[논문]사판식 액셜피스톤 펌프-레귤레이터계의 선형화해석에 의한 유압제어특성 고찰

조승호; 김원수

doi:10.22634/ksme-a.2000.24.10.2535

문제 정의

파워시프트제어는 레귤레이터(regulator) 부속의 전자 비례 감압밸브의 지령전류값을 변화 시켜 펌프의 마력설정값을 같은 기울기로 시프트 하는 기능을 말한다. 본 연구에서는 레귤레이터의 기본적 성능과 관계된 유량 및 마력제어 특성을 다룬다. 이는 굴삭기의 유압제어회로, 엔진의 과부하 문제, 나아가 굴삭기 작업장치의 기구학/동역학적 특성의 규명에 까지 영향을 미친다.
본 연구에서는 중형 유압굴삭기에 탑재하는 사판식 가변용량형 펌프의 레귤레이터계에 대하여 수학적 모델링을 수행하고, 이를 액셜피스돈-사판계와 결합시켜 유량제어와 마력제어 특성을 고찰하였다. 제2장에서는 레귤레이터계를 유량 제어부와 마력제어부로 나누어 각각의 작동원리를 해석하고 수학적 모델링을 수행하였다.

가설 설정

이때 Fig. 6에서 7?) a 이므로 qrO으로 가정하였다. 따라서 피스톤갯수가 乙라고 할 때 총 토크는 식 (20)과 같이 표현된다.

제안 방법

2, 3장에서 모델링된 펌프-레귤레이터계에 대하여 시뮬레이션을 수행하고 실험치와 비교하였다. 우선 사판의 감쇠계수 변화에 따른 유량제어 특성과 마력제어특성을 컴퓨터 시뮬레이션으로 검토하고 그 결과를 각각 Fig 12, Fig.
식 (31)에서 i의 계수, 서의 계수, 그리고 나머지 항들이 사판각에 따라 어떠한 거동을 나타내는가는 시스템설계 관점에서 매우 중요하다. 따라서 해석대상이 되는 계수들을 각각 Ie, Ci 그리고 C₂ 로 놓고, 사판각에 따른 특성을 검토하였다.
식 (20)에서 각각의 함수들은 2?r 의 주기를 가지므로 서로 2砰乙>의 위상차이가 있다. 본 연구에서는 피스톤관성, 실린더 내의 압력, 그리고 압판에 작용하는 힘을 토크 발생의 주 요인으로 고려하였으며, 마찰력이나 스프링힘은 무시하였다. 따라서 평균토크 3、珅는 식 (21)로 표현되며, 해석의 편의상 나누어 표현하면 식 (22)로 된다 s。
사판식 액셜피스톤 펌프에서 사판의 운동을 제어하는 레귤레이터계에 대한 수학적 모델링을 수행한 후, 이를 사판식 .액셜피스톤 펌프의 수학적 모델에 인터페이스하였다.
실험방법은 유량제어의 경우 파일럿 압력을 0.2초 동안 0 - 50 Kgf/cm² 까지 램프형태로 상승시키면서 유량을 측정하였으며, 마력제어의 경우 양쪽 펌프의 토출압력은 동일하다고 간주하고, 역시 0.2초 동안 그 합을 0 - 350 Kgf/cm² 까지 상승시키면서 유량을 측정하였다. 그 밖의 실험조건은 다음과 같다.
후, 이를 사판식 .액셜피스톤 펌프의 수학적 모델에 인터페이스하였다. 그리고 레귤레이터를 포함한 전체 펌프모델에 대한 선형화해석을 통하여, 제어특성을 좌우하는 설계파라메터값들의 추출을 용이하게 하였다.
대상으로 사판 각이 3° 와 15。일 때 토크 값을 시뮬레이션으로 구하고 그 결과를 기초로 펌프의 토출압에 대한 2차식으로 근사화하여 사용하였다. 그 과정 이 Fig.
제2장에서는 레귤레이터계를 유량 제어부와 마력제어부로 나누어 각각의 작동원리를 해석하고 수학적 모델링을 수행하였다. 제3장에서는 피스톤에 의해서 제어되는 사판계에 대한 모델링을 수행하고 비선형항들에 대한 선형화 해석 방법을 고찰하였다.

대상 데이터

0 일 때의 시뮬레이션 결과를 실험치와 비교하였다. 본 연구에서 채택한 레귤레이터모델은 동명 액셜피스톤 펌프 K3V 시리즈용의 KR3 계열에 속한다.

데이터처리

사판의 감쇠계수가 증가할수록 유량의 진동이 감소하는 현상을 볼 수 있다. 사판의 감쇠 계수가 4.0 일 때의 시뮬레이션 결과를 실험치와 비교하였다. 본 연구에서 채택한 레귤레이터모델은 동명 액셜피스톤 펌프 K3V 시리즈용의 KR3 계열에 속한다.
제3장에서는 피스톤에 의해서 제어되는 사판계에 대한 모델링을 수행하고 비선형항들에 대한 선형화 해석 방법을 고찰하였다. 제4장에서는 구축된 레귤레이터-액셜피스톤-사판계의 유량제어와 마력제어 특성에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고 실험결과와 비교하였다.

성능/효과

나타낸다.") 서보 피스톤의 소경실부에는 항상 자기 펌프의 압력이 작용하며, 대경실부에는 스풀의 이동에 의해서 유입된 유량에 의해 압력이 발생하여 소경실부와 힘의 평형을 이룰 때까지 서보 피스톤은 이동하게 된다. 대경실부와 소경실부의 면적비( 兀4 = AjAt )를 이용하면 대경실부의 압력(F)은 식 (12)가 되고, 이를 식 (10), (11)에 대입하면 식 (13), (14)이 된다.
액셜피스톤 펌프의 수학적 모델에 인터페이스하였다. 그리고 레귤레이터를 포함한 전체 펌프모델에 대한 선형화해석을 통하여, 제어특성을 좌우하는 설계파라메터값들의 추출을 용이하게 하였다. 유량제어모드에서 서보피스톤 변위와 펌프 유량특성을 시뮬레이션으로 고찰하고 이를 실험을 통하여 검증하였다, 아울러 마력제어모드에서 서보피스톤의 변위와 펌프 유량특성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 고찰한 결과 매우 유사한 경향을 보여 주었다.
그리고 레귤레이터를 포함한 전체 펌프모델에 대한 선형화해석을 통하여, 제어특성을 좌우하는 설계파라메터값들의 추출을 용이하게 하였다. 유량제어모드에서 서보피스톤 변위와 펌프 유량특성을 시뮬레이션으로 고찰하고 이를 실험을 통하여 검증하였다, 아울러 마력제어모드에서 서보피스톤의 변위와 펌프 유량특성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 고찰한 결과 매우 유사한 경향을 보여 주었다. 본 연구결과는 궁극적으로 굴삭기 유압시스템의 설계에 이용되어, 부하변동이 심한 굴삭기 엔진의 과부하를 방지하고 에너지 효율향상에 기여할 것으로 사료된다.

후속연구

유량제어모드에서 서보피스톤 변위와 펌프 유량특성을 시뮬레이션으로 고찰하고 이를 실험을 통하여 검증하였다, 아울러 마력제어모드에서 서보피스톤의 변위와 펌프 유량특성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 고찰한 결과 매우 유사한 경향을 보여 주었다. 본 연구결과는 궁극적으로 굴삭기 유압시스템의 설계에 이용되어, 부하변동이 심한 굴삭기 엔진의 과부하를 방지하고 에너지 효율향상에 기여할 것으로 사료된다.
콤펜피스톤의 변위와 X近와의 비교에 따라 아웃스프링과인너스프링이 독립적 또는 함께 작용함으로써 서보피스톤의 변위와 펌프 토출유량의 기울기가 변하는 것을 알 수있다. 실험과 시뮬레이션 결과에서 약간의 차이가 발생하고 있는 것은 시뮬레이션 입력데이타, 선형화해석, 그리고 모델링 과정에서의 오차에 기인하는 것으로 이에 대한 계속적인 연구가 요망된다.

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