[논문]21톤급 전기 굴삭기용 파일럿 작동식 유량제어 밸브의 해석모델 개발 및 검증

김동명; 남용윤; 서자호; 장주섭

doi:10.7839/ksfc.2015.12.3.052

[국내논문] 21톤급 전기 굴삭기용 파일럿 작동식 유량제어 밸브의 해석모델 개발 및 검증
Development and Verification of Analytical Model of a Pilot Operated Flow Control Valve for 21-ton Electric Excavator 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.12 no.3, 2015년, pp.52 - 59

김동명 (Department of Mechanical Engineering, Gachon University) , 남용윤 (Korea Institute of Machinery and Materials) , 서자호 (Korea Institute of Machinery and Materials) , 장주섭 (Department of Mechanical Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

An electro hydraulic poppet valve (EHPV) and a variable orifice poppet are assembled in a single block, which is referred to as a RHINO but is also generally called a pilot-operated flow control valve. In this study, we analyzed the structure and the operating principle for a RHINO applied in a 21-ton electric excavator system. The RHINO was experimentally tested to measure the dynamic responses and the pressure energy loss. In this test, we investigated the variation in the conductance coefficient according to the increase in the supply pressure under a constant current and a variation in the flow rate according to the increase in the current. Then, the geometrical shapes and the spring stiffness of the RHINO were considered to develop an analysis model. The characteristics (current-force and hysteresis) for the solenoid based on the experimental data were reflected in the analysis model that was developed, and the reliability of the analysis model was also verified by comparing the experimental and analytical results. The developed model is thus considered to be reliable for use in a wide range of applications, including optimum design, sensitivity analysis, parameter tuning, etc.

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문제 정의

본 논문에서는 전기 굴삭기를 제어하는 메인컨트롤 밸브의 주요 구성 부품인 파일럿 작동식 유량제어밸브(이하 유량제어밸브)의 구조와 작동원리 특성을 면밀히 분석하고 상용 소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 해석모델을 개발하고자 한다. 또한, 향후 해석모델을 밸브 설계와 시스템 튜닝에 활용할 수 있도록 정확도를 검증하고자한다.
본 논문에서는 전기 굴삭기를 제어하는 메인컨트롤 밸브의 주요 구성 부품인 파일럿 작동식 유량제어밸브(이하 유량제어밸브)의 구조와 작동원리 특성을 면밀히 분석하고 상용 소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 해석모델을 개발하고자 한다. 또한, 향후 해석모델을 밸브 설계와 시스템 튜닝에 활용할 수 있도록 정확도를 검증하고자한다.
본 논문에서는 향후 해석모델을 설계변수 민감도 분석 및 최적설계에 활용 될 수 있도록 후자의 방법으로 해석모델을 개발하였다.
본 연구에서는 전기 굴삭기용 메인컨트롤 밸브의 구성부품인 유량제어 밸브의 구조와 작동원리 특성을 면밀히 분석하였다. 분석결과를 기반으로 상용소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 해석모델을 개발하였다.

제안 방법

그림에서 보듯, HPU(Hydraulic Power Unit)에서 생성되는 유량은 제어반(Control unit)을 통해 밸브로 공급된다. 이때 제어반에서 조절된 전류량에 따라 밸브의 개도면적의 크기가 조절되며, 성능 시험 시 필요한 유량 및 압력 정보는 각각 유량계 및 압력계로 측정하였다. 시험 장비의 최대 유량은 400 lpm이고 최대 압력은 350 bar이다.
본 연구에서는 전기 굴삭기용 메인컨트롤 밸브의 구성부품인 유량제어 밸브의 구조와 작동원리 특성을 면밀히 분석하였다. 분석결과를 기반으로 상용소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 해석모델을 개발하였다. 또한, 해석모델을 향후 연구에 활용할 수 있도록 시험결과와 해석 결과의 유사성을 확인하여 해석모델의 정확도를 확인하였다.
분석결과를 기반으로 상용소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 해석모델을 개발하였다. 또한, 해석모델을 향후 연구에 활용할 수 있도록 시험결과와 해석 결과의 유사성을 확인하여 해석모델의 정확도를 확인하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
1) 상용 소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 파일럿 작동식 유량제어밸브의 구조와 작동원리를 면밀히 분석하고 해석모델을 개발하였다.

성능/효과

6-(c)는 컨덕턴스 계수(conductance coefficient)로서 시험결과를 이용하여 아래의 수식으로 계산한 결과를 나타내며, 유체 흐름의 저항 정도를 나타낸다. 시험 결과 공급 전류가 증가함에 따라 밸브의 개도면적이 증가하고 흐름저항은 감소하여 컨덕턴스 계수가 점점 커진다는 것을 알 수 있다.
2) 해석모델의 정확도를 검증함으로써 밸브 개발 전 단계에서 밸브의 동적 거동과 유동 특성을 정량적으로 평가하여 엔지니어에게 정량적인 설계 제안을 할 수 있다고 판단된다.

후속연구

시험결과와 해석결과를 비교해보면 히스테리시스에서는 다소 차이가 발생한다는 것을 알 수 있는데 이는 밸브 가공 시 내부의 직진도와 동심도 등에 관한 특성으로 판단되며, 해석모델에 편심과 마찰에 의한 특성이 고려되지 않았기 때문이라 여겨진다. 결론적으로 시험 결과와 해석결과의 유사성을 확인함으로써 해석모델의 정확도를 검증하였고 향후 응용연구에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
3) 향후 민감도 분석 및 시스템 최적설계에 해석모델을 활용함으로써 연구 개발 시간과 비용을 절감 할 수 있을 것으로 판단된다.
1) 솔레노이드의 정특성과 동특성에 대한 시험이 추가적으로 필요하며, 해석모델에 힘-거리특성을 보완할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴삭기 효율 향상에 대한 대표적인 연구 결과에는 어떤 것들이 있는가?	건설기계 분야에서는 사용빈도가 높은 굴삭기에 대한 연구가 비교적 많이 진행되었으며, 중력을 이용한 에너지 회생과 유압 펌프 제어에 의한 시스템 효율 상승 등이 굴삭기 효율 향상에 대한 대표적인 연구 결과라 할 수 있다. 전기 모터가 발전함에 따라 굴삭기 시스템도 자동차 분야에서와 같이 하이브리드 기술이 도입되었데, 이는 1개의 굴삭기 시스템에 2개의 동력원(디젤엔진과 전기모터)을 사용함으로써 굴삭기를 효율적으로 운행할 수 있는 시스템이다.
	EHPV의 작동원리는 어떻게 설명되는가?	EHPV의 작동원리는 다음과 같다. 비례 솔레노이드에 전류를 공급하면 자기력 힘이 아마추어에 공급되고 파일럿 핀과 아마추어가 접촉하고 있기 때문에 파일럿 핀도 왼쪽방향으로 힘을 받는다. 파일럿 핀은 파일럿 스프링에 의해 지지되고 있으며 스프링 저항력보다 왼쪽으로 작용하는 자기력 힘이 더 클 경우 파일럿 핀이 왼쪽으로 움직여서 파일럿 시트에서 떨어진다. 이때 EHPV 내부의 체적(PC)과 저압 포트(PN)사이에 개도면적이 형성되고 내부 압력(PC)이 낮아져서 메인 포핏을 닫는 방향(오른쪽)으로 작용하던 힘이 감소한다. 이에 따라 메인 포핏이 개방되고 제어 체적(PCC)의 압력도 떨어진다. Fig.
	하이브리드 굴삭기 시스템은 어떤 시스템인가?	건설기계 분야에서는 사용빈도가 높은 굴삭기에 대한 연구가 비교적 많이 진행되었으며, 중력을 이용한 에너지 회생과 유압 펌프 제어에 의한 시스템 효율 상승 등이 굴삭기 효율 향상에 대한 대표적인 연구 결과라 할 수 있다. 전기 모터가 발전함에 따라 굴삭기 시스템도 자동차 분야에서와 같이 하이브리드 기술이 도입되었데, 이는 1개의 굴삭기 시스템에 2개의 동력원(디젤엔진과 전기모터)을 사용함으로써 굴삭기를 효율적으로 운행할 수 있는 시스템이다. 더 나아가 미래에 대한 연구로써 현재에는 순수 전기 모터만을 이용한 전기 굴삭기에 관한 연구도 진행되고 있다.

참고문헌 (6)

S. D. Park, "Global Warming and Climate Change : An Overview of Technological Solutions," J. of Korea Society of Energy & Climate Change, Vol.1, No.1, pp.1-12, 2006.
H. J. Lim, S. G. Jung and D. H. Wan, "An Analysis of the Impact of Global Warming on Residential Energy Consumption : Focused on the Case of Electricity Consumption," J. of Korea Energy Economics Institute, Vol.12, No.2, pp.33-58, 2013.
B. I. Kang and J. S. Lee, "Boom Energy Regeneration System of Hybrid Excavator Using Simulation Technique," J. of Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, Vol.7, No.2, pp.12-18, 2010
J. I. Yoon et al., "Development of Hybrid Excavator for Regeneration of Boom Potential Energy," J. of Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, Vol.6, No.4, pp.1-8, 2009
J. H. Lee, J. H. Lee, H. C. Lee, and C. E. Oh, "Integrated Control Algorithm of Hydraulic Pump with Electric Motor to Improve Energy Efficiency of Electric Excavator," J. of Korean Society of Mechanical Engineers, Vol.39, No.2, pp.195-201, 2015

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B. S. Yoo, C. M. Hwang and J. S. Joh, "A Study on the Energy Management Control of Hybrid Excavator," J. of Korean Society for Precision Engineering, Vol.29, No.12, pp.1304-1312, 2012

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