KR20180092452A - 3 방향 2 위치 내충격성 고유량 재생 밸브 조립체 - Google Patents

3 방향 2 위치 내충격성 고유량 재생 밸브 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실린더 로드 인출시 탱크로 귀환하는 로드측 작동유를, 무부하 상태에서는 장비의 컨트롤 밸브를 거치기 전에 실린더의 베이스 챔버에 바로 재공급 되게하여 인출속도를 최대화하고, 부하상태에서는 재공급을 멈추고 컨트롤밸브를 통하여 탱크로 귀환하게 하여 메인펌프의 압력손실을 방지할 수 있게 하는 재생 밸브 조립체에 관한 것으로써,
더욱 상세하게는 주 밸브의 내부 구조를 방향 2위치”로 간단하게 하고 장구형 스풀을 사용하여 유로의 크기를 최대화함으로써 압력 손실을 최소화 시키고, 별도의 스프링 복귀식 파일럿 밸브를 두어 응답 속도를 빠르게 하고, 전환 순간에 밸브 및 실린더에 갇히는 작동유가 저압의 탱크 측으로 빠지게 하여 내부 잔류 충격압이 발생하지 않도록 하여 전체 시스템을 보호하는 구조를 갖는 재생 밸브 조립체에 관한 것이다.

Description

3 방향 2 위치 내충격성 고유량 재생 밸브 조립체 {Three-Way Two-Position Anti-surge High Flow Regenerative Valve Assembly}
본 발명은 인출(Extension)되는 실린더 로드 측 작동 유가, 무부하 상태에서는 장비의 컨트롤 밸브를 거치지 않고 실린더의 베이스 챔버로 바로 재공급되게 하여 인출 속도를 최대화하고, 부하 상태에서는 메인 펌프에서 공급되는 고압의 작동유가 작용되게 하여 실린더 힘을 최대화하게 하는 재생 밸브 조립체(Regenerative valve)에 관한 것이다.
상세하게는 주 밸브 내부 구조를 방향 2위치”로 간단하게 하고 장구형 스풀을 사용하여 유로의 크기를 최대화함으로써 압력 손실을 최소화 시키고, 별도의 스프링 복귀식 파일럿 밸브를 두어 응답 속도를 빠르게 하고, 응답 속도에 관계없이 전환 순간(Transition moment)에서 밸브 및 실린더에 갇히는 작동유가 저압의 탱크 측으로 빠지게 하여 충격압(Surge pressure)이 내부에 잔류하지 않도록 하여 전체 시스템을 보호하는 구조를 갖는 재생 밸브 조립체에 관한 것이다.
크러셔와 같은 큰 실린더를 사용하는 작업기(Hydraulic work tool)에 사용되는 일반적인 증속 밸브 조립체는 도1과 같이 파일럿 작동 체크 밸브(91), 카운터 밸런스 밸브(92) 및 상호 교차 유로가 가공된 하우징(93)으로 구성되어 있다.
작업 장비의 메인 컨트롤 밸브(40)를 통해 입력 포트(VC)로 공급된 작동유는 실린더 인출 포트(CC)를 통해서 실린더(30) 베이스측 챔버(CB)에 유입되고, 피스톤(31) 반대 측 작동유는 실린더 인입 포트 (CO)를 통해 증속 회로로 유입된다.
실린더 로드(32)에 부하가 걸리지 않는 상태에서는, 실린더 로드 측 챔버(CR)에 있던 작동유는 작업기 컨트롤 밸브(40)를 거치지 않고 체크 밸브(91)을 통해 실린더 베이스 측(CB)으로 바로 유입되면서 유량의 증가로 실린더 인출 속도가 빠르게 되는 재생 모드(Regenerative mode)가 된다.
부하 상태에서는, 즉 로드에 일정 부하가 걸려 입력 유로(H2)에 걸린 압력이 일정 이상 되면 카운터 발란스 밸브(92)가 열리고 이와 동시에 체크 밸브(91)를 닫아 주면 로드 챔버(CR)측 작동유는 장비의 메인 컨트롤 밸브(40)을 거쳐 작업 장비 유압 탱크(50)로 흐르게 되고, 베이스측 챔버(CB)에는 메인 펌프(60)의 유압이 유입되어 고압의 작업을 하게 되는 작업 모드(Work mode)가 된다.
(소멸) 실용신안 20-0396929. 2005.09.28. 3쪽 전문, 도면 4
관련 선행 기술은 도 1과 같이 카운터 밸런스 밸브(92) 및 파일럿 체크 밸브(91)를 조합하여 재생 회로를 구현하였으나 구조가 복잡하여 응답이 느리고 좁은 유로 때문에 작동유가 밸브를 통과하면서 발생하는 압력 손실이 크다. 압력 손실은 발열 또는 진동의 형태로 나타나는데 작업기의 수명을 단축시키는 주된 원인이 된다. 또한, 재생 모드에서 작업 모드로 바뀌는 순간적인 전환 순간 (transition moment) 배압 또는 외부 불순물에 의해 각 밸브 구성품의 작동이 늦어지거나 방해 받음으로써 유로 막힘에 따른 순간 충격압(surge pressure)이 실린더 및 밸브 내부에 잔류하게 되는데, 이 순간 외부 충격(external impact)이 가해지게 되면 실린더 및 밸브 내부 압력 순간적으로 큰 폭으로 상승하게 되어 작업 실린더 파손의 주된 원인이 된다.
본 발명은 도 2 및 도2a와 같이, 메인 컨트롤 밸브(40)와 작업 실린더(30)의 로드 측 챔버(CR) 간의 유로 개폐에 단일 구조 스풀(12)이 적용된 방향 2위치”밸브 조립체(10)를 사용하고, 이 주 밸브 스풀(12)의 방향 및 위치를 결정해 주는 신호용 파일럿 압력의 제어에만 파일럿 밸브(20)를 사용한다. 또한, 재생 모드에서 작업 모드로 전환하는 순간 모든 유로가 개방되도록(Open center) 한다.
본 발명은 직접 작업에 사용되는 작동유 방향 전환을 담당하는 주 밸브 조립체에는 장구형 일체 구조인 스풀만을 사용하여 유로를 최대화함으로써 압력 손실이 최소화되고 방향 2위치”의 단순 구조이기 때문에 응답이 빠르고 외부 불순물에 의한 오작동이 최소화된다. 또한, 전환 순간에서 모든 유로가 장비 유압 탱크로 개방되기 때문에 실린더 및 밸브 내부의 순간 충격압이 최소화된다.
도1 : 관련 선행 기술에 의한 상용화된 재생 장치의 유압 회로도
도1a : 관련 선행 기술에 의한 피스톤과 로드에 의한 단면도
도2 : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 중립 모드 (Neutral mode)일 때를 나타내는 단면도
도2a : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 중립 모드일 때의 유압 회로도
도3 : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 재생 모드 (Regenerative mode) 일 때를 나타내는 단면도
도3a : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 재생 모드일 때의 유압 회로도
도4 : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 전환 순간 (Transition moment) 일 때를 나타내는 단면도
도 4a : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 전환 순간일 때의 유압 회로도
도5 : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 작업 모드 (Work mode) 일 때를 나타내는 단면도
도 5a : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 작업 모드일 때의 유압 회로도
도6 : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 복귀 모드일 때를 나타내는 단면도
도6a : 본 발명에 의한 밸브 조립체가 복귀 모드일 때의 유압 회로도
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 에서 보여 주듯이 본 발명의 구조는 크게 나누어 주 밸브 조립체(10) 및 파일럿 밸브 조립체(20)로 구성되어 있다. 주 밸브 조립체(10)는 주 하우징(11), 스풀(12), 주 스프링 조정 나사(17), 오리피스(14), 주 스프링 커버(15) 및 주 스프링(16)으로 구성되어 있으며, 파일럿 밸브 조립체(20)는 스프링 커버(21), 파일럿 스프링(22), 파일럿 스프링 조정 나사(27) 및 파일럿 스풀(23) 및 파일럿 하우징(24)로 구성되어 있다.
도 2는 외부에서 어떠한 압력도 가해지지 않은 상태인 중립 모드에서의 각 구성품의 위치를 보여준다. 주 밸브 스풀(12)은 주 스프링(16)에 의해 우측 끝단에 위치하여 밸브 출력 포트(VO)와 실린더 인입 포트(CO)가 연결되게 하고 밸브 입력 포트(VC)와 실린더 인출 포트(CC)가 연결되도록 한다. 파일럿 스풀(23)은 파일럿 스프링(22)에 의해 가장 왼쪽에 위치하다.
이 중립 모드에서의 모든 구성품의 위치는 실린더가 인입(extract)되는 복귀 모드 (도6 및 도6a) 일 때와 동일 하며 작동유 흐름의 방향만 서로 반대이다.
도 2a는 중립 모드에서의 유압 회로도를 보여 준다.
도 3 및 도 3a는 작업기 실린더 무부하 상태인 재생 모드(Regenerative mode)일 때의 각 구성품의 위치 단면도와 유압 회로도이다. 실린더 작동시 발생하는 내부 저항(핀 부싱 간의 마찰 및 실린더 내부 실 마찰 저항)에 의한 재생 모드 시작 압력(PS)이 주 스프링(16)을 밀게 되어 주 밸브 스풀(12)을 좌측 끝단에 위치시킨다. 이 때, 밸브 출력 포트(VO)는 막히고 밸브 입력 포트(VC)를 통해 들어오는 펌프의 유량과 실린더 인입 포트(CO)를 통해 들어온 실린더 로드측 유량이 실린더 인출 포트(CC)를 통해 실린더 베이스 측으로 유입되게 된다. 이 때 펌프가 공급해야 할 유량은 실린더 베이스측 면적(AB)과 로드측 면적(AR)의 차이 만큼이고, 실린더 로드 측의 유량은 모두 실린더 베이스 측으로 유입된다. 이 때 파일럿 밸브 스프링(22) 힘은 재생 모드 시작 압력(PS)보다 크기 때문에 파일럿 밸브 스풀(23)는 계속 닫힘 상태를 유지한다.
도 4 및 도 4a는 재생 모드에서 작업 모드로 넘어가는 전환 순간에서의 각 구성품의 위치 단면도와 유압 회로도이다. 작업기 실린더가 로드에서 외부 저항을 만나 부하가 걸리기 시작하면 밸브 입력 포트(VC)와 실린더 인출 포트(CC) 사이의 유로(H3) 내의 압력이 올라가 작업 모드 압력 (PW = 실린더 내부 저항 + 실린더 외부 부하) 이 되며, 이 압력이 파일럿 밸브 스프링(22) 압축력 보다 커지게 되면 파일럿 밸브 스풀(23)은 우측 끝단에 위치하게 된다. 이에 따라 주 밸브 스풀(12) 우측면에 작용하는 압력이 장비 탱크 압력(PT)과 같게 되어 주 밸브 스프링(16)이 주 밸브 스풀(12)을 우측으로 밀기 시작한다. 주 밸브 스풀(12)이 움직이기 시작하여 우측 끝단에 위치될 때까지의 전환 순간, 이 때 작업 실린더 로드 측 챔버 압력(PR) 및 주 밸브 조립체(10) 내부의 압력은 장비의 탱크 압력(PT)과 같게 됨에 따라 충격 압력이 최소화된다.
도 5 및 도 5a는 작업 모드(Work mode)에서의 각 구성품의 위치 단면도와 유압 회로도이다. 파일럿 밸브 스풀(23)는 전환 순간과 같은 위치를 유지하고 주 밸브 스풀(12)은 우측 끝단에 위치해서 유로의 크기가 최대화된다. 펌프로부터 공급되는 유량의 일부가 오리피스가 있는 유로(H5)를 통해 장비 탱크로 유출되게 되는데 이는 순간 충격압의 일부를 저압인 탱크로 드레인(drain)되도록 하는 효과가 있다. 이때 주 밸브 스프링 유로(H9), 파일럿 밸브 스프링 드레인 유로(H11)와 장비 유압 탱크의 압력(PT)은 동일 해진다.
도 6 및 도6a는 복귀 모드 즉 실린더 인입(Retract) 상태에서의 각 구성품의 위치 단면도와 유압 회로도이다. 각 구성품의 위치는 중립 모드(도2 및 도2a) 와 동일하되 장비 밸브의 위치가 바뀜에 따라 유로의 방향은 바뀌어 실린더가 인입 될 수 있도록 한다. 이 때, 로드 측과 베이스 측 압력 단면적 차이에 의해 로드 측 압력(PR)이 베이스 측 압력(PB)보다 항상 크기 때문에 주 밸브 스풀(12)은 항상 우측 끝단에 위치하여 실린더 인입 포트(CO)와 밸브 출력 포트(VO)를 연결하는 유로(H4)를 형성한다.
91 : 일반적인 재생 회로의 파일럿 작동 체크 밸브 조립체
92 : 일반적인 재생 회로의 카운터 밸런스 밸브 조립체
40 : 장비의 컨트롤 밸브
50 : 장비의 유압 탱크
60 : 장비의 메인 펌프
AB : 작업 실린더 베이스측 면적
AR : 작업 실린더 로드측 면적
CB : 작업 실린더 베이스측 챔버(Chamber)
CR : 작업 실린더 로드측 챔버
VO : 재생밸브 출력 포트
VC : 재생밸브 입력 포트
CO : 실린더 인입 포트
CC : 실린더 인출 포트
VR : 재생 모드 포트
PB : 실린더 베이스 측 압력
PR : 실린더 로드 측 압력
PD : 주 스풀 베어링 드레인 압력
PS : 재생 모드 시작 압력
PW : 작업 모드 시작 압력
PT : 장비 유압 탱크의 압력
H1 : 체크 밸브 파일럿 유로
H2 : 카운터 밸런스 밸브 파일럿 유로
H3 : 인출 유로
H4 : 인입 유로
H5 : 오리피스 유로
H6 : 재생 유로
H7 : 파일럿 밸브 입력(Upstream) 유로
H8 : 파일럿 밸브 출력(Downstream) 유로
H9 : 주 밸브 스프링 드레인 유로
H10 : 파일럿 밸브 파일럿 유로
H11 : 파일럿 밸브 스프링 드레인 유로
10 : 주 밸브 조립체
11 : 주 밸브 하우징
12 : 주 밸브 스풀
14 : 오리피스
16 : 주 스프링
17 : 주 스프링 조정 나사
20 : 파일럿 밸브 조립체
22 : 파일럿 밸브 스프링
23 : 파일럿 밸브 스풀
24 : 파일럿 밸브 하우징
27 : 파일럿 스프링 조정 나사
30 : 작업 실린더
31 : 작업 실린더 피스톤
32 : 작업 실린더 로드

Claims (4)

  1. 실린더 로드 끝단에 외부 저항이 없는 무부하 상태에서 인출(extension) 되는 실린더 로드 측 작동유가 베이스 챔버 측 작동유로 직접 흐르게 하여 인출 속도를 최대화하고, 부하 상태에서는 메인 펌프에서 공급되는 고압의 작동유가 작용되게 하여 실린더 힘을 최대화하게 하는 재생 밸브 조립체(regenerative valve assembly)의 구조에 있어서,

    주 밸브 하우징(11), 주 밸브 스풀(12), 주 밸브 스프링(16), 주 밸브 스프링 조정 나사(17) 및 오리피스(14)로 구성된 방향 2위치”주 밸브 조립체(10) ; 파일럿 밸브 하우징(24), 파일럿 밸브 스풀(23), 파일럿 밸브 스프링(22) 및 파일럿 밸브 스프링 조정 나사(27)로 구성된 파일럿 밸브 조립체(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 재생 밸브 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 유로 면적을 최대화 시킬 수 있도록 한 장구형 주 밸브 스풀(12) ; 파일럿 압력이 작용되지 않는 중립 모드에서는 스프링 인장력에 의해 주 밸브 스풀(12)을 우측 끝단에 위치시키되 인출 유로(H3)의 압력이 일정 이상 (PS = 실린더의 내부 저항에 의한 압력)이 되어 주 스풀 우측면에 작용하는 순간 압축되는 주 스프링(16) ; 내부 저항 크기가 다른 작업 실린더에도 동일한 스프링을 사용할 수 있도록 스프링 압축력(F=kx, k는 스프링 상수, x는 스프링 변위량)을 조정하기 위한 스프링 조정 나사(17) ; 중립 모드, 작업 모드 또는 복귀 모드에서는 실린더 인입 포트(CO)와 밸브 출력 포트(VO)를 연결시키고 재생 모드에서만 실린더 인입 포트(CO)와 재생 모드 포트(VR)를 연결시켜 방향 2위치”구조를 가진 주 밸브 하우징(11) ; 작업 모드시 파일럿 밸브 입출력 유로(H7, H8)을 통해 장비 유압 밸브로 유출되는 유량을 최소화시키기 위한 오리피스(14)가 조립된 구조로 되어 있는 주 밸브 조립체(10)를 구비하는 것을 특징으로 하는 재생 밸브 조립체.
  3. 제2항의 주 밸브 하우징 구조에 있어서, 밸브 입력 포트(VC)와 실린더 인출 포트(CC)가 연결되도록 구성된 인출 유로(H3) ; 밸브 출력 포트(VO)와 실린더 인입 포트(CO)가 연결되도록 구성된 인입 유로(H4) ; 인출 유로(H3)과 재생 포트(VR)를 연결시켜 재생 모드에서 작업 실린더 로드 챔버 작동유가 베이스 챔버에 직접 유입되게 하우징 내부에 구성한 재생 유로(H6) ; 주 스프링 챔버와 인입 유로(H4)가 통하게 하여 배압을 최소화시키는 역할을 하는 주 밸브 스프링 드레인 유로(H9) ; 주 스풀 우측면이 파일럿 밸브 입력 측으로 연결되게 구성된 파일럿 입력 유로(H7) ; 파일럿 밸브의 출력 측(H8)이 주 밸브의 인입 유로(H4)와 연결되게 구성된 파일럿 출력 유로(H8) ; 파일럿 밸브 스프링 챔버의 배압을 최소화 시켜 스프링(16) 응답을 신속하게 하는 파일럿 밸브 스프링 드레인 유로(H11)가 형성되어 방향 2위치”를 구현할 수 있는 구조도 되어 있는 주 밸브 하우징을 구비하는 것을 특징으로 하는 재생 밸브 조립체
  4. 제1항에 있어서, 장구형 파일럿 밸브 스풀(23) ; 중립 모드에서는 스프링 인장력에 의해 파일럿 밸브 스풀(23)을 좌측 끝단에 위치시키되 인출 유로(H3)의 압력이 일정 이상 (PW = 작업 모드 시작 압력 = 실린더 내부 저항에 따른 압력 + 실린더 외부 부하에 따른 압력)이 되어 스풀(23) 좌측면에 작용하는 순간 압축되는 파일럿 스프링(22) ; 작업 모드 시작 압력이 다른 작업 조건에서도 동일한 스프링을 사용할 수 있도록 스프링 압출력을 조정하기 위한 스프링 조정 나사(27) ; 파일럿 밸브 파일럿 유로(H10)와 주 밸브 인출 유로(H3)가 연결되고, 파일럿 밸브 입력 유로(H7) 와 출력 유로(H8)가 스풀의 위치에 따라 개폐가 결정되며, 스프링 드레인 유로(H11)와 출력 유로(H8)가 연결되어 파일럿 압력(PW) 작용시 스프링 챔버의 배압을 최소화하는 구조를 가진 파일럿 밸브 하우징(24)이 조립된 구조로 되어 있는 파일럿 밸브 조립체(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 재생 밸브 조립체.

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