[논문]사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트 설계와 예압에 따른 맥동

사진웅; 정원지; 배준형; 이정민

doi:10.7735/ksmte.2016.25.1.89

[국내논문] 사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트 설계와 예압에 따른 맥동
Pulsation According to Pre-Compression Sections and Valve Plate Design for a Swash Plate Type Piston Pump 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.25 no.1, 2016년, pp.89 - 95

사진웅 (Department of Mechanical Design Engineering, Changwon National University) , 정원지 (Department of Mechanical Design Engineering, Changwon National University) , 배준형 (Department of Mechanical Design Engineering, Changwon National University) , 이정민 (Flutek, Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the design factors of the opening area in order to consider the kinematic stability of a valve plate, conducting an analysis of the reduction effects of pressure pulsation and flow ripple depending on the design factors, using the $SimulationX^{(R)}$ (Germany) hydraulic analysis program. Further, we performed a structure analysis to confirm the kinematic stability of the valve plate in a swash plate type piston pump, and analyzed the effects of pulsation on a 1-step V-type notch, 2-step V-type notch, and 2-step U-type notch to determine the effects of pulsation reduction. Finally, we show the effectiveness of our proposed design of the pre-compression sections on a valve plate in terms of low pulsation by using the hydraulic analysis program, $SimulationX^{(R)}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 사판식 피스톤 펌프의 주요 구성품인 밸브 플레이트의 기구적 안정성을 고려하기 위한 개구면적의 설계요소를 분석하고, 유압 해석 프로그램인 SimulationX(Germany)를 사용하여 설계 요소에 따른 압력 및 유량 맥동의 영향에 대한 해석을 실시함과 더불어 사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트의 기구적 안정성을 확인하기 위한 구조해석을 실시할 것이다. 이어서 Jang의 논문에서는 다루지 않은 1단 V notch type과 2단 V type notch, U type notch에 대한 맥동 영향과 밸브플레이트에 예압축 구간을 설계하여 맥동 해석을 실시하고 분석하여 맥동 저감 효과 여부를 확인하고자 한다.
본 논문에서는 유공압 시스템에서 사용되는 유압장비 중 굴삭기의 메인펌프 등에 주로 쓰이는 가변 용량형 사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트의 개구면적을 설계하는 요소에 대하여 연구를 하였다. 첫째로, 밸브 플레이트의 설계 요소인 b factor의 간격과 간격의 개수에 대해 기구적 안정성을 확인하기 위한 구조해석을 진행하였다.

제안 방법

이 뿐만 아니라, 흡입 및 토출과정에서 급격한 개구면적의 변화로 인해 생기는 맥동을 저감시키는 요소가 노치 타입에 따른 설계이며, 이를 통해 원활한 증압과 감압을 시켜 맥동을 저감시킬 수 있다. Jang의 논문에서는 Circular type과 V type에 대한 해석을 실시하였지만, 본 연구에서는 맥동 저감효과가 있었던 V type과 더불어 2단 V type, 2단 U type에 대해서도 맥동 분석을 진행할 것이다. Fig.
기구적 안정성을 고려하기 위한 factor로써 b에 대해 Fig. 5와 같이 나누고, Table 1과 같이 8가지 Case로 나누어 구조해석을 진행하였다. 밸브 플레이트의 재질은 SHPC로 선정하였고, 해석경계조건은1) 개구측에 가해지는 압력 p=300 bar, 2) 실린더 블록이 밸브 플레이트를 미는 힘 F=28 GN, 3) 핀과 밸브 플레이트 중심부에 구속조건을 주었으며, 해석 결과는 Fig.
따라서, 본 논문에서는 사판식 피스톤 펌프의 주요 구성품인 밸브 플레이트의 기구적 안정성을 고려하기 위한 개구면적의 설계요소를 분석하고, 유압 해석 프로그램인 SimulationX(Germany)를 사용하여 설계 요소에 따른 압력 및 유량 맥동의 영향에 대한 해석을 실시함과 더불어 사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트의 기구적 안정성을 확인하기 위한 구조해석을 실시할 것이다. 이어서 Jang의 논문에서는 다루지 않은 1단 V notch type과 2단 V type notch, U type notch에 대한 맥동 영향과 밸브플레이트에 예압축 구간을 설계하여 맥동 해석을 실시하고 분석하여 맥동 저감 효과 여부를 확인하고자 한다.
본 논문에서는 유공압 시스템에서 사용되는 유압장비 중 굴삭기의 메인펌프 등에 주로 쓰이는 가변 용량형 사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트의 개구면적을 설계하는 요소에 대하여 연구를 하였다. 첫째로, 밸브 플레이트의 설계 요소인 b factor의 간격과 간격의 개수에 대해 기구적 안정성을 확인하기 위한 구조해석을 진행하였다. 또한, b factor가 맥동에 미치는 영향을 분석하여 흡입 및 토출 부에 각각 1~2개의 개구보다는 3개의 개구를 가공하는 것이 좋음을 확인하였다.

성능/효과

6과 같다. B factor를 설계하지 않은 Case 1의 경우, 최대응력은 60 MPa로 개구의 양 옆면에서 발생하였으며, 안전율은 4.5임을 확인하였다.
Table 3에 Fig. 20의 맥동이 저감된 정도를 수치로 정리하여 나타내었으며, 가변 용량형 사판식 피스톤 펌프의 밸브 플레이트의 노치 형상을 설계할 때에 2^nd U type 노치보다는 1^st V type 노치를 설계하는 것이 맥동 저감에 좋으며, 1^st V type 노치보다는 2^nd type 노치를 설계하는 것이 맥동을 저감시키는데 더 효율적인 것을 확인하였다.
8에서는 Case 6~8은 b 간격 2개, 개구 3개에 대해 진행한 해석이며 case 2~5에서와 마찬가지로, b factor 사이의 각도와 간격이 줄어들수록 응력이 b factor측으로 집중되는 것을 확인하였다. 개구 3개에 대한 해석의 최대응력 또한 40~50 MPa, 안전율 4~5로 확인되었으며, b factor를 설계함으로써 밸브 플레이트 응력이 줄어들어 기구적 안정성을 유지함을 확인하였고, b factor의 간격이 줄어듦에 따라 응력은 집중되나, 기구적 안정성은 유지하였음을 알 수 있다. 하지만, 높은 압력 조건과 간격이 극히 작을 경우에는 b factor의 안정성을 필히 고려한 설계를 해야 한다.
또한, b factor가 맥동에 미치는 영향을 분석하여 흡입 및 토출 부에 각각 1~2개의 개구보다는 3개의 개구를 가공하는 것이 좋음을 확인하였다. 그리고, 1^st V type 노치와 2^nd U type 노치2^nd V type노치의 비교 분석을 통해 2^nd V type 노치가 다른 두 노치에 비해 압력 맥동을 더 효율적으로 저감시킨다는 것을 확인하였다. 마지막으로, 본 연구에서는 Jang^[3]의 논문에서 더 나아가, 사판식 피스톤 펌프의 맥동에 영향을 미치고 기구적 안정성을 유지하는 설계 요소로써 factor b를 제시하였으며, 유압해석 프로그램인SimulationX를 이용하여 현재 밸브 플레이트 설계 시 자주 사용하고 있는 1^st V type, 2^nd V type, 2^nd U type 등의 맥동 영향을 분석 하였으며, 더 나아가 예압축 구간 즉, 예압각에 따른 맥동 현상을 분석하여 예압각을 적절히 설계하면 맥동을 원활하게 할 수 있으며 그 폭도 크게 줄일 수 있음을 확인하였다.
첫째로, 밸브 플레이트의 설계 요소인 b factor의 간격과 간격의 개수에 대해 기구적 안정성을 확인하기 위한 구조해석을 진행하였다. 또한, b factor가 맥동에 미치는 영향을 분석하여 흡입 및 토출 부에 각각 1~2개의 개구보다는 3개의 개구를 가공하는 것이 좋음을 확인하였다. 그리고, 1^st V type 노치와 2^nd U type 노치2^nd V type노치의 비교 분석을 통해 2^nd V type 노치가 다른 두 노치에 비해 압력 맥동을 더 효율적으로 저감시킨다는 것을 확인하였다.
그리고, 1^st V type 노치와 2^nd U type 노치2^nd V type노치의 비교 분석을 통해 2^nd V type 노치가 다른 두 노치에 비해 압력 맥동을 더 효율적으로 저감시킨다는 것을 확인하였다. 마지막으로, 본 연구에서는 Jang^[3]의 논문에서 더 나아가, 사판식 피스톤 펌프의 맥동에 영향을 미치고 기구적 안정성을 유지하는 설계 요소로써 factor b를 제시하였으며, 유압해석 프로그램인SimulationX를 이용하여 현재 밸브 플레이트 설계 시 자주 사용하고 있는 1^st V type, 2^nd V type, 2^nd U type 등의 맥동 영향을 분석 하였으며, 더 나아가 예압축 구간 즉, 예압각에 따른 맥동 현상을 분석하여 예압각을 적절히 설계하면 맥동을 원활하게 할 수 있으며 그 폭도 크게 줄일 수 있음을 확인하였다.
14에서의 유량맥동은 Case 1보다 압력 강하가 덜 일어남을 알 수 있다. 밸브 플레이트를 설계하는 데 있어서 b factor의 설계는 기구적인 안정성을 유지하는 요소일 뿐만 아니라, 1~2개의 개구를 가공할 때보다 3개의 개구를 가공할 때 맥동이 저감되는 것을 확인하였다.
앞서 SimulationX를 이용하여 단일 피스톤 펌프에서의 밸브 플레이트의 설계 요소 b에 대한 구조해석을 실시하여 기구적 안정성을 확인하였고, b의 개수에 대하여 맥동 영향을 분석한 결과 흡입 및 토출 포트 측에 개구를 3개씩 가공한 경우가 맥동이 더 저감됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압시스템이란 무엇인가?	유압시스템은 유체의 정압을 이용해서 형성된 밀폐공간의 이동 또는 변화에 의해 유체 에너지와 기계에너지의 에너지 변환을 행하는 장치로 전기, 전자시스템에 비해 제어성, 소음, 가격 등의 면에서 열세이지만, 동력 밀도가 높아 소형 및 경량화에 유리하다.
	사판식 피스톤 펌프가 사축식 피스톤 펌프에 비해 가지는 장점은 무엇인가?	사축식 피스톤 펌프보다 사판 경사각의 변화에 의해 쉽게 가변 용량화 할 수 있고, 구조가 간단하며, 가변 용량부의 관성 모멘트가 작아 고속 제어가 가능하다는 특징이 있어 사용이 증가하고 있다[1]. 가변 용량형 사판식 피스톤 펌프는 건설중장비용 메인 펌프로써 주로 사용되어지고 있으며, 유압시스템의 소형경량화, 고속 고압 제어시스템, 저맥동화 등의 요소들을 복합적으로 고려해야 한다.
	가변 용량형 사판식 피스톤 펌프는 어떠한 요소들을 고려해야 하는가?	사축식 피스톤 펌프보다 사판 경사각의 변화에 의해 쉽게 가변 용량화 할 수 있고, 구조가 간단하며, 가변 용량부의 관성 모멘트가 작아 고속 제어가 가능하다는 특징이 있어 사용이 증가하고 있다[1]. 가변 용량형 사판식 피스톤 펌프는 건설중장비용 메인 펌프로써 주로 사용되어지고 있으며, 유압시스템의 소형경량화, 고속 고압 제어시스템, 저맥동화 등의 요소들을 복합적으로 고려해야 한다.

참고문헌 (8)

Kim, J. G., 2003, Performance Characteristics with Valve Plate Shapes in Swash Plate Type Oil Piston Pumps, A Thesis for a Doctorate, Chonbuk National University, Republic of Korea.
Yoon, Y. H., Jang, J. S., Lee, Y. B., 2012, An Analysis of Dynamic Characteristics for Variable Swash Plate Type Axial Piston Pump, Proceedings of the Conference on Korea Society for Fluid Power and Construction Equipments, 23-30.
Jang, J. H., Chung, W. J., 2013, Application of Simulation X Based Simulation Technique to Notch Shape Optimization for a Variable Swash Plate Type Piston Pump, Proceedings of the International Conference on Scientific Computing, 137-142.
Lee, I. Y., 2012, Hydraulic Engineering, Munundang, Republic of Korea.
Jang, D. H., Lee, S. G., Kwon, J. H., Park, S. H., 2009, A Study on Pressure, Flow Fluctuation and Noise in the Cylinder of Swash Plate Type Axial Piston Pump, Transactions of the Korea Fluid Power Systems Society, 6:3 1-9.
Yoon, Y. H., Jang, J. S., 2012, Simulation X, Multi-domain Simulation and Modeling Tool for the Design, Analysis, and Optimization of Complex systems, Transactions of the Korea Fluid Power Systems Society, 9:1 56-69.
Choi, S. L., Jang, J. S., 2013, Shape Design Sensitivity Analysis of the Valves Installed in the Hydraulic Driving Motor, Journal of the Korea Society for Simulation, 22:3 81-87.

원문보기 상세보기
Jung, C. D., Chung, W. J., 2012, Application of Solid $Works^{(R)}$ , and Lab $View^{(R)}$ -based Simulation Technique to Gain Tuning of a 6-axis Articulated Robot, Proceedings of the International Conference on Scientific Computing, 132-138

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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