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문제 정의
- 본 연구에서는 중소형 무인항공기의 브레이크 시스템의 특성상 요구되는 토출 유량, 높은 배압, 빠른 응답속도, 안정적인 작동 등의 모든 조건을 만족하기에 적합한 압전세라믹(PZT)을 구동기로 적용한 지능재료 펌프를 개발하였고, 펌프의 가압 동특성을 해석하였다. 압전세라믹 작동기는 다른 지능재료 작동기에 비해 큰 힘을 발생시킬 수 있고, 고속의 동작이 가능하지만, 기계적 변위가 매우 작다는 단점을 가지고 있다.
- 따라서 압전유압펌프의 적은 유량을 효과적으로 단일방향으로 토출하는 정교한 체크밸브의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 박판 스프링형(sheetspring type) 소형 체크밸브를 개발하여 적은 유량이지만 확실하게 출력 방향으로 전달해 주도록 하였다. 이 경우 체크밸브는 압전세라믹 작동기의 고속 동작에도 잘 순응할 수 있어야 하며, 경량 소형화라는 연구의 목적에 맞게 시스템의 복잡성을 줄이기 위해 능동형 체크밸브가 아닌 수동형 체크밸브를 사용하였다.
- 본 논문에서는 압전세라믹과 박판 스프링형 체크밸브를 적용한 소형 압전유압펌프의 가압 특성을 해석하였다. 압전유압펌프의 가압 특성을 해석하기 위해 압전세라믹과 챔버의 특성을 고려한 챔버부의 동적 모델링을 수행하여 챔버에서 형성되는 압력을 해석하였다.
- 본 논문에서는 압전구동기를 채택한 압전유압펌프의 챔버부, 체크밸브, 부하, 펌프구동제어기 등 펌프 전체 구성품의 해석모델링을 통하여 브레이크용 소형 압전유압펌프의 가압 동특성을 해석하였다. 압전유압펌프 챔버의 모델링은 압전작동기와 챔버를 하나의 계로 보고 수행하였으며 전압입력을 받아 챔버 압력을 출력해 내는 단계이다.
제안 방법
- 이 경우 체크밸브는 압전세라믹 작동기의 고속 동작에도 잘 순응할 수 있어야 하며, 경량 소형화라는 연구의 목적에 맞게 시스템의 복잡성을 줄이기 위해 능동형 체크밸브가 아닌 수동형 체크밸브를 사용하였다. 본 연구에서 설계된 소형 압전유압펌프는 토출유량이 작지만 구동속도를 높여 필요한 유량을 얻을 수 있게 하였다[8].
- 본 논문에서는 압전세라믹과 박판 스프링형 체크밸브를 적용한 소형 압전유압펌프의 가압 특성을 해석하였다. 압전유압펌프의 가압 특성을 해석하기 위해 압전세라믹과 챔버의 특성을 고려한 챔버부의 동적 모델링을 수행하여 챔버에서 형성되는 압력을 해석하였다. 챔버에서 형성된 압력이 체크밸브를 통해 부하로 전달되는 과정은 체크밸브의 형상을 고려한 유한요소코드 전산유체 해석을 통해 체크밸브의 열림 정도에 따른 유량계수 모델링을 통해 부하에서 압력형성과정을 해석하였다.
- 압전유압펌프의 가압 특성을 해석하기 위해 압전세라믹과 챔버의 특성을 고려한 챔버부의 동적 모델링을 수행하여 챔버에서 형성되는 압력을 해석하였다. 챔버에서 형성된 압력이 체크밸브를 통해 부하로 전달되는 과정은 체크밸브의 형상을 고려한 유한요소코드 전산유체 해석을 통해 체크밸브의 열림 정도에 따른 유량계수 모델링을 통해 부하에서 압력형성과정을 해석하였다. 가압 동특성 해석의 정확성을 판단하기 위해 실제 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교해 보았다.
- 챔버에서 형성된 압력이 체크밸브를 통해 부하로 전달되는 과정은 체크밸브의 형상을 고려한 유한요소코드 전산유체 해석을 통해 체크밸브의 열림 정도에 따른 유량계수 모델링을 통해 부하에서 압력형성과정을 해석하였다. 가압 동특성 해석의 정확성을 판단하기 위해 실제 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교해 보았다.
- 소형 압전유압펌프의 가압 동특성을 해석하기 위해 적층형 압전작동기가 챔버내에서 압력을 형성하는 과정이 모델링 되어야 한다. 이를 위해, 압전작동기로부터 압력을 챔버로 전달하는 과정에서 역할을 하는 구성품인 압전작동기, 피스톤, 챔버, 유압유를 포함하는 수학적 모델링을 수행하였다. 압전작동기를 포함하는 유압챔버의 개념도는 Fig.
- 박판 스프링형 체크밸브의 개폐 성능을 높이기 위해 스프링 형상을 설계하였으며, 탄성이 높고 소성변형이 쉽게 생기지 않는 SUS304계열의 소재를 사용함으로써 압전작동기가 발생시키는 고압에도 견딜 수 있도록 설계하였다. 설계된 박판형 스프링 밸브의 물성치와 치수는 Table 3와 같다[9-12].
- 전절에서 설명한 바와 같이 체크밸브는 챔버의 압력을 부하 쪽으로 전달하기 위해 거쳐야 하는 경로이기 때문에 체크밸브의 동적 특성을 모델링하는 것은 매우 중요하다. 이에 체크밸브의 유량해석과 동특성을 파악하여 가압 특성 모델링을 수행하였다. 체크밸브의 개도에 따라 유량을 계산하기 위해, 체크밸브 정점의 열림 크기가 0.
- 이에 체크밸브의 유량해석과 동특성을 파악하여 가압 특성 모델링을 수행하였다. 체크밸브의 개도에 따라 유량을 계산하기 위해, 체크밸브 정점의 열림 크기가 0.05mm, 0.15mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm(max)인 6가지 지점에서의 유한요소코드를 활용하여 유동해석을 수행하였다. Fig.
- 3mm 열렸을 때의 단면도 형상이다. 유체부분과 고체 부분을 따로 하여 해석을 수행하였다.
- 유체의 격자는 헥사(Hexa) 형태로 약 5만개의 격자를 생성하였으며 난류모델은 k-입실론(k-Epsilon)을 사용하였다. 입구의 경계조건을 2bar부터 90bar까지 다양하게 설정하였고, 출구의 경계조건은 대기압으로 하였다. 벽면과 체크밸브의 경계면은 노슬립(No-slip) 조건을 부여하였다.
- 의 압력차이다. 토출부의 압력과 유량은 밸브 출구로부터 2mm, 4mm, 6mm떨어진 지점에서 각각 계산하여 확인 해 본 결과 2mm 지점의 결과와 차이가 없어 출구의 시작점으로부터 2mm 떨어진 지점의 결과를 기반으로 해석을 수행하였다. 요한요소코드를 사용하여 해석한 결과 유선은 Fig.
- 5mm열렸을 때에는 유량은 잘 흐르지만 유로가 많이 우회하는 것을 확인할 수 있었다. 체크밸브의 열린 정도에 따라 흡입부의 압력을 변수로 두고 계속 바꿔 나가며 유한요소코드 해석을 통해 체크밸브를 통과 한 직후의 압력과 유량을 계산하였다.
- 체크밸브 부의 이러한 특성과 앞선 유량해석으로 얻어진 유량계수를 통해 체크밸브 압력전달 동적 모델링을 수행하였으며 압력전달의 흐름도는 다음 Fig. 10과 같다.
- 본 절에서는 챔버부의 수학적 모델링과 체크밸브의 동적 모델링을 바탕으로 펌프 가압제어 프로그램을 설계하고 펌프 가압특성을 해석하였다. 압전유압펌프 제어기에서 부하압력이 입력명령압력을 추종하도록 하게 위해 부하압력을 압력센서로 피드백 하여 비교하면서 압전작동기로 들어가는 입력 전압을 제어해 주어야 한다.
- 압전구동기를 포함한 챔버부, 체크밸브, 부하,펌프구동제어기 등 유압펌프 전 구성품을 하나의 시스템으로 연결하고, 각각의 수학적 모델링을 사용하여 가압 동특성 시뮬레이션을 수행하였다.입력 전압은 이론적으로 최대 1000V까지 인가할 수 있으나, 시뮬레이션을 제작된 펌프의 실제 실험과 근접한 환경을 조성하기 위해 펌프실험의 입력 전압과 동일한 900V, 120Hz를 인가하였다.
- 압전구동기를 포함한 챔버부, 체크밸브, 부하,펌프구동제어기 등 유압펌프 전 구성품을 하나의 시스템으로 연결하고, 각각의 수학적 모델링을 사용하여 가압 동특성 시뮬레이션을 수행하였다.입력 전압은 이론적으로 최대 1000V까지 인가할 수 있으나, 시뮬레이션을 제작된 펌프의 실제 실험과 근접한 환경을 조성하기 위해 펌프실험의 입력 전압과 동일한 900V, 120Hz를 인가하였다. 다음 Fig.
- 다음으로 유압펌프 압전작동기에 동일한 입력전압 900V, 120 Hz을 가한 상태에서 압전유압펌프의 가압특성을 시뮬레이션 하였다. 입력명령으로 부하에서 얻고자 하는 압력 값을 넣고 유압펌프가 이 압력을 어떻게 생성하는지 해석해 보았다.
- 다음으로 유압펌프 압전작동기에 동일한 입력전압 900V, 120 Hz을 가한 상태에서 압전유압펌프의 가압특성을 시뮬레이션 하였다. 입력명령으로 부하에서 얻고자 하는 압력 값을 넣고 유압펌프가 이 압력을 어떻게 생성하는지 해석해 보았다. 펌프 구동 프로그램이 적절히 설계되었는지를 검증하기 위해 입력명령 압력을 0부터 900psi 까지 다양하게 변경해가며 시뮬레이션 하였다.
- 입력명령으로 부하에서 얻고자 하는 압력 값을 넣고 유압펌프가 이 압력을 어떻게 생성하는지 해석해 보았다. 펌프 구동 프로그램이 적절히 설계되었는지를 검증하기 위해 입력명령 압력을 0부터 900psi 까지 다양하게 변경해가며 시뮬레이션 하였다. 많은 시뮬레이션 결과 중 대표적인 3가지 결과를 Fig.
- 압전유압펌프 챔버의 모델링은 압전작동기와 챔버를 하나의 계로 보고 수행하였으며 전압입력을 받아 챔버 압력을 출력해 내는 단계이다. 체크밸브는 개폐 성능과 반응속도를 고려하여 박판 스프링형 체크밸브를 채택하였고, 체크밸브 가압전달 과정을 해석하기 위해 밸브가 열린 정도를 6 단계로 나누어 3-D 형상을 모델링하였다. 얻어진 형상별로 체크밸브 입구의 경계 조건을 2bar부터 90bar까지 다양하게 설정하고 유동 및 압력분포를 유한요소 코드를 활용하여 해석하였다.
- 체크밸브는 개폐 성능과 반응속도를 고려하여 박판 스프링형 체크밸브를 채택하였고, 체크밸브 가압전달 과정을 해석하기 위해 밸브가 열린 정도를 6 단계로 나누어 3-D 형상을 모델링하였다. 얻어진 형상별로 체크밸브 입구의 경계 조건을 2bar부터 90bar까지 다양하게 설정하고 유동 및 압력분포를 유한요소 코드를 활용하여 해석하였다. 해석한 결과로부터 밸브의 개도에 따른 유량계수 식을 도출하였고, 얻어진 유량계수를 기반으로 부하압력을 구하였다.
- 얻어진 형상별로 체크밸브 입구의 경계 조건을 2bar부터 90bar까지 다양하게 설정하고 유동 및 압력분포를 유한요소 코드를 활용하여 해석하였다. 해석한 결과로부터 밸브의 개도에 따른 유량계수 식을 도출하였고, 얻어진 유량계수를 기반으로 부하압력을 구하였다. 펌프구동제어기는 부하압력을 압력센서로 피드백 받아 압전작동기 입력전압을 제어하여 부하압력이 입력명령 압력을 잘 추종하도록 설계하였다.
- 해석한 결과로부터 밸브의 개도에 따른 유량계수 식을 도출하였고, 얻어진 유량계수를 기반으로 부하압력을 구하였다. 펌프구동제어기는 부하압력을 압력센서로 피드백 받아 압전작동기 입력전압을 제어하여 부하압력이 입력명령 압력을 잘 추종하도록 설계하였다. 해석 시뮬레이션 결과와 실제 실험결과의 비교를 통해본 연구에서 수행된 가압특성 해석결과의 타당성을 검증하였다.
- Figure 2에서 사각형으로 표시된 부분은 박판스프링형 체크밸브의 위치를 나타낸다. 본 연구진은 선행연구에서 압전유압펌프의 흡입과 토출작동에 맞추어 흡입구와 토출구의 역류를 방지하고 적층형 압전작동기의 고속 운동에 연동 가능하도록 체크밸브를 설계하였다[9-10]. 설계된 박판 스프링형 체크밸브의 형상은 Fig.
- 체크밸브의 소성변형을 막기 위해 체크밸브의 열림이 0.5mm 이상 되지 않도록 스톱퍼(stopper)가 설계되어 있으며, 밸브가 최대 0.5mm 열릴 경우 밸브가 토출구를 막아 유로가 막히는 것을 방지하기 위해 Fig. 5와 같이 클로버 모양의 유로를 설계하였다.
대상 데이터
- 실제 펌프에 사용된 압전작동기는 PI사의 제품(모델번호 P-225.40)으로 선정하였으며, 시뮬레이션에 필요한 파라메타는 제품의 규격서를 참고하였다. 선정된 압전작동기는 최대 인가 전압 1000V에서 최대 12500N의 힘과 60μm의 변위를 갖으며, 해석을 위한 상세사양은 Table 2에 정리되어 있다.
데이터처리
- 펌프구동제어기는 부하압력을 압력센서로 피드백 받아 압전작동기 입력전압을 제어하여 부하압력이 입력명령 압력을 잘 추종하도록 설계하였다. 해석 시뮬레이션 결과와 실제 실험결과의 비교를 통해본 연구에서 수행된 가압특성 해석결과의 타당성을 검증하였다. 좀 더 정확한 모델링을 위해서는 시뮬레이션 모델에 체크밸브의 FSI 동적거동 및 유압유의 압축성 등을 고려하는 것이 필요하다고 판단된다.
이론/모형
- 유체의 격자는 헥사(Hexa) 형태로 약 5만개의 격자를 생성하였으며 난류모델은 k-입실론(k-Epsilon)을 사용하였다. 입구의 경계조건을 2bar부터 90bar까지 다양하게 설정하였고, 출구의 경계조건은 대기압으로 하였다.
성능/효과
- 5mm 열렸을 때 유선과 압력분포를 나타내고 있다. Fig. 6을 통해 체크밸브가 0.3mm와 0.4mm열렸을 때의 유로의 흐름이 가장 매끄럽다는 것이 확인되었고, 최대로 0.5mm열렸을 때에는 유량은 잘 흐르지만 유로가 많이 우회하는 것을 확인할 수 있었다. 체크밸브의 열린 정도에 따라 흡입부의 압력을 변수로 두고 계속 바꿔 나가며 유한요소코드 해석을 통해 체크밸브를 통과 한 직후의 압력과 유량을 계산하였다.
- 89 이므로, 이론적인 부하 최대압력은 784 psi 가 된다. 실제 제작된 압전유압펌프의 성능실험에서 부하의 최대 압력은 약780 psi 인 것으로 측정되었으며 시뮬레이션 모델이 적절하게 구현된 것을 확인할 수 있다.
- Figure 13의 결과를 살펴보면, 수렴 값이 제일 낮은 그래프는 입력명령 350 psi를 준 경우이며, 가운데 그래프 및 제일 위의 그래프는 각각 입력명령 500 psi, 900 psi를 준 결과이다. 결과적으로 350 psi과 500 psi의 입력명령에 대해서는 부하압력이 충실히 각각의 입력명령을 잘 추종하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 입력명령 900psi의 경우에는 펌프가 낼 수 있는 최대 부하압력을 넘어서기 때문에 부하압력이 784 psi으로수렴하는 것을 확인할 수 된다.
- 03ms이다. 이는 실험결과와 일치하는 값으로 펌프 가압특성 해석프로그램 모델링이 적절히 이루어졌음을 보여준다. 부하 압력의 시간응답특성은 Fig.
- 본 연구의 시뮬레이션 모델에는 체크밸브의 FSI(Fluid Structure Interaction) 동적거동, 유압유의 압축성 등을 모델링 하지 않아 실제 유압펌프 실험결과와 값 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 따라서 보다 정확한 모델링을 위해서는 유체의 실제 압축특성 및 체크밸브 FSI 동적거동을 파악하여 시뮬레이션 모델에 포함시켜야 할 것이다.
- 또한, 실제 펌프의 경우 체크밸브의 완벽한 밀폐가 이루어지지 않아 압력 그래프가 변동이 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 압전작동기와 완벽하게 일치를 이루어 흡입 토출 부위에서 누설없이 닫히게 하는 것은 불가능하므로 매 스텝마다 생기는 변동의 평균값을 시뮬레이션 결과와 비교하여 보면, 전제적으로 가압특성 모델링이 적절하게 되었다는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이러한 구동기로는 최근에 많이 연구되고 있는 여러 종류의 지능재료가 있으며, 이중 펌프의 역할에 가장 적합한 소재는 압전세라믹(PZT)이다[4-7]. 압전작동기를 구동원로 사용하는 소형 지능재료펌프를 브레이크 유압회로에 적용하면 브레이크 시스템의 크기와 무게를 현격히 줄일 수 있어 공간과 무게의 제한이 있는 전기차량 및 항공기에 응용성이 매우 높을 것으로 판단된다.
- 본 연구의 시뮬레이션 모델에는 체크밸브의 FSI(Fluid Structure Interaction) 동적거동, 유압유의 압축성 등을 모델링 하지 않아 실제 유압펌프 실험결과와 값 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 따라서 보다 정확한 모델링을 위해서는 유체의 실제 압축특성 및 체크밸브 FSI 동적거동을 파악하여 시뮬레이션 모델에 포함시켜야 할 것이다.
- 해석 시뮬레이션 결과와 실제 실험결과의 비교를 통해본 연구에서 수행된 가압특성 해석결과의 타당성을 검증하였다. 좀 더 정확한 모델링을 위해서는 시뮬레이션 모델에 체크밸브의 FSI 동적거동 및 유압유의 압축성 등을 고려하는 것이 필요하다고 판단된다.
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