KR20190067804A - 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 슬루잉 기어(14)가 수직 회전축 주위로 회전할 수 있도록 콘크리트-분배 붐의 붐 베이스 상에 장착된다. 슬루잉 기어(14)는 회전 구동부(20)에 의해 작동되고, 필요 시에는, 붐(12)을 원하는 각위치에 배열하기 위해 브레이크(22)에 의해 작동되며, 붐(12)을 가속하거나 및/또는 감속하면, 붐(12)의 원치 않는 고유 진동이 수평 방향으로 발생한다. 본 발명에 따르면, 회전 구동부(20)는 고유 진동의 하나 이상의 최대 진동값 범위에서 일시적으로 프리휠 모드로 전환되며, 슬루잉 기어(14)는 자유로이 이동되어 고유 진동이 감소된다.

Description

콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법 및 장치

본 발명은 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 슬루잉 기어가 수직 회전축 주위로 회전할 수 있도록 콘크리트-분배 붐의 붐 베이스(boom base) 상에 장착되며, 슬루잉 기어는 회전 구동부에 의해 작동되고, 필요 시에는, 붐을 원하는 각위치에 배열하기 위해 브레이크에 의해 작동되며, 붐을 가속하거나 및/또는 감속하면, 붐의 원치 않는 고유 진동이 수평 방향으로 발생한다. 추가로, 본 발명은 이러한 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법을 수행하도록 구성된 장치에 관한 것이다.

현재 사용되는 트럭-장착식 콘크리트 펌프에서, 운영자는 조이스틱을 이용하여, 콘크리트-분배 붐을 회전하도록 사용되는 조이스틱 편향(joystick deflection)에 따른 운동 변화를 제어한다. 회전 운동이 시작될 때, 붐 끝단(boom tip)은 처음에, 슬루잉 기어가 이미 회전되는 동안 관성으로 인해, 원래 위치에 유지된다. 따라서 분배 붐은 사전응력을 받는다(prestressed). 이는 붐 끝단이 갑작스럽게 움직이기 시작할 때 특정의 시간 지연(time delay)으로 제공된다. 이에 따라 전체 분배 붐에는 원치 않는 진동이 발생된다. 또한, 하위구조물(substructure)에도 진동이 발생될 수 있다. 제동(braking) 시에도, 똑같은 거동(behavior)이 관측된다. 이러한 진동은 구성요소(component)들이 경량이며 큰 가요성(flexibility)을 가져도 증가한다. 이에 따라, 칸틸레버 형태의 구조물 근처에서 작업하는 것이 어렵고 특히, 콘크리트를 붓는 작업 위치에 있는 운영자의 위험성도 증가한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술에 알려져 있는 방법 및 장치를 개선하고, 시동 및 제동 작동에 의해 유발되는 원치 않는 붐 진동(boom oscillation)을 줄이거나 방지하는 데 있다.

상기 목적을 구현하기 위하여, 청구항 제1항 및 제13항에 기재된 특징들의 조합들이 제안된다. 본 발명의 바람직한 실시예들과 변형예들은 종속항들에 기술된다.

본 발명은, 붐 끝단(boom tip)을 제어하기 위하여, 붐 구조물의 운동을 변경하는 동안에 포텐셜 에너지와 운동에너지의 변화를 현명하게 이용하는 개념에 따른다. 그에 따라, 본 발명의 방법에 따르면, 회전 구동부(rotary drive)는 고유 진동(natural oscillation)의 하나 이상의 최대 진동값 범위에서 일시적으로 프리휠 모드(freewheel mode)로 전환되며, 슬루잉 기어(slewing gear)에는 토크가 감소되거나(relieved) 토크가 전달되지 않아서, 사전결정된 시간 기간 동안 자유로이 이동될 수 있다. 따라서, 기계적으로 큰 영향 없이도 붐의 자체적인 진동이 상당히 감소될 수 있다. 이러한 운동 제어는, 현재의 운동 상태에 상관없이, 모든 가속 및 제동 작동에서 사용될 수 있다. 보통, 유압 또는 전기 회전 구동부가 사용된다.

본 발명의 제어 방법의 한 실시예에 따르면, 프리휠 모드를 위한 작동 시간(switch-on time)은 회전 운동 동안에 탐지된 측정값에 따라 결정된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 회전 구동부는 슬루잉 기어에 제공된 토크(torque)의 극한값이 생성될 때 프리휠 모드로 전환된다. 이때, 진동 시스템은 최대 포텐셜 에너지를 가지며 그에 따라 최소의 운동에너지를 가진다.

센서 제어 방식의 한 변형예에 따르면, 토크는 슬루잉 기어 상에서 토크 트랜스듀서(torque transducer)에 의해 탐지되는데, 특히 스트레인 측정(strain measurement)(가령, 예를 들어, 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하여)에 의해 탐지된다.

회전 구동부는 유압 모터에 의해 형성되며, 프리휠 모드를 위한 작동 시간이 유압 모터에 제공된 탐지된 유압 압력 또는 유압 압력으로부터 유도된 크기(quantity)로부터 결정되는 것이 특히 바람직하다.

포텐셜 에너지는, 프리휠 모드를 위해, 바람직하게는 비제한적인 유압 라인(hydraulic line)을 통해 압력 포트(pressure port)들을 연결함으로써 전환 밸브(switching valve)에 의해, 유압 모터를 유압적으로 단락시킴으로써(hydraulically short-circuiting) 선택적으로 전환될 수 있다.

또 다른 바람직한 변형예에 따르면, 프리휠 모드는, 붐을 가속하거나 및/또는 감속하기 위한 제어 신호에 따라, 시간-제어 방식으로 유발된다.

시간 순서에서 보면, 프리휠 모드는 붐의 고유 진동에 따라 작동되는데, 바람직하게는 제어 신호 후에 고유 진동 주기의 1/4이 지났을 때 작동된다.

붐이 빠지는(running away) 것을 방지하기 위하여, 프리휠 모드는, 작동되고 나면, 사전결정된 시간 기간이 흐른 후에 작동이 정지되어야 한다. 이는 안전을 위해 바람직한 것이다.

프리휠 모드의 시간 기간은 붐의 고유 진동이 최소화되도록 공지의 붐 데이터로부터 수학적으로 또는 실험적으로 결정될 수 있다.

브레이크는 프리휠 모드의 시간 기간 동안에는 적어도 압력이 감소되거나(relieved) 릴리스된 상태로 유지된다.

바람직하게는, 회전 구동부는 프리휠 모드 동안에는 토크가 감소되어 제동 또는 구동 토크가 슬루잉 기어에 전달되지 않는다.

또한, 본 발명은 콘크리트-분배 붐을 포함하는 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 장치에 관한 것으로서, 슬루잉 기어가 수직 회전축 주위로 회전할 수 있도록 콘크리트-분배 붐의 붐 베이스(boom base) 상에 장착되며, 슬루잉 기어는 회전 구동부에 의해 작동되고, 필요 시에는, 브레이크에 의해 작동되며, 붐을 가속하거나 및/또는 감속하면, 붐의 원치 않는 고유 진동이 수평 방향으로 발생하고, 회전 구동부는 붐의 고유 진동의 하나 이상의 최대 진동값 범위에서, 일시적으로 프리휠 모드로 전환되며, 슬루잉 기어는 자유로이 이동되어 붐의 고유 진동이 감소된다. 이러한 제어 장치는 앞에서 기술된 제어 방법과 함께 수행되는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에 따르면, 회전 구동부는 유압 모터에 의해 형성되며, 프리휠 모드를 위해, 유압 모터는 압력 포트들을 연결함으로써 전환 밸브에 의해 유압적으로 단락된다.

밑에서, 본 발명은 첨부도면에서 개략적으로 예시된 대표 실시예들에 대해 보다 상세하게 기술될 것이다. 도면에서:
도 1은 트럭-장착식 콘크리트 펌프 상의 콘크리트-분배 붐을 개략적으로 도시한 도면;
도 2는 콘크리트-분배 붐을 위한 슬루잉 기어 제어장치의 블록 다이어그램;
도 3은 제어 절차의 다양한 시간 다이어그램;
도 4는 본 발명에 따른 운동 제어와 종래의 운동 제어를 위한 붐 진동을 비교한 도면.

도 1은 콘크리트-분배 붐(12)을 포함하는 트럭-장착식 콘크리트 펌프(10)를 도시한 도면으로서, 콘크리트-분배 붐(12)은, 콘크리트 라인(도시되지 않음)을 수용하며, 슬루잉 기어(14)에 의해 베이스(base)에서 수직축(16) 주위로 회전될 수 있고, 수평의 회전축으로 조인트(joint)에 의해 슬루잉 기어에 연결되며 서로 연결되는 복수의 붐 암(18)들로 구성된다. 피벗회전 구동부(pivot drive)로서 유입 실린더(도시되지 않음)가 조인트들에 연결되며, 슬루잉 기어(14)는 유압 모터(20)에 의해 구동되고 브레이크(22)에 의해 제동될 수 있는데, 이들은 밑에서 보다 상세하게 기술될 것이다. 따라서, 붐(12)은 원하는 회전 위치 또는 각위치(angular position)로 이동될 수 있으며, 수직축(16)으로부터 붐 끝단(boom tip)의 반경방향 거리(radial distance)는 작업 현장에서 콘크리트 라인에 의해 이송되는 콘크리트를 사용하기 위해 조인트의 선회 운동(swiveling movement)을 통해 변경될 수 있다.

붐(12)의 통상적인 가속 동안(시동 및 제동 시에), 바람직하지 못한 진동(oscillation)이 수직축(16) 주위에서 수평 방향으로 발생한다. 이러한 진동이 발생하는 원인은, 한편으로는 작은 스프링 강성 (및 그와 관련된 작은 고유 진동수)이며, 다른 한편으로는 붐(12)의 작은 전체 감쇠(overall attenuation) 때문이다. 이에 따라, 큰 진동폭(oscillation amplitude)이 생성되며 이러한 큰 진동폭은 서서히 소멸된다(decay). 이러한 진동은 슬루잉 기어 제어장치(slewing gear control)에 의해서 대부분 억제되는데(suppressed) 이는 밑에서 상세하게 설명될 것이다.

도 2는 감속 기어(26)에 의해 슬루잉 기어(14)와 결합되고 유압 모터로서 구현되는 회전 구동부(20)를 위한 컴퓨터-보조 제어 장치(24)의 블록 다이어그램이다. 제어 장치(24)는 운영자에 의해 입력 장치(28)로 제어될 수 있는 전기-제어식 비례 방향 제어 밸브(26)를 포함한다. 이는, 조이스틱(30)을 선회운동시켜 수동으로 목표 속도로 설정함으로써, 구현될 수 있다. 중앙 위치로부터 벗어난 비례 밸브(26)의 개방 위치들에서, 비례 밸브(26)의 압력 오일 출구(A 및 B)는 밸브가 일정하게 개방될 때 방향에 따라 회전 구동부(20)로 전환될 수 있다. 이런 방식으로, 회전 속도는 크기(amount) 및 방향에 따라 시간의 함수로 특정될 수 있다.

게다가, 제어 장치(24)는 프리휠 모드(freewheel mode)의 회전 구동부(20)의 진동-최소 작동을 위해 마이크로컨트롤러(32)를 가진다. 이를 위해, 회전 구동부(20)의 2개의 압력 포트(34)의 각각의 압력 포트에 압력 센서(36)가 제공되며, 각각의 압력 포트는 하류에 위치된 아날로그-디지털 컨버터(38)에 의해 시간에 따라 탐지가능한 디지털 압력 신호(40)를 마이크로컨트롤러(32)에 공급한다. 이는 압력차 신호(40)로부터 압력차(Δp)의 시간에 따라 유도된 프로파일(44)을 생성하기 위해 미분기(differentiator)(42)를 포함한다.

마이크로컨트롤러(32)는 2/2-방향 밸브로서 구현되는 전환 밸브(48)의 제어 입력(control input)에 전기 변환 신호를 출력하는 전환 스테이지(46)를 가진다. 이는 스프링-리셋 기본 위치에서 흐름 경로(flow path)를 차단하고 두 방향으로 흐름 경로를 릴리스하여 상기 위치에서 전기 작동되게 하며, 회전 구동부(20)의 압력 포트들이 상호연결된다. 이러한 유압 단락(hydraulic short-circuiting)을 통해 회전 구동부(20)는 프리휠 모드로 전환되는데, 프리휠 모드에서 회전 구동부(20)는 토크를 전달하지 않으며 따라서 자유로이 이동될 수 있다.

일반적으로, 출력부로부터 나온 기계적 동력(mechanical power)이 전환되어 프리휠 모드 동안에는 동력이 전달되지 않도록 구성된 회전 구동부(20)의 일부분으로서, 기어박스(gearbox)가 사용될 수 있다. 이를 위하여, 예를 들어, 전환식 기계 결합부, 가령, 예컨대, 다중-디스크 클러치가 사용될 수 있다. 전기식 회전 구동부의 경우, 연결 막대(connecting pole)들에 의해 전기적 단락 모터(electrically short-circuit motor)도 고려해 볼 수 있다.

주요할 점은, 공통적으로, 엔진의 작동으로 인해, 토크가 생성되거나 전달되는 것이 방지되어, 출력부는 자유로이 회전된다는 사실이다.

도 3은 붐(12)의 저-진동 가속을 위한 제어 절차를 예시한다. 가속 시에, 질량 관성(mass inertia)으로 인해 슬루잉 기어(14)는 사전응력(prestressing)을 받으며, 이는 압력차 신호(40)가 증가된다는 것을 의미한다. 압력차(Δp)의 극한값(extreme value)은 제로(0) 시간에서 시간에 따라 유도된 신호(44)와 교차하여 생성된다. 이 시간에서, 밸브(48)는 흐르도록 전환되며, 회전 액츄에이터(20)는 토크가 감소되어(relieved) 따라서 자유로이 이동될 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, 밸브(48)는 사전결정된 시간 기간 후에 다시 차단되어, 프리휠 모드의 작동이 정지된다(deactivated). 이와 함께, 브레이크(22)는 프리휠 모드 작동 기간 동안 릴리스된다(도 3에서 밑의 그래프). 작동 시간 기간은, 발생할 수 있는 임의의 진동이 최소화되도록, 주어진 붐 형상에 대해 수학적으로 또는 실험적으로 결정될 수 있다.

상기 절차는 붐(12)이 감소될 때에도(decelerated) 앞에서와 비슷하게 반복될 수 있다. 압력차 대신에, 슬루잉 기어(14)에 제공된 토크는, 아날로그 제어 절차(analog control sequence)를 유도하기 위하여, 예를 들어 스트레인 게이지에 의해 탐지될 수 있다.

프리휠 모드를, 조이스틱(30)에 의해 유발된(triggered) 구동 신호(drive signal)에 따라 일정 시간 간격에서 시간에 따라 제어할 수 있도록 하게 하는 것도 고려해 볼 수 있다. 이렇게 시간에 따라 제어하는 변형예를 위해, 고유진동수(natural frequency)는 주어져야 한다. 회전 구동부(20)가 토크가 없는 상태로 전환되는 시간과 제동(braking) 또는 가속 시작 사이의 기간은 고유 진동 기간(natural oscillation duration)의 정확하게 1/4에 상응해야 한다. 상기 변형예는 슬루잉 기어(14)에 추가적인 센서들이 없어도 구현될 수 있다. 하지만, 요구 정확도로 고유진동수를 결정하기 위하여, 적절한 붐 센서, 특히 붐 암(18)의 각위치를 위한 붐 센서가 제공되어야 한다.

예를 들어 붐의 정지 운동(stopping movement)을 이용하여, 최적화 방식으로 수행되는 진동 제어(oscillation-optimized control) 방법이 도 4에 예시된다. 회전 구동부(20)는 정상 운동(steady movement)으로부터 정지된다(붐(12)의 수직 평면도에서 시간 0 위치). 최대 포텐셜 에너지 상태에서(시간 1 위치), 사전응력을 받는 슬루잉 기어(14)는, 상기 에너지 상태가 에너지 상태의 기저부(basis)로부터 제거되고 진동 시스템 자체가 프리휠 모드에 의해 릴렉스되도록(도 4에서 시간 3 위치의 우측면) 작동된다. 그 뒤, 붐(12)은 실질적으로 정지 상태가 된다(도 4에서는 시간 3 위치의 우측면). 그 뒤, 회전 구동부(20)는 다시 차단될 수 있다.

회로를 실행할 때, 이는, 붐(12)이 정지되거나 혹은 진동을 반대로 할 때(reversing), 회전 구동부(20)가 프리휠 모드로 선택적으로 전환된다는 의미이다. 종래의 붐 제어에서, 도 4의 시간 2 및 3 위치에 도시된 것과 같이, 붐은 급격한 제동 곡선(braking curve)로 인해 오버슈팅된다(overshoot). 그에 따라, 하측의 두 시간 그래프는, 본 발명의 저-진동 운동 제어(실선)를 위한 붐 끝단의 속도와 위치의 시간 경로와 원치 않는 진동으로 이어지는 종래의 제동 곡선(파선)을 비교한 그래프로서, 시간 0 내지 3 위치도 표시된다.

Claims (15)

1. 콘크리트-분배 붐(12)의 운동을 제어하는 방법으로서, 슬루잉 기어(14)가 수직 회전축 주위로 회전할 수 있도록 콘크리트-분배 붐(12)의 붐 베이스 상에 장착되며, 슬루잉 기어(14)는 회전 구동부(20)에 의해 작동되고, 필요 시에는, 붐(12)을 원하는 각위치에 배열하기 위해 브레이크(22)에 의해 작동되며, 붐(12)을 가속하거나 및/또는 감속하면, 붐(12)의 원치 않는 고유 진동이 수평 방향으로 발생하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법에 있어서,
   회전 구동부(20)는 고유 진동의 하나 이상의 최대 진동값 범위에서 일시적으로 프리휠 모드로 전환되며, 슬루잉 기어(14)는 자유로이 이동되어 고유 진동이 감소되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 프리휠 모드를 위한 작동 시간(switch-on time)은 회전 운동 동안에 탐지된 측정값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회전 구동부(20)는 슬루잉 기어(14)에 제공된 토크의 극한값이 생성될 때 프리휠 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 토크는 슬루잉 기어(14) 상에서 토크 트랜스듀서에 의해 탐지되는데, 특히 스트레인 측정에 의해 탐지되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동부(20)는 유압 모터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 프리휠 모드를 위한 작동 시간은 유압 모터에 제공된 탐지된 유압 압력 또는 유압 압력으로부터 유도된 크기(quantity)로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 프리휠 모드를 위해, 유압 모터는 압력 포트(34)들을 연결함으로써 전환 밸브(48)에 의해 유압적으로 단락되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 프리휠 모드는, 붐(12)을 가속하거나 및/또는 감속하기 위한 제어 신호에 따라, 시간-제어 방식으로 유발되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 프리휠 모드는 붐(12)의 고유 진동에 따라 작동되는데, 바람직하게는 제어 신호 후에 고유 진동 주기의 1/4이 지났을 때 작동되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 프리휠 모드는, 작동되고 나면, 사전결정된 시간 기간이 흐른 후에 작동이 정지되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 프리휠 모드의 시간 기간은 붐(12)의 고유 진동이 최소화되도록 수학적으로 또는 실험적으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 브레이크(22)는 프리휠 모드의 시간 기간 동안에는 적어도 릴리스된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동부는 프리휠 모드 동안에는 토크가 감소되어(relieved) 제동 또는 구동 토크가 슬루잉 기어(14)에 전달되지 않는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 방법.
14. 콘크리트-분배 붐(12)을 포함하는 콘크리트-분배 붐(12)의 운동을 제어하는 장치로서, 슬루잉 기어(14)가 수직 회전축 주위로 회전할 수 있도록 콘크리트-분배 붐(12)의 붐 베이스 상에 장착되며, 슬루잉 기어(14)는 회전 구동부(20)에 의해 작동되고, 필요 시에는, 브레이크(22)에 의해 작동되며, 붐(12)을 가속하거나 및/또는 감속하면, 붐(12)의 원치 않는 고유 진동이 수평 방향으로 발생하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 장치에 있어서,
    회전 구동부(20)는 고유 진동의 하나 이상의 최대 진동값 범위에서, 제어 장치(24)에 의해, 일시적으로 프리휠 모드로 전환되며, 슬루잉 기어(14)는 자유로이 이동되어 고유 진동이 감소되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 회전 구동부(20)는 유압 모터에 의해 형성되며, 프리휠 모드를 위해, 유압 모터는 압력 포트(34)들을 연결함으로써 전환 밸브(48)에 의해 유압적으로 단락되는 것을 특징으로 하는, 콘크리트-분배 붐의 운동을 제어하는 장치.

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