KR102533336B1 - 충격-동적 공정 힘을 생성하기 위한 장치 및 용도 - Google Patents

Abstract

충격-동적 공정 힘을 생성하는 장치는 압력 챔버(10), 연결 챔버(20) 및 볼트 챔버(30)를 포함한다. 압력 챔버(10)는 내부에 위치된 유압 매체(91)의 압축을 위해 압력 챔버 내로 가압되도록 배치된 플런저(14)를 포함한다. 연결 챔버(20)에는 압력 챔버(10)와 연결 챔버(20)를 연결하는 오리피스(11)를 폐쇄하기 위한 밸브 몸체(26)를 갖는 계단형 피스톤(25)이 변위 가능하게 배치된다. 볼트 챔버(30)에는 큰 단면을 갖는 제 1 볼트 부분(35a) 및 작은 단면을 갖는 제 2 볼트 부분(35b)를 구비하는 변위 가능한 충돌 볼트(35)가 위치된다. 제 1 볼트 부분(35a)는 연결 챔버(20)에 대해 제 2 볼트 부분(35b)를 둘러싸는 볼트 챔버(30)의 내부 공간(30a)을 실링한다. 가압된 압력 매체(93)를 포함하는 적어도 하나의 압력 저장소(37; 38)가 볼트 챔버(30)에 연결되고, 이 압력 저장소는 연결 포트를 통해 볼트 챔버(30)의 내부 공간(30a)에 연통 연결된다.

Description

충격-동적 공정 힘을 생성하기 위한 장치 및 용도

본 발명은 충격-동적 공정 힘을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.

충격-동적 공정 힘(impulse-dynamic process forces)은 예를 들어, 성형 기계의 로드 재료(rod material)에서 작업물을 절단하거나 분말 야금(powder metallurgy)에서 재료를 압축하는 것과 같이 충격과 같은 효과가 있는 힘으로 이해되어야 한다. DIN 8580에 따른 성형은 몸체의 모양, 표면 및/또는 재질 특성을 특정 형태로 수정하면서 질량 및 재질 일관성을 유지한다. 성형의 결과로서, 재료가 형상을 변화시키는 능력의 한계에 도달하면, 사용 되는 방법에 따라, 예를 들어 재료의 분리(예를 들어, 막대 재료로부터의 전단) 또는 재료의 압축(예: 분말 야금의 압축)이 나타난다. 성형을 위해서는 재료에 에너지의 공급 필요로 하며, 이는 일반적으로 전용 기계에 의해 제공된다.

재료의 온도는 성형 작업 중에 상승하고 주변(공구, 공기 등)에 열을 방출한다.

온도 상승으로 인한 강도 감소가 응력 변형률 경화 및 변형률 경화로 인한 강도의 증가보다 크면 전단 작용 중에 단열 전단 파괴가 발생한다는 것아 문헌 및 실습에서 잘 알려져 있다. 전단 블레이드의 속도 증가의 결과로서, 전단 엣지의 바로 근처에서 온도의 증가가 발생하고, 그 온도 상승의 기울기는 사용 된 재료의 열 전도도의 결과로서 인접한 구역으로의 열 소산(dissipation of heat)의 구배보다 크다. "전단 밴드(shear band)"라는 개념이 알려져 있는데, 전단 속도 방향의 전파 속도는 블레이드 속도의 배수(강철의 경우 10-40배 정도)이다. 전단 밴드의 개발을 위한 전제 조건은 분리 공구(separating tool) (블레이드)의 일정하거나 증가하는 속도이다. 속도 조건이 충족 될 수 있도록, 분리 또는 전단 공정에는 전단 공정에 실제로 필요한 것보다 더 높은 에너지가 공급되어야 한다.

GB 128589A는 유압 충격이 생성되어 라인을 통해 충격파의 형태로 원격 수신기 장치로 전달되어 충격을 전환하여 예를 들어 철도 교통용 신호 장치로 전환 할 수 있는 장치를 설명한다. 상기 장치는 폐쇄 가능한 제한부(restriction)를 통해 제 1 챔버 및 제 2 챔버에 연결되며, 또한 제 2 챔버에 연결되고 그 단부에는 수신기 장치가 배치되는 라인을 갖는다.

2 개의 챔버 및 라인은 유체 유압 매체로 채워진다. 플런저는 제 1 챔버 내로 도입되도록 배치되고, 플런저는 유압 매체가 압축되어 매체 내의 압력이 증가 될 수 있다. 제 2 챔버에는 장치의 휴지 위치(rest position)에서 제한부를 폐쇄하는 밸브 몸체를 갖는 변위 가능한 피스톤이 위치된다. 외력에 의해 트리거링 된 플런저가 일시적으로 제 1 챔버로 유입되면, 제 2 챔버의 피스톤이 움직이고 밸브 몸체가 제한부로부터 멀어 질 때까지 압력이 증가한다. 이러한 방식으로, 제 1 챔버 내의 증가 된 압력은 피스톤에 작용할 수 있고, 결과적으로 제 2 챔버에서 사운드의 속도로 제 2 챔버 및 라인을 통해 수신기 배치(receiver arrangement)로 전파하는 압력 충격이 발생된다. 스프링 작동식 액츄에이터 피스톤에 작용하여 후자가 일시적으로 변위된다. 압력 충격이 가라 앉으면 액츄에이터 피스톤이 스프링력에 의해 다시 리셋된다. 두 번째 챔버의 피스톤이 시작 위치로 돌아가서 제한부를 폐쇄한다. 동시에 플런저가 다시 제 1 챔버에서 밀려 나온다.

GB 128589A 에 개시된 장치는 원칙적으로 단지 적은 에너지를 갖는 상대적으로 약한 충격이 발생기를 수신기에 연결하는 전송 라인이 지름과 비교하여 매우 길기 때문에 강한 탄력성을 가지며 힘의 충격을 상당히 감소시킨다. 따라서, 상기 장치는 분리 공정 또는 압축 공정에서의 적용에 요구되는 것과 같이, 높은 에너지 함량을 갖는 매우 강한 충격-동적 힘을 제공하는 데 적합하지 않다. 또한, 이 공지 된 장치를 사용하면, 수신기 배치 측에서 이러한 적용에 필요한 액추에이터 피스톤의 스트로크를 일으킬 수 있는 상당한 체적 유량과 동시에, 높은 추력 또는 높은 충격 압력을 발생시키는 것이 불가능하다.

따라서, 본 발명의 근간을 이루는 문제는, 비교적 낮은 구동 전력에 의해, 매우 짧은 시간 내에 다량의 에너지를 저장하고 그 에너지를 전달할 수 있는 충격-동적 공정 힘을 생성하는 장치를 제공하는 것으로, 그에 따라 높은 에너지 함량을 갖는 높은 공정 힘이 사용 가능하다.

이러한 문제는 독립 특허 청구항 제 1 항에 정의된 본 발명에 따른 장치에 의해 해결된다. 본 발명의 특히 바람직한 변형 예는 종속항의 특허 청구 범위에서 찾을 수 있다.

본 발명의 목적은 충격-동적 공정 힘을 생성하기 위한 장치 및 용도를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 충격-동적 공정 힘을 생성하는 장치는,

가압된 유압 매체가 배치되는 압력 챔버;

압력 챔버에 위치된 유압 매체 압력을 일시적으로 증가시키기 위한 수단;

압력 챔버의 하류에 배치되고 압력 챔버에 연결된 연결 챔버;

연결 챔버의 하류에 배치되고 연결 챔버에 연결되는 볼트 챔버;

연결 챔버에 변위 가능하게 배치되는 계단형 피스톤 -피스톤은 압력 챔버를 연결 챔버에 연결하는 오리피스를 폐쇄하는 밸브 몸체 및 볼트 챔버에 대면하는 피스톤 부를 구비하고, 피스톤 부에 의해, 피스톤 부 및 볼트 챔버 사이의 연결 챔버의 전이 공간은 볼트 챔버로부터 떨어진 연결 챔버의 측부에 대해 실링되고, 전이 공간은 내부에 배치되는 가압된 유압 매체를 구비함 -; 및

볼트 챔버 내에서 변위 가능하게 배치되는 충돌 볼트를 포함한다.

충돌 볼트는 단면적이 큰 제 1 볼트 부 및 단면적인 작은 제 2 볼트 부를 포함하고, 제 1 볼트 부는 연결 챔버에 대해 제 2 볼트 부를 둘러싸는 볼트 챔버의 내부 공간을 실링한다.

가압된 압력 매체를 포함하는 적어도 하나의 압력 저장소가 볼트 챔버에 연결되고, 압력 저장소는 연결 포트를 통해 볼트 챔버의 내부 공간과 연통 연결된다.

볼트 챔버의 내부 공간이 연결 챔버에 대해 실링되고, 한편으로 가압된 압력 매체를 포함하는 적어도 하나의 압력 저장소와의 내부 공간의 연통 연결이 가능한 방식으로 충돌 볼트의 구성은 다른 한편으로 충돌 볼트가 가압 매체에 의해 안정적으로 그 시작 위치로 복귀 될 수 있게 한다. 상기 장치는 신속한 충격을 발생시킬 뿐만 아니라, 큰 힘 및 높은 에너지 함량을 갖는 충돌 볼트의 충분한 체적 유량 및 충분한 스트로크를 발생시킨다.

바람직하게는, 볼트 챔버는 연결 챔버의 바로 하류에 배치된다. 연결 챔버 직후에 볼트 챔버를 배치함으로써, 충격 압력이 높을 때와 동시에 매우 짧은 충격 안내경로(guideway)가 달성된다.

상기 장치는 유리하게 볼트 챔버 내에서 직경 방향으로 대향하거나 동일한 거리로 떨어져 배치된 관련 연결 포트를 갖는 2 개 이상의 압력 저장 소를 갖는다. 이는 충돌 볼트의 외측 이동 중에 유동에 의한 횡 방향 힘이 발생하는 것을 방지하며, 상기 힘은 충돌 볼트를 축으로부터 벗어나게 하여 급격한 마모를 야기 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 충돌 볼트는 상기 볼트 챔버 내의 단부 위치까지 이동하도록 배치되고, 상기 장치는 상기 단부 볼트가 상기 단부 위치에 도달하기 전에 상기 볼트를 제동하는 단부 위치 댐핑 장비(damping arrangement)를 구비한다. 따라서, 충돌 볼트의 잔류 에너지가 포획되고 충돌 볼트가 감소 된 속도로 그 단부 위치에 도달하여, 존재할 수 있는 임의의 기계적 정지 요소에 대한 충돌 볼트의 강한 충돌을 방지한다.

특히 바람직한 배열에 따라, 압력 저장소의 적어도 하나의 연결 포트는 볼트 챔버에 배열되어, 충돌 볼트의 외측 이동 중에 제 1 볼트 부분에 의해 점점 폐쇄되고, 배압(back pressure)은 충돌 볼트가 완전히 멈출 때까지 충돌 볼트를 제동한다. 따라서, 충돌 볼트의 단부 위치 댐핑은 간단한 방식으로 실현 될 수 있다.

바람직하게는 충돌 볼트의 단부 위치는 정지 요소에 의해 형성된다. 그 결과, 충돌 볼트가 공구 측부에서 오버 슈팅(overshooting)되는 것을 방지 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 연결 포트의 개방 단면은 계단형 피스톤으로부터 멀어지는 방향으로 상기 스톱을 향하여 테이퍼 진다. 이것은 충돌 볼트를 제동하는 배압의 축적에 도움이 된다.

바람직하게는, 상기 충돌 볼트는 상기 적어도 하나의 압력 저장소에 의해 시작 위치로 복귀 가능하다. 이것은 볼트 챔버의 내부 공간으로의 압력 매체의 유입에 의해 영향 받음으로써, 그 결과, 충돌 볼트가 연결 챔버의 방향으로 밀려난다. 따라서, 시작 위치로의 충돌 볼트의 복귀는 간단한 방식으로 실현 될 수 있다.

압력 챔버 내에 위치한 유압 매체의 압력을 일시적으로 증가시키기 위한 수단은 예를 들어, 압력 충격을 밸브를 통해 압력 챔버로 전달하는 고압 저장소를 포함 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수단은 압력 챔버 내에 위치 된 유압 매체의 압축을 위해 압력 챔버 내로 밀려지도록 배치되는 플런저에 의해 구현되며, 상기 장치는 바람직하게는 플런저를 압력 챔버로 밀어 넣기 위한 플런저 드라이브를 포함한다. 플런저 드라이브는 상대적으로 낮은 전력으로 많은 양의 에너지를 생성하며, 이 에너지는 매우 짧은 시간에 충돌 볼트에 전달된다.

바람직하게는, 상기 장치는 압력 챔버, 전달 공간 및 볼트 챔버의 내부 공간에서 충전 압력을 유지하기 위한 수단을 갖는다. 충전 압력을 유지하는 수단은 누출 손실이 장치의 작동 중에 교체 될 수 있게 한다.

상기 장치는 유리하게는 계단형 피스톤과 충돌 볼트의 변위 시 실링 갭을 통해 변위 되거나 빠져 나가는 유압 매체가 통과하는 라인들을 구비하고, 충돌 볼트는 수집 탱크에 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로 탈출 또는 이동된 유압 매체 또는 압력 매체가 제어된 방식으로 배출되도록 보장된다.

본 발명에 따른 장치는 성형 장치, 분리 장치 또는 성형 장치에서 공구를 구동하는 데 사용하기에 특히 적합하다. 특히, 공구는 재료를 압축 또는 파쇄하기 위한 로드 재료 또는 충격 해머로부터 작업물을 전단하기 위한 전단 공구일 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 예시적인 실시 예에 기초하여 첨부 된 도면을 참조하여 이하에서보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시 예에 따른 축 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 다양한 작동 단계에서의 도 1에 따른 장치의 간략화 된 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시 예에 따른 축 단면도이다.
도 8은 충돌 볼트가 없는 약간 변형 된 볼트 챔버의 축 단면도이다.
도 9는 볼트 챔버를 통한 추가적인 축 단면도이다.
도 10 내지 도 11은 전단 공정에서의 장치의 사용을 설명하는 도면이다.

하기의 다음의 설명과 관련하여 적용된다: 도면의 명료성을 위해 도면에 참조 부호가 포함되어 있지만, 설명의 직접적인 관련 부분에서는 언급되지 않았으므로, 설명의 선행 또는 후속 부분에서의 참조 부호의 설명을 참조해야 한다. 반대로, 도면의 과도한 표현을 피하기 위해, 즉각적인 이해와 관련성이 적은 참조 기호는 모든 도면에 포함되어 있지 않다. 이 경우 다른 도면을 참조해야 한다.

도 1에 도시 된 장치는 공통 축(A), 보다 구체적으로는 압력 챔버(10, pressure chamber), 연결 챔버(20, connecting chamber) 및 볼트 챔버(30, bolt chamber)를 따라 차례로 정렬 된 3 개의 챔버를 포함한다.

유압 에너지 저장소(hydraulic energy reservoir)를 형성하고 가압된 유압 매체(91, hydraulic medium)가 배치되는 압력 챔버(10)는 축 방향 제한부분(axial restriction) 또는 오리피스(11)를 통해 후속된 연결 챔버(20)로 개방되고, 출구 개구(outlet opening)는 원추형 밸브 시트(12, conical valve seat)의 형태이다. 오리피스(11)에 대향하여 위치된 압력 챔버(10)의 단부 벽에는 원통형 플런저(14, cylindrical plunger) 형태의 변위 몸체가 축 방향으로 내측 및 외측으로 변위 가능하게 배치되는 축 방향 통로 개구(13, axial passage opening)가 있다.

연결 챔버(20)는 연속적으로 2 개의 원통형 챔버 부분(21, 22) 및 원추형 테이퍼링 챔버 부분(23, conically tapering chamber portion)을 가지며, 원추형 챔버 부분(23)은 중앙 및 인접한 볼트 챔버(30)로 개방되고, 원통형 챔버 부분(22)은 압력 챔버(10)를 마주보는 챔버 부분(21)보다 다소 큰 내부 직경을 갖는다. 연결 챔버(20)에는 연결 챔버(20)의 2 개의 원통형 챔버 부분들(21, 22)의 내부 직경에 일치하는 2 개의 피스톤 부분들(25a, 25b)을 갖는 축 방향으로 변위 가능한 계단형 피스톤(25, stepped piston)이 배치되어있다.

볼트 챔버(30)를 대면하고, 단면 또는 직경이 다소 큰 피스톤 부분(25b)은, 압력 챔버(10)를 대면하고 볼트 챔버(30)로 떨어진 연결 챔버(20)의 측부에 대하여 볼트 챔버(30) 및 피스톤 부분(25b) 사이의 연결 챔버(20)의 전달 공간(27)을 실링한다. 전달 공간(27)에는 가압된 유압 매체(92)가 배치되어있다. 다소 작은 직경 또는 단면을 갖는 피스톤 부분(25a)은 그 단면에 압력 챔버(10)의 밸브 시트(12)에 상보적인 형상을 갖는 원추형 밸브 몸체(26)를 가지며, 도 1과 같이, 출구 개구를 폐쇄하여서 압력 챔버(10)의 오리피스(11)를 폐쇄한다. 또한, 밸브 몸체(26)와 밸브 시트(12)는 다른 형상을 가질 수 있다. 마찬가지로, 계단형 피스톤(25) 및 연결 챔버(20)는 반드시 원형의 외부 및 내부 단면을 가질 필요는 없다.

볼트 챔버(30)는 원통형 챔버 부분(31) 및 원통형 통로 개구(32)를 구비하고, 연결 챔버(20)와 대면하는 챔버 부분(31)은 원통형 통로 개구(32)보다 큰 내부 직경 및 단면을 갖는다. 원통형 챔버 부분(31)과 통로 개구(32) 사이의 전달 영역(33)은 원추형 구조이다. 충돌 볼트(35)는 원통형 챔버 부분(31)의 내부 직경과 일치하는 두 개의 볼트 부분(35a, 35b)을 갖고, 볼트 챔버(30)의 통로 개구(32)는 축 방향으로 변위 가능하도록 볼트 챔버(30) 내에 배치된다. 큰 단면을 갖는 제 1 볼트 부분(35a)와 단면이 더 작은 제 2 볼트 부분(35b) 사이의 전달 영역(35c)은 원통형 챔버 부분(31)과 통로 개구(32) 사이의 전달 영역(33)에 상보적인 원추 형상을 갖는다.

큰 단면을 갖는 제 1 볼트 부분(35a)은 연결 챔버(20)에 대해 제 2 볼트 부분(35b)를 감싸는 볼트 챔버(30)의 내부 공간(30a)을 실링한다. 충돌 볼트(35) 및 볼트 챔버(30)는 또한 원형이 아닌 외부 및 내부 단면을 가질 수 있다. 충돌 볼트(35)는 도 1 및 도 5에 도시 된 극단적인 위치들 사이에서 앞뒤로 움직일 수 있고, 보다 작은 직경 또는 단면을 갖는 볼트 부분(35b)는 충돌 볼트(35)의 위치에 따라, 크거나 작은 정도로 볼트 챔버(30) 밖으로 돌출(이동)한다.

장치의 작동 중에, 압력 챔버(10) 및 연결 챔버(20), 또는 전달 공간(27)은 (유체) 유압 매체(91, 92), 특히 유압 오일(hydraulic oil)로 완전히 채워진다. 압력 챔버(10) 및 연결 챔버(20)는 라인(미도시)을 통해 그리고 각각의 역류 방지 밸브(41 및 42, non-return valves)를 통해 가압된 유압 매체에 대한 제 1 압력 소스(40, pressure source, 부호로만 도시)에 연결된다. 볼트 챔버(30) 또는 그 내부 공간(30a)은 압력 매체(93)로 완전히 채워지며, 압력 매체는 통상적으로 (유체) 유압 매체, 특히 유압 오일이다.

대안적으로, 압력 매체는 또한 공기 매체 일 수 있다. 볼트 챔버(30) 또는 그 내부 공간(30a)은 라인(참조 부호 없음) 및 역류 방지 밸브(51)를 통해 가압된 압력 매체(93)를 위한 제 2 압력 소스(50)에 연결된다. 플런저(14) 및 통로 개구(13) 사이, 피스톤 부분들(25a, 25b) 및 챔버 부분들을 감싸는 연결 챔버(20)의 챔버 부분들(21, 22)의 내부 벽들 사이, 볼트 부분(35a) 및 챔버 부분(31)을 감싸는 볼트 챔버(30)의 챔버 부분(31)의 내부 벽 사이, 볼트 부분(35b) 및 통로 개구(32) 사이의 환형 갭들(annular gaps)을 통해 배출되는 유압 매체 및 압력 매체는, 라인 (미도시)을 통해 수집 탱크들(60, 61, 62)로 배출되고 압력 소스(40, 50)으로부터 보충된다.

두 개의 압력 저장소(37, 38)는 두 개의 직경 방향의 반대 위치에서 볼트 챔버(30)에 연결되고, 연결 라인(37a, 38a)은 통로 개구(32)에 인접한 원통형 챔버 부분(31) 내로 개방된다. 압력 저장소(37 및 38)는 통상적으로 유압 저장소이지만, 압축 가스 저장소의 형태일 수도 있다. 볼트 챔버(30) 둘레에는, 바람직하게는 동일한 간격으로 2 개 이상의 압력 저장소가 배치 될 수도 있다. 이하의 장치의 기능 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 압력 저장소는 충돌 볼트(35)를 리셋 하는 역할을 한다.

압력 저장소의 배치는 충돌 볼트(35)의 외측 이동 동안(도면에서 우측을 향하여), 충돌 볼트(35)를 축을 벗어나게 움직이도록 하여 빠른 마모를 발생시키는 유동-유도된 횡 방향 힘(flow-induced transverse forces)이 발생하지 않도록 원주 둘레에서 가능한 한 균일해야 한다. 2개 이상의 압력 저장소 대신, 2 개 이상의 연결 라인을 갖는 단일 압력 저장소를 볼트 챔버(30)에 제공하고, 연결 라인이 볼트 챔버(30)의 원주 둘레에 균일하게 분포되어야 하는 2 개 이상의 연결 포트의 구성도 가능할 것이다.

플런저(14)에는 플런저 드라이브(70, plunger drive)가 할당되어 플런저(14)가 압력 챔버(10) 내로 특정 거리만큼 구동되도록 한다. 예시 된 실시 예에서, 플런저 드라이브(70)는 예를 들어 전기 또는 유압 모터와 같은 모터 드라이브(도시되지 않음)에 의해 구동 가능한 캠 플레이트(cam plate)의 형태이다. 대안적으로, 플런저 드라이브는 전기 또는 유압 선형 구동 장치의 형태 일 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 그 동작의 상세한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 비교적 낮은 전력, 즉 비교적 긴 충전 시간 및 매우 짧은 방전 시간에서의 저장된 유압 에너지의 전달에 의해 다량의 에너지의 유압 저장을 가능하게 한다. 플런저(14)에 설치된 구동 전력에 따라, 방전 시간에 대한 충전 시간의 비율은 대략 100:1 내지 1000:1이다. 플런저(14)에 설치된 구동 전력에 따라, 방전 시간에 대한 충전 시간의 비율은 대략 100:1 내지 1000:1이다.

유체 유압 매체로 완전히 채워진 압력 챔버(10)는 에너지 저장소를 형성한다. 압력 챔버의 유압 용량(C)는 다음 수학식 1에 따라 계산된다.

여기서, V_0는 압력 챔버의 부피이고 E는 유체 매질의 탄성 계수이다.

수력 용량의 포텐셜 에너지는 일반적으로 다음의 수학식 2로 주어진다.

여기서, p는 압력 챔버의 유압 매체의 압력이다.

예를 들어 플런저(14)의 진입에 의해 압력 챔버(10) 내의 유압 매체(91)의 체적이 특정 양(dV)만큼 감소되면, 다음 수학식 3에 따라 계산 된 압력 증가(dp)가 발생한다.

유체 매질의 압축 계수(K)와 탄성 계수 E (E = 1 / K)는 온도와 압력에 따라 달라지는 것으로 물리학에서 알려져 있다. 공정 안정성을 유지하기위한 적절한 조치(예: 장치의 온도 제어)가 설계 및 작동에 도입 될 수 있도록 두 가지 종속성을 모두 이론적으로 계산하고 실제로 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 기능 및 작동 모드는 도 1 내지 도 6을 참조하여 아래에서 설명된다.

연결 챔버(20)의 압력 챔버(10) 및 전송 공간(27) 모두는 각각 유압 매체(91, 92)로 완전히 채워지고 약 10-100 bar의 동일한 충전 압력하에 있다.

계단형 피스톤(25)의 단부 면들(end faces)은 상이한 크기이고 피스톤(25)의 원주 면들(circumferential faces)은 실링의 유형(환형 갭 실링)의 결과로서 사실상 압력이 없으므로, 계단형 피스톤(25)은 그 단부 면들에 작용하는 힘의 결과로서 좌측(도면에서)으로 이동할 것이고, 밸브 몸체(26)를 통해 실링없이 연동하여 압력 챔버(10)로 오리피스(11)를 폐쇄 할 것이다(도 1 참조).

계단형 피스톤(25)의 이동 중에, 오리피스(11)와 계단형 피스톤(25)의 피스톤 부분(25a) 사이의 제한된 부피(constrained volume)의 유압 매체의 적어도 일부가 환형 갭 실링(annular gap seal)을 통해 수집 탱크(61, collecting tank)로 가는 라인으로 빠져 나간다. 계단형 피스톤(25)이 실링 요소들(sealing elements)로 실링되는 경우, 이 위치에 밸브가 제공되어야 한다. 충전 압력은 동시에 플런저(14)가 플런저 드라이브(70)의 캠 플레이트와 접촉 할 때까지 압력 챔버(10)에서 외측으로 이동하게 한다.

볼트 챔버(30)의 내부 공간(30a)은 압력 매체(93)로 완전히 채워지고, 충전 압력은 연결 챔버(20)의 전달 공간(27)보다 높다. 내부 공간(30a)에 설정된 충진 압력은 유압 매체(92)의 설정 압력에 의존하고 그 압력에 대략 반비례한다. 그 비례성은 충돌 볼트(35)의 볼트 부분(35a)의 피스톤 단부 면들에 대한 환형 면(35c, annular face)의 비율에 의해 결정된다. 충전 압력은 볼트 부분(35a)을 갖는 충돌 볼트(35)가 내부 정지 요소까지 좌측으로(도면에서) 내측으로 이동되는 것을 보장한다(도 1). 충돌 볼트(35)는 환형 갭 실링에 의해 마찬가지로 실링된다. 충돌 볼트(35)가 내부 정지 요소 상으로 내측으로 이동함에 따라, 볼트 부분(35a)과 계단형 피스톤(25)의 피스톤 부분(25b) 사이의 전달 공간(27) 내의 유압 매체의 제한된 부피의 일부는, 계단형 피스톤(25)의 환형 갭 실링 및 충돌 볼트(35)의 환형 갭 실링를 통해 수집 탱크(61)로 라인으로 방출된다.

볼트 챔버(30)의 내부 공간(30a)과 연통하는 압력 저장소(37, 38)는 가능한 한 적은 관성을 가져야하고, 충돌 볼트(35)의 외측 이동이 가능한 작아 지도록 치수가 작게 형성되어서 충돌 볼트 (35)의 외측 이동은 가능한 한 작게 압력 상승을 일으키고, 즉 가능한 한 얕은(shallow) 특성 곡선(characteristic curve)을 가지게 된다.

플런저 드라이브(70)의 캠 플레이트가 회전하면 플런저(14)가 압력 챔버(10) 내로 밀려 들어간다. 플런저(14)가 압력 챔버(10)에 진입하면 그 안에 포함 된 유압 매체(91)가 압축되어 플런저의 이동에 거의 비례하여 압력이 증가한다. 저장된 에너지는 압력 증가의 제곱으로 증가한다(도 2).

압력 챔버(10) 내의 (증가 된) 압력에 의해 결정되고 계단형 피스톤(25)에 작용하는 힘(F1)은 연결 챔버(20)의 전달 공간(27) 내의 압력에 의해 결정되고 다른 쪽에서 계단형 피스톤(25)에 작용하여, 힘(F2)보다 작은 경우, 오리피스(11)는 폐쇄 된 상태로 유지된다.

플런저(14)가 결정된 진입 깊이에 도달하여 대응하는 부피의 유압 매체를 이동 시키면, 힘(F1)은 힘(F2)보다 커지고 계단형 피스톤(25)은 우측으로 이동하여 그에 따라 오리피스(11)는 개방된다(도 3).

더 작은 단면을 갖는 계단형 피스톤(25)의 피스톤 부분(25a)은 0.2 ms보다 작은 기간에 걸쳐 압력 챔버(10)로의 고압에 의해 작용한다. 상당한 힘으로 갑자기 압력을 가하면, 우측으로의 계단형 피스톤(25)의 충격과 같은 운동을 야기하고 이는 연결 챔버(20)의 전달 공간(27)에서 압력 서지(pressure surge)를 트리거(trigger)한다. 압력 서지는 소리의 속도(작동 오일의 경우 약 1340m/s)로 전달 공간(27)을 가로 지른다.

계단형 피스톤(25)과 충돌 볼트(35) 사이의 비교적 짧은 거리의 결과로서, 충격파(shock wave)는 사실상 시간 지연 없이 충돌 볼트(35)에 도달한다.

충돌 볼트(35)는 충격파의 환형 면(annular face)에 작용하는 힘(F4)을 극복하기에 충분히 높은 힘(F3)을 가지게 되면 움직이기 시작한다.

압력 챔버(10)로부터의 유압 매체(91)는 더욱 팽창되어 계단형 피스톤(25) 및 충돌 볼트(35)를 우측(도면 기준)으로 구동 시키며, 충돌 볼트(35)는 볼트 챔버(30) 밖으로 이동한다. 계단형 피스톤(25) 및 충돌 볼트(35)의 속도는 구조 변환(structural translation)의 결과에 따라 상이하다(도 5).

충돌 볼트(35)에 대한 충격파의 충돌 및 충돌 볼트의 관련된 외측 운동은 문제의 적용에 필요한 충격-동적 공정 힘을 생성한다. 실제 사용에서, 충돌 볼트(35)는 공구, 예를 들어 전단 블레이드(shearing blade) 또는 충격 해머(impact hammer) 등을 구동시킨다.

외측 주행 중에, 큰 단면을 갖는 볼트 부분(35a)는 볼트 챔버(30) 내의 압력 저장소(37, 38)의 연결 포트(37b, 38b)를 통과한다. 따라서, 연결 포트(37b, 38b)의 자유 관통유동 단면(free throughflow cross-section)은 충돌 볼트(35)가 외측으로 이동함에 따라 점점 작아진다. 따라서, 충돌 볼트(35)의 외측 이동 중에, 배압이 저장소(37 및 38)의 연결 포트들의 전방에 형성된다. 이 배압은, 충돌 볼트(35)의 볼트 부분(35a)이 연결 포트를 통과함에 따라 더욱 커져 결국 단부 위치에서 충돌 볼트의 속도를 감소시키는 반력(counter-force)을 발생시킨다. 따라서, 전달 영역(33)에 의해 형성되는 기계적 정지 요소에 대한 충돌 볼트(35)의 강한 충돌이 회피된다.

따라서, 연결 포트(37b, 38b) 및 볼트 챔버(30) 내의 그 배치는 단부 위치 댐핑 장비(damping arrangement)를 형성한다. 바람직하게는, 연결 포트는 도 8에 도시 된 바와 같이 원형 형상으로부터 벗어나 계단형 피스톤(25)으로부터 멀어지는 방향으로 전달 영역(33)에 의해 형성되는 정지 요소를 향하는 방향으로 작아지는 단면을 갖는다. 이러한 특수한 배(pear) 형상 또는 액적(droplet) 형상의 연결 포트의 단면 형상은 배압의 형성에 도움이 된다.

도 8은 도 1 내지 도 7의 볼트 챔버(30)와 본질적으로 외형이 다른 약간 변경된 볼트 챔버(30')를 도시한다. 더욱이, 볼트 챔버(30')는 하나의 압력 저장소(미도시)에 대해 각각 4 개의 연결 포트를 가지지만, 연결 포트(37b, 38b 및 39b)만이 도면에서 도시 된다. 4개의 연결 포트 각각은 전달 영역(33)에 의해 형성되는 정지 요소를 향한 방향으로 테이퍼진 전술한 배 형상 또는 액적 형상의 개구 단면을 갖는다. 또한, 도 8은 챔버 부분(31) 및 통로 개구(32) 내의 두 개의 원주 리세스(circumferential recesses, 34a, 34b, 환형 그루브(annular grooves))를 도시한다. 이들은 수집 탱크(61, 62)로 누출을 방출하기 위한 수집 채널들(collecting channels)로서의 역할을 한다. 리세스(34a) 내로 개방되는 반경 방향 라인(34c, radial line)은 압력 센서(82)의 연결을 제공한다(도 9 참조).

볼트 부분(35b)상의 환형 갭 실링은 원칙적으로 충돌 볼트(35)가 연결 포트(37b, 38b)(및 적용 가능한 경우에는 39b)를 완전히 통과 할 수 있게 한다. 충돌 볼트(35)가 다시 단부 위치로부터 복귀 될 수 있도록 하기 위해, 도 9에 도시 된 바와 같이, 예를 들어, 압력 저장소(37, 38)에 대한 추가적인 라인들(37c, 37d)과 같은 특정 유압 조치가 추가적으로 요구된다. 적어도 하나의 라인(37c)은 전달 영역(33)에 의해 형성되는 정지 요소의 영역에서 볼트 챔버(30')의 내부 공간(30a)을 원주 환형 라인(37d, circumferential annular line)에 연결하고, 원주 환형 라인(37d)은 압력 저장소(37, 38)에 다시 연결된다.

또한, 도 9로부터, 볼트 부분(35a, 35b)에는 윤활유 분배(lubricant distribution) 및 충돌 볼트(35)의 중심 장착(centric mounting)을 위한 원주 리세스들(환형 그루브들, 36a, 36b, 36c)의 그룹이 제공되는 것을 알 수 있다. 도면 부호 83은 또 다른 압력 센서를 나타낸다.

상기 장치는 예를 들어 전단 공정과 같은 작업 공정에 필요한 구동력 또는 에너지를 전달한다. 문제의 작업 공정이 수행되면 장치는 다시 시작 구성(starting configuration)으로 돌아간다. 그 목적을 위해, 플런저 드라이브(70)의 캠 플레이트는 플런저(14)가 내부의 압력에 의해 압력 챔버(10)로부터 다시 이동되도록 더 회전된다. 선형 드라이브의 경우, 후자는 그에 따라 반환된다. 충돌 볼트(35)는 압력 저장소(37, 38)로부터 압력 매체(93)의 압력에 의해 내측으로(도면의 좌측을 향해) 이동된다. 계단형 피스톤(25)은 전달 공간(27) 내의 유압 매체(92)에 의해 좌측으로(도면 기준) 밀려지고, 압력 챔버(10)의 오리피스(11)는 폐쇄된다. 유압 또는 압력 매체 부피의 손실은 유압 소스(40) 또는 압력 소스(50)에 의해 보상되고 과도한 유압 또는 압력 매체 부피는 개별 챔버의 누출에 의해 제거된다(도 6).

장치가 사용되는 적용 예에 따라, 충돌 볼트(35)(예를 들어, 전단 블레이드 또는 충격 해머)에 의해 구동되는 공구는 충돌 볼트에 결합 될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.

충돌 볼트(35)와 공구 사이의 조절 가능한 유휴 스트로크(idle stroke)의 도움으로, 충돌 볼트의 운동 에너지와 압력 챔버(10)의 잔류 에너지(위치 에너지로부터)의 매우 넓은 범위의 조합이 사용될 수 있다. 이 경우 공구의 잔류 에너지는 적절한 댐핑 조치(damping measures)로 별도로 제거해야 한다.

공구가 충돌 볼트(35)에 고정적으로 결합되면, 두 요소의 잔류 에너지는 장치의 내장된 단부 위치 댐핑(end position damping)에서 내부적으로 제거된다.

충돌 볼트(35)에 의해 구동되는 작업 공정은 충돌 볼트가 연결 포트(37b, 38b)를 통해 압력 저장소(37, 38)로 통과하기 전에 수행되어야 한다(단부 위치 댐핑의 시작).

장치의 챔버(10, 20, 30) 내의 충전 압력을 제어하기 위해, 압력 소스(40, 50)의 하류 측에는 전기 작동 유무와 관계없이 서보 밸브(servo valve) 또는 압력 비례 밸브(pressure proportioning valve)를 사용할 수 있다. 역류 방지 밸브(41)는 절대적으로 필요하다. 역류 방지 밸브(42, 51)는 또한 적절하게 치수가 정해진 스로틀(throttle)로 대체 될 수 있다.

도 7은 도 1 내지 도 6의 예시적인 실시 예와 상이한, 본 발명에 따른 장치의 변형 예를 도시 한 것으로서, 라인(미도시)을 통해 그리고 차단 밸브(81, 예를 들어, 전기적으로 차단 가능한 밸브)에 의해, 차단 밸브의 위치에 따라, 압력 챔버(10)와 연통 연결(communicating connection)되거나 또는 압력 챔버(10)로부터 분리된다. 구조 및 기능면에서, 이 변형 예는 도 1에 따른 장치에 완전히 대응하며, 그러한 이유 때문에 모든 참조 부호가 도 7에 포함되지 않는다.

연속적으로 회전하는 플런저 드라이브(70)의 경우에, 추가적인 고압 컨테이너(80, high-pressure container)는 어떤 이유로 인하여 충돌 충격(impact impulse)의 트리거링이 바람직하거나 필요하다면, 이를 방지하는 기능을 한다. 그 목적을 위해, 정상 폐쇄형 차단 밸브(81, normally closed shut-off valve)가 개방되고 고압 컨테이너(80)가 압력 챔버(10)에 연결된다. 따라서, 압력 챔버(10)의 용량이 증가되고, 플런저(14)의 스트로크가 동일하게 유지되면, 압력의 증가는 더 작아지고, 시스템이 적절히 separating process 배치되면, 오리피스(11)는 개방되지 않는다.

예를 들어, 전달 공간(27) 내의 충전 압력이 너무 낮거나 오리피스(11)가 폐쇄되지 않을 때, 계단형 피스톤(25)의 오작동하는 경우, 충돌 볼트(35)는 내장된 이동에 따라 플런저 드라이브(70)의 운동(kinematics) 또는 플런저(14)의 움직임을 따른다.

전술한 본 발명에 따른 장치의 예시적인 실시 예는 특히 분리 공정(separating process, 예를 들어, 온도 범위와 관계없이 로드 재료로부터 워크 피스를 전단하는)에 사용하기 위한 것이지만, 예를 들어 분말 야금(powder metallurgy)에서의 압축 공정(compacting process)에서 또는 재료를 분쇄하기 위해 사용될 수 있다.

도 10 및 도 11은 예로서, 전단 공정에서의 본 발명에 따른 장치의 사용을 도식적으로 도시한다.

참조 번호 100은 작업물(101)이 전단되는 로드(rod)를 나타낸다. 로드(100)는 고정 블레이드(111)와 클램핑 죠우(112, clamping jaw) 사이에 유지되고 정지 요소(113. 도 10)에 대해 작업물(101)과 함께 놓여있다.

충격-동적 공정 힘을 생성하기 위한 본 발명에 따른 장치의 충돌 볼트(35)는 전단 블레이드(114)에 놓여지고, 충돌과 같은 외측 운동으로, 매우 짧은 시간 내에 작업물에 대해 후자를 구동시키고 로드(100)의 나머지 부분에 고정된다(도 11).

원칙적으로, 충돌 볼트(35)가 전단 블레이드(114)와 직접 접촉하지 않고 그 사이에 다른 부품을 배치 할 수도 있음이 이해 될 것이다.

Claims (15)

1. 충격-동적 공정 힘을 생성하는 장치에 있어서,
   가압된 유압 매체(91)가 배치되는 압력 챔버(10);
   상기 압력 챔버(10)에 위치된 상기 유압 매체(91)의 압력을 일시적으로 증가시키기 위한 수단(14);
   상기 압력 챔버(10)의 하류에 배치되고 상기 압력 챔버(10)에 연결된 연결 챔버(20);
   상기 연결 챔버(20)의 하류에 배치되고 상기 연결 챔버(20)에 연결되는 볼트 챔버(30; 30');
   상기 연결 챔버(20)에 변위 가능하게 배치되는 계단형 피스톤(25) -상기 피스톤은 상기 압력 챔버(10)를 상기 연결 챔버(20)에 연결하는 오리피스(11)를 폐쇄하는 밸브 몸체(26) 및 상기 볼트 챔버(30; 30')에 대면하는 피스톤 부분(25b)를 구비하고, 상기 피스톤 부분에 의해, 상기 피스톤 부분(25b) 및 상기 볼트 챔버(30; 30')사이의 상기 연결 챔버(20)의 전이 공간(27)은 상기 볼트 챔버(30; 30')로부터 떨어진 상기 연결 챔버(20)의 측부에 대해 실링되고, 상기 전이 공간(27)은 내부에 배치되는 가압된 유압 매체(92)를 구비함 -; 및
   상기 볼트 챔버(30; 30') 내에서 변위 가능하게 배치되는 충돌 볼트(35)를 포함하고,
   상기 충돌 볼트(35)는 단면적이 큰 제 1 볼트 부분(35a) 및 단면적인 작은 제 2 볼트 부분(35b)를 포함하고, 상기 제 1 볼트 부분(35a)는 상기 연결 챔버(20)에 대해 상기 제 2 볼트 부분(35b)를 둘러싸는 상기 볼트 챔버(30; 30')의 내부 공간(30a)을 실링하고, 가압된 압력 매체(93)를 포함하는 적어도 하나의 압력 저장소(37; 38)가 상기 볼트 챔버(30; 30')에 연결되고, 상기 압력 저장소는 상기 볼트 챔버(30; 30')에 배치된 연결 포트(37b, 38b, 39b)를 통해 상기 볼트 챔버(30; 30')의 상기 내부 공간(30a)과 연통 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 볼트 챔버(30; 30')는 상기 연결 챔버(20)의 하류에 바로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 볼트 챔버(30; 30')에서 직경 방향으로 대향하거나 동일한 간격으로 이격되어 배치되는 관련 연결 포트들을 갖는 2개 이상의 압력 저장소(37, 38)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 충돌 볼트(35)는, 상기 볼트 챔버(30; 30')의 단부 위치까지 이동하도록 배치되고, 상기 장치는 상기 충돌 볼트(35)가 상기 볼트 챔버(30; 30')의 단부 위치에 도달하기 전에 제동하는 단부 위치 댐핑 장비(37b, 38b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 압력 저장소(37, 38)의 적어도 하나의 연결 포트(37b, 38b, 39b)는 상기 볼트 챔버(30; 30')에 배치되어서, 상기 충돌 볼트(35)의 외측 이동 중에, 적어도 하나의 포트는 제 1 볼트 부분(35a)에 의해 점차적으로 폐쇄되고, 결과적인 배압은 상기 충돌 볼트(35)가 완전히 정지할 때까지 상기 충돌 볼트(35)를 점차적으로 제동하는 것을 특징으로 하는 장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 단부 위치는 정지 요소에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 연결 포트(37b, 38b, 39b)의 개구 단면은 상기 계단형 피스톤(25)으로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼진 것을 특징으로 하는 장치.
   
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충돌 볼트(35)는, 상기 적어도 하나의 압력 저장소(37, 38)에 의해 시작 위치로 복귀 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
   
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압력 챔버(10)에 위치된 상기 유압 매체(91)의 압축을 위해, 상기 압력 챔버(10)에 위치된 상기 유압 매체(91)의 압력을 일시적으로 증가시키기 위한 수단은, 압력 충격이 밸브를 통해 상기 압력 챔버에 전달될 수 있는 고압 저장소 또는 상기 압력 챔버(10) 내로 가압되도록 배치되는 플런저(14)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압력 챔버(10) 내로 상기 플런저(14)를 밀어넣기 위한 플런저 드라이브(70)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
    
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 챔버(10), 상기 전이 공간(27) 및 상기 볼트 챔버(30; 30')의 상기 내부 공간(30a) 내의 충전 압력을 유지하기 위한 수단(40, 50, 41, 42, 51)을 구비하는 장치.
    
12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계단형 피스톤(25)의 변위 시, 실링 갭들을 통하여 빠져나가거나 변위되는 압력 매체(93) 또는 유압 매체(91, 92)가 통과하는 라인들을 구비하고, 상기 충돌 볼트(35)는 수집 탱크(61, 62)에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
    
13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 사용 방법에 있어서,
    상기 장치는 성형 장비, 분리 장비 또는 압축 장비에서 공구를 구동하는데 사용되는 사용 방법.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 공구는 작업물을 로드 재료로부터 전단시키기 위한 전단 공구인 사용 방법.
    
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 공구는 재료를 압축 또는 파쇄하기 위한 충격 해머인 사용 방법.

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