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문제 정의
- 본 연구는 유압 피스톤 펌프에 있어 중요 윤활부의 하나인 슬리퍼와 사판 사이의 윤활 특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 5는 테스트 블록을 보여준다. Fig. 3에서 볼 밸브를 통과한 작동유는 Fig. 4의 공급 라인(supply line)을 통해 테스트 유닛에 공급되고, 공급 압력은 매니폴드에 설치된 릴리프 밸브를 이용하여 조절하였으며, 온도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 Webtec사의 압력센서를 설치하여 확인하였다. 사판은 AC 모터로 회전시키고, 인버터로 회전속도를 조절하였다.
- 그러나, 사판과 슬리퍼 사이의 상대운동 부분은 구조적 특징에 의한 제한으로 실제 작동시의 거동과 윤활적 특성에 대한 연구는 많지 않은 실정이며, 특히 슬리퍼 정압 베어링 부의 누설특성에 관해서는 실험적인 연구가 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 보다 실제적인 조건에 접근하여 동적인 상태에서도 측정이 가능하도록 사판과 슬리퍼를 모사하여 실험을 수행하였으며, 기초적인 연구로서 사판의 각도를 0o로 설정하고 회전이 가능하도록 하였다. 또한, 피스톤 펌프의 실제 운전조건과 근접하게 수행하기 위하여 슬리퍼와 사판의 접동부 위치를 실제와 같이 편심을 주어 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 보다 실제적인 조건에 접근하여 동적인 상태에서도 측정이 가능하도록 사판과 슬리퍼를 모사하여 실험을 수행하였으며, 기초적인 연구로서 사판의 각도를 0o로 설정하고 회전이 가능하도록 하였다. 또한, 피스톤 펌프의 실제 운전조건과 근접하게 수행하기 위하여 슬리퍼와 사판의 접동부 위치를 실제와 같이 편심을 주어 실시하였다. 연구의 주 대상이 되는 슬리퍼는 그 기초적인 특성을 파악하기 위해 가장 일반적인 형태와 현재 많이 사용되고 있지만 이론적인 해석과 설계 수순이 확실히 제시되지 않은 다소 복잡한 형태 등 세 가지 형상을 실험하여 비교 분석하였다.
- 2는 본 연구의 대상이 되는 피스톤과 슬리퍼의 형상을 보여주고 있으며, Table 1은 피스톤과 슬리퍼의 기본 제원을 나타내고 있다. 모델 A, B, C 세 가지 형태에 있어서 내측반경r0와 외측반경(모델 A의 r1값은 모델 B, C의 r5값과 동일)값은 동일하게 하였고, B와 C의 내부 실 랜드(seal land)의 제원도 동일하며, C의 경우에 있어서만 하나의 슬롯(slot)을 구성하였다.
- 또한, 피스톤 펌프의 실제 운전조건과 근접하게 수행하기 위하여 슬리퍼와 사판의 접동부 위치를 실제와 같이 편심을 주어 실시하였다. 연구의 주 대상이 되는 슬리퍼는 그 기초적인 특성을 파악하기 위해 가장 일반적인 형태와 현재 많이 사용되고 있지만 이론적인 해석과 설계 수순이 확실히 제시되지 않은 다소 복잡한 형태 등 세 가지 형상을 실험하여 비교 분석하였다. 측정의 항목으로는 동적인 상태에서의 상대 운동부의 누설을 공급되는 압력과 회전수의 변화 및 작동유의 온도변화 등을 매개로 하여 측정하고자 하였다.
- 본 연구는 유압 피스톤 펌프에 있어 중요 윤활부의 하나인 슬리퍼와 사판 사이의 윤활 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 서로 다른 세 가지의 슬리퍼 모델을 사용하였으며 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연구의 주 대상이 되는 슬리퍼는 그 기초적인 특성을 파악하기 위해 가장 일반적인 형태와 현재 많이 사용되고 있지만 이론적인 해석과 설계 수순이 확실히 제시되지 않은 다소 복잡한 형태 등 세 가지 형상을 실험하여 비교 분석하였다. 측정의 항목으로는 동적인 상태에서의 상대 운동부의 누설을 공급되는 압력과 회전수의 변화 및 작동유의 온도변화 등을 매개로 하여 측정하고자 하였다.
- 6은 테스트 블록에 삽입된 소형 압력 센서로 PCB에서 제작한 피에조 타입 압력센서이고, 70 MPa까지 측정이 가능하며, 사판이 회전할 때 슬리퍼 포켓부의 압력을 측정한다. 테스트 블록의 압력측정 신호는 슬립 링(slip ring)을 거쳐 오실로그래픽 리코더로 저장하여 컴퓨터에서 분석하였다.
- 펌프의 구동은 AC 서보모터(servo motor)를 사용하였으며 이를 벡터 인버터(vector inverter)를 사용하는 메인 모터 컨트롤러(motor controller)에서 0~1800 rpm까지 무단 변속 시킬 수 있도록 하였다. 펌프와 모터는 절연 커플링으로 연결하고 펌프의 토출측에는 압력, 유량, 온도 센서를 장착할 수 있는 하이드로테크닉 사의 하이드로-터빈(Hydro-turbine)을 연결하였으며, 테스트 유닛에 공급되는 토출 압력을 제어하기 위하여 릴리프 밸브(relief valve)를 장착하였고 테스트 유닛의 압력유 공급을 위한 셧오프 밸브(ball valve)를 장착하였다. 회로 내 작동유의 청결을 위해 토출과 흡입 라인에 필터를 장착하였고, 작동유의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 열 교환기를 설치하였다.
- 5 cc/rev급 펌프를 사용하였다. 펌프의 구동은 AC 서보모터(servo motor)를 사용하였으며 이를 벡터 인버터(vector inverter)를 사용하는 메인 모터 컨트롤러(motor controller)에서 0~1800 rpm까지 무단 변속 시킬 수 있도록 하였다. 펌프와 모터는 절연 커플링으로 연결하고 펌프의 토출측에는 압력, 유량, 온도 센서를 장착할 수 있는 하이드로테크닉 사의 하이드로-터빈(Hydro-turbine)을 연결하였으며, 테스트 유닛에 공급되는 토출 압력을 제어하기 위하여 릴리프 밸브(relief valve)를 장착하였고 테스트 유닛의 압력유 공급을 위한 셧오프 밸브(ball valve)를 장착하였다.
- 펌프와 모터는 절연 커플링으로 연결하고 펌프의 토출측에는 압력, 유량, 온도 센서를 장착할 수 있는 하이드로테크닉 사의 하이드로-터빈(Hydro-turbine)을 연결하였으며, 테스트 유닛에 공급되는 토출 압력을 제어하기 위하여 릴리프 밸브(relief valve)를 장착하였고 테스트 유닛의 압력유 공급을 위한 셧오프 밸브(ball valve)를 장착하였다. 회로 내 작동유의 청결을 위해 토출과 흡입 라인에 필터를 장착하였고, 작동유의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 열 교환기를 설치하였다.
대상 데이터
- 3은 실험에서 구성한 유압 회로도를 보여주고 있다. 테스트 유닛으로의 압력유 공급은 7.5 cc/rev급 펌프를 사용하였다. 펌프의 구동은 AC 서보모터(servo motor)를 사용하였으며 이를 벡터 인버터(vector inverter)를 사용하는 메인 모터 컨트롤러(motor controller)에서 0~1800 rpm까지 무단 변속 시킬 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 1) 사판과 슬리퍼 간의 누설유량은 슬리퍼 저면 정압 베어링부의 형상에 따라 영향을 받았으며 모델 C>B>A순으로 나타났다.
- 2) 정압 베어링 부의 상대운동 부인 랜드부의 면적은 A>B>C순 이기 때문에 정압 베어링부의 부하용량과 마찰 특성은 다르게 나타날 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
- 3) 공급압력, 온도, 사판의 회전속도가 증가할수록 누설유량이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 요소들은 펌프의 효율과 직접적으로 연관이 되기 때문에 체적효율과 기계효율이 가장 좋은 최적의 조건을 찾아 피스톤 펌프의 최적 설계에 활용될 수 있을 것으로 여겨진다.
- 7은 모델 A, 온도 30oC, 사판의 회전수 600 rpm, 슬리퍼의 편심거리 45 mm, 사판의 경사각 0o를 기준 조건으로 공급압력의 증가에 대한 슬리퍼 정압 베어링 부의 포켓압력 특성을 보여준다. 공급압력이 증가함에 따라 포켓압력이 선형적으로 증가하는 경향을 보였고, 공급압력이 증가할수록 포켓압력이 공급압력에 비해 더 작아지는 경향을 보였다. 이는 슬리퍼와 사판의 간극을 통한 누설량이 증가하기 때문이다.
후속연구
- 따라서 좀 더 정확한 분석과 최적화 조건을 찾기 위해서 향 후의 연구에서는 실기에 좀 더 가깝도록 사판의 경사각을 조정할 수 있도록 실험 장치를 재구성하고, 다양한 조건에서 슬리퍼 포켓부의 압력, 유량 및 유막두께를 측정할 수 있도록 할 계획에 있으며, 이를 통하여 슬리퍼 정압 베어링 부의 윤활특성을 파악하고, 슬리퍼와 사판간의 마찰특성을 파악할 수 있는 실험장치를 구성하여 슬리퍼 정압 베어링부의 마찰 특성을 파악하여, 이를 누설 특성과 함께 누설 손실과 마찰 손실을 이용한 전체 손실의 최소화 관점으로 접근하여, 최적의 설계 자료를 확보하고자 한다.
- 3) 공급압력, 온도, 사판의 회전속도가 증가할수록 누설유량이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 요소들은 펌프의 효율과 직접적으로 연관이 되기 때문에 체적효율과 기계효율이 가장 좋은 최적의 조건을 찾아 피스톤 펌프의 최적 설계에 활용될 수 있을 것으로 여겨진다.
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