[논문]설계 타당성 검토를 위한 압력·유량 제어형 사판식 피스톤 펌프의 해석모델 개발

이근호; 노대경; 박성수; 이대희; 진정만; 장주섭

doi:10.9709/jkss.2016.25.4.053

설계 타당성 검토를 위한 압력·유량 제어형 사판식 피스톤 펌프의 해석모델 개발
Development of Analysis Model of Pressure·Flow-controlled Swash Plate Type Pump for Evaluating Feasibility of Design 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.25 no.4, 2016년, pp.53 - 63

이근호 (가천대학교 기계자동차공학과) , 노대경 (가천대학교 기계공학과) , 박성수 (가천대학교 기계자동차공학과) , 이대희 (가천대학교 기계자동차공학과) , 진정만 (에스에프하이월드(주)) , 장주섭

초록
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본 연구는 컴퓨터 해석프로그램 SimulationX로 압력 유량 제어형 사판식 피스톤 펌프의 해석모델을 개발하여 설계의 타당성을 검증하는 것을 다룬다. 설계도면의 제원을 바탕으로 해석모델을 개발하게 되면 프로토타입 제작 이전에 설계의 유효성을 미리 판단할 수 있고 이로 인해 제작상의 반복적 오류를 범하지 않기 때문에 개발비 절감의 효과를 가져올 수 있다. 해석모델 개발의 진행순서는 다음과 같다. 먼저 동역학적 요소가 포함된 밸브, 회전부 등의 각 부품의 구조를 분석하고 도면의 제원을 반영하여 단품 모델링을 한다. 각각의 해석모델을 조합하여 펌프 어셈블리 모델링을 하고 이것이 설계의도에 맞게 부하조건에 따른 압력 유량제어 기능을 원활히 수행할 수 있는지 파악한다. 모델링 절차의 마지막에는 예상했던 메카니즘대로 부품들이 움직이는 모습을 보여줌으로서 설계의 타당성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to verify the feasibility of design by developing pressure flow-controlled swash plate type pump with the use of SimulationX, a computer analysis program. Developing analysis model based on design drawing data has a cost-saving effect because it is possible to figure out the effectiveness of design through the work and it never falls into repeated inaccuracies in the production process. Analysis model is developed in the following order. First, the structure of each part such as valve and rotating unit which have dynamic factor is analyzed and the modeling of single component is carried out, reflecting drawing data. Second, the modeling of pump assembly is carried out with the combination of each analysis model and a work is conducted to determine whether the modeling can perform pressure flow control function according to load condition smoothly based on design intent. At the end of the modeling process, the feasibility of design is verified by showing the parts which are moving as expected mechanism.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 압력·유량 제어형 사판식 피스톤 펌프의 해석모델 개발을 통해 설계 타당성을 검증하는 것을 다루었다.
본 연구는 압력·유량 제어형 펌프의 프로토타입을 굳이 제작하지 않고도 밸브를 포함한 모든 구성부품의 설계의 유효성을 판단 할 수 있는 해석모델을 개발하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

(1) 압력, 유량제어밸브의 구조를 분석하여 모델링을 수행하였고, 동적거동을 구현하여 설계의 타당성을 검증하였다.
(2) 경전각 제어기, 회전부의 구조를 분석하고 모델링을 수행하였으며, 맥동의 구현으로 설계의 타당성을 검증 하였다.
6의 해석모델을 통해 작동 논리를 검증한 것이다. P포트에 압력을 선형적으로 증가시켜 밸브가 스위칭되는 압력을 추종하였으며, 이때의 스풀의 행정과 포트별 개도면적의 변화를 확인 하였다. 본 밸브는 한계 작동압력조건이 320 bar이고, 해석결과로부터 이를 확인할 수 있다.
17은 단품 해석모델을 통합한 펌프 어셈블리 모델이다. 각각의 부품들이 공유하는 유로를 연결하였다. 본 해석 모델 개발의 대상이 되는 펌프는 유량제어기능의 추가로 외부 부하 변동에 따른 능동적 유량제어가 가능하도록 설계되어 있다.
13은 회전부의 단일 피스톤 해석모델이다. 구동축의 회전에 따라 행정하는 피스톤의 거동을 모사하기 위하여 회전을 직선운동으로 변환시켜주는 요소를 적용하였다. 또한 경전각의 변화에 따라 피스톤의 최대행정거리가 종속되어 변할 수 있게 모델링 하였다.
구동축의 회전에 따라 행정하는 피스톤의 거동을 모사하기 위하여 회전을 직선운동으로 변환시켜주는 요소를 적용하였다. 또한 경전각의 변화에 따라 피스톤의 최대행정거리가 종속되어 변할 수 있게 모델링 하였다. 회전부의 해석모델은 밸브 플레이트의 개도면적 구현이 가장 중요하다.
마지막으로 각각의 구성부품을 조합하여 펌프 어셈블리 모델링을 수행하고, 설계의도에 맞게 부하조건에 따른 압력· 유량제어가 가능한지 확인한다.
연구진행방법은 다음과 같다. 먼저 동역학적 요소가 포함된 각 부품의 구조를 분석하여 힘이 작용하거나 변화할 만한 요소에 대하여 파악한다. 그 후 도면의 제원을 반영하여 단품 모델링을 한다(Jang, 2011a, 2011b).
수력지름은 도면을 기준으로 설정하였다. 스프링시트의 모델링은 스프링의 초기 압축조건을 검토하여 적용하였다. 그리고 스풀이 시트를 압박하게 될 때 하우징과 시트의 공차를 통해 시트내부의 유량이 빠져나오는데 이러한 유동을 모사하기 위해 Ring Gap Component를 이용하였다.
외부 부하변동은 가변오리피스 개도량을 조절함으로써 제어가 가능하도록 설계되어 있다. 이러한 설계의도를 검증하기 위하여 해석모델의 토출부에 직경 4mm의 가변 오리피스를 장착하였고, 개도량(%)을 변화시켜 가면서 유량과 압력을 확인하였다. Fig.

대상 데이터

모델링 절차의 마지막에는 예상했던 메카니즘대로 부품들이 움직이는 모습을 보여줌으로써 설계의 타당성을 검증한다. 해석에 사용된 소프트웨어는 독일 ITI사에서 개발된 SimulationX이다. 이 소프트웨어는 유압해석에 특화되어있는 해석도구이며, 카탈로그의 스펙이나 설계도면을 기준으로 유압시스템의 설계를 검증, 분석하는데 널리 활용되고 있으므로 본 연구에 적용하였다(Noh 등 2013, 2015).

이론/모형

스프링시트의 모델링은 스프링의 초기 압축조건을 검토하여 적용하였다. 그리고 스풀이 시트를 압박하게 될 때 하우징과 시트의 공차를 통해 시트내부의 유량이 빠져나오는데 이러한 유동을 모사하기 위해 Ring Gap Component를 이용하였다.
해석에 사용된 소프트웨어는 독일 ITI사에서 개발된 SimulationX이다. 이 소프트웨어는 유압해석에 특화되어있는 해석도구이며, 카탈로그의 스펙이나 설계도면을 기준으로 유압시스템의 설계를 검증, 분석하는데 널리 활용되고 있으므로 본 연구에 적용하였다(Noh 등 2013, 2015).

성능/효과

(3) 펌프 어셈블리 해석 모델의 토출부에 외부 부하 조건(개도량)을 부여하였고 이것은 경전각의 변화를 일으켰으며 이에 따라 압력과 유량이 능동적으로 제어되는 것을 보여줌으로써 설계가 타당함을 검증하였다.
(4) 실제 펌프의 운전조건과 유사하게 펌프 어셈블리 해석 모델에 시스템 부하조건을 반영하여도 제어 기능이 원활하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
이러한 맥동현상은 피스톤이 압축과 신장 행정을 반복하면서 형성된 결과이다. 구동축의 회전에 따라 밸브플레이트와 피스톤의 교차면적이 가변하고 유량과 그에 따른 압력맥동의 송출이 원활하게 이루어지는 것으로 보아 본 설계는 타당함을 알 수 있다.
14에 나타내었다. 토출부의 분할설계로 5개의 굴곡이 나타나며 동시에 흡입부와 토출부의 최대개도면적이 차이가 분명한 것을 알 수 있다.

후속연구

각각의 부품들이 공유하는 유로를 연결하였다. 본 해석 모델 개발의 대상이 되는 펌프는 유량제어기능의 추가로 외부 부하 변동에 따른 능동적 유량제어가 가능하도록 설계되어 있다. 그리고 실제 펌프의 운전은 시스템 자체의 부하가 존재한다는 조건을 가져야한다.
이러한 해석모델의 모델링과정과 활용절차는 프로토타입 제작이전에 대상 부품의 작동가능 유무를 판단 할 수 있다. 이에 무분별한 프로토타입 제작을 피할 수 있으므로 개발비 절감의 효과를 가져다 줄 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력·유량 제어형 펌프는 압력의 차이를 감지하여 유량을 가변 할 수 있는데 이로 인한 장점은 무엇입니까?	압력·유량 제어형 펌프는 압력의 차이를 감지하여 유량을 가변 할 수 있다. 이는 엑추에이터의 동작이 필요 없을 경우 펌프 자체의 토출유량을 0으로 만들 수 있다는 말이 된다. 또한 가변의 범위가 자유로워 전기모터의 회전속도를 제어하지 않고도 사용자의 의도대로 유량을 제어할 수 있다. 이러한 펌프는 구조가 복잡 하여 제작비가 많이 소요된다.
	펌프를 구성하는 부품은 어떻게 나뉘어 집니까?	Fig. 1과 같이 펌프를 구성하는 부품은 압력제어밸브 (PCV), 유량제어밸브(FCV), 경전각 조정기(SPR), 회전부(RP)로 나눌 수 있다. 밸브 모델링은 스풀의 움직임에 따른 개도면적의 변화로 모델링의 신뢰성을 판단할 수 있다(Jin, 2015).
	유압시스템의 장점은 무엇이며 어떠한 장비에 활용됩니까?	유압시스템은 동력밀도가 높아서 소형화에 유리하며, 고내구성을 지니고 있기 때문에 주로 가혹한 환경에서 운행하는 장비에 활용된다. 유압펌프는 이러한 유압시스템의 중심에 있는 장비로써 유압장비를 구동시키기 위해 필요한 유량을 송출해주는 역할을 한다.

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원문보기 상세보기
Y.H. Yoon., J.S. Jang. and Y.B. Lee. (2012), "An Analysis of Dynamic Characteristics for Variable Swash Plate Type Axial Piston Pump", 2012 KSFC spring conference book. pp. 23-30.

저자의 다른 논문 :

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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