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문제 정의
- 본 논문에서는 사판각 α에 따른 모터 회전 속도변화 및 효율, 압력맥동의 변화를 시뮬레이션하기 위해 일반적으로 사용되는 사판각도인 14~18도 사이의 사판각을 사용하여 그에 따른 특성을 찾아볼 것이다.
제안 방법
- 본 논문에서는 사판각 α에 따른 모터 회전 속도변화 및 효율, 압력맥동의 변화를 시뮬레이션하기 위해 일반적으로 사용되는 사판각도인 14~18도 사이의 사판각을 사용하여 그에 따른 특성을 찾아볼 것이다. Table 1과 같이 Case 1~3로 나누어 사판각이 변화할 때마다 어떠한 모터 성능의 변화가 일어나는지 유동해석프로그램인 Simulation X를 통하여 모델을 구성하고 그 결과를 분석할 것이다.
- 단일피스톤 모터로만은 회전속도 및 압력맥동을 예측하기에는 한계가 있다. 그렇기때문에 본 논문에서는 대외적으로 알려진 대로 구조적으로 안정적이면서 가장 많이 사용하는 9개의 피스톤 모터를 구성하여 사판각에 따른 모터 성능 및 압력맥동에 관한 시뮬레이션을 진행하였다. 싱글 피스톤 모터를 9개의 피스톤으로 구성하여 Fig.
- 하지만, 피스톤 변위 및 사판각에 따른 맥동 저감 효과나 모터효율의 차이가 크기 때문에 펌프뿐만 아니라 모터에 대한 연구도 필요하다. 따라서 본 논문에서는 기구학적 해석을 끝낸 사판식 피스톤 모터의 모델을 바탕으로 유압 해석프로그램 중 Simulation X를 이용하여 Single Piston Motor를 모델링하고 저 맥동, 고효율의 모터 성능을 낼 수 있는 사판각도를 시뮬레이션을 통해 찾을 것이다. 또한, 행정 스트로크에 대한 이론적 고찰과 함께 시뮬레이션을 통해 행정 스트로크 변화에 따른 맥동 영향을 분석하고 마지막으로 노치형상에 따른 맥동 저감 효과 여부를 확인할 것이다.
- 밸브 플레이트의 노치 형상을 통하여 압력 맥동 저감 효과를 볼 수 있지만, 다른 설계요소에 영향없이 사판각에 대한 모터 성능을 위해 노치가 없는 개구면적을 사용하였다. 또한, 밸브 플레이트의 흡입 영역과 토출 영역을 표현하기 위하여 가변 오리피스를 사용하여 흡입이 필요할 땐 토출 오리피스가 흐르지 못하게 하고 토출이필요할 땐 흡입 오리피스가 흐르지 못하게 하는 함숫값을 입력하여 밸브 플레이트의 역할을 표현하였다. Case 1~3를 같은 조건에서 시뮬레이션 한 결과 회전속도, 압력맥동, 토크맥동에서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 밸브 플레이트의 노치 형상을 통하여 압력 맥동 저감 효과를 볼 수 있지만, 다른 설계요소에 영향없이 사판각에 대한 모터 성능을 위해 노치가 없는 개구면적을 사용하였다. 또한, 밸브 플레이트의 흡입 영역과 토출 영역을 표현하기 위하여 가변 오리피스를 사용하여 흡입이 필요할 땐 토출 오리피스가 흐르지 못하게 하고 토출이필요할 땐 흡입 오리피스가 흐르지 못하게 하는 함숫값을 입력하여 밸브 플레이트의 역할을 표현하였다.
- 본 논문에서는 건설기계의 선회 모터 등에 사용되는 높은 힘과 회전 속도를 가진 사판식 피스톤 모터의 사판각 설계 및 행정 스트로크 설계, 벨브 플레이트의 노치형상에 대한 연구를 하였으며, 유압해석 프로그램인 Simulation X를 활용하여 사판각과 행정 스트로크, 노치형상이 모터 성능 및 맥동에 끼치는 영향을 시뮬레이션하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 이번 장에서는 사판각에 따른 모터 성능 변화 및 특성에 대해서 시뮬레이션을 진행할 것이기 때문에 다른 파라미터 값들은 Table 2와 같으며, Case1~3의 3가지 경우에 대해서 해석을 실시하였다. 오로지 사판각에 따른 맥동 및 모터 성능을 알아보기 위해 노치형상이 없는 개구면적을 모든 해석 모델에 동일하게 실시하였으며 그 개구면적 궤도는 Fig. 6과 같다[6]. 이것은 유압 모터의 경우 압력에 의해 회전력이 발생되는 구조이기 때문에 일정한 rpm이나 압력 맥동을 보기 위해서는 적어도 3개의 piston으로 구성하여 해석해야 한다.
- 그리고 Dz는 PCD (pitch circle diameter)를 뜻한다. 우리는 이 중에서도 피스톤의 최대 스트로크 값이 맥동에 끼치는 영향을 이론적으로 증명하고[1], Simulation X를 이용하여 시뮬레이션결과를 에 의한 맥동저감 효과를 증명할 것이다. 먼저 Fig.
대상 데이터
- 그렇기때문에 본 논문에서는 대외적으로 알려진 대로 구조적으로 안정적이면서 가장 많이 사용하는 9개의 피스톤 모터를 구성하여 사판각에 따른 모터 성능 및 압력맥동에 관한 시뮬레이션을 진행하였다. 싱글 피스톤 모터를 9개의 피스톤으로 구성하여 Fig. 9와 같이 9개의 피스톤 모터를 구성하였다. 9개의 피스톤 모터에서는 Fig.
이론/모형
- Fixed angle frame 방법을 사용하여 Jang[4]의 논문에서와 같은 결과를 얻을 수 있으며 이 설계요소의 설계값은 모터와 펌프가 동일하기 때문에 그대로 사용하였다. 해당 해석 값을 적용한 단일피스톤 모터의 모델링은 Fig.
성능/효과
- 셋째, 벨브 플레이트의 개구면적이 변하는 노치형상은 U타입 노치가 최저맥동을 발생시키는 것을 알 수 있다. 결론적으로 본 논문은 사판식피스톤 모터의 고성능화 고내구성을 위하여 사판각과 행정 스트로크에 대한 시뮬레이션을 진행하였고, 최적의 사판각과 행정 스트로크, 밸브 플레이트의 노치형상을 찾아냄으로서 향후 설계를 함에 있어 시행착오를 줄일 수 있게 되었다.
- 첫째, 사판각은 기존 14도~18도 사이의 각도를 임의로 결정하여 사용하였지만, 모터 파라미터 값들에 따라 최적의 각도가 존재하며 논문에서 사용된 모터의 경우 14도에서 모터의 안정적인 토크맥동과 압력 맥동을 보여주었다. 둘째, 맥동에 영향을 미치는 설계요소들을 이론적으로 증명하고 특히 피스톤 행정 스트로크가 맥동에 끼치는 영향을 시뮬레이션을 통하여 증명하였다. 최대 행정 스트로크는 이론식에 계산하여 사용할 때 최적의 맥동이 나타남을 알 수 있다.
- 최대 행정 스트로크는 이론식에 계산하여 사용할 때 최적의 맥동이 나타남을 알 수 있다. 셋째, 벨브 플레이트의 개구면적이 변하는 노치형상은 U타입 노치가 최저맥동을 발생시키는 것을 알 수 있다. 결론적으로 본 논문은 사판식피스톤 모터의 고성능화 고내구성을 위하여 사판각과 행정 스트로크에 대한 시뮬레이션을 진행하였고, 최적의 사판각과 행정 스트로크, 밸브 플레이트의 노치형상을 찾아냄으로서 향후 설계를 함에 있어 시행착오를 줄일 수 있게 되었다.
- 노치형상이 추가된 밸브 플레이트를 사용하면 각 실린더가 외사점을 지나 고압 측 개구와 처음 만날 때 실린더와 개구 사이의 유통 면적이 점진적으로 증가하므로 실린더 내 압력 맥동이 감소하며, 각 실린더가 내사점을 지나 저압 측 개구와 처음 만날 때에도 유통 면적의 점진적 증가로 실린더 내 압력 강하율이 완화되어 압력 맥동이 감소한다. 앞서 Simulation X를 이용하여 나인피스톤모터를 구성하고 사판각에 따른 맥동 영향을 분석한 결과 사판각이 커질수록 압력맥동 및 토크의 크기가 커짐을 확인하였다.
- 그 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 사판각은 기존 14도~18도 사이의 각도를 임의로 결정하여 사용하였지만, 모터 파라미터 값들에 따라 최적의 각도가 존재하며 논문에서 사용된 모터의 경우 14도에서 모터의 안정적인 토크맥동과 압력 맥동을 보여주었다. 둘째, 맥동에 영향을 미치는 설계요소들을 이론적으로 증명하고 특히 피스톤 행정 스트로크가 맥동에 끼치는 영향을 시뮬레이션을 통하여 증명하였다.
후속연구
- 또한 유압모터는 건설장비라는 특수한 환경에서 높은 내구성을 유지함과 동시에 높은 효율을 지니고 있기 때문에 굴삭기의 선회 모터등에 사용되는 등 그 사용범위가 매우 넓다[1]. 본 논문은 여러 유압모터 중에서도 사판 경사각의 각도에 의해 쉽게 가변되고, 가변 용량부의 관성 모멘트가 작아 고속 제어가 가능한 사판식 피스톤 모터의 설계 변수에 따른 모터 성능과 맥동 변화 분석을 할 예정이다.
- 다음으로, 흡입 및 토출과정에서 급격한 개구 면적의 변화로 인해 생기는 맥동을 저감시키는 요소인 노치 타입에 따른 설계를 통해 V type과 U type에 대한 해석을 실시하여 맥동 저감 효과를 확인할 것이다. Fig.
- 따라서 본 논문에서는 기구학적 해석을 끝낸 사판식 피스톤 모터의 모델을 바탕으로 유압 해석프로그램 중 Simulation X를 이용하여 Single Piston Motor를 모델링하고 저 맥동, 고효율의 모터 성능을 낼 수 있는 사판각도를 시뮬레이션을 통해 찾을 것이다. 또한, 행정 스트로크에 대한 이론적 고찰과 함께 시뮬레이션을 통해 행정 스트로크 변화에 따른 맥동 영향을 분석하고 마지막으로 노치형상에 따른 맥동 저감 효과 여부를 확인할 것이다.
- 또한 유압모터는 건설장비라는 특수한 환경에서 높은 내구성을 유지함과 동시에 높은 효율을 지니고 있기 때문에 굴삭기의 선회 모터등에 사용되는 등 그 사용범위가 매우 넓다[1]. 본 논문은 여러 유압모터 중에서도 사판 경사각의 각도에 의해 쉽게 가변되고, 가변 용량부의 관성 모멘트가 작아 고속 제어가 가능한 사판식 피스톤 모터의 설계 변수에 따른 모터 성능과 맥동 변화 분석을 할 예정이다.
- 최근에는 유압 시스템의 경량화, 저소음, 저맥동화 등의 연구가 선진사 보쉬렉스로스, 가와사키 등에 의해 활발히 이루어지고 있으며 시스템의 저소음, 저맥동화 등의 최적화는 앞서 언급된 여러 요소들을 설계시 고려하여야 한다. 사판식 피스톤 모터의 저소음화, 저맥동화, 안전성 있는 모터를 설계하기 위해서는 먼저 사판 경사각에 대한 연구가 필요하다. 사판각에 의해 행정 스트로크, 맥동, 토크 등 여러 요소들이 변화하며 이러한 사판각을 적절하게 설계하는 것은 앞으로의 저맥동화, 저소음화, 고효율의 모터를 개발하기위한 기초가 된다.
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