KR20170018368A - 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템 - Google Patents

서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템은, 이격 간격을 유지하면서 서로 마주보도록 배치되고 램(200)을 직선운동시킬 수 있도록 상기 램(200)의 양단이 삽입 결합되는 유압실린더(110, 120); 상기 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성 되고 상기 유압실린더(110, 120)의 작동으로 인한 램(200)의 좌우 운동을 전달하는 동력전달 핀(210); 상기 동력전달 핀(210)과 체결되고, 상기 램(200)의 좌우 운동을 상기 동력전달 핀(210)으로 전달받아 회전력으로 변환하여 회전하는 틸러(300); 상기 틸러(300)의 중심에 결합되는 러더 스톡(310);으로 구성되는 액추에이터부(1000)와, 상기 액추에이터부(1000)의 각 유압실린더와 연결되어 작동유를 이송하는 한쌍의 이송 배관(410, 420); 상기 각 이송 배관(410, 420)과 각각 연결되어, 이송 배관내의 압력이 상기 이송 배관(410, 420) 또는 유압 실린더(110, 120) 파열을 초래할 수 있는 높은 압력이 걸릴 시, 작동유를 분출하여 압력을 해소하는 한쌍의 안전밸브(510, 520); 상기 각 이송 배관(410, 420)과 연결되고, 상기 각 이송 배관으로 작동유 이송흐름을 조절하는 방향제어 밸브(600); 상기 방향제어 밸브(600)로 작동유를 가압 하거나, 상기 방향제어 밸브(600)내의 작동유를 토출하는 토출펌프(700); 상기 토출펌프(700)에 구동력을 제공하며, 입력되는 전압에 따른 회전속도 제어 및 정/역회전이 가능한 서보모터(800);로 구성 되는 작동유 제어부(2000)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템{THE STEERING SYSTEM OF A VESSEL}
본 발명은 선박의 항해상태에서 선박을 조정하기 위하여 러더 스톡이 구동되게 하는 유압 공급구조를 가지는 선박용 유압조타시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동유를 공급하기 위한 토출펌프를 서보모터에 의하여 구동하게 함으로써, 서보모터의 회전속도 및 정/역회전 제어에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 조타기는 유압식 구동장치를 이용하여 러더 스톡에게 회전력을 부여하기 위한 것으로서 주조타장치와 보조조타장치가 있다.
상기 주조타장치는 항해상태에서 선박을 조종하기 위하여 러더를 유효하게 구동하는데 필요한 러더 조작기(Rudder actuator), 조타장치의 동력장치 및 그 부속장치로서 러더 스톡(Rudder stock)에게 회전력을 주기 위한 장치(예: Tiller or Quadrant) 등의 기계장치를 의미한다. 상기 보조조타장치는 주조타장치가 손상된 경우에 필요한 장치로서, 주조타장치의 부분과는 별개로 설치될 수 있다.
이러한, 상기 조타기의 종류에는 크게 램(RAM) 실린더 방식의 랩슨 슬라이드형(RS타입 : Rapson-Slide type)과 회전베인형(RV타입 : Rotary Vane type) 등이 있다.
상기 회전베인형 조타기는 설치 면적이 적고, 조타각의 적용범위가 넓은 대신, 액추에이터의 베인과 케이싱 사이의 엄밀한 틈새로 인하여 러더 스톡과 액추에이터의 중심 맞춤 설치가 어렵고, 회전베인의 변형을 고려한 틈새 관리가 필요하며, 오일 실(seal) 성능이 나쁘며, 오일 누유량이 일정하지 않으므로 설치 후 오토파일럿 조합의 조정이 어렵고, 구조상, 기름 속의 이물질이 액추에이터 베인의 바닥부분에 축적되어 액추에이터 실(seal)의 수명을 단축시키고 소요 마력이 크며 유압식 구동장치의 용량이 크므로 유압식 구동장치 사이즈도 큰 단점을 갖고 있다.
반면, 랩슨 슬라이드형 조타기는 고압, 경량, 콤펙트화 된 유압 펌프를 사용하고 있고, 고압에 적당하며, 틸러(Tiller)에 해당하는 크로스헤드 포크/암부(Crosshead fork/Arm member)와 액추에이터인 실린더 및 램(RAM)이 독립되어 있으므로 틸러의 취부 및 실린더의 누유 체크 및 오일 실의 교환이 용이하고, 선상 설치 후의 사후관리 및 조정이 용이하다.
한편, 선급 또는 해상인명안전에 관한 국제협약의 약칭인 솔라스(SOLAS)를 살펴보면, 주조타장치는 선박이 만재 홀수에서 연속 최대출력의 속력으로 전진 중 러더(Rudder)를 한쪽 현(예 : 좌현 port) 각도 35도에서 다른 현(예 : 우현 starboard) 각도 35도 까지 조작할 수 있고, 또한 28초 이내에 한쪽 현 35도에서 다른 현 30도 까지 러더를 회전할 수 있도록 하되, 이때 선급규정에서 요구하는 어퍼 러더 스톡(Upper rudder stock)의 지름이 120㎜를 초과하는 경우는 주조타장치가 동력구동이어야 하는 규정이 있다.
종래 기술에 따른 조타장치용 트윈 액추에이터는 도 1에 도시된 바와 같이, 일측에서 이격 간격을 유지하면서 마주보도록 배치되고 제1램(5)을 직선운동시킬 수 있도록 상기 제1램(5)의 양단에 결합된 제1, 제2유압실린더(1, 2)로 이루어진 제1액추에이터부와, 상기 제1액추에이터부의 맞은편에서 평행하게 배치된 타측에서 역시 같은 방식으로 마주보도록 배치되고 제2램(6)을 상기 제1램(5)과 반대 방향으로 직선운동시킬 수 있도록 상기 제2램(6)의 양단에 결합된 제3, 제4실린더(3, 4)로 이루어진 제2액추에이터부를 갖는다.
상기 제1, 제2액추에이터부의 해당 제1 내지 제4실린더(1, 2, 3, 4)는 실린더 브래킷(도시 안됨)을 통해 선체에 지지되어 있다.
각각의 상기 제1램(5)과 제2램(6)의 중앙에는 수직 동력전달 핀(5a, 6a)이 돌설되어 있다. 이러한, 상기 수직 동력전달핀(5a, 6a)에는 틸러(7 : Tiller)의 양단이 각각 체결되어 있다. 상기 틸러(7)는 제1램(5)과 제2램(6)의 상반적인 직선운동을 회전운동으로 변환시켜, 결국 상기 틸러(7)의 중심에 결합된 러더 스톡(8)을 선회시키는 역할을 담당한다.
종래 기술에 따른 조타장치용 트윈 액추에이터는 선급 또는 솔라스(SOLAS)의 규정에 대응하게 틸러(7) 또는 러더 스톡(8)을 우현 또는 좌현 쪽으로 선회시킬 수 있도록 되어 있다.
이를 위해서, 유압식 구동장치는 대각선 방향에 배치된 한 쌍의 제1실린더(1)와 제3실린더(3)에게 유압을 공급하여 각각 전진의 스트로크(A)에 대응한 직선운동을 발생시키고, 이와 동시에, 반대쪽 대각선 방향에 배치된 한쌍의 제2실린더(2)와 제4실린더(4)에서 유압을 회수하여 각각 후진의 직선운동이 발생된다.
그러나, 종래 기술에 따른 조타장치용 트윈 액추에이터는, 상기 제1 내지 제4실린더(1, 2, 3, 4)로 작동유를 공급할 수 있도록 구동력을 발생시키는 펌프가 지속적으로 구동하는 바, 불필요한 에너지 소비가 이루어지는 문제점이 있다.
KR 등록특허공보 10-1433835 B1 KR 등록특허공보 10-0486655 B1 KR 등록특허공보 10-0859332 B1
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 작동유를 공급하기 위한 토출펌프를 서보모터에 의하여 구동하게 함으로써, 서보모터의 회전속도 및 정/역회전 제어에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템을 제공할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템은, 이격 간격을 유지하면서 서로 마주보도록 배치되고 램(200)을 직선운동시킬 수 있도록 상기 램(200)의 양단이 삽입 결합되는 유압실린더(110, 120); 상기 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성 되고 상기 유압실린더(110, 120)의 작동으로 인한 램(200)의 좌우 운동을 전달하는 동력전달 핀(210); 상기 동력전달 핀(210)과 체결되고, 상기 램(200)의 좌우 운동을 상기 동력전달 핀(210)으로 전달받아 회전력으로 변환하여 회전하는 틸러(300); 상기 틸러(300)의 중심에 결합되는 러더 스톡(310);으로 구성되는 액추에이터부(1000)와, 상기 액추에이터부(1000)의 각 유압실린더와 연결되어 작동유를 이송하는 한쌍의 이송 배관(410, 420); 상기 각 이송 배관(410, 420)과 각각 연결되어, 이송 배관내의 압력이 상기 이송 배관(410, 420) 또는 유압 실린더(110, 120) 파열을 초래할 수 있는 높은 압력이 걸릴 시, 작동유를 분출하여 압력을 해소하는 한쌍의 안전밸브(510, 520); 상기 각 이송 배관(410, 420)과 연결되고, 상기 각 이송 배관으로 작동유 이송흐름을 조절하는 방향제어 밸브(600); 상기 방향제어 밸브(600)로 작동유를 가압 하거나, 상기 방향제어 밸브(600)내의 작동유를 토출하는 토출펌프(700); 상기 토출펌프(700)에 구동력을 제공하며, 입력되는 전압에 따른 회전속도 제어 및 정/역회전이 가능한 서보모터(800);로 구성 되는 작동유 제어부(2000)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안전 밸브(510, 520)는, 분출되는 작동유가 이송되는 분출유 이송배관(530); 상기 분출유 이송배관(530)과 연결되어 분출되는 작동유를 저장하는 버퍼탱크(540); 상기 버퍼탱크(540)와 상기 토출펌프(700)와 연결되어 상기 버퍼탱크(540)에 저장된 작동유를 상기 토출펌프로 재 주입하는 분출유 주입배관(550);을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명은 작동유를 공급하기 위한 토출펌프를 서보모터에 의하여 구동하게 함으로써, 서보모터의 회전속도 및 정/역회전 제어에 의한 작동유 유량제어가 가능하게 함으로써 불필요한 대기 작동을 방지하여 에너지 효율을 높이고, 안전 밸브에서 과도한 압력으로 인한 분출유를 재사용 하기 위한 분출유 재사용 설비를 통하여 작동유의 손실을 방지하는 효과를 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 조타장치용 트윈 액추에이터의 예시도이다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템의 전체 구성도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분출유 재사용 설비를 포함하는 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템 의 예시도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템의 액추에이터부 작동 예시도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템은, 이격 간격을 유지하면서 서로 마주보도록 배치되고 램(200)을 직선운동시킬 수 있도록 상기 램(200)의 양단이 삽입 결합되는 유압실린더(110, 120); 상기 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성 되고 상기 유압실린더(110, 120)의 작동으로 인한 램(200)의 좌우 운동을 전달하는 동력전달 핀(210); 상기 동력전달 핀(210)과 체결되고, 상기 램(200)의 좌우 운동을 상기 동력전달 핀(210)으로 전달받아 회전력으로 변환하여 회전하는 틸러(300); 상기 틸러(300)의 중심에 결합되는 러더 스톡(310);으로 구성되는 액추에이터부(1000)와, 상기 액추에이터부(1000)의 각 유압실린더와 연결되어 작동유를 이송하는 한쌍의 이송 배관(410, 420); 상기 각 이송 배관(410, 420)과 각각 연결되어, 이송 배관내의 압력이 상기 이송 배관(410, 420) 또는 유압 실린더(110, 120) 파열을 초래할 수 있는 높은 압력이 걸릴 시, 작동유를 분출하여 압력을 해소하는 한쌍의 안전밸브(510, 520); 상기 각 이송 배관(410, 420)과 연결되고, 상기 각 이송 배관으로 작동유 이송흐름을 조절하는 방향제어 밸브(600); 상기 방향제어 밸브(600)로 작동유를 가압 하거나, 상기 방향제어 밸브(600)내의 작동유를 토출하는 토출펌프(700); 상기 토출펌프(700)에 구동력을 제공하며, 입력되는 전압에 따른 회전속도 제어 및 정/역회전이 가능한 서보모터(800);로 구성 되는 작동유 제어부(2000)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 램(200)의 양단에는 상기 램(200)을 내부에 삽입할 수 있는 내주면을 가진 유압 실린더(110, 120)가 각각 도 4와 같이 결합된다.
이러한 유압 실린더의 내부 빈 공간에는 작동유가 상기 한쌍의 이송 배관(410, 420)으로부터 각각 공급되거나 토출되는데, 즉, 도 4에서 보는 바와 같이, 양단의 유압 실린더(110, 120) 중, 좌측 유압 실린더(110)의 내부 작동유를 토출하고, 우측 유압 실린더(120)의 내부로 작동유를 공급 가압하게 되면, 상기 램(200)은 좌측으로 직선 이동하게 되고, 이러한 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성된 상기 동력전달 핀(210)도 동일하게 좌측으로 직선운동 하게 된다.
따라서, 이러한 상기 램(200)의 동력전달 핀(210)과 체결된 상기 틸러(300)가 도 4와 같이 램의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여, 이러한 틸러(300)의 중심에 결합되는 러더 스톡(310)이 회전하게 된다.
반대로 양단의 유압 실린더(110, 120) 중, 좌측 유압 실린더(110)의 내부 작동유를 공급 가압하고, 우측 유압 실린더(120)의 내부로 작동유를 토출하게 되면, 상기 램(200)은 우측으로 직선 이동하게 되고, 이러한 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성된 상기 동력전달 핀(210)도 동일하게 우측으로 직선운동 하게 된다.
이러한, 각 유압 실린더(110, 120)에 작동유를 가압 하거나, 토출하는 작동에 대한 제어는, 상기 작동유 제어부(2000)가 실행하게 되는데, 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 입력되는 전압에 따른 회전속도 제어 및 정/역회전이 가능한 서보모터(800)의 구동에 의하여, 작동유를 가압 또는 토출하는 토출펌프(700)가 작동하게 되는데, 예로써, 상기 서보모터(800)가 정회전 시, 상기 토출펌프(700)는, 작동유를 상기 방향제어 밸브(600)로 가압하고, 반대로 역회전 시, 상기 토출펌프(700)는, 상기 방향제어 밸브(600)내의 작동유를 흡입하여 토출하는 작동을 수행한다.
따라서, 기존의 AC모터를 사용하는 유압조타시스템의 경우, AC모터의 회전속도 제어나, 정/역회전의 제어가 용이하지 않으므로, 토출펌프(700)로써 가변용량 오일펌프를 사용함으로써, 토출펌프(700)내의 사판 각도의 조절로써, 토출하는 작동유의 유량을 제어하는 시스템으로써, 작동유의 공급이 필요치 않더라도, AC모터가 지속적으로 구동 하면서, 토출펌프(700)를 작동시키고 대기 하여야 하는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 경우, 구동 모터로써, 서보모터(800)를 적용하여, 전압의 입력에 따라, 회전속도 제어, 정/역회전의 전환이 자유로워, 서보모터(800)의 회전수로 펌프의 구동을 제어하여 작동유의 토출유량을 제어할 수 있으며, 정/역회전이 자유로워, 가압 및 토출의 변환이 쉬운 장점을 가진다.
또한, 이러한 토출펌프(700)의 작동유 유량제어 방식의 변환으로 인하여, 기존과 같이 지속적으로 펌프를 구동하여야 하는 방식에서 탈피해, 작동유 가압 및 토출이 필요한 경우에만 서보모터(800)를 구동하여 토출펌프(700)를 작동할 수 있으므로, 기존의 지속적인 토출펌프(700)구동으로 인한 에너지 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기 방향제어 밸브(600)의 경우, 상기 서보모터(800)의 작동이 정지하여, 토출펌프(700)의 구동이 정지해 작동유의 가압 및 토출이 없는 경우, 자동으로 밸브를 잠그는 기능을 포함하여 작동유의 불필요한 이동을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이송 배관(410, 420)의 경우, 이송 배관내의 압력이 상기 이송 배관(410, 420) 또는 유압 실린더(110, 120) 파열을 초래할 수 있는 높은 압력이 걸릴 시, 작동유를 분출하여 압력을 해소하는 한쌍의 안전밸브(510, 520)를 각각 연결하게 되는데, 이러한 상기 안전 밸브(510, 520)는, 분출되는 작동유가 이송되는 분출유 이송배관(530); 상기 분출유 이송배관(530)과 연결되어 분출되는 작동유를 저장하는 버퍼탱크(540); 상기 버퍼탱크(540)와 상기 토출펌프(700)와 연결되어 상기 버퍼탱크(540)에 저장된 작동유를 상기 토출펌프로 재 주입하는 분출유 주입배관(550);을 더 포함하여, 분출되는 작동유의 손실을 방지하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
110, 120 : 유압 실린더
200 : 램
300 : 틸러
410, 420 : 이송배관
510, 520 : 안전밸브
530 : 배관
540 : 버퍼탱크
550 : 분출유 주입배관
600 : 방향제어 밸브
700 : 토출펌프
800 : 서보모터
1000 : 액추에이터부

Claims (1)

  1. 이격 간격을 유지하면서 서로 마주보도록 배치되고 램(200)을 직선운동시킬 수 있도록 상기 램(200)의 양단이 삽입 결합되는 유압실린더(110, 120);
    상기 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성 되고 상기 유압실린더(110, 120)의 작동으로 인한 램(200)의 좌우 운동을 전달하는 동력전달 핀(210);
    상기 동력전달 핀(210)과 체결되고, 상기 램(200)의 좌우 운동을 상기 동력전달 핀(210)으로 전달받아 회전력으로 변환하여 회전하는 틸러(300);
    상기 틸러(300)의 중심에 결합되는 러더 스톡(310);으로 구성되는 액추에이터부(1000)와,
    상기 액추에이터부(1000)의 각 유압실린더와 연결되어 작동유를 이송하는 한쌍의 이송 배관(410, 420);
    상기 각 이송 배관(410, 420)과 각각 연결되어, 이송 배관내의 압력이 상기 이송 배관(410, 420) 또는 유압 실린더(110, 120) 파열을 초래할 수 있는 높은 압력이 걸릴 시, 작동유를 분출하여 압력을 해소하는 한쌍의 안전밸브(510, 520);
    상기 각 이송 배관(410, 420)과 연결되고, 상기 각 이송 배관으로 작동유 이송흐름을 조절하는 방향제어 밸브(600);
    상기 방향제어 밸브(600)로 작동유를 가압 하거나, 상기 방향제어 밸브(600)내의 작동유를 토출하는 토출펌프(700);
    상기 토출펌프(700)에 구동력을 제공하며, 입력되는 전압에 따른 회전속도 제어 및 정/역회전이 가능한 서보모터(800);로 구성 되는 작동유 제어부(2000)를 포함하고,
    상기 안전 밸브(510, 520)는, 분출되는 작동유가 이송되는 분출유 이송배관(530); 상기 분출유 이송배관(530)과 연결되어 분출되는 작동유를 저장하는 버퍼탱크(540); 상기 버퍼탱크(540)와 상기 토출펌프(700)와 연결되어 상기 버퍼탱크(540)에 저장된 작동유를 상기 토출펌프로 재 주입하는 분출유 주입배관(550);을 더 포함하며,
    상기 방향제어 밸브(600)의 경우, 상기 서보모터(800)의 작동이 정지하여, 토출펌프(700)의 구동이 정지해 작동유의 가압 및 토출이 없는 경우, 자동으로 밸브를 잠그고,
    상기 작동유 제어부(2000)는, 상기 서보모터(800)가 정회전 시, 상기 토출펌프(700)는, 작동유를 상기 방향제어 밸브(600)로 가압하고, 반대로 역회전 시, 상기 토출펌프(700)는, 상기 방향제어 밸브(600)내의 작동유를 흡입하여 토출하는 작동을 수행하며,
    상기 램(200)의 동력전달 핀(210)과 체결된 상기 틸러(300)가 램의 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여, 이러한 틸러(300)의 중심에 결합되는 러더 스톡(310)이 회전하게 되며, 반대로 양단의 유압 실린더(110, 120) 중, 좌측 유압 실린더(110)의 내부 작동유를 공급 가압하고, 우측 유압 실린더(120)의 내부로 작동유를 토출하게 되면, 상기 램(200)은 우측으로 직선 이동하게 되고, 이러한 램(200)의 중앙에 수직으로 돌출 형성된 상기 동력전달 핀(210)도 동일하게 우측으로 직선운동하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 서보모터에 의한 작동유 유량제어 기능을 구비한 유압조타시스템.
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