[논문]사축식 유압 피스톤 펌프의 압력 맥동 특성에 관한 연구

조인성; 신창근; 정재연

doi:10.9725/kstle.2011.27.4.218

사축식 유압 피스톤 펌프의 압력 맥동 특성에 관한 연구
A Study on Pressure Ripple Characteristics in Bent-Axis Type Oil Hydraulic Piston Pump 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.27 no.4, 2011년, pp.218 - 223

조인성 (전북대학교 기계시스템공학부) , 신창근 (전북대학교 기계시스템공학부) , 정재연 (전북대학교 기계시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

To improve the performance of a bent-axis type axial piston pump driven by the tapered pistons, it is necessary to know the pressure ripple characteristics. The purpose of this paper is to understand the effect on the pressure ripple characteristics and the prediction by comparing experimental and theoretical results. The simulation model of the bent-axis type axial piston pump is developed in the AMESim environment using the geometrical dimension and the driving mechanism of the piston pump. The results can be obtained to predict the performance characteristics of the bent-axis type axial piston pump.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 피스톤 펌프의 동특성 해석을 연구대상으로 하고 있다. 사축식 피스톤 펌프의 토출압력 맥동 특성을 파악하고 분석하여 맥동의 주요 원인을 예측하여 펌프의 최적 설계를 위한 기초 자료를 획득하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. 사축식 액셜형 피스톤 펌프의 이론해석을 위하여 상용 소프트웨어인 AMESim을 사용하여 모델링하였고, 해석 결과를 검증하기 위하여 실험을 통해 모델링을 검증하였다.
액셜형 사축식 피스톤 펌프의 실험 결과와 해석 모델링에서 얻어진 결과를 비교하여 모델링의 신뢰성을 검증하고, 검증된 모델링을 토대로 펌프의 맥동 특성 변화를 연구하는 것이 본 논문의 목적이다.

제안 방법

3) 경전각과 회전각도에 따른 피스톤의 변위 및 회전각에 따른 실린더 포트와 밸브 플레이트 간의 면적 변화를 수학적으로 계산하여 실제 펌프의 구동 메커니즘을 구현하였다.
액셜형 사축식 피스톤 펌프의 실험 결과와 해석 모델링에서 얻어진 결과를 비교하여 모델링의 신뢰성을 검증하고, 검증된 모델링을 토대로 펌프의 맥동 특성을 파악하고자 하였으며, 액셜형 사축식 피스톤 펌프의 이론 및 구동 메커니즘을 바탕으로 상용 소프트웨어인 AMESim을 이용하여 모델링하였다. 또한 모델링의 해석 결과에 대한 신뢰성을 얻고자 실제 본 연구실에서 개발한 액셜형 사축식 피스톤 펌프 및 펌프 성능시험기를 이용하여 실험하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
피스톤과 실린더 보어 사이, 피스톤 헤드부와 디스크 사이의 작동유 누설은 드레인 포트를 통해 배출된다. 또한, 케이스 내부의 압력을 설정할 수 있도록 압력원을 사용하였다.
사축식 피스톤 펌프의 토출압력 맥동 특성을 파악하고 분석하여 맥동의 주요 원인을 예측하여 펌프의 최적 설계를 위한 기초 자료를 획득하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. 사축식 액셜형 피스톤 펌프의 이론해석을 위하여 상용 소프트웨어인 AMESim을 사용하여 모델링하였고, 해석 결과를 검증하기 위하여 실험을 통해 모델링을 검증하였다.
3의 sub-model을 이용하여 7개의 피스톤을 가지는 사축식 피스톤 펌프의 전체를 모델링한 것이다. 실린더 블록에 결합된 피스톤의 배열에 따라 각 피스톤의 초기 구동 각도를 설정하고, 각 피스톤의 초기 행정을 설정하였다. 피스톤과 실린더 보어 사이, 피스톤 헤드부와 디스크 사이의 작동유 누설은 드레인 포트를 통해 배출된다.
액셜형 사축식 피스톤 펌프의 수학적 이론을 이용하여 AMESim을 통해 모델링하였고, 이를 토대로 얻어진 결과는 다음과 같다.
액셜형 사축식 피스톤 펌프의 실험 결과와 해석 모델링에서 얻어진 결과를 비교하여 모델링의 신뢰성을 검증하고, 검증된 모델링을 토대로 펌프의 맥동 특성을 파악하고자 하였으며, 액셜형 사축식 피스톤 펌프의 이론 및 구동 메커니즘을 바탕으로 상용 소프트웨어인 AMESim을 이용하여 모델링하였다. 또한 모델링의 해석 결과에 대한 신뢰성을 얻고자 실제 본 연구실에서 개발한 액셜형 사축식 피스톤 펌프 및 펌프 성능시험기를 이용하여 실험하였다.
액셜형 사축식 피스톤 펌프의 이론과 실험 결과를 비교하였다.
액셜형 사축식 피스톤 펌프의 해석 모델링과의 신뢰성을 검증하기 위하여 본 연구실에서 보유중인 피스톤 펌프 성능시험기를 통해 실제 제작펌프를 실험하였다. 펌프의 회전수와 설정압력을 바꾸어가며 펌프의 토출 압력을 측정하였으며, 이를 이용하여 해석 모델링과 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 얻을 수 있다.
피스톤의 행정 S의 모델링은 식(1)을 이용하여 회전축을 기준으로 하부 방향으로 경사진 경사각 α와 피스톤이 연결된 디스크의 반경에 따라 결정된다. 작동유의 흡입 및 토출 구간을 결정하는 밸브 플레이트는 0^o~360^o의 흡입 및 토출구간에서 실린더블록의 흡토출 포트와 밸브플레이트 사이에 겹치는 면적 변화량을 각도변화에 따라 수학적으로 계산하여 데이터 파일로 저장하고, 데이터 파일을 가변 오리피스의 신호로 지정하여 회전축의 회전각에 따라 가변 오리피스를 조절하도록 하였다. 이를 통해 각 피스톤의 흡입과 토출과정을 결정하게 된다.
압력 측정 지점은 실험에서 hydro-turbine의 위치와 동일하게 펌프 토출측으로부터 약 250 mm 지점에서 측정하였다. 추가적으로 실험에 사용된 펌프 성능시험기에 부착되어있는 체크밸브와 필터 또한 모델링에 추가하여 압력 손실율을 고려하였다.
펌프의 토출측은 직경 21.4 mm, 두께 2.9 mm로 설정하였으며, 릴리프 밸브를 설치하여 펌프의 토출 압력을 제어하였으며, 릴리프의 유량-압력 특성을 고려하여 모델링하였다.

대상 데이터

모델링에 사용된 작동유는 실험과 동일하게 VG 46의 물성치로 설정하였으며, 작동유의 온도를 일정하게 유지시키는 열교환기를 추가하였다.
본 연구는 피스톤 펌프의 동특성 해석을 연구대상으로 하고 있다. 사축식 피스톤 펌프의 토출압력 맥동 특성을 파악하고 분석하여 맥동의 주요 원인을 예측하여 펌프의 최적 설계를 위한 기초 자료를 획득하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구의 대상이 되는 사축식 유압 피스톤 펌프는 본 연구실에서 개발한 펌프로 고유토출용적 70 cm³/rev, 토출압력 35 MPa의 고정용량형 유압 피스톤 펌프이다.
상용 소프트웨어인 AMESim을 사용하여 정격유량이 70 cm³/rev이고, 피스톤의 수가 7개인 액셜형 사축식 유압 피스톤 펌프를 모델링하였다.
8은 액셜형 사축식 피스톤 펌프의 피스톤 하나에 대한 회전각에 따른 실린더 포트와 밸브 플레이트 포트간의 면적 변화를 보여주고 있다. 해석 대상인 밸브 플레이트는 폐입이나 오버랩이 없으며, 흡입과 토출 시작점에 노치를 설계하였다. 흡입이 시작되면서 실린더 포트는 노치와 겹치기 시작하며 이후 노치를 지나 흡입포트를 거쳐 최대로 열리고, 180^o를 기준으로 흡입을 마친 후 토출을 시작하여 노치와 겹치기 시작하고 다시 최대로 열린 후 360^o에서 다시 흡입을 시작한다.

데이터처리

액셜형 사축식 피스톤 펌프의 해석 모델링과의 신뢰성을 검증하기 위하여 본 연구실에서 보유중인 피스톤 펌프 성능시험기를 통해 실제 제작펌프를 실험하였다. 펌프의 회전수와 설정압력을 바꾸어가며 펌프의 토출 압력을 측정하였으며, 이를 이용하여 해석 모델링과 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 얻을 수 있다.

성능/효과

1) AMESim을 이용한 액셜형 사축식 피스톤 펌프의 모델링을 통해 실제 펌프의 맥동 특성을 예측하는 것이 가능하였으며, 펌프 및 실험장치의 공차 및 설정을 변경하여 펌프의 맥동 변화를 예측할 수 있을 것으로 여겨진다.
2) 실제 펌프 성능 시험기와 동일한 회로를 구성하여 펌프의 설계인자 뿐만 아니라 펌프 작동에 영향을 줄 수 있는 환경을 동일하게 모델링함으로써 이론 해석 결과의 정확성을 향상시켰다.
평균 토출압력, 압력 맥동의 크기 등에 있어서 실험 결과와 해석 결과가 상당히 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 결과적으로 AMESim을 이용한 액셜형 사축식 피스톤 펌프의 모델링을 통해 실제 펌프의 맥동 특성을 예측하는 것이 가능하며, 펌프 및 실험장치의 공차 및 설정을 변경하여 펌프의 맥동 변화를 예측할 수 있다.
평균 토출압력, 압력 맥동의 크기 등에 있어서 실험 결과와 해석 결과가 상당히 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 결과적으로 AMESim을 이용한 액셜형 사축식 피스톤 펌프의 모델링을 통해 실제 펌프의 맥동 특성을 예측하는 것이 가능하며, 펌프 및 실험장치의 공차 및 설정을 변경하여 펌프의 맥동 변화를 예측할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압 시스템에서 압력 맥동은 무엇을 유발하는가?	유압 시스템에서 압력 맥동은 관로 및 밸브 등에서 진동과 소음을 유발시키며 유압 시스템의 손상을 가져올 수 있다. 이러한 압력 맥동 특성에 관한 연구는 유압 시스템의 수명과 효율에 직접적인 관련을 가지며, 최적의 설계를 통해 압력 맥동을 감소시키는 것은 매우 중요하다.
	사축식 유압 피스톤 펌프의 특징은?	사축식 유압 피스톤 펌프에서 실린더 블록이 회전축을 기준으로 하부방향으로 경사져 있기 때문에, 회전방향의 우측부의 경우 피스톤이 상사점으로 이동하면서 실린더블록내의 작동유를 밸브플레이트의 토출포트를 통해 유출시키며, 회전방향의 좌측부의 경우 피스톤이 하사점으로 이동하면서 흡입포트에서 실린더블록 내부로 작동유를 유입시키게 된다.
	유압 시스템에서 압력 맥동 특성에 관한 연구는 무엇과 직접적인 관련을 가지는가?	유압 시스템에서 압력 맥동은 관로 및 밸브 등에서 진동과 소음을 유발시키며 유압 시스템의 손상을 가져올 수 있다. 이러한 압력 맥동 특성에 관한 연구는 유압 시스템의 수명과 효율에 직접적인 관련을 가지며, 최적의 설계를 통해 압력 맥동을 감소시키는 것은 매우 중요하다.

참고문헌 (6)

K. H. Kim, K. W. Lee, and J. S. Jang, "A Study on the Reduction in Pressure Ripples for a Bent-Axis Piston Pump by a Phase Interference," Journal of KSPE, Vol. 21, No. 9, pp. 103-110, 2004.
Akira Hibi, "Mathmatical Model of the Torque Characteristics for Hydraulic Motors," JSME, Vol. 20, No. 143, pp. 616-621, 1977.
I. Y. Lee and J. H. Park, "Flow Ripples Simulation Model of Axial Piston Pump," Transactions of The Korea Fluid Power Systems Society, Vol. 2, No. 3, pp. 12-17, 2005.

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Y. S. Hong and Y. H. Doh, "Analysis on the Friction Losses of a Bent-Axis Type Hydraulic Piston Pump," KSME International Journal, Vol. 18, No. 9, pp. 1668-1679, 2004.

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Yasuo Kita, "An Improvement on the Variable Displacement Pump/Motor," Journal of the Japan Hydraulic & Pneumatics Society, Vol. 20, No. 2, pp. 101-108, 1989.
H. W. Choi, J. K. Kim, and J. Y. Jung, "Pressure Characteristics at the Land of Valve Plate in the Oil Hydraulic Axial Piston Pump," Journal of KSTLE, Vol. 32, No. 11, pp. 221-227, 2000.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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