[논문]사판식 액셜 피스톤 펌프에서의 압력맥동 해석모형에 관한 연구

신정훈; 김형의; 김경웅

doi:10.9725/kstle.2011.27.6.314

사판식 액셜 피스톤 펌프에서의 압력맥동 해석모형에 관한 연구
A Study on Models for the Analysis of Pressure Pulsation in a Swash-Plate Type Axial Piston Pump 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.27 no.6, 2011년, pp.314 - 320

신정훈 (KAIST 기계항공시스템학부) , 김형의 (KIMM 신뢰성평가센터) , 김경웅 (KAIST 기계항공시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Although swash-plate type axial piston pumps have the merits of wide operating conditions and high efficiency, the characteristics of pressure pulsation and flow ripple which result in system noise generation are on-going problems. This research examined the analytic models of the dynamic oil pressure and flow characteristics in the pump. A new mathematical model which considered the pressure behaviors of each cylinder and discharge piping was developed to analyze the pump pressure and flow. This model also considered the leakages in the clearances which many researchers have ignored so far. Using the developed model, numerical calculations were implemented. The results showed that widely used simple model which considered only a single cylinder can not predict actual discrete flow dynamics and that fluid inertia effect has to be considered in the mathematical model. Several critical parameters were discussed such as port volume and discharge resistance on the assumption that the pipe length is not so long. The effect of leakages was studied on the final stage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이상에서 살펴본 바와 같이 본 연구에서는 사판식피스톤 펌프의 실린더 압력과 토출 유량 등의 동적거동을 예측할 수 있는 새로운 해석 모형이 제안 되었다. 그 해석 모형을 사용하여 계산된 결과들을 기존의 단순 모형을 통한 계산결과와 비교하였고, 또한 과거에 수행되었던 실린더 압력 측정시험결과들과 비교하여 그 유효성을 입증하였다.

가설 설정

이 때 각 간극들은 적절한 윤활성능을 보이고 있다고 가정하였고 그 유막두께는 모두 10 µm로 정하였다.
9개의 실린더를 사용하는 펌프에 대해서 식 (4)와 흡입/토출 포트에 관한 식 (10), (11)이 각각 2개씩 필요하다. 하지만 본 해석에서는 전체 시스템에 영향력이 큰 토출부에만 적용하고 흡입구는 일정한 압력이라고 가정하였다. 그래서 총11개의 연립 상미분방정식을 4차 Runge-Kutta 방법을 사용하여 계산하였다.

제안 방법

그리고 실제 실린더 압력 측정 시험 데이터와의 비교검토를 하 고, 마지막으로 상대운동부 간극에서의 누설이 실린더 압력과 토출유동에 미치는 영향을 분석하였다.
3.2절에서 설명한 방식으로 수치해석을 수행하였다. 우선 기존의 단일 피스톤의 거동만 고려하던 펌프 동역학 모형과 본 연구에서 개발된 모형을 비교하였고, 주요인자인 밸브포트의 부피, 파이프 직경과 길이, 끝단저항 유형에 따라 맥동형태가 어떻게 달라지는지 관찰하였다.
et al[2]을 참고하였다. 그래서 실린더 압력을 측정한 실험결과와 해석결과를 비교하였다.
그러므로 본 연구에서는 토출부 포트의 압력변동을 고려하여 물리적인 맥동현상을 재현할 수 있는 새로운 해석모형을 제안하였다.
우선 기존의 단일 피스톤의 거동만 고려하던 펌프 동역학 모형과 본 연구에서 개발된 모형을 비교하였고, 주요인자인 밸브포트의 부피, 파이프 직경과 길이, 끝단저항 유형에 따라 맥동형태가 어떻게 달라지는지 관찰하였다.

대상 데이터

실린더 배럴의 i번째 실린더와 밸브포트 검사체적에 대해 압축성 유체의 연속 방정식을 적용하면 아래의 식 (4), (5)와 같다. 체적탄성계수 K는 2 GPa을 사용하였다.

데이터처리

그 해석 모형을 사용하여 계산된 결과들을 기존의 단순 모형을 통한 계산결과와 비교하였고, 또한 과거에 수행되었던 실린더 압력 측정시험결과들과 비교하여 그 유효성을 입증하였다.

이론/모형

본 연구의 해석 대상펌프 및 배관부의 사양은 Kim, J. K. et al[2]을 참고하였다. 그래서 실린더 압력을 측정한 실험결과와 해석결과를 비교하였다.
i번째 실린더에서 토출부 밸브포트로 흐르는 오일의 유량 QV,i는 아래와 같이 전통적인 오리피스(Orifice) 모형을 사용하였다.
그래서 총11개의 연립 상미분방정식을 4차 Runge-Kutta 방법을 사용하여 계산하였다.
본 연구에서는 이러한 두 관점의 중간에 해당하는 짧은 배관의 일괄 매개변수 모형(lumped parameter model)을 사용하였다.
이 때 각 간극들은 적절한 윤활성능을 보이고 있다고 가정하였고 그 유막두께는 모두 10 µm로 정하였다. 해석의 정확성을 보장하기 위해 계산오차에 따라 시간스텝을 변동시키는 수치해석기법(adaptive time-step)을 사용하였다.

성능/효과

그리고 배관 끝단의 유동저항의 상태와 토출포트의 부피에 따라 압력맥동의 양상이 민감하게 달라지는 것을 보였다. 간극의 크기에 따른 맥동형태의 변동여부 또한 고찰하였는데 정상적인 간극이 유지될 때에는 펌프의 압력맥동계산에 누설을 고려하지 않아도 되나 간극이 비정상적으로 커질 때에는 누설량을 모형에 고려해야 함을 보여주었다.
결론적으로 Fig. 4에서 알 수 있듯이 제시된 모형은 기존의 단순모형에서 구현하였던 압력의 경향성뿐만 아니라 맥동현상도 적절히 구현할 수 있을 것으로 사료된다.
그 해석 모형을 사용하여 계산된 결과들을 기존의 단순 모형을 통한 계산결과와 비교하였고, 또한 과거에 수행되었던 실린더 압력 측정시험결과들과 비교하여 그 유효성을 입증하였다. 그리고 배관 끝단의 유동저항의 상태와 토출포트의 부피에 따라 압력맥동의 양상이 민감하게 달라지는 것을 보였다. 간극의 크기에 따른 맥동형태의 변동여부 또한 고찰하였는데 정상적인 간극이 유지될 때에는 펌프의 압력맥동계산에 누설을 고려하지 않아도 되나 간극이 비정상적으로 커질 때에는 누설량을 모형에 고려해야 함을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사판식 피스톤 펌프이란?	사판식 피스톤 펌프는 제조상의 편의와 높은 동력밀도로 인해 항공 및 산업 분야에서 보편적으로 사용되고 있는 대표적인 유압기기이다. 하지만 펌프 내부에서 발생하는 압력맥동(pressure pulsation)과 유량리플(flow ripple)에 의해 발생하는 시스템 소음문제는 많은 연구와 개선에도 불구하고 아직도 만족할 만한 수준을 달성하지 못하는 실정이다[1].
	사판식 피스톤 펌프의 문제점은?	사판식 피스톤 펌프는 제조상의 편의와 높은 동력밀도로 인해 항공 및 산업 분야에서 보편적으로 사용되고 있는 대표적인 유압기기이다. 하지만 펌프 내부에서 발생하는 압력맥동(pressure pulsation)과 유량리플(flow ripple)에 의해 발생하는 시스템 소음문제는 많은 연구와 개선에도 불구하고 아직도 만족할 만한 수준을 달성하지 못하는 실정이다[1]. 맥동압의 발생원인은 첫째로 회전운동 중 토출밸브를 지나는 피스톤의 개수의 변동이 불연속적이기 때문에 기하학적인 토출량의 차이가 나타나기 때문이다.
	실린더의 시간에 따른 부피변화는 무엇에 의하여 결정되는가?	펌프의 작동유체는 압축성을 지니고 있으며 실린더의 시간에 따른 부피변화는 사판과 실린더 배럴의 회전운동에 의한 피스톤 운동학에 의해 결정된다. 그리고 피스톤/실린더, 슬리퍼/사판, 배럴/밸브판 간극에서의 누설은 실린더의 압력을 완화시킨다.

참고문헌 (5)

Viral Metha., "Torque ripple attenuation for an axial piston swashplate type hydrostatic pump: noise considerations," Ph.D Thesis, Mechanical and Aerospace Engineering, University of Missouri-Columbia, 2006.
Kim, J. K., Kim, H. E., Jung, J. Y., Oh, S. H., and Jung, S. H., "Relation between Pressure Variations and Noise in Axial Type Oil Piston Pumps," KSME International Journal, Vol. 18, No. 6, pp. 1019-1025, 2004.

원문보기 상세보기
Edge, K. A. and Darling, J., "Cylinder Pressure Transients in Oil Hydraulic Pumps with Sliding Plate Valves," Proc. Inst. of Mech. Engrs., Vol. 200, pp. 45-54, 1986.
Edge, K. A. "The Theoretical Prediction of the Impedance of Positive Displacement Pumps," The Institution of Mechanical Engineers, Seminar on Quieter Oil Hydraulics. pp. 95-103, 1980.
J. Ivantysyn and M. Ivantysynova, "Hydrostatic Pumps and Motors," Akademia Books, pp. 165-188, 2001.

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