는 풀림 힘으로 인해 회전한다. 이러한 프로세스 동안에, 바람의 운동 에너지는 먼저 풀리 또는 드럼의 로프와 접촉 표면 사이의 마찰로 인해 역학적 에너지로 변환되며; 그 다음 이것은 윈치에 접속된 교류 발전기를 통해 전기 에너지로 변환된다.
대화 동안에, 에너지 손실이 풀리의 접촉 표면을 가열하고 로프의 내부 온도가 증가하여 과열로 인해 역학적 속성들을 타협하는 열로서 발생한다.
종래의 윈치들은 이들의 낮은 효율성으로 인해 많은 양의 에너지를 전달하기에 적합하지 않다. 고-저항 로프들이 장착된 고-전력 윈치가 존재할 때, 손실 전력의 비교적 작은 부분조차도 위태로울 수 있다. 예를 들어, 1.5MW의 전력을 다루기 위해 사용되는 97% 효율성을 갖는 윈치는 45kW의 열 흐름을 발생시키며, 이것은 로프의 과열을 방지하도록 적절하게 소멸되어야만 한다. 회전 요소들의 베어링들에 의해 발생되는 손실과 함께, 열 흐름은 로프와 풀리 사이의 마찰력에 의해 주로 발생된다.
로프 내부의 마찰은 로프를 구성하는 서로 다른 와이어 및 브레이드(braid)의 상대적인 변위 및 왜곡에 의해 발생되고 상호 스크랩을 위해 기하학적으로 배치된다. 다른 한편으로, 로프와 풀리 사이의 마찰은 윈치가 로프로부터 에너지를 추출하는 것을 가능하게 하기 위해 필요한 재료인 동시에, 로프와 풀리 사이의 임의의 상대적인 변위에 의존하는 마찰은 최소로 감소되어야만 한다.
고효율 윈치의 아키텍처는 두 가지 개념들을 준수해야만 한다: 윈치에 따라 이동하는 로프는 로프를 구성하는 재료의 성질에 의존하는 왜곡 경사도와 연관된 긴장 경사도(tension gradient)를 겪으며; 하나보다 많은 레볼루션에 대한 풀리 상에 감긴 로프는, 풀리가 자신의 세로 축에 대해 회전한다고 가정하여, 서로 다른 곡률을 갖는 로프 섹션들이 오버랩하는 것을 방지하기 위해 예를 들어 풀리의 세로 축을 따라 주요 전달력의 방향에 대해 직교하게 병진해야만 한다.
WO2011121272는 로프가 더 적은 스트레스를 받고 저하 효과를 덜 겪게 하여 왜곡 경사도를 더욱 균일하게 만들기 위한 목적의 제1 개념을 다루는 출원을 개시한다. 이러한 문제점은 각각이 로프와 드럼 사이에 불연속적인 접촉 표면을 정의하는 두 개의 공동-침투(co-penetrating) 풀리를 이용하여 해결된다.
FR1105165는 더욱 큰 지름을 갖는 그루브가 높은 긴장 상태를 겪는 로프 섹션과 접촉하고 그 반대도 마찬가지이도록 로프를 따라 서로 다른 왜곡 상태에 적응되는 자신의 지름이 점진적으로 감소하거나 증가하는 원통형 그루브를 갖는 풀리를 포함하는, 제2 개념을 다루는 윈치의 레이아웃을 개시한다.
본 발명의 목적은, 더욱 높은 에너지 생산성 및 마찰 현상으로 인한 전력 손실의 감소를 지지하고, 로프 감소의 마모를 지지하는 고효율 윈치를 위한 향상된 풀리를 제공함으로써 전술된 종래기술의 문제점들을 해결하는 것이다.
본 발명의 전술된 목적들 및 장점들과 다른 목적들 및 장점들이, 아래의 설명으로부터 기인하는 바와 같이, 하나는 작업 부하에 접속되고 다른 하나는 최소 또는 눌 긴장(null tension)을 갖는 두 단말들 사이에 포함된 로프의 섹션과 접촉하며, 주변 지지부들로 형성된 연쇄(kinematic chain)를 포함하는 것으로 특징지어지는 청구항 제1항에 청구된 바와 같은 향상된 풀리를 이용하여 획득된다. 본 발명의 바람직한 실시예들 및 사소하지 않은 변형들은 종속항들의 주제사항이다.
모든 첨부된 청구항들은 본 명세서의 필수적인 부분인 것으로 의도된다.
(예를 들어, 형태, 크기, 배치 및 등가의 기능을 갖는 부분들에 관련된) 다수의 변형 및 수정이, 첨부된 특허청구범위로부터 나타나는 바와 같이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 기술된 바에 대해 이루어질 수 있음이 즉시 명백해질 것이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 비-제한적인 예로서 제공된 본 발명의 일부 바람직한 실시예들에 의해 더욱 잘 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 주변 지지부의 연쇄를 포함하는 로프에 접속된 풀리의 입체도(axonometric view);
도 2a, 2b 및 2c는 도 1의 풀리의 주변 지지부를 다루는, 세 개의 접속되고 인접한 연접식 메커니즘의 발전의 가로방향 도면;
도 3, 4, 6 및 7은 도 1의 풀리에 접속된 각각의 주변 지지부에 속한 구성요소들의 입체도;
도 5는 도 4의 구성요소의 전면도;
도 8은 도 1의 풀리의 전면도;
도 9는 도 8의 라인 Ⅸ-Ⅸ 상을 통과하는 평면에 따른 도 1의 풀리의 단면도;
도 10은 도 8에 속한 확대된 부분 X을 도시한 도면;
도 11은 도 9에 속한 확대된 부분 XI를 도시한 도면.
도 1을 참조하면, 유입 섹션(11)과 배출 섹션(12) 사이에 포함된 로프(1)의 적어도 하나의 섹션이 풀리(2)의 세 레볼루션(revolution)들에 의해 감긴다.
풀리(2)는 (도시되지 않은) 고효율 윈치에 접속된 (도시되지 않은) 섀프트(shaft)를 중심에 놓고 그와 협력하도록 사용되는 중심 홀(22)이 장착된 적어도 하나의 디스크(21)로 구성된다.
로프(1)의 유입 섹션(11) 및 배출 섹션(12)은 유입 섹션(11)에서의 최대 긴장 값(tension value) 및 배출 섹션(12)에서의 최소 또는 널(null) 긴장 값이 확립된 긴장 경사도에 따라 (도시되지 않은) 작업 부하 및 (도시되지 않은) 저장 디바이스에 각각 접속된다.
디스크(21)는 원주를 따라 균일하게 접속되고 분포된 주변 지지부들(3)로 형성된 연쇄에 의해 로프(1)의 코일들을 지지한다.
도 3 내지 7을 참조하면, 각 주변 지지부(3)는:
- 적어도 두 쌍의 부시 홀(bushed hole)(311, 312)이 하우징되는, U-형 단면을 가지고 돌출된 재료로부터 획득된 적어도 하나의 프레임(31);
- 단부에 포크(fork)(323, 324)가 배치된 핀(322)이 내부 축을 차지하는, 칼라-타입 익센트릭(collar-type eccentric)(321)으로 형성된 적어도 하나의 크랭크(32);
- 두 개의 부시 홀(331, 332)이 하우징된 적어도 하나의 로커-타입(rocker-type) 로드(33);
- 적어도 두 개의 부시 홀(341, 342)이 장착된 T-형 단면을 갖는 돌출된 재료로부터 획득된 적어도 하나의 접속 로드(34)로 구성된다.
도 8 내지 11을 참조하면, 각 주변 지지부(3)는 프레임(31)을 통해 디스크(21)의 주변부와 통합된다. 크랭크(32)는 핀(322)을 통해 프레임(31)에 접속되고, 이것은 동축 홀들(311)의 쌍 내에 키-인(keyed-in)된다. 로커-타입 로드(33)는 핀(35)을 통해 프레임(31)에 접속되고, 후자는 동축 홀들(312)의 쌍 및 홀(331) 내에 각각 키-인 된다. 접속 로드(34)는 홀(341) 내에 키-인된 익센트릭(321)을 통해, 그리고 홀(342) 및 홀(332) 내에 키-인된 핀(36)을 통해 각각 크랭크(32) 및 로커-타입 로드(33)에 접속된다.
크랭크(32)에 속한 포크(323, 324)는 (예를 들어, 도 5에서 인지될 수 있는 바와 같이) 핀(322) 축에 대해 직교하는 평면에 대해 소정의 오프셋 T를 가지고 기하학적으로 구성된다.
로프(1)는 각 접속 로드(34)의 후면 표면과의 접촉을 통해 풀리(2) 상의 세 레볼루션들에 의해 감긴다.
각 주변 지지부(3)는 (예를 들어, 도 10에서 인지될 수 있는 바와 같이) 각각 제1 인접 크랭크(32a)와 통합된 제1 포크(324a) 및 제2 인접 크랭크(32b)와 통합된 제2 포크(323b)를 이용해, 크랭크(32)와 통합된 포크들(323, 324)의 조합을 통해 두 인접한 지지부들에 운동학적으로 접속된다.
각 주변 지지부(3)는 칼라-타입 익센트릭(321), 로커-타입 로드(33) 및 접속 로드(34)를 포함하는 연접된 사변형(quadrilateral)에 운동학적으로 등가인 연접식 메커니즘이며, 후자는 로프(1)의 섹션들과 접촉한다.
주변 지지부들(3)로 구성되고 각 익센트릭(321)과 통합된 포크들(323, 324)을 통해 접속되는 연쇄는 로프(1)와 풀리(2) 사이의 비연속적인 접촉이 단부(11)와 단부(12) 사이에 포함된 로프(1)의 섹션을 따라 분리된 긴장 경사도를 만들 수 있게 한다.
주변 지지부들(3)로 구성되고 포크들(323, 324)을 통해 접속되는 연쇄는 또한 로프(1)와 풀리(2) 사이의 비연속적인 접촉을 이루는 것에 더하여, 상호 운동 법칙에 따라 (도시되지 않은) 적절한 액추에이터를 통해 액추에이트된 이동식 접촉을 이루는 것을 가능하게 한다.
각 주변 지지부(3)의 상호 운동은 인접하는 주변 지지부들(3)의 상호 운동에 대해 오프셋된다.
각 주변 지지부(3)의 포크들(323, 324) 사이의 오프셋은 0도와 360도 사이에 포함된 임의의 값을 갖는다.
주변 지지부들(3)로 형성된 연쇄와 연결된 풀리(2)는 몇몇 레볼루션들에 의해 풀리(2)의 주변부 상에 감긴 로프(1)의 긴장 경사도를 분리시키는 본 발명의 목적에 도달한다.
특히, 채택된 솔루션은:
- 주변 지지부들(3)과의 접촉이 존재하지 않는 로프의 각 섹션에 따른 긴장 경사도를 무효화하고;
- 각 접속 로드(34)의 접촉 표면에 의해 형성된 모선(generatrix)을 따라 로프(1)의 나선형 권선(winding)을 만들고;
- 익센트릭 로터(rotor) 및 접속 로드를 이용하여 획득된 바람직한 실시예와 같이, 연접된 사변형에 운동학적으로 등가인 메커니즘에 의해 각 주변 지지부(3)의 상호 및 오프셋 운동을 획득하는 것을 허용한다(도 2a, 2b 및 2c).
본 발명의 솔루션의 변형으로 간주되는 추가적인 배치들이 아래에 기술되었다.
각 주변 지지부(3)의 상호 및 오프셋 운동은 연접된 펜타래터럴(pentalateral) 디바이스에 운동학적으로 등가인 메커니즘에 의해 이루어지며, 이때 (도시되지 않은) 추가 로드가 추가의 조화 운동을 오버랩함으로써 대략 사각형 궤적을 수행하는 것을 허용한다.
연접된 펜타래터럴 디바이스에 운동학적으로 등가인 메커니즘은 (도시되지 않은) 5개의 로드들 중 2개가 베어링이 장착된 익센트릭 로터를 통해 역학적으로 제작되고, 익센트릭 로터는 독립적인 회전 속도 및 사전결정된 위상을 가지며, 이러한 독립적인 회전 속도들 중 하나는 바람직하게는 다른 것의 세 배인 타입이다.
평면 X-Z(도 9) 내에서 측정된 각각의 주변 지지부(3)의 반경 프로파일은 로프(1)를 따라 가변적인 긴장 경사도에 채택될 지수 함수를 거친다.
로프(1)의 섹션과 접촉하는 각각의 접속 로드(34)의 후면 표면은, (도시되지 않은) 원주식의 둥근 형태를 갖는 평면 X-Y(도 8) 내에서 측정된 프로파일을 가진다.
주변 지지부들(3)로 형성된 연쇄는 카르단 조인트(cardan joint) 또는 그 등가물에 의해 접속된다.
상호 운동은 캠(cam) 또는 역학적인 액추에이터에 의해 액추에이트될 수 있다.
상호 운동은 또한 전기 모터 또는 전자기 액추에이터에 의해 액추에이트될 수 있다.
상호 운동은 긴장된 동안에 높은 긴장을 갖는 부분(11), 또는 낮은 긴장을 갖는 부분(12)으로부터 로프(1)의 소정의 양을 저장하고 신속하게 해제할 수 있는 (도시되지 않은) 디바이스를 포함하는 윈치 내에서 이용된다.
상호 운동은 높은 긴장을 갖는 부분(11), 또는 낮은 긴장을 갖는 부분(12)으로부터 로프(1)의 긴장을 조정하고 제한할 수 있는 (도시되지 않은) 디바이스를 포함하는 윈치 내에서 이용된다.
주변 지지부들(3)이 장착된 적어도 하나의 풀리(2)로 구성된 윈치는, 하나의 레볼루션에 의해, 바람직하게는 세 레볼루션들에 의해 감긴 로프(1)를 지지하고 가이딩하며, 로프(1)는 낮은 긴장 상태(12)로 저장된다.
윈치는 주변 지지부들(3)이 장착된 n개의 풀리들(2)로 구성되고, 이러한 풀리들 중 적어도 두 개에 모터가 있다.
윈치는 주변 지지부들(3)이 장착된 4개의 모터가 있는 풀리들(2)로 구성되고, 풀리들(2)은 이상적인 직사각형의 꼭지점들 상에 배치된다.
윈치는 주변 지지부들(3)이 장착된 4개의 모터가 있는 풀리들(2)로 구성되고, 풀리들(2)은 비-상호 평행한 회전 축들을 따라 배치된다.

Claims (8)

  1. 윈치(winch)를 위한 향상된 풀리(pulley)(2)로서,
    상기 풀리는 작업 부하에 접속된 유입 섹션(11)과 최소 또는 널 긴장(null tension)을 갖는 배출 섹션(12) 사이에 포함된 로프(1)의 적어도 일 섹션과 접촉하고, 상기 향상된 풀리(2)는 주변 지지부들(3)로 형성된 연쇄(kinematic chain)를 포함하고, 상기 주변 지지부들(3)의 각각은 적어도 하나의 디스크(21)와 통합된 적어도 하나의 프레임(31), 적어도 하나의 크랭크(32), 적어도 하나의 로커-타입 로드(rocker-type rod)(33) 및 상기 로프(1)의 상기 섹션과 접촉하는 적어도 하나의 접속 로드(34)로 구성된 연접된 사변형이며,
    상기 주변 지지부들(3)의 각각은 제1 인접 크랭크(32a)와 통합된 제1 포크(fork)(324a) 및 제2 인접 크랭크(32b)와 통합된 제2 포크(323b)를 갖는 상기 크랭크(32)와 통합된 포크들(323, 324)의 조합을 통해 상기 인접한 주변 지지부들(3) 중 두 개에 접속되는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변 지지부들(3)의 각각은 상호 운동 법칙에 따라 모터를 통해 액추에이트되는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 크랭크(32)는 단부에 상기 포크들(323, 324)이 배치된 핀(322)에 의해 내부 축이 차지되는 칼라-타입 익센트릭(collar-type eccentric)(321)으로 구성되고, 상기 포크들(323, 324)이 상기 핀(322)의 상기 축에 대해 직교한 평면에 대해 오프셋(T)을 가지고 기하학적으로 구성되는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주변 지지부들(3)의 각각의 상호 및 오프셋 운동(reciprocal and offset motion)이 연접된 펜타래터럴(articulated pentalateral) 디바이스에 운동학적으로 등가인 메커니즘에 의해 이루어지는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연접된 펜타래터럴 디바이스를 구성하는 5개의 로드들 중 2개가 독립적인 회전 속도들 및 사전결정된 위상들을 갖는 익센트릭 로터들을 통해 역학적으로 제작되며, 상기 독립적인 회전 속도들 중 하나가 다른 속도들의 세 배인 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풀리(2)의 회전 축에 대해 평행한 평면 X-Z 내에서 측정된 상기 주변 지지부들(3)의 각각의 반경 프로파일이 상기 로프(1)를 따라 가변적인 긴장 경사도에 대해 채택될 지수 함수를 거치는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로프(1)의 섹션과 접촉하는 상기 접속 로드들(34)의 각각의 후면 표면은, 원주식의 둥근 형태를 가지고 상기 회전 축에 대해 직교한 평면 X-Y 내에서 측정된 프로파일을 갖는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주변 지지부들(3)로 형성된 연쇄가 카르단 조인트(cardan joint) 또는 그 등가물에 의해 접속되고/되거나, 상기 상호 운동은 캠(cam) 또는 역학적인 액추에이터, 전기 또는 전자기 액추에이터에 의해 액추에이트되는 것으로 특징지어지는, 윈치를 위한 향상된 풀리.
KR1020157033285A 2013-04-22 2014-03-26 고효율 윈치를 위한 향상된 풀리 KR102063685B1 (ko)

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