[논문]정유압식 래크바형 수문권양기의 개발

이성래

정유압식 래크바형 수문권양기의 개발
Development of the Rack-Bar Type Sluice Gate Applying the Hydrostatic Transmission 원문보기

유공압시스템학회논문집 = Transactions of the Korea Fluid Power Systems Society, v.7 no.4, 2010년, pp.15 - 22

Abstract ▼ AI-Helper

The typical hydraulic hoisting system of the rack-bar type sluice gate is composed of a hydraulic supply unit using an uni-directional pump, a direction control valve, a hydraulic motor, a counter balance valve, and flow control valves. Here, the hydrostatic transmission is applied to the hoisting system of rack-bar type sluice gate to simplify the operation of gate such that the upward and downward direction of gate is simply controlled by the direction of pump rotation. The new hydraulic hoisting system is composed of a bi-directional pump, a hydraulic motor, a counter balance valve, two check valves, two pilot-operated check valves, two relief valves and a shuttle valve. The characteristics of a suggested system are analyzed by computer simulations and experiments.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

의 곱으로 구해진다. 편의상 기준 펌프회전속도를 1차 필터로 필터링하여 실제 펌프회전속도를 적용하였으며 펌프의 체적 효율은 100%로 가정하였다.
의 곱으로 구해진다. 편의상 유압모터의 체적효율은 100%로 가정하였다.

제안 방법

2에 나타난 유압회로는 개유압회로가 아닌 폐유압회로로서 단방향펌프 대신에 양방향펌프를 적용하며 방향변환밸브를 사용하지 않는다. Fig.2는 수문권양기용으로서는 최초로 구성된 유압회로이기 때문에 과연 상승-정지-하강작동이 원활한 지를 검증하기 위해 Fig.2에 나타난 정유압식 유압장치에 대한 수학적 모델식을 유도하고 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다.¹⁾ 그 후 수차례의 설계 변경을 거치면서 기존 유압모터를 감속기가 부착된 유압모터로 교체하여 권양력을 증가시키고 펌프의 회전속도 증가에 따라 첵밸브, 파일럿작동첵밸브, 카운터밸런스 밸브 등의 용량을 증가시켜 진공압 발생을 억제하였다.
Fig.2와 Fig.3에 나타난 정유압식 래크바형 수문 권양기의 시제품을 제작하여 수문하중 3500kgf, 유압펌프 회전수 1200rpm, 1500rpm, 1750 rpm에 대한 성능실험을 (주)대한엔지니어링 수문권양기 시험장에서 실시하였다. Table 1에 나타난 것처럼 유압펌프의 배제용적은 14cc/rev, 유압모터의 배제용적은 32cc/rev, 기어열의 총 감속비는 1145.
001초, 총 시뮬레이션 시간은 20초로 설정하였으며 수문의 작동은 정지(0초∼1초)-상승(1초∼10초)-정지(10초∼11초)-하강(11초∼15초)-정지(15초∼16초)-하강(16초∼20초)의 순서로 이루어진다. 수문의 정지, 상승, 하강 구간에서의 유압펌프의 기준 회전속도는 각각 0rpm, +1750rpm, -1750rpm 이며 편의상 유압펌프의 기준회전속도를 1차 필터(시간상수 0.1초)로 필터링하여 유압펌프의 출력회전속도로 적용하였다. 정유압식 래크바형 수문권양기에 대한 시뮬레이션 결과는 Fig.
¹⁾ 그 후 수차례의 설계 변경을 거치면서 기존 유압모터를 감속기가 부착된 유압모터로 교체하여 권양력을 증가시키고 펌프의 회전속도 증가에 따라 첵밸브, 파일럿작동첵밸브, 카운터밸런스 밸브 등의 용량을 증가시켜 진공압 발생을 억제하였다. 이러한 변경된 사항을 고려하여 컴퓨터 시뮬레이션을 재실시하였고 정유압식 래크바형 수문권양기의 시작품을 제작하고 성능시험을 실시하였다.
셔틀밸브의 상단부 압력이나 하단부 압력이 유압 브레이크 해제압력보다 크면 유압브레이크가 해제되며 반대로 셔틀밸브의 상단부 압력과 하단부 압력이 모두 유압브레이크 해제압력보다 작으면 유압 브레이크가 작동하여 유압모터는 정지된다. 편의상 기준 유압브레이크 마찰토크를 1차 필터로 필터링하여 실제 유압브레이크 마찰토크를 적용하였다.

이론/모형

시뮬레이션 언어는 MATLAB3)을 사용하였으며 적분 알고리즘은 ode45를 채택하였고 최대적분시간간격은 0.001초, 총 시뮬레이션 시간은 20초로 설정하였으며 수문의 작동은 정지(0초∼1초)-상승(1초∼10초)-정지(10초∼11초)-하강(11초∼15초)-정지(15초∼16초)-하강(16초∼20초)의 순서로 이루어진다.

성능/효과

2에 나타난 정유압식 유압장치에 대한 수학적 모델식을 유도하고 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다.¹⁾ 그 후 수차례의 설계 변경을 거치면서 기존 유압모터를 감속기가 부착된 유압모터로 교체하여 권양력을 증가시키고 펌프의 회전속도 증가에 따라 첵밸브, 파일럿작동첵밸브, 카운터밸런스 밸브 등의 용량을 증가시켜 진공압 발생을 억제하였다. 이러한 변경된 사항을 고려하여 컴퓨터 시뮬레이션을 재실시하였고 정유압식 래크바형 수문권양기의 시작품을 제작하고 성능시험을 실시하였다.
래크바형 수문권양기의 승강 작동을 위해 정유압식 유압장치를 적용하는 것은 최초의 시도이었으며 그에따라 적합한 유압 구성품의 선정 및 확보의 어려움, 권양기 기어박스 내에서의 마찰손실 데이터 확보의 어려움, 정유압회로 내에서의 진공발생에 따른 시스템의 오작동 때문에 수차례의 설계 변경, 컴퓨터 시뮬레이션의 반복, 시제품 제작의 반복 및 실험을 거쳐 최종적으로 만족스러운 결과를 얻게 되었다. 시뮬레이션 결과에서 유압회로 내의 압력이나 각 유압구성품을 통과하는 유량에서 비정상적인 수치가 나타나지 않았으며 시뮬레이션 결과와 실험결과가 거의 일치하므로 설계된 정유압식 래크바형 수문권양기가 원활히 작동된다는 것을 알 수 있었다.
래크바형 수문권양기의 승강 작동을 위해 정유압식 유압장치를 적용하는 것은 최초의 시도이었으며 그에따라 적합한 유압 구성품의 선정 및 확보의 어려움, 권양기 기어박스 내에서의 마찰손실 데이터 확보의 어려움, 정유압회로 내에서의 진공발생에 따른 시스템의 오작동 때문에 수차례의 설계 변경, 컴퓨터 시뮬레이션의 반복, 시제품 제작의 반복 및 실험을 거쳐 최종적으로 만족스러운 결과를 얻게 되었다. 시뮬레이션 결과에서 유압회로 내의 압력이나 각 유압구성품을 통과하는 유량에서 비정상적인 수치가 나타나지 않았으며 시뮬레이션 결과와 실험결과가 거의 일치하므로 설계된 정유압식 래크바형 수문권양기가 원활히 작동된다는 것을 알 수 있었다. 아울러 기존 전동식 래크바형 수문권양기의 가장 큰 단점인 수문을 닫은 후에도 수문을 계속 누르는 힘 조절의 어려움을 정유압장치에 포함된 릴리프밸브를 통해 간단히 해결할 수가 있으며 또한 정유압장치의 특성상 유압펌프의 회전방향에 의해서 수문의 승강이 제어된다는 작동 조작의 편리성이 부각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동식 래크바형 수문권양기의 가장 큰 단점은?	1은 물관리에 사용되는 일반적인 전동식 래크 바형 수문권양기로서 전기모터-웜감속기-클러치체인스프로킷-기어박스-래크기어-래크바-수문문비로 구성된다. 전동식 래크바형 수문권양기의 가장큰 단점은 수문을 닫은 후에도 수문을 누르는 힘의 조절이 어려워 수문의 래크바가 휘어지거나 권양기 기어박스가 파손되는 경우가 발생하기도 한다. 이러한 과부하문제를 해결하기 위해 전동식을 정유압식으로 대체시킨 정유압식 래크바형 수문권양기를 개발하게 되었다.
	전동식 래크 바형 수문권양기의 구성은?	Fig.1은 물관리에 사용되는 일반적인 전동식 래크 바형 수문권양기로서 전기모터-웜감속기-클러치체인스프로킷-기어박스-래크기어-래크바-수문문비로 구성된다. 전동식 래크바형 수문권양기의 가장큰 단점은 수문을 닫은 후에도 수문을 누르는 힘의 조절이 어려워 수문의 래크바가 휘어지거나 권양기 기어박스가 파손되는 경우가 발생하기도 한다.
	전동식 래크바형 수문권양기의 단점을 해결하기 위해 개발된 것은?	전동식 래크바형 수문권양기의 가장큰 단점은 수문을 닫은 후에도 수문을 누르는 힘의 조절이 어려워 수문의 래크바가 휘어지거나 권양기 기어박스가 파손되는 경우가 발생하기도 한다. 이러한 과부하문제를 해결하기 위해 전동식을 정유압식으로 대체시킨 정유압식 래크바형 수문권양기를 개발하게 되었다. Fig.

참고문헌 (8)

이성래, "래크바형 수문권양기에 적용된 정유압장치의 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 작동특성 연구", 유공압시스템학회 논문집, 제6권, 제2호, pp.14-21, 2009.

원문보기 상세보기
Tokimec Co., "Pilot Operated Check Valves 4CT/4CG", Power Control Hydraulic Equipment Catalogue, pp.F15-F20, 2001.
D. Hanselman and B. Littlefield. "The Student Edition of MATLAB", Prentice Hall, 1997.
CASAPPA Fluid Power Design Co., "Hydraulic Gear Pumps and Motors, Polaris 20 Series", CASAPPA Catalogues.
Doosan Mottrol Co., Ltd., "Hydraulic Piston Motor TSM(T3X) Series", Doosan Mottrol Catalogues.
Tokimec Co., "In-Line Type Check Valves DT8P1", Power Control Hydraulic Equipment Catalogue, pp.F3-F4, 2001.
Tokimec Co., "Pressure Control Valves-Counter Balance Valves, R(C)G, R(C)T, RF", Power Control Hydraulic Equipment Catalogue, pp.C45-C52, 2001.
HydraForce Hydarulics Ltd., "Pressure Control Valves-Relief Valves, RVxx-20", HydraForce Catalogue, pp.22, 2004.

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