KR101516750B1

KR101516750B1 - 기계적 연결을 위한 파손 메커니즘

Info

Publication number: KR101516750B1
Application number: KR1020117015955A
Authority: KR
Inventors: 벤자민 데이비드 휴즈
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2015-05-04
Also published as: BRPI0922380A2; EP2356289B1; CN102239297B; AU2009326847B2; MX2011005759A; US8707590B2; HUE030882T2; CA2744485A1; AP2011005733A0; AU2009326847A1; CA2744485C; EP2356289A4; EA201170774A1; WO2010065990A1; BRPI0922380B1; AP3125A; NZ593008A; KR20110128796A; HRP20161346T1; UA107453C2

Abstract

굴착 공구를 버킷 립에 연결시키는, 부착 시스템에서의 사용을 위한 잠금장치가 개시된다. 버킷 립은 버킷 립에 부착된 돌기를 구비하고 굴착 공구는 사용 시 상기 돌기를 받아들이는 오목한 공간을 구비한다. 사용 시 상기 돌기와 상기 굴착 공구 사이에 잠금장치가 위치하게 된다. 상기 잠금장치는 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재를 포함하는 것으로서, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하도록 만들어 상기 돌기에 밀착하도록 한다. 본 발명은 상기 잠금장치를 위한 바람직한 파손 모드를 제공하는 것을 포함한다. 상기 돌기를 통하여 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 본체 또는 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 돌출 부위를 변형시키도록, 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재의 상대적인 강도를 갖도록 상기 잠금장치가 구성된다.

Description

기계적 연결을 위한 파손 메커니즘{FAILURE MECHANISM FOR MECHANICAL CONNECTION}

본 발명은 기반 구조에 연결되는 마모성 부품의 기계적 연결에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 토목 장비의 버킷에 쓰이는 굴착 공구의 연결에 관한 것이다.

채굴 작업에 사용되는 것과 같은 토목 장비(earth moving equipment)를 위한 굴착 공구(GET: ground engaging tool)들은 매우 거친 환경에서 사용되고 심한 마모를 겪게 된다. 따라서 버킷 이빨(bucket teeth)과 같은 굴착 공구는 정기적인 교환이 필요하다.

전통적으로, 굴착 공구는 버킷의 립(lip)에 용접되었다. 굴착 공구가 그 수명을 다하였을 때, 굴착 공구들은 버킷으로부터 절단되고, 새로운 굴착 공구가 대신 용접된다.

상기와 같은 절단 및 재용접 등의 작업은 복잡하고, 시간을 요하며 비교적 비용이 많이 든다는 것을 알 수 있다. 더구나, 그러한 작업은 일정 작업장에서 행해져야 하므로, 버킷을 토목 장비로부터 분리시켜서 이동시키는 일이 필요하다.

상기 문제들을 해결하기 위한 시도로서 다양한 기계적 부착 방법들이 제안되었다. 많은 방법들은 버킷의 립에 삽입된 볼트 및 유사한 고정 장치들의 사용을 포함한다. 일반적으로 이와 같은 장비들은 사용상 한계가 증명되었다. 버킷의 립에 볼트 또는 그와 유사한 것을 삽입하는 것은 립 안에서 바람직하지 않은 응력의 집중을 발생시켜, 버킷 립이 파손되는 결과를 초래한다. 이와 같은 파손은 발생하지 않더라도, 굴착 공구가 노출되는 큰 힘들은 연결용 볼트들을 변형시키는 경향이 있고, 따라서 기계적 장치를 사용한 추후의 분리를 어렵게 만든다. 실제로 일부 경우에는 변형이 매우 심각하여 굴착 공구가 잘릴 수밖에 없게 되어서, 기계적 연결의 장점을 완전히 없애기도 한다.

상기 문제에 대응하여, 본 출원인은 상기 문제점을 해결하는 다양한 기계적 연결 수단들을 발명하였다. 본 출원인에 의한 장치의 예들은 미국 특허 제7,219,454호 및 미국 특허 출원 제10/509,016호에 자세히 설명되어 있는데, 이들 내용은 본 명세서에 원용하여 포함된다.

상기 연결 수단들은 굴착기 버킷의 립 위에 있는 돌기 또는 돌출부 주변에 장착되는 덮개; 상기 덮개와 돌출부 사이에 위치한 잠금장치; 그리고 상기 덮개와 잠금장치와 돌출부의 상대 위치를 유지하기 위한 외부 압착력 인가기기의 사용을 포함한다.

비록 상기 연결 수단들이 이전의 기계적 연결 장치들보다 변형에 훨씬 덜 취약하기는 하지만, 그럼에도 불구하고 연결 수단들이 견딜 수 있는 것보다 더 높은 수준의 하중이 적용되었을 때에는 연결 수단들이 파손되는 경우가 있었다. 미국 특허 출원 제10/509,016호에 설명된 것처럼, 외부의 압축력이 나삿니가 있는 구성 요소에 의해 적용되는 경우에, 관찰된 하나의 파손 모드(failure mode)는 힘 적용 요소와 잠금장치와의 사이에 있는 연결 나삿니의 변형이다.

위와 같은 파손이 발생하는 경우 힘 적용 요소(볼트)는 잠금장치 내에 교착(膠着)된다. 이런 경우 보통의 기계적 도구를 이용하여 볼트를 제거하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있다.

볼트 및 잠금장치의 상대적인 강도에 따라, 둘 중 어느 한 쪽 나삿니의 변형이 발생할 수 있다. 그 중 어느 경우에든, 결과는 잠금장치의 교착일 수 있다.

본 발명은 잠금장치의 상기와 같은 교착을 실질적으로 방지할 수 있는 수단을 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 기계적 연결 수단 내에서 잠금장치의 교착을 유발하지 않는 기계적 연결 수단을 위한 파손 모드를 제공함으로써 그 효과를 달성한다.

본 발명의 첫 번째 양태에 따르면, 부착 시스템에 사용하기 위한 잠금장치가 제공되는데, 이 잠금장치는 본체, 힘 적용 부재, 그리고 힘 수용 부재를 구비하되, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하도록 구성되며, 본체와 힘 적용 부재와 힘 수용 부재의 상대적 강도들은, 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 본체 또는 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 돌출 부위의 변형을 먼저 유발시키도록 정해진다.

본 발명의 두 번째 양태에 따르면, 부착 시스템에 사용하기 위한 잠금장치가 제공되는데, 이 잠금장치는 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재를 구비하되, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하도록 구성되고, 힘 적용 부재의 강도는, 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 변형을 먼저 유발시킬 수 있도록, 힘 수용 부재의 강도보다 크게 정해진다.

본 발명의 세 번째 양태에 따르면, 굴착 공구를 버킷 립에 연결시키기 위한 부착 시스템이 제공되는데, 버킷 립은 버킷 립에 부착된 돌기를 구비하고, 굴착 공구는 사용 시 상기 돌기를 받아들이는 오목한 공간을 구비하며, 사용 시 상기 돌기와 상기 굴착 공구 사이에 잠금장치가 위치하게 되고, 상기 잠금장치는 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재를 구비하되, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하여 상기 돌기에 밀착하고, 돌기와 본체와 힘 적용 부재와 힘 수용 부재의 상대적 강도들은, 상기 돌기를 통하여 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 본체 또는 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 돌출 부위의 변형을 먼저 유발시키도록 정해진다.

만약 잠금장치의 변형을 발생시키기에 충분한 힘이 적용되는 경우, 이 힘은 힘 수용 부재의 변형을 먼저 유발하도록 구성되어 있다. 힘 수용 부재의 변형은 잠금장치가 그 잠금 기능을 계속 수행할 수 있도록 하고, 또 필요할 때 제거되는 것을 가능하게 한다.

바람직하게는, 힘 적용 부재는 상기 본체의 제1 측면에서 반대쪽에 있는 제2 측면의 안쪽으로 연장되는 나삿니 연결 속에 위치된다. 힘 적용 부재는 힘 수용 부재와 실질적으로 축 상에서 정렬되어 있는 것이 바람직하다.

힘 수용 부재는 그 형태에 있어서 실질적인 원통형일 수 있다. 바람직한 하나의 실시예에서, 힘 수용 부재는 돌출 부위 내에 위치한 경사면을 가진 바깥쪽 가장자리를 갖는다. 이는 잠금장치의 작동에 큰 영향을 끼치는 일 없이 힘 수용 부재에서 작은 정도의 소성 변형이 가능하도록 한다.

힘 수용 부재는 힘 적용 부재의 강도의 90%보다 작은 강도를 가질 수 있다. 힘 적용 부재에 대한 힘 수용 부재의 강도 비율은 0.7 내지 0.9인 것이 바람직하다. 실험 결과는 약 0.8의 강도 비율이 효과적인 결과를 제공한다는 것을 보여준다.

본 발명의 부착 시스템 및 고정 요소의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하는 것이 편리할 것이다. 다른 실시예들도 가능하며, 따라서 아래의 논의들은 앞서 설명한 본 발명의 설명의 일반성을 대체하는 것으로 이해되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 부착 시스템을 사용하여 버킷 립에 연결된 굴착 공구의 단면도이다.
도 1a는 도 1의 일부분을 확대한 확대도이다.
도 2는 도 1에 보인 구성의 단면도로서, 부착 시스템 내부에서 소성 변형이 발생한 후를 보여주는 도면이다.
도 2a는 도 2의 일부분을 확대한 확대도이다.

도 1 및 도 2는, 실질적으로 본 출원인의 미국 특허 제7,219,454호 및 미국 특허 출원 제10/509,016호에 따른, 버킷 립(12)에 부착된 굴착 공구(10)를 보여준다.

버킷 립(12)은 그 상부 면에 돌기(22)를 포함한다. 상기 돌기(22)는 용접과 같은 적절한 수단으로 버킷 립(12)에 고정되어 있다.

굴착 공구(10)는 버킷(12)의 상부 면에 걸쳐 연장되어 있는 부착 부위(42), 그리고 버킷(12)의 상부 면에 인접하여 위치하는 결합을 위한 오목한 공간(50)을 포함한다. 상기 오목한 공간(50)은 돌기(22) 주위로 위치하도록 구성된 제1 부분을 구비한다.

굴착 공구(10)는 또한 안정화 요소(98)를 구비하는데, 안정화 요소는 돌기(22)에서 떨어져서 부착 부위(42)의 구경 내부에 삽입된다. 따라서 상기 오목한 공간(50)의 제2 부분은 돌기(22)와 안정화 요소(98) 사이의 공간으로 획정된다. 잠금장치(60)는 결합을 위한 오목한 공간(50)의 제2 부분 내에 위치된다.

잠금장치(60)는 세 개의 주요 구성 요소, 즉 본체(61), 실질적인 원통형 볼트(114)의 형태인 힘 적용 부재, 및 실질적인 원통형의 돌기 밀착 요소(62)의 형태인 힘 수용 부재를 구비한다.

상기 본체(61)는 돌기(22)를 향하는 제1 측면(64) 및 제1 측면(64)에 반대되는 방향의 제2 측면(66)을 구비한다. 따라서 제2 측면(66)은 안정화 요소(98)를 향하게 된다.

돌기 밀착 요소(62)는 상기 본체의 제1 측면으로부터 안쪽으로 연장된 내부 공간(80) 안에 대부분 포함된다. 돌기 밀착 요소(62)의 바깥쪽 부분(63)은 제1 측면(64)로부터 돌출되는데, 이 부분이 돌기(22)와 밀착하게 된다.

상기 본체(61)는 본체(61)의 내부 공간(80)에서 제2 측면(66)까지 연장된 실질적으로 원통형인 슬롯(110)을 구비한다. 상기 슬롯(110)은 안쪽으로 나삿니를 구비한다.

볼트(114)는 바깥쪽으로 나삿니를 구비하는데, 안쪽으로 나삿니를 구비한 슬롯(110)과 결합하도록 구성된다. 볼트(114)가 슬롯 안쪽으로 전진함으로써, 돌기 밀착 요소(62)의 뒤쪽에 압력을 제공한다. 이는 돌기 밀착 요소(62)의 바깥쪽 가장자리(63)를 돌기(22) 쪽으로 밀어낸다. 볼트(114)를 더욱 전진시킴에 따라 돌기 밀착 요소(62)에 적용되는 가압 하중은 증가한다. 이러한 압력은 돌기(22)에 대하여 작용하고, 그 반작용의 힘이 다시, 본체(61)와의 나삿니 연결을 통해 볼트(114)를 통하여 전달되고, 굴착 공구(10)의 안정화 요소(98) 및 부착 부위(42)에 적용된다. 굴착 공구(10)에 적용되는 상기 힘은 최종적으로, 굴착 공구(10)와 버킷 립(12) 간의 견고한 결합을 돕는다.

상기 설명한 바는 도 1에 보이고 있고, 위에서 참조한 본 출원인의 이전 특허에서 설명되어 있다.

본 출원인은 상기 구성의 파손 메커니즘에 대한 몇 가지 실험적인 연구를 수행하였다. 사용 중, 굴착 공구(10)는 부착 시스템의 구성 요소들에 그 구성 요소의 항복강도를 초과하는 응력을 유발하는 힘에 노출될 수 있다. 이는 상기 구성 요소들의 변형을 발생시킨다.

발생하는 응력의 집중은 대략 해당 구성 요소의 기하학적 형상에 의하여 결정된다는 사실을 알 수 있다. 또한 항복점은 작용하는 응력과 구성 요소의 강도 양자의 조합에 의하여 결정된다는 것도 알 수 있다.

본 발명은, 돌기 밀착 요소(62)의 바깥쪽 가장자리(63)의 돌출 부위에서 항복이 발생하도록, 구성 요소들을 배열하는 방법을 제안한다. 이는, 다양한 구성 요소들을 위한 재료들의 적절한 선택, 적절한 강도 처리, 그리고 나삿니 및 안정화 요소에서의 과도하게 높은 응력 집중을 방지하는 관련된 요소들의 기하학적 설계 등을 포함하는, 다수의 메커니즘들의 조합을 통하여 이루어질 수 있다. 특히 나삿니들보다는 돌기 밀착 요소(62)의 돌출 부위가 변형되도록, 본체(61)의 안쪽 나삿니 및 볼트(114)의 바깥쪽 나삿니를 설계하는 것이 중요하다.

결과로서 발생하는 변형은 도 2에 보이고 있다. 그 효과는 돌기 밀착 요소(62)의 '머쉬루밍'(mushrooming)이다. 이 같은 머쉬루밍의 결과는, 돌기 밀착 요소(62)가 본체의 내부 공간(80)으로 되돌아 들어갈 수 없게 된다는 점이다. 그럼에도 불구하고, 요구되는 고정력을 얻기 위하여 볼트(114)가 조여질 수 있으며 또한 제거될 수 있어서, 안정화 요소(98) 및 잠금장치(60)의 제거를 가능하게 한다. 따라서 굴착 공구(10)가 필요에 따라 제거되고 대체될 수 있다.

만약 잠금장치(60)의 재사용이 필요한 경우, 변형된 돌기 밀착 요소(62)를 뽑아내는 단순한 조치를 취하거나, 또는 잠금장치(60)가 굴착 공구(10)로부터 분리된 후에 볼트(114)를 내부 공간(80) 속으로 전진시킴으로써, 변형된 돌기 밀착 요소(62)를 간단하게 제거할 수 있다. 그 다음에 새로운 돌기 밀착 요소(62)가 해당 위치에 삽입될 수 있다.

도면의 실시예에서, 돌기 밀착 요소(62)는 바깥쪽 가장자리(63) 둘레에 경사면(65)을 가지고 있음을 볼 수 있다. 이에 따른 하나의 장점은, 작은 정도의 소성 변형은 잠금장치(60)의 사용에 영향을 미치지 않는다는 점이다. 바깥쪽 가장자리(63)의 지름을 상기 내부 공간(80)보다 크게 확장하는 효과를 가진 변형만이, 돌기 밀착 요소(62)가 상기 내부 공간(80) 안쪽으로 들어올 수 있는 수준 이상의 변형을 초래한다. 따라서 작은 변형들은 장비의 즉각적인 재사용을 방해하지 못한다.

볼트(114) 및 돌기 밀착 요소(62)의 상대적 강도를 결정하기 위하여 시험들이 수행되었다.

아래에 보인 표는 상기 설명된 잠금장치(60)에 수행된 제어된 시험들의 결과이다. 상기 시험들은 유압 프레스에서 50KN의 증분으로 증가하는 하중을 가지고 수행되었다.

상기 결과들은, 돌기 밀착 요소의 선호되는 변형이 발생하기 위해서는 돌기 밀착 요소의 강도가 볼트의 강도보다 훨씬 작아야 한다는 것을 제시하고 있다. 특히 돌기 밀착 요소 강도의 볼트 강도에 대한 비율이 0.8 또는 그 아래일 필요가 있다는 것을 보여준다.

당업자에게 쉽게 인식될 수 있는 변경 및 변형들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

부착 시스템에서의 사용을 위한 잠금장치로서,
잠금장치는 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재를 구비하되, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하도록 구성되고,
본체와 힘 적용 부재와 힘 수용 부재의 상대적 강도들은, 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 본체 또는 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 돌출 부위의 변형을 먼저 유발시키도록 정해지는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
부착 시스템에서의 사용을 위한 잠금장치로서,
잠금장치는 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재를 구비하되, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하도록 구성되고,
힘 적용 부재의 강도는, 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 변형을 먼저 유발시킬 수 있도록, 힘 수용 부재의 강도보다 크게 한 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제1항에 있어서,
힘 적용 부재는, 상기 본체의 제1 측면에서 반대쪽에 있는 제2 측면의 안쪽으로 연장되는 나삿니 연결 속에 상기 힘 적용 부재가 위치하는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제3항에 있어서,
힘 적용 부재는 힘 수용 부재와 실질적으로 축 상에서 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제1항에 있어서,
힘 수용 부재는 실질적으로 원통형의 모양을 한 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제5항에 있어서,
힘 수용 부재는 돌출 부위에 위치한, 경사면을 가진 바깥쪽 가장자리를 구비한 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제1항에 있어서,
힘 수용 부재는 힘 적용 부재 강도의 90%보다 작은 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제7항에 있어서,
힘 수용 부재의 힘 적용 부재에 대한 강도 비율은 0.7 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제8항에 있어서,
힘 수용 부재의 힘 적용 부재에 대한 강도 비율은 0.8인 것을 특징으로 하는 잠금장치.
굴착 공구를 버킷 립에 연결시키는 부착시스템으로서,
버킷 립은 버킷 립에 부착된 돌기를 구비하고, 굴착 공구는 사용 시 상기 돌기를 받아들이는 오목한 공간을 구비하며, 사용 시 상기 돌기와 상기 굴착 공구 사이에 잠금장치가 위치하게 되고,
상기 잠금장치는 본체, 힘 적용 부재 및 힘 수용 부재를 구비하되, 힘 적용 부재에 의해 힘이 적용되면 힘 수용 부재가 본체의 제1 측면으로부터 돌출하여 상기 돌기에 밀착하고, 돌기와 본체와 힘 적용 부재와 힘 수용 부재의 상대적 강도들은, 상기 돌기를 통하여 힘 수용 부재의 돌출 부위에 가해진 충분히 큰 힘이 본체 또는 힘 적용 부재의 변형 이전에 힘 수용 부재의 돌출 부위의 변형을 먼저 유발시키도록 정해지는 것을 특징으로 하는 부착 시스템.
제10항에 있어서,
제2항에 따른 잠금장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착 시스템.
제10항에 있어서,
제1항에 따른 잠금장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착 시스템.
제2항에 있어서,
힘 적용 부재는, 상기 본체의 제1 측면에서 반대쪽에 있는 제2 측면의 안쪽으로 연장되는 나삿니 연결 속에 상기 힘 적용 부재가 위치하는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제13항에 있어서,
힘 적용 부재는 힘 수용 부재와 실질적으로 축 상에서 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제2항에 있어서,
힘 수용 부재는 실질적으로 원통형의 모양을 한 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제15항에 있어서,
힘 수용 부재는 돌출 부위에 위치한, 경사면을 가진 바깥쪽 가장자리를 구비한 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제2항에 있어서,
힘 수용 부재는 힘 적용 부재 강도의 90%보다 작은 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제17항에 있어서,
힘 수용 부재의 힘 적용 부재에 대한 강도 비율은 0.7 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 잠금장치.
제18항에 있어서,
힘 수용 부재의 힘 적용 부재에 대한 강도 비율은 0.8인 것을 특징으로 하는 잠금장치.