УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ШКИВ ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЛЕБЕДКИ
IMPROVED PULLEY FOR HIGH-EFFICIENT WINCH

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному шкиву для высокоэффективной лебедки типа, используемого для передачи механической энергии с помощью тяговых усилий, оказываемых на тросы, соединенные с подвижным грузом.
Высокоэффективная лебедка используется в нескольких применениях для подъема или перемещения груза, путем натягивания троса и передачи энергии посредством троса, который может быть смотан.
В последнее время применение лебедок для передачи энергии приобретает все большую важность в секторе управления энергией ветра, когда лебедки, присоединенные к генераторам переменного тока и установкам, генерирующим электроэнергию, используются для получения кинетической энергии от ветра и для преобразования производимой механической энергии в электрическую энергию.
Важным аспектом получения механической энергии при использовании веревок, соединенных с подвижными грузами, является эффективность ведущей лебедки, для которой: малые доли энергии вызывают большой нагрев ведущих шкивов и троса.
В процессе для получения энергии из ветра применяется использование тросов повышенной прочности. Натяжение троса создается путем подъема аэростата, летящего по поперечному ветру. Шкив или барабан, на который намотан трос, вращается благодаря силе разматывания, создаваемой самим тросом. Механическая энергия создается посредством комбинирования механического натяжения в тросе и скорости, с которой трос натягивается при разматывании со шкива.
Шкив или барабан, на который намотан трос, вращается благодаря силе разматывания, создаваемой самим тросом. В ходе этого процесса кинетическая энергия ветра сперва преобразуется в механическую энергию благодаря трению между тросом и контактной поверхностью шкива или барабана; затем она преобразуется в электрическую энергию с помощью генераторов переменного тока, соединенных с лебедкой.
В ходе преобразования возникают потери энергии, поскольку теплота, которая нагревает контактную поверхность шкива и повышает внутреннюю температуру троса, ухудшает механические свойства из-за перегрева.
Традиционные лебедки не подходят для передачи большого количества энергии из-за их низкой эффективности. В случае высокомощной лебедки, оборудованной тросами высокой прочности, даже небольшая часть потерянной мощности может быть критичной. Например, лебедка с эффектностью 97%, используемая для создания мощности 1,5 МВт, создает тепловой поток в 45 кВт, который должен быть подходящим образом рассеян для предотвращения перегрева троса. Вместе с потерями, создаваемыми подшипниками вращательных элементов, тепловой поток, в основном, создается силами трения между тросом и шкивом.
Трение внутри троса создается относительными перемещениями и разрушением различных нитей и плетений, составляющих трос, и геометрическими расположенными так, чтобы скрестись друг о друга. С другой стороны, трение между тросом и шкивом является необходимым ингредиентом, позволяющим лебедке извлекать энергию из троса, в то время как трение, зависящее от любых относительных перемещений между тросом и шкивом, должно быть снижено до минимума.
Конструкция высокоэффективной лебедки должна соответствовать двум концепциям: трос, перемещающийся вдоль лебедки, подвержен градиенту натяжения, связанному с градиентом разрушения в зависимости от природы материала, составляющего трос; трос, намотанный на шкив более чем на один оборот, при том, что шкив вращается относительно своей собственной продольной оси, обязательно должен перемещаться перпендикулярно направлению основной движущей силы, например, вдоль продольной оси шкива, для того, чтобы предотвратить перехлест участков троса с разной кривизной.
В документе WO 2011121272 описано решение, связанное с первой концепцией, задачей которого является более равномерный градиент разрушения, при этом трос становится менее напряженным и менее подверженным разрушающим воздействиям. Данная проблема решается с помощью двух связанных шкивов, каждый из которых образует прерывистую поверхность контакта между тросом и барабаном.
В документе FR 1105165 описана схема лебедки, связанная со второй концепцией, содержащая шкивы с цилиндрическими пазами, чей диаметр постепенно уменьшается или увеличивается для адаптации к различной степени разрушения вдоль троса, так, что паз с большим диаметром контактирует с участком троса, подверженным большей степени натяжения, и наоборот.
Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанных проблем предшествующего уровня техники, путем обеспечения усовершенствованного шкива для высокоэффективной лебедки, для получения большей энергопроизводительности и снижения потерь энергии из-за трения, и для снижения износа троса.
Вышеуказанные и прочие задачи и преимущества изобретения, как будет ясно из следующего описания, достигаются с помощью усовершенствованного шкива по пункту 1 формулы изобретения, который контактирует с участком троса между одним концом, соединенным с рабочей нагрузкой, и другим концом, соединенным с нагрузкой сопротивления, содержащему множество периферийный опор, упруго реагирующих по отношению к по меньшей мере одной главной его инерционной оси. Предпочтительные воплощения и нетривиальные варианты настоящего изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Все прилагаемые пункты формулы изобретения являются неотъемлемой частью настоящего описания.
Должно быть очевидно, что многочисленные варианты и модификации (например, в отношении размеров, форм, расположений и элементов с эквивалентной функциональностью) могут быть выполнены в описанном предмете, не нарушая пределов изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения.
Настоящее изобретение будет описано подробнее с помощью его предпочтительных воплощений, приведенных в виде не ограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фигура 1 изображает вид в перспективе шкива в соответствии с настоящим изобретением, соединенного с тросом;
- Фигуры 2 и 3 изображают виды в перспективе компонентов, принадлежащих каждой периферийной опоре, соединенной со шкивом с Фигуры 1;
- Фигура 4 изображает вид спереди шкива с Фигуры 1;
- Фигура 5 изображает вид в разрезе вдоль плоскости, проходящей по линии V-V с Фигуры 4;
- Фигура 6 изображает увеличенный фрагмент VI с Фигуры 4;
- Фигура 7 изображает увеличенный фрагмент VII c Фигуры 5;
- Фигура 8 изображает различные конфигурации a, b, c вдоль плоскости X-Z с Фигуры 5 соединения между элементами, принадлежащими каждой периферийной опоре, соединенной со шкивом с Фигуры 1;
- Фигура 9 изображает схему конфигураций a, b, c с Фигуры 8;
- Фигура 10 изображает комбинированную систему из нескольких шкивов типа, показанного на Фигуре 1;
- Фигура 11 изображает вид в перспективе периферийной опоры в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения;
- Фигура 12 изображает вид спереди периферийной опоры с предыдущей Фигуры;
- Фигура 13 изображает разрез вдоль линии XIII-XIII с Фигуры 12;
- Фигура 14 изображает вид сбоку рабочей схемы периферийной опоры с Фигуры 11;
- Фигура 15 изображает вид в перспективе призматической вставки, принадлежащей периферийной опоре с Фигуры 11;
- Фигура 16 изображает вид сбоку вставки с Фигуры 15;
- Фигура 17 изображает вид в перспективе периферийной опоры в соответствии с третьим воплощением настоящего изобретения;
- Фигура 18 изображает вид в перспективе фрагмента с предыдущей Фигуры;
- Фигура 19 изображает вид спереди периферийной опоры с Фигуры 17;
- Фигура 20 изображает разрез вдоль линии ХX-ХX с Фигуры 19;
- Фигура 21 изображает вид в перспективе варианта периферийной опоры с Фигуры 17; и
- Фигура 22 изображает вид в перспективе фрагмента с Фигуры 21.
Со ссылкой на Фигуру 1 можно отметить, что по меньшей мере один участок троса 1, между входным участком 11 и выходным участком 12, намотан на долю оборота вокруг шкива 2.
Шкив 2 состоит из диска 21, оборудованного центральным отверстием 22, используемым для центровки и соединения с валом (не показано), соединенным с высокоэффективной лебедкой (не показано).
На входном участке 11 и выходном участке 12 трос 1, соответственно, соединен с рабочим грузом (не показан) и устройством хранения (не показано) или другой нагрузкой сопротивления, в соответствии с градиентом натяжения, который определяет максимальное значение натяжения на входном участке 11 и минимальное или нулевое значение на выходном участке 12.
Предпочтительно, усовершенствованный шкив 2 в соответствии с настоящим изобретением для лебедки контактирует с по меньшей мере одним из таких участков троса 1 между входным участком 11, соединенным с рабочей нагрузкой, и выходным участком 12, соединенным с нагрузкой сопротивления, и содержит множество периферийных опор 3, 4, 5, 6, деформируемых в зависимости от изменения длины самого участка троса 1 из-за такого градиента натяжения.
Со ссылкой на Фигуры 1, 2 и 3 можно заметить, что диск 21 поддерживает участок троса 1 с помощью множества периферийных опор 3, равномерно расположенных вдоль окружности такого диска 21.
Каждая периферийная опора содержит:
- конструкцию 31, состоящую из по меньшей мере одного наконечника, сужающегося так, чтобы быть тонким и гибким относительно своей первой инерционной оси, толстой и жесткой относительно своей второй инерционной оси, и оборудованную на концах отверстиями 311 (скрыты) и 312;
- по меньшей мере одну призматическую вставку 32, содержащую поперечный паз 321 и глухое отверстие 322, имеющее подходящим образом зауженную дорсальную поверхность 323.
Со ссылкой на Фигуры с 4 по 7, можно отметить, что каждая периферийная опора 3 выполнена как одно целое с диском 21 с помощью наконечника 31. Наконечник 31 соединен с диском 21 с помощью шпильки 33, помещенной в отверстие 311 и в отверстие 23, выполненное на наружной окружной стенке диска 21 (как показано, например, на Фигуре 5). Призматическая вставка 32 соединена с наконечником 31 с помощью шпильки 34, помещенной в отверстие 312 и отверстие 322 (как показано, например, на Фигуре 7).
Трос 1 наматывается на долю оборота вокруг шкива 2 с помощью контакта с дорсальной поверхностью 323 каждой призматической вставки 32.
Со ссылкой на Фигуры 8 и 9 можно отметить, что каждая периферийная опора 3 может быть, соответственно, оборудована упругим элементом зацепления а, жестким элементом зацепления b, механизмом с, в соответствии со способом, которым соединяются наконечник 31 и призматическая вставка 32.
В соответствии с одним из вариантов такого первого воплощения настоящего изобретения каждая периферийная опора 3 упруго соединена с двумя смежными опорами с помощью бампера 35, 36, состоящего из цилиндрических винтовых пружин (как показано, например, на Фигуре 2), помещенных в соответствующие стенки каждой призматической вставки 32, тангенциально работающих в плоскости Х-У, перпендикулярной оси вращения шкива 2 (как показано, например, на Фигуре 4), таким образом, оснащая шкив 2 упругой цепью периферийных опор 3.
Всегда в соответствии с этим воплощением изобретения такой наконечник 31 состоит из по меньшей мере одного наклонного стержня, который может быть выпрямлен путем упругой деформации относительно его зацепленного конца.
Дорсальная поверхность 323 каждой призматической вставки 32 оборудована по меньшей мере одной окружной канавкой 327 для направления троса 1 (как показано, например, на Фигуре 7).
Второе воплощение настоящего изобретения описано ниже.
Со ссылкой на Фигуры 11-16 можно отметить, что диск 21 (не показан) поддерживает участок троса 1 (не показан) с помощью множества периферийных опор 4, равномерно распределенных вдоль окружности диска 21.
Диск 21 содержит периферийное кольцо, состоящее из цилиндрического пояса 24, окруженного фланцем 25, пересеченным рядом цилиндрических отверстий 251, равномерно расположенных на окружности, центрованной относительно оси вращения шкива 2.
Каждая боковая стенка 252, 253 такого фланца 25 содержит равномерно расположенные наборы пазов 254, состоящих из полукруглого участка, центрованного относительно такого цилиндрического отверстия 251 и перпендикулярного паре прямолинейных участков, выходящих из периферийной кромки такого фланца 25 (как показано, например, на Фигуре 14).
Каждая из таких периферийных опор 4 содержит:
- конструкцию 41, состоящую из наклонной, U-образной пары гармонических проводов, предназначенных для радиального выравнивания с помощью собственной упругой деформации относительно их собственных концов, зацепленных в каждом из таких пазов 254;
- призматическую вставку 42, ограниченную боковыми стенками 421, 422, содержащую пару прямоугольных пазов 423, предназначенных для вмещения конца таких подходящих заблокированных гармонических проводов 41.
Такие призматические вставки 42 представляют собой подвижные элементы, предназначенные для следования за удлинением участка троса 1, созданным градиентом натяжения, который развивается на участке от входа к выходу шкива 2.
Это возникает благодаря уменьшению относительной скорости скольжения между тросом 1 и такими призматическими вставками 42, при котором такое скольжение поддерживается в пределах максимального значения, ограниченного длиной арки, стягивающей дорсальную поверхность 424 каждой призматической вставки 42.
Призматические вставки 42 в контакте с тросом 1 через такую дорсальную поверхность 424 передают нагрузку на гармонические провода 41, зацепленные концами в указанные пазы 254, 423, способные деформироваться подобно балке круглого сечения, заделанной на концах с помощью двойного зацепления.
Благодаря нагрузке, передаваемой тросом 1, и в зависимости от наклона каждого гармонического провода 41, опирающегося на такую прямую линию 255, каждая призматическая вставка 42 перемещается в соответствии с траекторией, уходящей вдаль от центра шкива 2. Такая траектория обеспечивается комбинацией тангенциального перемещения и радиального перемещения.
В частности, сумма компонентов радиального перемещения каждой призматической вставки 42 может быть равна удлинению участка троса 1, намотанного вокруг шкива 2.
Отдельные призматические вставки 42, таким образом, перемещаются не только по окружности, но также в радиальном направлении, в зависимости от увеличения нагрузки, которой они подвергаются, создавая спиральную траекторию, увеличивающуюся в сечении в контакте с тросом и уменьшающуюся на свободном участке.
Каждая пара U-образных гармонических проводов 41, помещенных в такие пазы 254, 423, под нагрузкой, также имеет определенное отклонение, предназначенное для обеспечения призматической вставке 42 возможности вращения и перемещения, компенсируя относительное вращение относительно центра шкива, таким образом, гарантируя постоянное тангенциальное выравнивание такой дорсальной поверхности 424 с тросом 1, без уменьшения контактной поверхности и соответствующей силы сцепления.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией такого воплощения настоящего изобретения, шкив 2 состоит из 120 призматических вставок 42, указанные пазы 254 имеют наклон в 17,5° относительно радиуса окружности с центром, совпадающим с центром шкива 2.
С помощью набора таких призматических вставок 42 можно достичь конфигурации с минимальным радиусом, способным предотвратить разрушение шкива 2 под действием троса 1. В такой конфигурации с минимальным радиусом, передняя стенка 425 каждой призматической вставки 42 точно опирается на заднюю стенку 426 следующей призматической вставки 42, таким образом, создавая механический предохранительный ограничитель хода с нагрузками, превышающими ожидаемые.
В частности, такая передняя стенка 425 пересекается пазом 427, способным вмещать бампер 43, изготовленный из эластомерного материала.
Каждая периферийная опора 4 тангенциально соединена с двумя смежными опорами с помощью такого эластичного элемента 43 для того, чтобы сформировать эластичную цепочку.
Такие бамперы 43 позволяют поддерживать контакт между призматическими вставками 42, как на свободном участке шкива, после его отсоединения от троса 1, так и на нагруженном участке шкива 2, и позволяют постепенно изменять, без вибраций или ударов, конфигурацию шкива 2 в ходе такого отсоединения от троса 1.
В ненагруженном состоянии эти бамперы 43 позволяют противостоять предварительно нагруженному воздействию указанных гармонических проводов 41, слегка разделяя призматические вставки 42 и помогая достигнуть конфигурации с минимальным радиусом.
В нагруженном состоянии указанные бамперы 43 обеспечивают возможность перемещения вдаль и радиального перемещения призматических вставок 42.
Предварительная нагрузка гармонических проводов 41 достигается с помощью расхождения примерно на 2° между пазом 423 в призматической вставке 42 и прямоугольным участком паза 254 во фланце 25.
Указанная призматическая вставка 42 может быть покрыта, на своей дорсальной поверхности 424, контактирующей с тросом 1, эластомерным материалом или может полностью состоять из такого материала, что позволяет увеличить коэффициент трения между призматической вставкой 42 и тросом 1. Таким образом, гарантировано состояние сцепления и, благодаря собственному искажению, минимальное растяжение, которое трос 1 в любом случае развивает на отдельной призматической вставке 42, восстанавливается.
Третье воплощение настоящего изобретения описано ниже.
Со ссылкой на Фигуры 17-20, можно отметить, что диск 21 (не показан) поддерживает участок троса 1 (не показан) с помощью множества периферийных опор 5, равномерно распределенных по окружности диска 21.
Диск 21 содержит периферийное кольцо, состоящее из цилиндрического пояса 26, окруженного фланцем 27, пересеченным рядом цилиндрических отверстий 271, равномерно расположенных на окружности с центром на оси вращения шкива 2.
Каждая боковая стенка 272, 273 такого фланца 27 содержит равномерно распределенный набор пазов 274, предназначенных для ограничения углового шага каждой из таких периферийных опор 3 с помощью упора 275, наклоненного на определенный угол относительно радиуса, проходящего через центр шкива 2 (как показано, например, на Фигуре 17).
Каждая из таких периферийных опор 5 содержит:
- конструкцию 51, состоящую из наклонной пары соединительных стержней, которые могут быть радиально выровнены путем вращения относительно своих собственных зацепленных концов в отверстии 271 с помощью шпильки 511 и прижаты к такому упору 275 с помощью упругой пружины 512, работающей вдоль оси указанной шпильки 511;
- призматическую вставку 52, имеющую шпильку 521, соединенную со свободным концом указанных соединительных стержней 51.
Такие призматические вставки 52 работают подобно призматическим вставкам 42, позволяя обеспечить такое же удлинение участка троса 1, намотанного на шкив 2.
Такие соединительные стержни 51, наклонные относительно радиального направления, могут вращаться относительно их собственных центров вращения вдоль указанной шпильки 511, под действием натяжения троса, что позволяет призматическим вставкам 52 перемещаться, увеличивая расстояние от центра шкива, таким образом, соответствуя удлинению троса.
Ось вращения такой шпильки 521 расположена над точкой контакта троса 1 с соответствующей дорсальной поверхностью 524 указанной призматической вставки 52. Благодаря этому вращение призматической вставки 52 под давлением троса 1 возникает путем поддержания постоянной длины участка троса 1 в контакте с указанной дорсальной поверхностью 524.
Противодействующее растяжению действие троса достигается благодаря жесткости указанных предварительно нагруженных упругих пружин 512.
Указанная периферийная опора 5 содержит пару бамперов 53, предназначенных для осуществления тех же функций, что и бамперы 43.
Со ссылкой на Фигуры 21 и 22 можно отметить, что один из вариантов указанного воплощения настоящего изобретения заключается в периферийной опоре 6, содержащей предварительно нагруженную упругую пружину 612, работающую вдоль оси шпильки 613, помещенной в удаленной точке пары соединительных рычагов 61, создавая условие для возникновения упругой нелинейной реакции, но увеличивая в ходе вращения такого соединительного стержня 61 относительно шпильки 611.
Призматическая вставка 62 содержит дорсальную поверхность 624 строго аркообразной формы, оборудованную отверстиями, предназначенными для повышения сцепления с тросом 1.
Бампер 63, состоящий из эластомерного материала, прикреплен к указанной призматической вставке 62 с помощью винта.
Множество периферийных опор 3, 4, 5, 6, образуют непостоянный контакт между тросом 1 и шкивом 2, способный сделать градиент натяжения изменяющимся вдоль участка троса 1 между концами 11 и 12.
Шкив 2, соединенный с множеством периферийных опор 3, 4, 5, 6 выполняет задачу изобретения благодаря обеспечению изменяющегося градиента натяжения троса 1, намотанного на окружность шкива 2.
В частности, адаптированные решения позволяют привести к нулю градиент натяжения вдоль участка троса, не контактирующего с периферийными опорами 3, 4, 5, 6.
Радиальный профиль каждой периферийной опоры 3, 4, 5, 6, измеренный в плоскости X-Z (как показано, например, на Фигуре 5), подвергается экспоненциальной функции для адаптации к градиенту натяжения, изменяемому вдоль троса 1.
Каждая периферийная опора 3, 4, 5, 6 может быть соединена с датчиком нагрузки, который измеряет статус искажения и рассчитывает линию нагрузки, создаваемой тросом 1.
Упругое поведение, проявляемое периферийными опорами 3, 4, 5, 6 на шкиве 2, используется в лебедке, содержащей устройство (не показанное), способное запасать и быстро освобождать, в ходе ее натяжения, определенное количество троса 1 с части 11 с высоким натяжением или части 12 с малым натяжением.
Такое упругое поведение применяется в лебедке, содержащей устройство (не показано), способное регулировать и ограничивать натяжение троса 1 с части 11 с высоким натяжением на часть 12 с низким натяжением.
Лебедка, состоящая по меньшей мере из одного шкива 2, оборудованного периферийными опорами 3, 4, 5, 6, поддерживает и направляет трос 1, намотанный путем вращения, при этом трос 1 находится в слабо натянутом состоянии.
Лебедка состоит из n шкивов 2, оборудованных периферийными опорами 3, 4, 5, 6, по меньшей мере два из указанных шкивов приводятся в действие мотором.
Лебедка состоит из четырех шкивов 2 с приводом от мотора, оборудованными периферийными опорами 3, 4, 5, 6, указанные шкивы 2 расположены на вершинах правильного прямоугольника (например, как показано на Фигуре 10).
Лебедка состоит из четырех шкивов 2 с приводом от мотора, оборудованных периферийными опорами 3, 4, 5, 6, указанные шкивы 2 расположены вдоль осей вращения, которые не параллельны друг другу.