KR101011508B1 - 수문 개폐용 유압실린더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수문 개폐용 유압실린더에 관한 것으로, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되어 이루어진 세라믹 분말, 산화크롬(Cr2O3) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 이산화티타늄(TiO2) 분말, 산화이트륨(Y2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말(chromium carbide 75%, nickel 20%, chromium 5%) 중, 어느 한 종류의 분말이 10∼44㎛의 분말입도를 갖도록 구비되며, 상기의 분말입도를 갖는 분말이 실린더로드의 둘레에 용사되어 이루어진 코팅층; 상기 코팅층의 둘레에 도포된 실링재;를 포함하여 이루어진다.
따라서, 해수의 영향에 빈번히 노출되는 실린더로드의 둘레에 내산화성이 뛰어난 코팅층이 형성되므로 실린더로드가 산화되는 것이 방지되고, 실린더로드의 산화 방지에 의해 안전사고가 예방되며, 결국 유압실린더의 수명이 연장되어서 유지 보수비가 절감되는 효과가 있다.
세라믹, 크롬니켈, 코팅층, 산화크롬, 이산화티타늄, 산화알루미늄, 산화이트륨, 지르코니아

Description

수문 개폐용 유압실린더{Hydraulic cylinder for floodgate opening and shutting}
본 발명은 수문 개폐형 유압실린더에 관한 것으로, 실린더로드에 녹발생을 방지하고, 대용량의 실린더튜브를 간단하게 제조하며, 실린더튜브 내부의 기밀을 확실하게 유지시킬 수 있을 뿐 아니라, 실린더로드의 작동 거리를 정확하게 측정할 수 있는 수문 개폐용 유압실린더에 관한 것이다.
일반적으로 수문 시스템은 댐이나 하천제방, 방조제, 저수지 등의 담수설비 또는 저수설비의 수로 상에 설치되어 배수량 조절 및 역류를 방지함으로써 담수율 또는 저수율을 인위적으로 조절하며, 홍수로 인한 설비 구조물의 안정성을 보장할 수 있도록 한 설비이다.
이러한 수문 시스템의 구성은 수문과 그 수문을 승강시키는 권양장치로 구분된다. 수문을 개방할 때에는 수동이나 전동으로 권양장치를 구동시켜서 수문 중앙이나 양측에 연결된 래크바를 상승시키며, 이에 따라 수문을 들어 올려 수로의 방출로를 개방한다. 수문을 폐쇄할 때에는 상승된 수문이 자중에 의해 하강되도록 한다. 즉, 수문이 상승된 상태에서는 권양장치의 브레이크수단이 작동하여서 피니언 의 역회전을 방지시키므로 상승된 수문을 지지하다가, 수문이 하강될 때에는 브레이크수단이 해제되며 이에 따라 자중에 의해 수문이 하강되면서 수로의 방출로를 폐쇄시킨다. 이러한 수문 시스템의 수문은 수문 양측에 대향된 가이드레일을 따라 승강되면서 수로의 방출로를 개폐한다.
이러한 수문 개폐장치는 권양장치의 구조가 복잡하여서 그 조립이 어렵고, 설치된 상태의 크기가 매우 커서 많은 공간을 차지하게 된다. 또한, 종래의 수문 개폐장치는 다수의 부품들로 이루어지기 때문에 점검 및 보수 작업이 그만큼 번거롭고, 사용 수명 또한 짧아서 유지 보수에 많은 어려움이 뒤따르며, 이에 따라 필요 이상으로 막대한 보수 비용이 지출된다. 그리고 작동시 권양장치의 많은 부품들이 외부로 노출되므로 그만큼 안전사고가 증가하게 된다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 유압실린더를 이용한 수문 개폐장치가 개발되어 사용되고 있다. 종래의 유압실린더를 이용한 수문 개폐장치는 구조가 매우 간단하여서 적은 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 수문 개폐장치의 설비비가 절감되며 사용이 매우 간단하다.
그런데 이러한 수문 개폐용 유압실린더는, 주요 부품인 실린더로드가 해풍에 빈번하게 노출되므로 녹이 발생한다. 유압실린더의 실린더로드는 실린더의 내주면에 접촉하면서 왕복이송하는 부품으로서 유압실린더에서 중요한 역할을 수행하며, 이러한 실린더로드의 둘레에 발생된 녹은 유압실린더에 있어서 치명적이다.
이러한 실린더로드의 산화는 유압실린더의 수명을 급격하게 저하시키고, 실린더로드를 취약하게 하여 안전사고를 발생시키기도 하며, 결국 고가의 유압장비를 교체함에 따른 유지 보수비의 증가를 초래하게 된다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 실린더로드에 녹발생을 방지하도록 한 수문 개폐용 유압실린더를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 대용량의 실린더튜브를 간단하게 제조할 수 있도록 한 수문 개폐용 유압실린더를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 단위실린더튜브들 사이의 이음부위를 강화시킬 수 있도록 한 수문 개폐용 유압실린더를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 실린더튜브 내부의 기밀을 확실하게 유지시킬 수 있도록 한 수문 개폐용 유압실린더를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 실린더로드의 작동 거리를 정확하게 측정할 수 있도록 한 수문 개폐용 유압실린더를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수문 개폐용 유압실린더는, 실린더튜브; 상기 실린더튜브의 일단에 결합되는 제1튜브캡; 상기 실린더튜브의 타단에 결합되는 제2튜브캡; 일단이 상기 실린더튜브의 내부에 위치되고 타단이 상기 제2튜브캡의 외측으로 인출되는 실린더로드; 내주면이 상기 실린더로드의 일단 둘레에 결합되고 외주면이 상기 실린더튜브의 내부면에 밀착되며 제1피스톤 및 제2피스톤으로 이루어진 피스톤; 제1피스톤 및 제2피스톤의 둘레에 결합되고 외주면이 상기 실린더튜브의 내주면에 밀착되는 연결링; 상기 제2튜브캡 및 실린더로드 사이에 결 합되는 보조캡; 상기 제1피스톤, 제2피스톤, 연결링의 외주면들과 상기 실린더튜브의 내주면에 각각 삽입되어서 이들 사이의 기밀을 유지하는 웨어링들; 상기 제1피스톤, 제2피스톤 및 연결링의 사이와, 상기 실린더로드 및 제2피스톤의 사이와, 상기 보조캡 및 제2튜브캡의 사이에 각각 삽입되는 오링들; 상기 제1피스톤, 제2피스톤 및 실린더튜브의 사이와 실린더로드 및 보조캡의 사이에 삽입되며, 단면이 V자 또는 U자 형상으로 형성된 패킹들; 상기 실린더로드 및 보조캡의 사이에 삽입되어서 외부의 이물질이 상기 실린더튜브의 내측으로 유입되는 것을 차단하는 더스트와이퍼; 산화크롬(Cr2O3) 96∼98% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되어 이루어진 세라믹 분말, 산화크롬(Cr2O3) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 이산화티타늄(TiO2) 분말, 산화이트륨(Y2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말(chromium carbide 75%, nickel 20%, chromium 5%) 중, 어느 한 종류의 분말이 10∼44㎛의 분말입도를 갖도록 구비되며, 상기의 분말입도를 갖는 분말이 실린더로드의 둘레에 용사되어 이루어진 코팅층; 금속계 유리 석영 계통으로 이루어진 무수크롬산(CrO3)으로 이루어지며, 상기 코팅층의 둘레에 0.3∼0.5㎛의 두께로 도포되는 실링재; 상기 제1튜브캡의 외측면에 설치되고 상기 실린더로드의 단부에 연결되어서 상기 실린더로드가 상기 실린더튜브 내에서 작동되면 그 작동거리를 측정하여서 수문의 개폐정도를 측정하는 포지션센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 수문 개폐용 유압실린더의 다른 특징은, 상기 실린더튜브는, 인장강 도 480∼500 N/mm2, 항복점 330∼340 N/mm2를 갖는 강판을 절단하고, 절단된 강판을 롤링 및 밴딩 가공하며, 롤링 및 밴딩 가공된 강판을 용접하여서 단위실린더튜브를 만들고, 상기 단위실린더튜브를 필요한 실린더튜브의 길이만큼 연결하여 용접하여서 이루어진다.
본 발명 수문 개폐용 유압실린더의 또 다른 특징은, 상기 실린더튜브는, 절단된 상기 강판을 롤링 및 밴딩 가공하여서 그 양단을 맞대면 대응 단부들이 서로 맞물리도록 절단된 강판의 양단부에 그 길이방향을 따라 연속된 형태의 요철들이 형성된다.
본 발명 수문 개폐용 유압실린더의 또 다른 특징은, 상기 코팅층은, 상기 실린더로드의 둘레에 50∼600㎛의 두께로 이루어지고, 경도는 900∼1000HV, 표면조도는 0.1∼0.3㎛를 유지하도록 플라즈마 코팅된다.
본 발명 수문 개폐용 유압실린더의 또 다른 특징은, 상기 코팅층은, 상기의 분말가루들 중 선택된 한 종류의 분말가루와 14000℃의 가스를 마하 2정도의 속도로 상기 실린더로드의 둘레에 제트분사하여서 이루어지며, 가열된 상기 실린더로드의 변형이 방지되도록 상기 실린더로드가 냉각장치로 냉각되어서 150∼200℃의 온도를 유지하도록 된다.
본 발명 수문 개폐용 유압실린더의 또 다른 특징은, 상기 포지션센서는, 상기 제1튜브캡의 외주면에 결합되는 메인하우징과, 상기 메인하우징에 회전가능하도록 결합되는 로테이션샤프트와, 상기 메인하우징의 일측에 설치되고 상기 로테이션 샤프트의 일단에 결합되어서 회전된 상기 로테이션샤프트를 역회전시키는 스프링과, 상기 메인하우징의 타측에 설치되고 상기 로테이션샤프트의 타단에 결합되어서 상기 로테이션샤프트를 회전시키는 와이어캡스턴과, 일측이 상기 와이어캡스턴의 둘레에 권취되고 타단이 상기 실린더로드의 단부에 연결되어서 상기 실린더로드가 전진하면 상기 와이어캡스턴을 회전시키는 와이어와, 상기 와이어의 타단에 연결되고 상기 실린더로드의 단부에 결합되는 와이어셋과, 상기 와이어캡스턴의 둘레를 감싸도록 상기 메인하우징의 타측에 결합되는 메인하우징캡과, 일단이 상기 와이어캡스턴에 결합되어서 이와 함께 회전되고 타단이 상기 메인하우징캡의 외측으로 인출되는 엔코더어댑터와, 상기 메인하우징캡의 외주면에 결합되고 상기 엔코더어댑터에 연결되어서 상기 와이어캡스턴의 회전수를 감지하여 상기 실린더로드의 전후진 거리를 측정하는 엔코더로 이루어진다.
이상에서와 같은 본 발명은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되어 이루어진 세라믹 분말, 산화크롬(Cr2O3) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 이산화티타늄(TiO2) 분말, 산화이트륨(Y2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말(chromium carbide 75%, nickel 20%, chromium 5%) 중 어느 한 종류의 분말이 실린더로드의 둘레에 용사되어서 코팅층이 형성된다. 따라서 해수의 영향에 빈번히 노출되는 실린더로드의 둘레에 내산화성이 뛰어난 코팅층이 형성되므로 실린더로드가 산화되는 것이 방지되고, 실린더로드의 산화 방지에 의해 안전사고가 예방되며, 결국 유압실린더의 수명이 연장되어서 유지 보수비가 절감되는 효과가 있다.
본 발명의 실린더튜브는, 강판을 절단하고 절단된 강판을 롤링 및 밴딩 가공하며 롤링 및 밴딩 가공된 강판을 용접하여서 단위실린더튜브를 만든 후, 이 단위실린더튜브를 필요한 실린더튜브의 길이만큼 연결하여 용접하여서 이루어진다. 따라서 대용량의 실린더튜브가 상술한 방법으로 비교적 간단히 제조되므로 유압실린더의 제조단가를 크게 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명의 실린더튜브는, 절단된 강판을 롤링 및 밴딩 가공하여서 그 양단을 맞대면 대응 단부들이 서로 맞물리도록 절단된 강판의 양단부에는 그 길이방향을 따라 연속된 형태의 요철들이 형성되어 있다. 따라서 강판의 양단에 형성된 요철들에 의해 롤링 및 밴딩된 강판의 양단이 맞물리면서 서로 지지되므로 이음부위의 용접을 원활하게 할 수 있다. 또한 요철들은 양단부의 접촉면적을 증대시키는 역할을 수행하며, 그 접촉면적이 서로 지그재그 형태로 배열되도록 한다. 따라서 피스톤이 실린더튜브의 내부를 왕복이송하면서 이음부위에 압력을 가하여도 가해진 압력이 요철의 여러 접촉면들에 분산되고, 분산된 압력이 한 방향으로 작용하는 것이 아니라 지그재그 형태의 접촉면들을 따라 지그재그 형태로 분산된다. 이러한 실린더튜브는 내부에 피스톤 압이 작용하여도 이음부위가 쉽게 파손되지 않도록 한다.
이러한 본 발명은, 제1피스톤, 제2피스톤, 연결링의 외주면들과 실린더튜브의 내주면에 각각 웨어링들이 삽입되어서 이들 사이의 금속 접촉 방지와 피스톤을 정밀하게 가이드하는 역할을 수행하고, 제1피스톤, 제2피스톤 및 연결링의 사이와 실린더로드 및 제2피스톤의 사이와 보조캡 및 제2튜브캡의 사이에 각각 오링들이 삽입되어서 이들을 확실하게 고정시키며, 제1피스톤, 제2피스톤 및 실린더튜브의 사이와 실린더로드 및 보조캡의 사이에 단면이 V자 또는 U자 형상으로 형성된 패킹들이 삽입되어서 순간적 고압, 충격하에서의 누유를 방지한다. 따라서 웨어링, 오링, 패킹들이 피스톤, 실린더로드, 실린더튜브 사이에 3중 시일 구조를 갖도록 삽입되어서, 피스톤 및 실린더로드가 실린더튜브 내에서 원활히 가이드되도록 하며, 유압의 누출을 방지하므로 유압실린더의 작동 효율을 크게 향상시키게 된다.
본 발명의 유압실린더는, 실린더로드의 단부에 연결되도록 제1튜브캡의 외측면에 포지션센서가 설치된다. 따라서 실린더로드가 실린더튜브 내에서 작동되면 와이어가 와이어캡스턴으로부터 인출되거나 권취되며, 엔코더가 이를 감지하여서 실린더로드의 작동거리를 측정하므로 수문의 개폐정도를 측정하게 된다. 그러므로 유압실린더의 포지션센서에 의해 실린더로드의 작동 거리를 정확하게 측정할 수 있으며, 이에 따라 수문의 개폐정도를 정확하고 간편하게 파악할 수 있다.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 수문 개폐용 유압실린더를 보인 개략적 단면도이고, 도 2a 내지 도 2e는 실린더튜브의 제조과정을 순차적으로 보인 개략적 사시도들이며, 도 3은 유압실린더의 실린더로드를 발췌한 측면도이다. 도 4는 유압실린더의 일단에 포지션센서가 설치된 상태를 보인 개략적 부분 절개 사시도이고, 도 5는 포지션센서의 분해 사시도이다.
이러한 본 발명의 수문 개폐용 유압실린더는, 실린더튜브(10)가 구비된다. 이 실린더튜브(10)는 중량의 수문을 개폐시키기 위해 매우 크게 형성된다. 이러한 큰 크기의 실린더튜브(10)는 도 2a 내지 도 2e에 도시한 바와 같이 제조된다.
먼저, 인장강도 490N/mm2, 항복점 335N/mm2의 용접구조용 강판(11)을 선정한다. 그리고 준비된 강판(11)을 도 2a에 도시한 바와 같이 필요한 크기로 절단한다. 절단된 강판(11)을 도 2b와 같이 롤링 및 밴딩 가공한다. 롤링 및 밴딩 가공된 강판(11)을 도 2c와 같이 용접(12)하여서 단위실린더튜브(13)를 만든다. 다수의 단위실린더튜브(13)들을 제조한 후 도 2d와 같이 실린더튜브(10)의 길이만큼 단위실린더튜브(13)들을 연결하여 용접한다. 그리고 도 2e와 같이 실린더의 용도에 따라 실린더튜브(10)의 둘레에 플랜지 및 원통형(Trunnion) 부품을 용접한다.
한편, 실린더튜브(10)는, 절단된 강판(11)을 롤링 및 밴딩 가공하여서 그 양단을 맞대면 대응 단부들이 서로 맞물리도록 절단된 강판(11)의 양단부에는 그 길이방향을 따라 연속된 형태의 요철(14)들이 형성되어 있다.
따라서 강판(11)의 양단에 형성된 요철(14)들에 의해 롤링 및 밴딩된 강판(11)의 양단이 맞물리면서 서로 지지되므로 이음부위의 용접을 원활하게 할 수 있다.
또한 요철(14)들은 양단부의 접촉면적을 증대시키는 역할을 수행하며, 그 접 촉면적이 서로 지그재그 형태로 배열되도록 한다. 따라서 피스톤(50)이 실린더튜브(10)의 내부를 왕복이송하면서 이음부위에 압력을 가하여도 가해진 압력이 요철(14)의 여러 접촉면들에 분산되고, 분산된 압력이 한 방향으로 작용하는 것이 아니라 지그재그 형태의 접촉면들을 따라 지그재그 형태로 분산된다. 그러므로 실린더튜브(10)의 내부에 피스톤(50) 압이 작용하여도 용접부위가 쉽게 파손되지 않도록 한다.
실린더튜브(10)의 양단에는 각각 제1튜브캡(20)과, 제2튜브캡(30)이 결합된다.
실린더튜브(10)에는 그 내부를 따라 슬라이드되도록 실린더로드(40)가 결합된다. 이 실린더로드(40)는, 일단이 실린더튜브(10)의 내부에 위치되고 타단이 제2튜브캡(30)의 외측으로 인출되어 있다.
실린더튜브(10)의 내부에 위치한 실린더로드(40)의 단부에는 피스톤(50)이 결합되어 있다. 이 피스톤(50)은, 내주면이 실린더로드(40)의 일단 둘레에 결합되고 외주면이 실린더튜브(10)의 내부면에 밀착되며 제1피스톤(51) 및 제2피스톤(52)으로 이루어진다.
제1피스톤(51) 및 제2피스톤(52)의 둘레에는 외주면이 실린더튜브(10)의 내주면에 밀착되도록 연결링(60)이 결합되어 있다.
제2튜브캡(30) 및 실린더로드(40) 사이에는 보조캡(70)이 결합되어 있다.
제1피스톤(51), 제2피스톤(52), 연결링(60)의 외주면들과 실린더튜브(10)의 내주면에는 이들 사이의 기밀을 유지하도록 웨어링(80)들이 각각 삽입되어 있다. 이 웨어링(80)은, 메탈 콘택트 방지와 피스톤(50)을 정밀하게 가이드하는 역할을 수행한다.
제1피스톤(51), 제2피스톤(52) 및 연결링(60)의 사이와, 실린더로드(40) 및 제2피스톤(52)의 사이와, 보조캡(70) 및 제2튜브캡(30)의 사이에는 오링(90)들이 각각 삽입되어 있다. 이 오링(90)은 결합된 부품들을 견고히 고정시키는 역할을 수행한다.
제1피스톤(51), 제2피스톤(52) 및 실린더튜브(10)의 사이와 실린더로드(40) 및 보조캡(70)의 사이에는 각각 패킹(100)들이 삽입되어 있다. 이 패킹(100)들은 순간적 고압, 충격하에서의 누유를 방지하는 역할을 수행한다. 패킹(100)들은, 단면이 V자 또는 U자 형상으로 형성되고, 단면이 V자 또는 U자 형상의 패킹들이 여러개 겹쳐지도록 설치되며, 패킹(100)들의 최외측에는 다수의 패킹(100)들을 지지하도록 마감링들이 결합된다.
실린더로드(40) 및 보조캡(70)의 사이에는 실린더로드(40)의 전후진시 외부의 이물질이 실린더튜브(10)의 내측으로 유입되는 것을 차단하도록 더스트와이퍼(110)가 삽입된다.
이러한 웨어링(80), 오링(90), 패킹(100), 더스트와이어(145)의 재질로는 NBR(Nitrile Rubber)나 PTFE (Polytetrafluoroethylene)가 적합하다. NBR(Nitrile Rubber)는 내유성, 내마모성이 우수하고 고온에 약하며 가격이 저렴하다. PTFE (Polytetrafluoroethylene)는, 내열성, 내약품성이 대단히 우수하고, 자기 윤활성을 지니며 마찰계수가 매우 적은 반면에, NBR에 비해 가격이 2∼3배 비싼 단점이 있다.
이러한 특성을 갖는 NBR과 PTFE를 7 : 3의 비율로 혼합하여 시일들을 제조하여 사용한 결과 최적의 조건을 얻을 수 있었다. NBR의 전체 혼합비율이 7을 초과할 경우, 실링들의 제조가격이 절감되는 효과가 있으나, 고온에 약한 특성이 여전하였다. PTFE의 혼합비율이 3을 초과할 경우, 실링들의 제조단가가 크게 상승되는 반면에 내열성, 내약품성의 향상은 PTFE의 혼합비율이 3일 경우보다 크게 증가하지 않았다. 따라서 NBR과 PTFE를 7 : 3의 비율로 혼합하여 시일들을 제조할 경우, 시일들이 갖추어야 할 최적의 조건들이 충족되면서 경제적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
실린더로드(40)의 둘레에는 코팅층(120)이 형성된다. 실린더로드(40)에 세라믹 코팅을 하는 이유는 해수에 의한 부식 방지가 주 목적이다. 세라믹 코팅은 크롬도금 또는 니켈크롬도금에 비해 내부식성, 내스크래치성, 내마모성, 내충격성 및 내구성이 뛰어나다.
실린더로드(40)는 소재가공공정, 열처리공정, 최종가공공정, 코팅공정 및 연마공정 순서로 나누어지며, 코팅고정은, 가공된 실린더로드(40)의 샌드블라스팅(Sand Blasting)작업, 클리닝(cleaning)작업을 수행한 후 그 둘레에 코팅층(120)을 형성시킨다.
이 코팅층(120)은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되어 이루어진 세라믹 분말, 산화크롬(Cr2O3) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 이산화티타늄(TiO2) 분말, 산화이트륨(Y2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말(chromium carbide 75%, nickel 20%, chromium 5%) 중 어느 한 종류의 분말이 실린더로드(40)의 둘레에 용사되어 이루어진다.
산화크롬(Cr2O3)은, 금속 내부로 침입하는 산소를 차단시키는 부동태피막(Passivity Layer)의 역할을 함으로써 녹이 잘 슬지 않도록 하는 역할을 한다.
이산화티타늄(TiO2)은, 물리화학적으로 매우 안정적이고 은폐력이 높아서 백색안료로 많이 된다. 또한 굴절율이 높아서 고굴절율의 세라믹스에도 많이 이용되고 있다. 그리고 광촉매적 특성과 초친수성의 특성을 갖는다. 이산화티타늄(TiO2)은, 공기정화 작용, 항균작용, 유해물질 분해작용, 오염방지 기능, 변색 방지기능의 역할을 수행한다. 이러한 이산화티타늄(TiO2)은, 코팅층(120)이 실린더로드(40)의 둘레에 확실하게 피복되도록 하며, 실린더로드(40)에 부착된 이물질을 분해, 제거하여 실린더로드(40)의 손상을 방지시킨다.
여기서, 산화크롬(Cr2O3)과 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여서 사용할 경우, 이들의 혼합 비율은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98%에 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되는 것이 바람직하다.
산화크롬(Cr2O3)의 혼합비율이 96∼98%보다 적을 경우, 고온 등의 환경에서 산화크롬(Cr2O3)의 피복이 파괴되는 경우가 종종 발생되었으며, 이에 따라 실린더로 드(40)의 녹방지 효과가 급격이 저하되었다.
이산화티타늄(TiO2)의 혼합비율이 2∼4%보다 적을 경우, 이를 산화크롬(Cr2O3)에 혼합하는 목적이 퇴색될 정도로 이산화티타늄(TiO2)의 효과가 미미하였다. 즉, 이산화티타늄(TiO2)은 실린더로드(40)의 둘레에 부착되는 이물질을 분해, 제거하여서 실린더로드(40)가 부식되거나 손상되는 것을 방지시키는데, 그 혼합비율이 2∼4%보다 작을 경우, 부착된 이물질을 분해하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
산화알루미늄(Al2O3)은, 실린더로드(40)의 둘레에 코팅층(120)으로 형성될 경우, 그 피막이 고르고 빈틈이 없어 실린더로드(40)의 둘레를 확실하게 보호한다. 이러한 산화알루미늄(Al2O3)의 녹는점은 2050℃로 매우 높아서 고온에서 실린더로드(40)를 보호하며, 산화방지에 큰 효과가 있다. 따라서 실린더로드(40)에 코팅된 산화알루미늄(Al2O3)은, 해수나 공기가 실린더로드(40)의 둘레에 접촉되는 것을 차단하여서 실린더로드(40)가 산화되지 않도록 방지한다.
산화이트륨(Y2O3)은, 내열성이나 내고온 산화성, 내식성이 우수하며 플라즈마 에칭 분위기 속에 있더라도 내플라즈마 부식성을 발휘하는 점에서 용사 코팅에 적합하다.
지르코니아(ZrO2)는, 높은 용융온도(약 2,700℃)를 갖는 내열성 재료로서 이외에도 낮은 열전도도, 산성에서 알카리성 영역까지의 넓은 내화학안정성을 가지며 낮은 열 팽창성, 고강도 및 고경도(7.0이상의 모오스 경도)의 내마찰성 등 우수한 재료적 특성을 가지고 있다.
크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말은, 크롬 카바이드(chromium carbide) 75%, 니켈(nickel) 20%, 크롬(chromium) 5%가 혼합되어서 이루어진다.
이러한 재료들 중 선택된 하나의 종류로 이루어진 코팅층(120)은, 실린더로드(40)의 둘레에 50∼600㎛의 두께로 이루어지고, 경도는 900∼1000HV, 표면조도는 0.1∼0.3㎛를 유지하도록 플라즈마 코팅된다.
이러한 코팅층(120)은, 상기의 분말가루들 중 선택된 한 종류의 분말가루와 14000℃의 가스를 마하 2정도의 속도로 실린더로드(40)의 둘레에 제트분사하여서 400㎛으로 용사한 후 다이아몬드휠(Diamond Wheel) 및 필름(Film)을 이용하여 50∼600㎛으로 랩핑한다.
코팅층(120)의 두께가 50㎛ 미만일 경우, 상술한 세라믹 코팅층(120)에 의한 효과가 보장되지 못하게 되며, 코팅층(120)의 두께가 600㎛을 초과할 경우, 상술한 효과의 증대는 미미한 반면 과다한 세라믹코팅에 의해 작업시간 및 재료비가 낭비되는 문제점이 있다.
실린더로드(40)에 코팅층(120)이 코팅되는 동안 실린더로드(40)의 온도는 상승되는데, 가열된 실린더로드(40)의 변형이 방지되도록 실린더로드(40)가 냉각장치(미도시)로 냉각되어서 150∼200℃의 온도를 유지하도록 된다.
실린더로드(40)의 둘레에 코팅층(120)을 형성시키기 위한 용사법은 금속, 세 라믹스 및 이들의 혼합물을 고온의 가스 불꽃(gas-flame) 또는 플라즈마(plasma) 내에 투입하여 용융 또는 반용융 상태로 고속으로 분사시켜서 모재의 표면에 피막을 형성시켜 나가는 표면 처리 기술이다.
용사건의 텅스텐 음극과 Cu양극 노즐 사이에 전기에너지를 가하면 아크가 발생되며 여기에 가스나 가스 혼합물을 흘리면 플라즈마가 발생하게 된다. 여기서 플라즈마란 분자상의 가스를 고온으로 가열하면 원자로 해리하게 되며 여기에 에너지를 부가하면 전자를 방출하게 되는데, 이 상태를 말하며 매우 높은 에너지를 가진 열원으로서 유용하게 사용된다. 용사열원으로 플라즈마 제트(plasma jet)의 특징은 다음과 같다.
에너지 밀도가 높은 열원이기 때문에 고융점 금속이나 세라믹스의 용사가 용이하다. 금속, 세라믹스, 플라스틱 등 안전한 용융 현상을 수반하는 물질이라면 용사가 가능하기 때문에 피막재료의 선택 영역이 높다. 플라즈마 제트의 속도가 크므로 용사재료가 고속으로 피처리물에 출돌하고 이로 인해 고밀착강도, 고밀도의 피막이 얻어진다. 대출력화가 용이하므로 단위시간당 용사량이 커서 작업성이 좋고 경제성이 높다. 무산소, 무탄소이며 청정, 열화학적 활성인 열원이기 때문에 용사재료의 오염 및 변화가 적다.
열원의 종류와 조건에 의해 용사비행 입자의 온도, 드웰 타임(dwell time), 분위기 가스성분과의 접촉시간 특히 모재표면에의 충돌에너지, 급냉응고속도 등이 달라진다. 즉 용사피막의 물리화학적 성질이 크게 달라진다.
플라즈마 불꽃 내에 투입된 용사재료는 열원에 의해 가열용융되며 플라즈마 제트에 의해 초고속으로 비행하게 된다. 비행중의 용융입자는 공기와 접촉하여 그 주위에 산화피막을 형성한 상태로 모재에 출돌하므로 실린더로드(40)에 형성된 용사피막은 산화막을 표면에 형성한 미립자가 무수히 퇴적한 것과 같은 단면구조를 갖게 된다.
이로 인해 코팅층(120)인 용사피막은 영율, 열전도율 등의 물성치가 이방성을 보이기도하며 또한 필연적으로 5∼20%의 기공이 형성되고 모재와의 밀착성이 저하된다. 따라서 코팅층(120)을 형성시킨 후 그 둘레에 실링재(130)를 도포하므로 코팅층(120)에 형성된 기공을 매운다.
용사에 적당한 분말입도는 10∼44㎛ 범위가 바람직하다. 용사의 미립도가 10㎛ 미만이면 용사중에 증기화되기가 쉽고 용사의 미립도가 44㎛를 초과하면 용사시 미용융되므로 용사의 분말입도는 10∼44㎛가 바람직하다. 또한 용사 피막의 품질에 큰 영향을 주는 것은 입도 분포로서 입도차가 크게 되면 열원으로부터 각 분말 입자가 얻게 되는 에너지 및 비행궤적이 서로 상이하게 되므로 코팅층의 조성 및 물성의 균일성이 저하된다. 따라서 엄격한 용사분말의 입도 분포 제어가 요구된다.
용사건의 공급속도를 균일하고 안정되게 하며 공급된 분말의 균일한 가열을 위해서는, 즉 용융입자의 흐름성을 좋게 하기 위해서는 상술한 분말입도 내에서 구상인 것이 바람직하다.
코팅층(120)의 둘레에는 금속계 유리 석영 계통으로 이루어진 무수크롬 산(CrO3)으로 이루어진 실링재(130)가 도포된다. 무수크롬산은 무기실링재로써 크롬니켈 분말로 이루어진 코팅층(120) 둘레에 도포된다.
무수크롬산(CrO3)은, 높은 내마모, 윤활성, 내열성, 내식성, 이형성을 필요로 하는 곳에 사용되며, 대기중에서 변색이 안되고, 내구성이 크며, 내마모성과 내식성이 좋다. 실링재(130)의 코팅 두께는 0.3∼0.5㎛ 정도가 바람직하다. 실링재(130)의 코팅두께가 0.3㎛ 미만이면 약간의 스크래치홈에도 실링재(130)가 쉽게 파이면서 벗겨지게 되므로 상술한 효과를 얻을 수 없게 된다. 실링재(130)의 코팅두께가 0.5㎛를 초과할 정도로 두껍게 하면 도금면에 핀홀(pin hole), 균열 등이 많게 된다. 따라서 실링재(130)의 코팅두께는 0.3∼0.5㎛ 정도가 바람직하다.
한편, 유압실린더의 일측에는 포지션센서(140)가 설치된다. 이 포지션센서(140)는, 제1튜브캡(20)의 외측면에 설치되고 실린더로드(40)의 단부에 연결되어서 실린더로드(40)가 실린더튜브(10) 내에서 작동되면 그 작동거리를 측정하여서 수문의 개폐정도를 측정한다.
이러한 포지션센서(140)는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 제1튜브캡(20)의 외주면에 결합되는 메인하우징(141)이 구비된다. 메인하우징(141)에는 로테이션샤프트(142)가 회전가능하도록 설치된다. 메인하우징(141)의 일측에는 스프링(143)이 설치된다. 이 스프링(143)은 로테이션샤프트(142)의 일단에 결합되어서 회전된 로테이션샤프트(142)를 복원시키는 역할을 수행한다.
메인하우징(141)의 타측에는 와이어캡스턴(144)이 결합된다. 이 와이어캡스턴(144)은, 로테이션샤프트(142)의 타단에 결합되어서 로테이션샤프트(142)를 회전시킨다. 와이어캡스턴(144)과 실린더로드(40)의 단부에는 와이어(145)가 연결된다. 이 와이어(145)의 일단은 와이어캡스턴(144)의 둘레에 권취되고 타단이 실린더로드(40)의 단부에 연결되어서 실린더로드(40)가 전진하면 와이어캡스턴(144)을 회전시킨다. 와이어(145)의 타단과 실린더로드(40)의 단부에는 와이어셋(146)이 결합된다.
와이어캡스턴(144)의 둘레를 감싸도록 메인하우징(141)의 타측에는 메인하우징캡(147)이 결합된다. 메인하우징캡(147) 측에는 엔코더어댑터(148)가 설치된다. 이 엔코더어댑터(148)는, 일단이 와이어캡스턴(144)에 결합되어서 이와 함께 회전되고 타단이 메인하우징캡(147)의 외측으로 인출된다. 엔코더어댑터(148)에는 엔코더(149)가 설치된다. 엔코더(149)는 메인하우징캡(147)의 외주면에 결합되고 엔코더어댑터(148)에 연결되어서 와이어캡스턴(144)의 회전수를 감지하여 실린더로드(40)의 전후진 거리를 측정한다.
이러한 본 발명의 수문 개폐용 유압실린더는, 여러 가지 장점이 있다.
첫째, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되어 이루어진 세라믹 분말, 산화크롬(Cr2O3) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 이산화티타늄(TiO2) 분말, 산화이트륨(Y2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말(chromium carbide 75%, nickel 20%, chromium 5%) 중 어느 한 종류의 분말이 실린더로드(40)의 둘레에 용사되어서 코팅층(120)이 형성된다.
따라서 해수의 영향에 빈번히 노출되는 실린더로드(40)의 둘레에 내산화성이 뛰어난 코팅층(120)이 형성되므로 실린더로드(40)가 산화되는 것이 방지되고, 실린더로드(40)의 산화 방지에 의해 안전사고가 예방되며, 결국 유압실린더의 수명이 연장되어서 유지 보수비가 절감되는 효과가 있다.
둘째, 본 발명의 실린더튜브(10)는, 강판(11)을 절단하고 절단된 강판(11)을 롤링 및 밴딩 가공하며 롤링 및 밴딩 가공된 강판(11)을 용접하여서 단위실린더튜브(13)를 만든 후, 이 단위실린더튜브(13)를 필요한 실린더튜브(10)의 길이만큼 연결하여 용접하여서 이루어진다.
따라서 대용량의 실린더튜브(10)가 상술한 방법으로 비교적 간단히 제조되므로 유압실린더의 제조단가를 크게 절감시킬 수 있다.
셋째, 본 발명의 실린더튜브(10)는, 양단의 요철(14)에 의해 부가적인 효과가 있다. 즉, 절단된 강판(11)을 롤링 및 밴딩 가공하여서 그 양단을 맞대면 대응 단부들이 서로 맞물리도록 절단된 강판(11)의 양단부에는 그 길이방향을 따라 연속된 형태의 요철(14)들이 형성되어 있다.
따라서 강판(11)의 양단에 형성된 요철(14)들에 의해 롤링 및 밴딩된 강판(11)의 양단이 맞물리면서 서로 지지되므로 이음부위의 용접을 원활하게 할 수 있다. 또한 요철(14)들은 양단부의 접촉면적을 증대시키는 역할을 수행하며, 그 접촉면적이 서로 지그재그 형태로 배열되도록 한다.
그러므로 피스톤(50)이 실린더튜브(10)의 내부를 왕복이송하면서 이음부위에 압력을 가하여도 가해진 압력이 요철(14)의 여러 접촉면들에 분산되고, 분산된 압력이 한 방향으로 작용하는 것이 아니라 지그재그 형태의 접촉면들을 따라 지그재그 형태로 분산된다. 이러한 실린더튜브(10)는 내부에 피스톤 압이 작용하여도 일자형태의 이음부위에 비해 쉽게 파손되지 않는다.
넷째, 제1피스톤(51), 제2피스톤(52), 연결링(60)의 외주면들과 실린더튜브(10)의 내주면에 각각 웨어링(80)들이 삽입되어서 이들 사이의 금속 접촉 방지와 피스톤(50)을 정밀하게 가이드하는 역할을 수행하고, 제1피스톤(51), 제2피스톤(52) 및 연결링(60)의 사이와 실린더로드(40) 및 제2피스톤(52)의 사이와 보조캡(70) 및 제2튜브캡(30)의 사이에 각각 오링(90)들이 삽입되어서 이들을 확실하게 고정시키며, 제1피스톤(51), 제2피스톤(52) 및 실린더튜브(10)의 사이와 실린더로드(40) 및 보조캡(70)의 사이에 단면이 V자 또는 U자 형상으로 형성된 패킹(100)들이 삽입되어서 순간적 고압, 충격하에서의 누유를 방지한다.
따라서 웨어링(80), 오링(90), 패킹(100)들이 피스톤(50), 실린더로드(40), 실린더튜브(10) 사이에 3중 시일 구조를 갖도록 삽입되어서, 피스톤(50) 및 실린더로드(40)가 실린더튜브(10) 내에서 원활히 가이드되도록 하며, 유압의 누출을 방지하므로 유압실린더의 작동 효율을 크게 향상시키게 된다.
다섯째, 본 발명의 유압실린더는, 실린더로드(40)의 단부에 연결되도록 제1튜브캡(20)의 외측면에 포지션센서(140)가 설치된다. 따라서 실린더로드(40)가 실린더튜브(10) 내에서 작동되면 와이어(145)가 와이어캡스턴(144)으로부터 인출되거 나 권취되며, 엔코더(149)가 이를 감지하여서 실린더로드(40)의 작동거리를 측정하므로 수문의 개폐정도를 측정하게 된다.
그러므로 유압실린더의 포지션센서(140)에 의해 실린더로드(40)의 작동 거리를 정확하게 측정할 수 있으며, 이에 따라 수문의 개폐정도를 정확하고 간편하게 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 수문 개폐용 유압실린더를 보인 개략적 단면도
도 2a 내지 도 2e는 실린더튜브의 제조과정을 순차적으로 보인 개략적 사시도들
도 3은 유압실린더의 실린더로드를 발췌한 측면도
도 4는 유압실린더의 일단에 포지션센서가 설치된 상태를 보인 개략적 부분 절개 사시도
도 5는 포지션센서의 분해 사시도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 실린더튜브 11 : 강판
12 : 용접 13 : 단위실린더튜브
14 : 요철 20 : 제1튜브캡
30 : 제2튜브캡 40 : 실린더로드
50 : 피스톤 51 : 제1피스톤
52 : 제2피스톤 60 : 연결링
70 : 보조캡 80 : 웨어링
90 : 오링 100 : 패킹
110 : 더스트와이퍼 120 : 코팅층
130 : 실링재 140 : 포지션센서
141 : 메인하우징 142 : 로테이션샤프트
143 : 스프링 144 : 와이어캡스턴
145 : 와이어 146 : 와이어셋
147 : 메인하우징캡 148 : 엔코더

Claims (5)

  1. 실린더튜브(10);
    상기 실린더튜브(10)의 일단에 결합되는 제1튜브캡(20);
    상기 실린더튜브(10)의 타단에 결합되는 제2튜브캡(30);
    일단이 상기 실린더튜브(10)의 내부에 위치되고 타단이 상기 제2튜브캡(30)의 외측으로 인출되는 실린더로드(40);
    내주면이 상기 실린더로드(40)의 일단 둘레에 결합되고 외주면이 상기 실린더튜브(10)의 내부면에 밀착되며 제1피스톤(51) 및 제2피스톤(52)으로 이루어진 피스톤(50);
    제1피스톤(51) 및 제2피스톤(52)의 둘레에 결합되고 외주면이 상기 실린더튜브(10)의 내주면에 밀착되는 연결링(60);
    상기 제2튜브캡(30) 및 실린더로드(40) 사이에 결합되는 보조캡(70);
    상기 제1피스톤(51), 제2피스톤(52), 연결링(60)의 외주면들과 상기 실린더튜브(10)의 내주면에 각각 삽입되어서 이들 사이의 기밀을 유지하는 웨어링(80)들;
    상기 제1피스톤(51), 제2피스톤(52) 및 연결링(60)의 사이와, 상기 실린더로드(40) 및 제2피스톤(52)의 사이와, 상기 보조캡(70) 및 제2튜브캡(30)의 사이에 각각 삽입되는 오링(90)들;
    상기 제1피스톤(51), 제2피스톤(52) 및 실린더튜브(10)의 사이와 실린더로드(40) 및 보조캡(70)의 사이에 삽입되며, 단면이 V자 또는 U자 형상으로 형성된 패킹(100)들;
    상기 실린더로드(40) 및 보조캡(70)의 사이에 삽입되어서 외부의 이물질이 상기 실린더튜브(10)의 내측으로 유입되는 것을 차단하는 더스트와이퍼(110);
    산화크롬(Cr2O3) 96∼98% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4%가 혼합되어 이루어진 세라믹 분말, 산화크롬(Cr2O3) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 이산화티타늄(TiO2) 분말, 산화이트륨(Y2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 크롬니켈(Cr3C2 25 NiCr) 분말(chromium carbide 75%, nickel 20%, chromium 5%) 중, 어느 한 종류의 분말이 10∼44㎛의 분말입도를 갖도록 구비되며, 상기의 분말입도를 갖는 분말이 실린더로드(40)의 둘레에 용사되어 이루어진 코팅층(120);
    금속계 유리 석영 계통으로 이루어진 무수크롬산(CrO3)으로 이루어지며, 상기 코팅층(120)의 둘레에 0.3∼0.5㎛의 두께로 도포되는 실링재(130);
    상기 제1튜브캡(20)의 외주면에 결합되는 메인하우징(141)과, 상기 메인하우징(141)에 회전가능하도록 결합되는 로테이션샤프트(142)와, 상기 메인하우징(141)의 일측에 설치되고 상기 로테이션샤프트(142)의 일단에 결합되어서 회전된 상기 로테이션샤프트(142)를 역회전시키는 스프링(143)과, 상기 메인하우징(141)의 타측에 설치되고 상기 로테이션샤프트(142)의 타단에 결합되어서 상기 로테이션샤프트(142)를 회전시키는 와이어캡스턴(144)과, 일측이 상기 와이어캡스턴(144)의 둘레에 권취되고 타단이 상기 실린더로드(40)의 단부에 연결되어서 상기 실린더로드(40)가 전진하면 상기 와이어캡스턴(144)을 회전시키는 와이어(145)와, 상기 와 이어(145)의 타단에 연결되고 상기 실린더로드(40)의 단부에 결합되는 와이어셋(146)과, 상기 와이어캡스턴(144)의 둘레를 감싸도록 상기 메인하우징(141)의 타측에 결합되는 메인하우징캡(147)과, 일단이 상기 와이어캡스턴(144)에 결합되어서 이와 함께 회전되고 타단이 상기 메인하우징캡(147)의 외측으로 인출되는 엔코더어댑터(148)와, 상기 메인하우징캡(147)의 외주면에 결합되고 상기 엔코더어댑터(148)에 연결되어서 상기 와이어캡스턴(144)의 회전수를 감지하여 상기 실린더로드(40)의 전후진 거리를 측정하는 엔코더(149)로 이루어져서, 상기 실린더로드(40)가 상기 실린더튜브(10) 내에서 작동되면 그 작동거리를 측정하여서 수문의 개폐정도를 측정하는 포지션센서(140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수문 개폐용 유압실린더.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실린더튜브(10)는,
    강판(11)을 절단하고, 절단된 강판(11)을 롤링 및 밴딩 가공하며, 롤링 및 밴딩 가공된 강판(11)을 용접(12)하여서 단위실린더튜브(13)를 만들고, 상기 단위실린더튜브(13)를 필요한 실린더튜브(10)의 길이만큼 연결하여 용접하여서 이루어진 것을 특징으로 하는 수문 개폐용 유압실린더.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실린더튜브(10)는,
    절단된 상기 강판(11)을 롤링 및 밴딩 가공하여서 그 양단을 맞대면 대응 단부들이 서로 맞물리도록 절단된 강판(11)의 양단부에 그 길이방향을 따라 연속된 형태의 요철(14)들이 형성되는 것을 특징으로 하는 수문 개폐용 유압실린더.
  4. 제1항에 있어서, 상기 코팅층(120)은,
    상기 실린더로드(40)의 둘레에 50∼600㎛의 두께로 이루어지고, 경도는 900∼1000HV, 표면조도는 0.1∼0.3㎛를 유지하도록 플라즈마 코팅되는 것을 특징으로 하는 수문 개폐용 유압실린더.
  5. 제1항에 있어서, 상기 코팅층(120)은,
    상기의 분말가루들 중 선택된 한 종류의 분말가루와 14000℃의 가스를 마하 2정도의 속도로 상기 실린더로드(40)의 둘레에 제트분사하여서 이루어지며, 가열된 상기 실린더로드(40)의 변형이 방지되도록 상기 실린더로드(40)가 냉각장치로 냉각되어서 150∼200℃의 온도를 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 수문 개폐용 유압실린더.
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