압출 성형기에 응용된 액추에이터의 올바른 적용 방법

Tolomatic

액추에이터 설치 후 조기에 작동하지 않는 액추에이터는 매우 드문 경우다. Tolomatic은 원인을 알아내기 위해 고객사를 방문했다.
플라스틱 용기 제조업체는 Tolomatic 내부 베어링 형의 밴드 실린더를 사용하여, 압출 성형 기계에서 롤(roll)이 풀리면서 플라스틱 필름을 가로지르는 플라잉 나이프 어셈블리(flying knife assembly)를 움직였다. 10파운드의 플라잉 나이프 어셈블리는 45분마다 1.5초에 전체 101인치 스트로크로 움직인다. 유량 조절 장치는 40psi의 공기 압력 등급으로 사용되었다.

실린더의 대부분은 처음 100회 작동 이전에 실패했고, 반면에 다른 실린더를 교체해야 되기까지 6개월 동안 작동했다. 실린더는 2주 동안 가동되었다.
실린더를 검사한 결과 액추에이터의 내부 쿠션의 씰이 손상되어 작동 불능으로 판정되었다. 액추에이터에서 헤드를 제거하면 관성 밴드가 컵 모양으로 구부러졌으며, 이는 관성 스파이크가 손상을 입었다는 신호였다.

왜 이런 일이 발생했는지 설명하기 위해 액추에이터의 내부 쿠션이 어떻게 작동하는지 정의해야 한다.
쿠션의 기능은 액추에이터 씰, 베어링, 밴드 그리고 헤드의 손상을 방지하기 위해 주행 끝 단에서 액추에이터의 부하를 늦추는 것이다. 액추에이터의 에어 쿠션은 액추에이터 주행 끝단에서 쿠션 스피어(cushion spear)가 쿠션 씰에 결합할 때 공기를 걸러서 작동한다. 갇힌 공기는 부하의 관성에 의해 압축되고 배출이 허용되는 속도는 액추에이터의 쿠션 니들에 의해 제어된다.

쿠션 니들 조정은 설치 시(스크루 드라이버로 쉽게 이루어짐) 이루어져야 하며 애플리케이션에 따라 다르기 때문에 공장에서 미리 설정할 수 없다. 쿠션은 주행 끝에서 하중이 점진적이고 부드럽게 멈추도록 조정되어야 하며 ‘튀어 오르는’ 움직임이 없어야 한다. 추가 쿠션에 대한 조정은 액추에이터의 수명 주기 동안 주기적으로 수행되어야 한다.

이 설치에서는 액추에이터 손상을 유발하는 몇 가지 요인이 있었다. 공압 제어가 사용되었지만 설치 시 액추에이터 내부 쿠션에 대한 초기 조정은 없었다. 결과적으로 쿠션이 끝 부분에서 압력이 상승했기 때문에 쿠션 바늘이 압력을 배출하는 것을 허용하지 않았다. 압력 스파이크가 발생하여 씰과 밴드가 손상되었다. 문제가 발생하면 쿠션이 작동 불능이 되어 밀봉 밴드에서 공기 누출이 발생하게 된다.

또한, 애플리케이션에서 최종 하중 속도가 액추에이터 내부 쿠션의 용량을 훨씬 초과한다는 사실도 발견되었다. 하중 관성이 쿠션 능력을 초과하면 액추에이터의 손상은 동일하다. 주행 끝에서 압력이 증가하고 밴드에 동일한 변형이 일어나 씰을 깨고 쿠션을 작동 불능 상태로 만든다.

위 공식은 제품 카탈로그에 게시된 액추에이터의 내부 쿠션의 최종 속도 대 부하 용량을 보여준다. 최종 속도 대 부하가 이 정격 값을 초과하면 외부 충격 흡수 장치를 사용해야 한다.
이 애플리케이션에서 우리는 1.5파운드에서 101파운드로 이동한다. 움직이는 거리와 부하가 움직이는 속도는 선형 속도를 만든다. 즉, 거리가 멀수록 빠르다. 최종 속도가 무엇인지 결정하기 위해 먼저 평균 속도를 결정해야 한다.

101인치 ÷ 1.5초 = 67.3인치 / 초.

최종 속도를 결정하기 위한 경험적 규칙은 평균 속도의 2배이다.

67.3 x 2 = 134.6in/sec

차트에서 볼 수 있듯이 134in/sec가이 제품의 차트에서 벗어났으므로 부하를 적절하게 중지시키기 위해 외부 충격 흡수 장치가 필요하다. Tolomatic 밴드 실린더에 외부 충격 흡수 장치를 사용하는 경우 내부 쿠션을 제거하고 충격을 하중 중심에 정렬해야 한다. 적절한 충격 정렬은 액추에이터의 베어링 구조물에 손상을 줄 수 있는 추가적인 모멘트 하중을 제거한다. 애플리케이션에 적절한 충격을 가하면 제품이 완벽하게 작동한다.

하중을 움직이는 작업을 수행하는 공압식 액추에이터를 설계할 때 하중이 실제로 얼마나 빠른 속도로 끝나는지(최종 속도)를 고려해야 한다. 그리고 액추에이터의 내부 쿠션 혹은 외부 충격 흡수 장치를 올바르게 지정했는지 확인해야 한다.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)