[논문]전기유압식 스프링복귀 액추에이터 정특성

정규홍

doi:10.7839/ksfc.2012.9.2.008

전기유압식 스프링복귀 액추에이터 정특성
Static Characteristics of Electro-Hydraulic Spring Return Actuator 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.9 no.2, 2012년, pp.8 - 14

Abstract ▼ AI-Helper

Electro-hydraulic spring return actuator(ESRA) is utilized for air conditioning facilities in a nuclear power plant. It features self-contained, hydraulic power that is integrally coupled to a single acting hydraulic cylinder and provides efficient and precise linear control of valves as well as return of the actuator to the de-energized position upon loss of power. In this paper, the algebraic equations of ESRA at steady-state have been developed for the analysis of static characteristics that includes control pressure and valve displacement of pressure reducing valve, flow force on flapper as well as its displacement over the entire operating range. Also, the effect of external load on piston deviation is investigated in terms of linear system analysis. The results of static characteristics show the unique feature of force balance mechanism and can be applied to the stable self-controlled mechanical system design of ESAR.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

(3) 유압실린더 피스톤 변위는 스프링력으로 밸런스 빔에 피드백 된다. 밸런스 빔에 작용하는 힘은 노즐에서 발생되는 유체력 F_j, 포스모터 전자기력F_m, 피드백 스프링 인장력 F_f이며 피스톤이 정지된 상태에서는 3개 힘에 의해 발생되는 모멘트가 평형을 이루어 일정한 밸런스 빔 회전각을 유지한다.
Table 1은 89mm의 피스톤 행정을 갖는 ESRA의 기본적인 특성을 나타낸다. 여기서, 교류전원으로 구동되는 모터에 직결된 유압펌프는 피스톤 작동압력이 증가할수록 속도가 다소 저하되지만 해석의 편의성을 위하여 1,000rpm의 일정한 속도로 작동하는 상태를 가정하였고 누유는 고려하지 않았다. 포스모터 전류가 영인 상태에서는 전자기력 F_m = 0이고 펌프 토출유량이 모두 감압밸브를 통하여 플래퍼 노즐로 유출되므로 피스톤 작동압력이 형성되지 않는다.

제안 방법

본 연구에서는 유압펌프, 포스모터, 밸런스 빔, 감압밸브, 단동 실린더로 구성되는 자력제어시스템의 정상상태 특성분석을 수행하였다. 각 작동요소에 대하여 유도된 정특성 방정식을 바탕으로 전 작동영역에서 압력과 밸브변위의 특성을 파악하여 제어시스템 설계에 핵심적인 작동원리를 규명하였으며 피드백 스프링 조정변수가 피스톤 행정의 옵셋과 스팬에 미치는 영향을 분석하였다. 피스톤에 작용하는 외력에 의해 발생되는 변위오차는 정특성 방정식에 대한선형화 해석을 통하여 기계식 유압시스템 피드백에 의하여 형성되는 등가 복귀 스프링 상수를 이용하여분석하였으며 피드백에 의하여 강성이 크게 증가하므로 외력에 의하여 발생되는 변위오차가 매우 작게나타남을 확인하였다.
본 연구에서는 ESRA의 기계식 위치제어 유압시스템을 대상으로 정상상태에서 각 작동요소의 특성을 분석하였으며 이를 통하여 제어시스템의 핵심적인 작동원리를 규명하였으며 선형해석을 통하여 피드백 시스템에 의하여 형성되는 등가 복귀 스프링 특성을 분석하고 수치해석을 통하여 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 유압펌프, 포스모터, 밸런스 빔, 감압밸브, 단동 실린더로 구성되는 자력제어시스템의 정상상태 특성분석을 수행하였다. 각 작동요소에 대하여 유도된 정특성 방정식을 바탕으로 전 작동영역에서 압력과 밸브변위의 특성을 파악하여 제어시스템 설계에 핵심적인 작동원리를 규명하였으며 피드백 스프링 조정변수가 피스톤 행정의 옵셋과 스팬에 미치는 영향을 분석하였다.

데이터처리

피스톤에 작용하는 외력에 의해 발생되는 변위오차는 정특성 방정식에 대한선형화 해석을 통하여 기계식 유압시스템 피드백에 의하여 형성되는 등가 복귀 스프링 상수를 이용하여분석하였으며 피드백에 의하여 강성이 크게 증가하므로 외력에 의하여 발생되는 변위오차가 매우 작게나타남을 확인하였다. 변위오차에 대한 선형해석은 비선형 연립방정식에 대한 정상상태 해석결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.

성능/효과

(1) 유압실린더 피스톤은 초기에 압축된 스프링에 의하여 아래로 완전히 내려온 상태이며 하부에 작용 하는 압력 pp에 비례하여 위쪽으로 이동하며 작동압력에 의한 힘과 스프링의 압축력이 같아지는 위치에서 피스톤은 정지된 상태를 유지한다.
(2) 유압실린더 작동압력은 펌프토출유량 Q_p와 감압밸브에서 배출되는 유량 Q_c에 의하여 조절된다. Q_p > Q_c인 상태에서는 작동압력이 높아지고 Q_p < Q_c이면 작동압력이 낮아지며, 피스톤이 정지된 상태에서는 Q_p = Q_c의 조건이 만족되면서 일정한 압력을 유지하게 된다.
(4) 포스모터 전자기력은 지령신호인 4-20mA의 전류에 의하여 변화된다. 피스톤이 정지된 상태에서 전류가 증가하면 포스모터 전자기력이 증가하여 밸런스 빔을 반 시계방향으로 회전시키고 이에 따라 노즐에서 배출되는 유량 Q_r이 감소한다.
1의 전기유압식 스프링복귀 액추에이터(electrohydraulic spring return actuator, ESRA)는 복귀 스프링을 갖는 단동 실린더(single acting cylinder)로 4-20mA의 전류지령신호에 비례하여 유압피스톤 변위가 제어되는 기능을 가진다.²⁾ ESRA는 유압동력원과 기계적인 방식의 자력제어시스템이 내장된 단일구조로 독립적으로 작동되며 유압펌프를 일정한 속도로 구동하기 위하여 필요한 단상 교류전원과 4-20mA의 전류지령신호만으로 유압피스톤의 위치제어가 가능하다.
3.2절의 분석결과로부터 감압밸브 제어압 p_c는 전 작동영역에서 일정하고 펌프 토출유량이 일정하므로 x_f0 - x_f는 정상상태에서 거의 변화되지 않음을 알 수 있다. 1,000rpm으로 펌프가 작동할 때 x_f0- x_f는 0.
3은 피스톤 전 행정에서 발생되는 작동압력 범위에 대하여 감압밸브 변위 x_c와 제어압 p_c의 특성을 나타내는 그림이고 Table 2는 부하가 없을 때 감압밸브 변위와 제어압의 변화량을 정리한 결과이다. 피스톤 변위가 증가할수록 피스톤 작동압력이 높아지고 이에 따라 감압밸브 제어압도 증가하지만 변화량이 매우 작아 거의 일정한 압력을 유지하며 0.58bar의 매우 낮은 압력으로 제어됨을 알 수 있다.
각 작동요소에 대하여 유도된 정특성 방정식을 바탕으로 전 작동영역에서 압력과 밸브변위의 특성을 파악하여 제어시스템 설계에 핵심적인 작동원리를 규명하였으며 피드백 스프링 조정변수가 피스톤 행정의 옵셋과 스팬에 미치는 영향을 분석하였다. 피스톤에 작용하는 외력에 의해 발생되는 변위오차는 정특성 방정식에 대한선형화 해석을 통하여 기계식 유압시스템 피드백에 의하여 형성되는 등가 복귀 스프링 상수를 이용하여분석하였으며 피드백에 의하여 강성이 크게 증가하므로 외력에 의하여 발생되는 변위오차가 매우 작게나타남을 확인하였다. 변위오차에 대한 선형해석은 비선형 연립방정식에 대한 정상상태 해석결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.

후속연구

기계식 자력제어시스템의 성능은 유온, 마찰, 부품 노화등과 같은 작동조건 및 환경에 영향을 받으며 옵셋과 스팬조정이 번거로운 단점이 있으므로 향후에는 선형변위계와 비례압력 릴리프밸브 등을 활용한 전자식 위치제어 시스템에 대한 연구가 필요할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESRA의 주요 정특성 항목은 어떻게 요약할 수 있는가?	• 피스톤 최대속도, 피스톤 변위에 따른 작동압력 • 전 작동영역에서 감압밸브 변위 및 제어압 • 전 작동영역에서 플래퍼(flapper) 변위 • 플래퍼 유체력 • 피드백 스프링 조정변수 rf, Ff0의 영향 • 피스톤 부하 Fl이 변위오차에 미치는 영향
	유압실린더의 장점은?	유압실린더는 단위 중량당 출력밀도가 높은 장점으로 인하여 좁은 공간에서 큰 부하구동이 요구되는 산업분야에 적용되고 있다. 전기유압 서보시스템은 전기적인 신호를 이용해서 부하의 위치나 속도를 보다 신속하고 정밀하게 제어할 수 있으므로 기계시스템의 자동화 설계에 응용되고 있다.
	전기유압식 스프링복귀 액추에이터는 어떤 기능을 가지는가?	Fig. 1의 전기유압식 스프링복귀 액추에이터(electrohydraulic spring return actuator, ESRA)는 복귀 스프링을 갖는 단동 실린더(single acting cylinder)로 4-20mA의 전류지령신호에 비례하여 유압피스톤 변위가 제어되는 기능을 가진다.2) ESRA는 유압동력원과 기계적인 방식의 자력제어시스템이 내장된 단일구조로 독립적으로 작동되며 유압펌프를 일정한 속도로 구동하기 위하여 필요한 단상 교류전원과 4-20mA의 전류지령신호만으로 유압피스톤의 위치제어가 가능하다.

참고문헌 (5)

A. Esposito, "Fluid Power with Applications", Prentice Hall, New Jersey, pp. 535-538, 2003.
www.ascovalve.com, "ASCO nuclear catalog", pp. 6 6-71, 2008.
S. H. Park, "Characteristics of an Electro Hydrostatic Actuator and Application Fields", Journal of KFPS, Vol. 6, No. 1, pp. 2-10, 2009.
정규홍, "대용량 비례유량제어밸브 정특성분석", 유공압시스템학회 2009년도 추계학술대회 논문집, pp. 67-72, 2009.
H. E. Merritt, "Hydraulic Control Systems", John Wiley & Sons Inc., pp. 126-128, 1967.

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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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