[논문]사판식 구동모터에 장착된 밸브의 설계변수 민감도 해석 사례

노대경; 장주섭

doi:10.9709/jkss.2013.22.3.081

사판식 구동모터에 장착된 밸브의 설계변수 민감도 해석 사례
Shape Design Sensitivity Analysis Case of the Valves installed in the Hydraulic Driving Motor 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.22 no.3, 2013년, pp.81 - 87

노대경 (가천대학교 대학원 기계공학과) , 장주섭 (가천대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 논문은 컴퓨터 해석프로그램인 SimulationX를 이용하여 굴삭기 주행모터의 내부에서 발생하는 서지압력의 저감 방법에 대하여 분석하는 연구이다. 설계민감도 해석을 통하여 설계상의 문제점을 파악하고 해결책에 접근하는 방법을 다룬다. 진행순서는 다음과 같다. 우선 현재 설계 된 주행모터에 장착된 밸브들의 동적거동을 분석하여 설계의 문제점을 찾아낸다. 그 후 많은 설계변수들 중 동적성능향상에 민감하다고 판단되는 변수를 도출하고 설계치수를 조정하여 동적성능 안정화의 경향을 살펴본다. 마지막으로 민감한 변수가 다수 일 경우 변수조합을 통해 효과적인 튜닝방법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is about study how to decrese surge pressure that is occurred in excavator driving motor. We used computer simulation program SimulationX. It is also about the way finding design problem and approaching a solution through interpreting shape design sensitivity analysis. Programmes are below. First of all, finding shape fault by analyzing dynamic behavior of valves installed in hydraulic driving motor which is designed now. And drawing variable which is considered sensitive to improve dynamic efficiency among a lot of shape variables. Then, targeting that variable and examining dynamic efficiency stabilization tendency with controlling it. Finally, suggesting the most effective tuning method through variable combination as there are a lot of sensitive variables.

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이는 곧 압력의 균형의 문제를 의미하며 설계변경을 필요로 한다(Noh 등, 2012a). 본 논문에서는 설계변수 민감도 해석을 통해 설계의 문제점을 발견하고 해결책에 접근하는 방법에 대하여 다룰 것이며 연구의 진행순서는 다음과 같다.

제안 방법

우선 현재 설계된 주행모터에 장착된 밸브들의 동적 거동을 분석하여 설계의 문제점을 찾아낸다. 그 후 많은 설계변수들 중 동적성능향상에 민감하다고 판단되는 변수를 도출하고 설계치수를 조정하여 동적성능 안정화의 경향을 살펴본다. 마지막으로 민감한 변수가 다수 일 경우 변수조합을 통해 효과적인 튜닝방법을 제안한다(Noh 등, 2012b).
밸브플레이트의 토출구와 인접한 체크밸브 내부에서 압력의 서지현상이 발견되었고, 이를 저감하기 위해 설계 변수 민감도 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 주행모터에 장착된 밸브의 동적거동을 해석한 결과로부터 크래킹 시 체크밸브 포핏의 이상거동을 발견하였고, 압력균형에 문제가 있음을 예측하여 문제해결을 위한 접근을 시작하였다.
우선 현재 설계된 주행모터에 장착된 밸브들의 동적 거동을 분석하여 설계의 문제점을 찾아낸다. 그 후 많은 설계변수들 중 동적성능향상에 민감하다고 판단되는 변수를 도출하고 설계치수를 조정하여 동적성능 안정화의 경향을 살펴본다.
그러한 열악한 조건에서도 수많은 노력을 통해 유압브레이크의 동적특성을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현한 사례가 있었다(Yun 등, 1993). 이 같은 기존 연구자들의 노력에 힘입어 근래에 유압모터에 장착된 모든 밸브의 동적거동을 볼 수 있는 해석모델을 개발하였다. 이러한 해석모델로 수행한 기존의 연구에서 모터 가동 초기에 체크밸브(check valve)에서 불규칙한 진동이 일어나는 것을 확인 할 수 있었다.
7은 해석결과이며 오버랩구간을 줄여서 초기 응답성을 향상시켜도 서지압력 저감에는 별다른 효과가 없음을 볼 수 있다. 조금 더 명확한 결론을 얻기 위해 오버랩구간을 완전히 제거하여 임계상태로 만든 후 해석을 진행해 봤다.
응답성을 극대화시키기 위해서는 두 오리피스의 직경을 동시에 확장시켜야 한다. 하지만 두 개를 같이 확장할 경우 변수 별 민감도를 확인 할 수 없으므로 하나의 오리피스 직경을 고정하고 나머지 오리피스를 변수로 두어 설계변수 민감도 해석을 진행했다.
해석의 목적 자체가 스풀이동 시 초기의 개도면적 증가에 따른 서지압력 저감경향을 확인하는 것이기 때문에 노치의 형상은 그대로 두고 개수만 4개부터 8개까지 증가시켜 해석을 진행해봤다.

대상 데이터

해석의 대상이 되는 카운터밸런스 스풀의 노치는 반원 형상이며 챔퍼(chamfer) 타입의 랜드 부를 대각선으로 파고드는 형상이다. 가공도구는 엔드밀을 사용하며 얕은 깊이로 내려서 일정 구간을 수평이동 한 후 대각으로 파내려간 Fig.

이론/모형

이 모든 과정을 컴퓨터 해석 시뮬레이션으로만 수행하였으며 사용된 해석도구는 독일 ITI사에서 개발된 상용소프트웨어인 SimulationX이다.

성능/효과

(1) 카운터밸런스 스풀의 노치 개수를 늘려 초기의 개도면적을 확장시키면 서지압력이 감소하나 감소폭이 크지 않다.
(2) 스풀의 이동속도는 댐핑 효과보다 수압면적을 형성하는 유량에 더 큰 영향을 받는다.
(2) 오리피스 직경을 확장해도 절환충격으로부터 모터를 보호해야 한다.
(2) 현재 스풀의 형상을 유지한 채 오버랩구간을 조금씩 줄이는 것은 서지압력 저감에 별다른 효과가 없다. 임계상태로 스풀을 설계 시 서지압력은 감소하나 유량누설에 노출되어 치명적인 설계가 될 수 있다.
(3) 카운터밸런스 스풀의 오리피스를 확장할 경우 스풀의 응답속도 향상으로 서지압력이 가장 확실하게 감소한다.
(4) 댐퍼의 슬리브 측면 오리피스만 확장할 경우 서지압력 저감에 별다른 효과가 없으나, 스풀 오리피스와 같이 확장하게 되면 서지압력 저감에 시너지효과를 볼 수 있다.
1mm간격으로 확장했을 때 해석결과이다. 0.1mm의 확장만으로 큰 폭으로 서지압력이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 슬리브 측면 오리피스 보다 서지압력 저감에 훨씬 민감하게 반응하는 이유는 두 가지로 생각된다.

후속연구

설계변수 민감도 해석으로부터 도출해낸 서지압력 저감방안을 실제 주행모터의 설계에 반영하면 안정적인 동적성능을 갖는 모터 양산에 도움이 될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압장치에 사용되는 작동유는 어떤 압축 특성을 갖는가?	대부분의 유압장치에 사용되는 작동유는 높은 비압축성을 갖는다. 유압장치는 이러한 작동유를 이용하여 동력을 전달하기 때문에 다른 동력전달매체를 사용하는 장치에 비해 동력밀도가 현저히 높다.
	유압장치가 다른 동력전달매체에 비해 동력밀도가 현저히 높은 이유는?	대부분의 유압장치에 사용되는 작동유는 높은 비압축성을 갖는다. 유압장치는 이러한 작동유를 이용하여 동력을 전달하기 때문에 다른 동력전달매체를 사용하는 장치에 비해 동력밀도가 현저히 높다. 또한 대부분의 유압부품들은 강한 내구성을 가지고 있으며, 이는 거친 환경에서 작업을 수행해야 하는 건설기계의 특성에 잘 맞는다고볼 수 있다(Jang, 2011a, 2011b).
	굴삭기 주행 모토의 밸브들이 순수기계방식을 선호하는 이유는?	특히 굴삭기의 주행모터에는 운전자의 안전을 염두에 두어야 하기 때문에 더 높은 수준의 내구성이 요구된다. 이러한 이유로 오작동확률을 최소화하기 위해 굴삭기 주행모터에 장착된 밸브들은 솔레노이드를 이용한 방식이 아닌 순수기계방식을 선호하는 편이다(Lee 등, 2011).

참고문헌 (9)

J. S. Jang. (2011a), "Development of Analysis Model for Characteristic Study of Fluid Power System in Injection Molding Machine", journal of KFPS vol. 8 No. 4 pp. 1-8.
J. S. Jang. (2011b), "Characteristics Analysis of the Fluid Power System for a Double-color Injection Molding Machine Development", journal of KFPS vol. 8 No. 4 pp. 24-31.
S. N. Yun. and I. Y. Lee. (1993), "A study on Dynamic Characteristics of Hydraulic Motor Brake System with Counter Balance Valve", Bull. Korea Fish. Tech. Soc. 29(3), pp. 214-219.
Y. H. Yoon., J. S. Jang. and Y. S. Lim. (2012), "Analysis Model Development for Hydraulic Component and System Design", journal of KFPS vol. 9 No. 1 pp. 56-69.
D. K. Noh. and J. S, Jang. (2012a), "Dynamic Analysis of the Valves installed in the swash plate type of Hydraulic Driving Motor", journal of KFPS vol. 9 No. 4 pp. 62-69.

원문보기 상세보기
D. K. Noh. and J. S, Jang. (2012b), "Shape Design Sensitivity Analysis of the Valves installed in the Hydraulic Driving Motor", Proceeding of the KSFC 2012 Autumn Conference, Kintex, S6-1, pp. 140-145.
Y. J. Cho. (2004), "Present Situation of Hydraulic Industry in Korea", journal of KFPS vol. 1 No. 1 pp. 15-22.
Y. G. Jung., I. Y. Lee. and Y. H. Yoon (1998), "Effective Smoothness of Surge Pressure Generated in the Return Line of Active Suspension Hydraulic System for Vehicle", journal of KSAE vol. 6 No. 5 pp. 111-118.
J. S. Lee., J. H. Yoo., P. Y. Kim., L. G. Choi. and M. H. Lee (2011), "A Study on Hydraulic Control Characteristics of Travel Motor for Mid-Class Excavator Using 1-D Hydraulic System Analysis", Proceeding of the KSME 2011 Spring Conference, pp. 32-33.

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