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공기압 기술(1)
운동에너지에 대하여
공기가 액추에이터 (구동기기)에 출입함에 따라 (열역학적으로는 일을 함에 따라)액추에이터는 동작한다. 이 일에 의해 운동에너지가 발생되고, 이번은 이 운동에너지에 대해서 알아본다. 운동에너지의 단위는 다음과 같이 여러 가지로 표시할 수 있지만, 상호 교환가능하다.
1. 운동에너지 [kgf.m]
2. 일 [kgf.m]
3. 칼로리 [CAL]
4. hp.h[hp.h 또는 kg/h.h]
또한, 힘을 가하는 면과 받는 면으로 분류할 수 있다. 자동차에서는 엔진이 힘을 가하고, 차체가 힘을 받아 달린다. 그리고 칼로리에 대해서 살펴보려면 에어실린더에 공기를 투입하면 알 수 있다. 피스톤을 외력에 의해 동작시키면, 에어실린더 내의 공기는 가열되기도 하고 냉각되기도 하고, 열역할적으로 보면 "힘"을 적분할 것이 된다.
에어실린더가 갖고 있는 힘으로 행정만큼 이동하는 것을 일, 또는 에어실린더 내의 압력차 × 실린더 용적으로 표시할 수 있다.
힘 = 압력 × 면적
[kgf][kgf/cm²][cm²]
일 = 힘 × 행정
[kgf.cm][kgf][cm]
즉, 일[kgf.cm]=압력[kgf/cm²]×용적[cm³]이 된다. 이 결과 가동부에 에너지가 전달되어, 운동에너지로 되어 모이는 것이 된다. [모여진 에너지에 대해 손실(마찰등)이 없으면 영구기관이 된다.]
이 운동에너지는 에어실린더에서 행정단에서의 "충격"으로 되어 표시된다. 여기에 쿠션부착 실린더를 사용하게 된다. 에어실린더의 쿠션에는 운동에너지의 흡수 가능한 한계가 있다. 하지만 쿠션의 한계 즉, 운동에너지가 클 경우는 외부쿠션 압-쇼바의 사용이 요구된다.
충격력에 대해서는 충돌방법(충돌에 걸리는 시간)에 따라 변화하므로, 충격력은 계산 불가능하다. 그러면 실제로 실수하기 쉬운 장치를 예를 들어 설명한다. 이것을 [그림 1]에 표시했다. 이 그림은 활동차를 1개 사용한 장치이다. 가동부는 2배의 속도로 2배의 행정을 이동한다. (활동차가 2개이면 4배의 속도와 4배의 행정을 이동한다.)
이 경우 운동은 E = ½mv²이 되고
속도는 실린더 속도의 2배가 되므로 운동에너지는 체인을 통해서 에어실린더로 전달된다.
이 때문에 행정단의 쿠션 능력을 극도로 초과해 버린다. 또 이 장치는 부하에 비해 2배의 힘이 필요(부하율 계산은 2배의 부하/실린더의 이론출력이므로 주의)하므로 단열행창 등이 일어나기 쉽다.
또 이와는 반대의 행정에서 배압이 이상압력이 되어 공압기기의 파손(시일불량)등을 발생하는 경우가 있다. 또, 로드선단의 풀리(스프로킷)등이 흔들리기 때문에 로드패킹의 마찰에 의해 시일 불량이 발생하기 쉽다.
[표 1] 배속, 배행정 장치의 장단점 비교
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장 점 |
단 점 |
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* 2배의 행정이 얻어진다.
* 따라서 장치가 작아진다.
* 에어실린더의 2배의 속도가 얻어진다.
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* 2배의 추력이 필요
* 운동에너지는 4배로 된다.
* 쿠션은 대부분 효과가 없다.
* 단열팽창하기 쉬우므로 동결, 결로가 발생한다.
* 장치가 복잡하다.
* 로드가 흔들리기 쉬우므로 패킹이 손상된다.
* 속도제어가 곤란하다.
* 부하하강시에 배기측에 이상압력이 생긴다. (15[kgf/cm²]이상이 된다)
* 보수가 어렵다.
* 부하에 어느정도 변동이 있으므로 실린더의 응답계산이 어렵다.
* 수평사용할 경우 확실한 「가이드」가 필요
* 3포지션, 크로즈센터형에서 VP4350등, 압력발런스가 되어 있지 않은 형식은 중간정지가 어렵다. |
이와 같은 경우는 가능한 한 로드레스 실린더나, 텔레스코프 실린더를 이용하고, 운동에너지가 직접 에어 실린더로 전달되도록 사용하도록 한다. 또 이와 같은 것으로 링크기구등이 있다. 이것도 지례를 응용한 배속장치로 사용하면 같은 현상이 예상되므로 주의가 필요하다. 그리고 이 장치는 [표 1]과 같은 장, 단점이 있다.
이와 같이 배속 배행정장치는 에어실린더 사용하면 단점이 많아 그다지 실용적이지 않다. 실제로 사용되고 있는 경우에도 어느 정도의 문제점을 감수하면서 사용하고 있는 소비자가 많은 것 같다. 소비자중에도 이와 같은 이유에서「에어실린더가 움직이지 않는다」,「쿠션이 효과가 없다」등의 현상에 직면한 경우도 있다고 생각한다. 이러한 경우는 부하율에도 주의가 필요하지만 특히 운동에너지에 주의할 것을 부탁한다. |
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