[논문]굴삭기 IMV용 비례 유량제어밸브 정특성 해석

정규홍

doi:10.7839/ksfc.2018.15.4.039

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Recently, as environmental regulations for earth-moving equipment have been tightening, advanced systems such as electronic control, have been introduced for energy savings. An IMV (Independent Metering Valve) consisting of four 2-way valves, is an electro-hydraulic control systems that provides mor...

Recently, as environmental regulations for earth-moving equipment have been tightening, advanced systems such as electronic control, have been introduced for energy savings. An IMV (Independent Metering Valve) consisting of four 2-way valves, is an electro-hydraulic control systems that provides more flexible controllability, and potential for energy savings in excavators, when compared to the conventional 4-way spool valve system. To fully maximize use of an IMV, the bi-directional flow control valve that can regulate a large amount of flow in both directions, should be adopted. The hydraulic circuit of an IMV applied to an excavator from an overseas construction equipment company, reveals the flow control valve with the compound of proportional solenoid valve for first stage, and 2-way spool valve for the second stage. Moreover, the two spools are interconnected by a feedback spring, presumed to compensate for flow force acting on the second stage spool. This paper addresses the static analysis of flow control valve in an IMV to investigate the improvement of robustness, against flow force by the feedback spring. From the steady-state analysis of flow control valve model, it can be concluded that the feedback spring facilitates maintaining linearity of spool displacement for control input, and relatively constant flow for load disturbance.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Unidirectional flow control valve
그림 Fig. 2 HSRE(high side regeneration extension)
그림 Fig. 3 2 stage proportional flow control valve
그림 Fig. 4 PSV(Proportional Solenoid Valve)
표 Table 1 Assumed PSV specificaitons
그림 Fig. 5 PSV control pressure characteristics
그림 Fig. 6 Proportional flow control valve
그림 Fig. 7 FCV χ_v characteristics with Q₄ = k_vf = 0
표 Table 2 Assumed flow control valve specifications
그림 Fig. 8 FCV χ_v characteristics with k_vf = 0
표 Table 3 FCV data with k_vf = 0 at F_m = 1N
그림 Fig. 9 FCV χ_v, F_q characteristics at d_lorf = 3mm
그림 Fig. 10 FCV characteristics at d_lorf = 3, 4, 5mm
그림 Fig. 11 Load flow characteristics at constant F_m
표 Table 4 FCV data with feedback spring at F_m = 1N

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 비례 유량제어밸브의 정특성 분석을 통하여 피드백 스프링이 유량제어밸브 변위에 미치는 유동력의 영향을 감소시키는 효과에 대해 고찰하였다.
본 연구에서는 피드백 스프링의 역할과 피드백 스프링이 유량제어에 미치는 성능을 분석하기 위하여 유압회로도로부터 도식적인 내부구조를 정립하고 설계 파라미터를 가정한 후 정특성모델을 통해서 자기력에 대하여 발생되는 유량제어밸브 변위와 부하유량에 대한 정상상태 특성을 분석하였다.

가설 설정

x_s0는 스프링 초기 압축력으로 제어압이 발생되지않는 불감대를 결정하는데 여기서는 영으로 가정하였다. x_s0 = 0의 가정을 고려하여 유도된 식을 정리하면 다음 두 식의 연립 해로부터 자기력 F_m이 주어졌을 때 비례 솔레노이드밸브의 스풀변위 x_s와 제어압 p_sc가 결정된다.
x_v0와 x_vf0는 밸브 스프링과 피드백 스프링의 초기 압축량으로 비례 솔레노이드밸브 제어압 p_sc에 대해 유량제어밸브 스풀변위 x_v가 발생되지 않는 불감 대를 결정하는데 여기서는 모두 영으로 가정하였다. x_v0 = x_vf0 = 0의 가정을 고려하여 유도된 식을 정리하면 다음 두 식의 연립 해로부터 제어압 p_sc가 주어 졌을 때 유량제어밸브의 스풀변위 x_v와 제어압 p_c가 결정된다.
Table 2는 해석을 위해 가정된 유량제어밸브 사양을 나타낸다. 가정된 d₃ =10mm의 스풀직경은 기존 MCV 스풀직경보다 작지만 노치를 고려하지 않아 밸브변위에 따른 유로단면적은 실제와 유사하다. 피드백 스프링과 유동력의 영향을 무시하였을 때 발생되는 최대변위는 p_sc = 0일 때 식 (9)로부터(x_v )_max = A_v p_SR/k_v이며 약 2mm이다.
통상적으로x_r < x_d이며 x_r은 비례 솔레노이드밸브의 불감대(deadband)를, x_d - x_r은 제어압의 히스테리시스(hysteresis)를 결정한다. 본 연구에서는 비례 솔레노이드밸브의 불감대와 히스테리시스특성은 고려하지 않아 x_r = x_d = 0으로 가정하였다. A_orf는 유량제어 밸브에 작용하는 p_sc챔버의 누유를 모사하는 오리피스로 오리피스 직경 d_orf가 클수록 비례 솔레노이드스풀변위 x_s가 증가하게 된다.

제안 방법

IMV에 적용되는 양 방향밸브의 설계에는 여러 가지 방식이 있으나 본 연구에서는 선진사에서 개발된 IMV 굴삭기에 적용된 비례 유량제어밸브를 대상으로 세부적인 내부 구조와 설계 파라미터를 가정한 후 정상상태 모델링을 통하여 정특성을 고찰하였다.
6의 비례 유량제어밸브는 비례 솔레노이드밸브 자기력 F_m이 주어지면 비례 솔레노이드밸브 스풀변위 x_s , 제어압 p_sc가 결정되고 이에 따라 유량제어밸브 스풀변위 x_v와 작동기 제어압 p_c가 유도된 4개의 비선형 대수방정식의 연립 해로 정해진다. 가정된 정특성 모델의 타당성을 검증하고 유동력을 보상하는 피드백 스프링의 기능을 확인하기 위하여 다음과 같은 조건에서 자기력 F_m과 부하유량 Q₄에 대해 유량제어밸브 스풀변위 x_v의 특성을 연구하였다.

성능/효과

11은 F_m이 5N과 10N으로 일정한 상태에서 부하유량 오리피스직경변화에 따른 부하유량 Q₄의 변화를 나타낸다. d_lorf = 0이면 Q₄=0이며 피드백 스프링이 있는 경우에는 d_lorf가 증가함에 따라 Q₄가 증가하지만 대략 d_lorf= 3mm에서 일정한 부하유량을 유지하는 반면에 피드백 스프링이 없는 경우에는 유량변화가 크게 발생함을 확인하였다. 이상과 같은 결과로부터 피드백 스프링을 갖는 비례 유량제어밸브는 압력 차를 보상하면서 자기력에 대해 선형적인 부하유량이 제어되는 밸브의 특성을 갖는다고 판단된다.
9는 스풀변위 x_v의 비선형성이 크게 발생된d_lorf = 3mm의 작동조건에서 피드백 스프링이 있는 비례 유량제어밸브의 정특성 결과이다. 분석된 바와 같이 피드백 스프링 압축력에 의해 x_v 최대변위 가 감소하였으나 자기력 F_m에 대해 발생되는 스풀변위 x_v의 선형성이 개루프 방식의 설계에 비하여 크게 향상되었음을 알 수 있다. 피드백 스프링으로 인하여 최대변위가 감소하였지만 F_m = 1N에서 부하유량은 66.
비례 솔레노이드밸브 제어압만으로 유량제어밸브스풀을 가변시키는 개루프 방식의 설계에서는 스풀에 가해지는 유동력에 대한 보상기능이 없으므로 비례 유량제어밸브 입력인 자기력이 일정하여도 유로 단면적을 결정하는 스풀변위는 유동력에 따라 크게 변화되었고 자기력 변화에 대한 비선형이 매우 크게 나타남을 확인하였다. 이에 비하여 피드백 스프링이 포함된 설계에서는 유동력 보상을 통하여 유량제어 밸브 스풀변위가 선형적으로 나타났으며 일정한 자기력에 대하여 일정한 부하유량이 조절되는 것으로 분석되었다.
d_lorf = 0이면 Q₄=0이며 피드백 스프링이 있는 경우에는 d_lorf가 증가함에 따라 Q₄가 증가하지만 대략 d_lorf= 3mm에서 일정한 부하유량을 유지하는 반면에 피드백 스프링이 없는 경우에는 유량변화가 크게 발생함을 확인하였다. 이상과 같은 결과로부터 피드백 스프링을 갖는 비례 유량제어밸브는 압력 차를 보상하면서 자기력에 대해 선형적인 부하유량이 제어되는 밸브의 특성을 갖는다고 판단된다.
분석대상 비례 유량제어밸브는 비례 솔레노이드밸브 제어압으로 유량제어밸브 스풀변위를 가변시키는 형태이며 비례 솔레노이드 스풀과 유량제어밸브 스풀 사이에 피드백 스프링이 삽입되어 있다. 정특성 분석을 통해서 피드백 스프링은 부하유량에 의한 유동력을 보상하여 비례 솔레노이드밸브에서 발생되는 자기력에 비례하는 부하유량을 일정하게 유지하는 기능이 있음을 확인하였다.⁸⁾
10은 부하유량 오리피스 직경변화에 따른 스풀변위 x_v와 부하유량 Q₄의 정특성을 나타낸다. 피드백 스프링이 없는 경우에는 자기력이 일정하여도유동력에 의하여 스풀변위가 크게 변화하고 이에 따라 부하유량이 변동되지만 피드백 스프링이 있는 경우에는 d_lorf= 3mm에서 제어압 p_c가 포화되는 영역을 제외하고는 스프링력 피드백으로 인하여 부하 유량 Q₄가 일정함을 확인하였다. Fig.

후속연구

이에 비하여 피드백 스프링이 포함된 설계에서는 유동력 보상을 통하여 유량제어 밸브 스풀변위가 선형적으로 나타났으며 일정한 자기력에 대하여 일정한 부하유량이 조절되는 것으로 분석되었다. 따라서 피드백 스프링은 비례 유량제어 밸브의 안정성 확보에 핵심적인 역할을 담당하는 것으로 추정되며 향후에는 유동력 보상을 위한 최적의 피드백 스프링 설계사양을 도출하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IMV(independent metering valve)는 무엇인가?	최근 건설기계는 배기가스에 대한 환경규제와 고효율 시스템에 대한 요구조건을 충족시키기 위해 다양한 설계방식의 상용화를 시도하고 있다. IMV(independent metering valve)는 굴삭기 유압 작동기에 연결되는 공급과 귀환포트의 유로단면적을 독립적으로 조절함으로써 압력강하에 의한 손실을 줄이고 재생(regeneration) 및 회생(recuperation) 작동모드를 적용함으로써 유압동력의 효율을 향상시키는MCV(main control valve)로 많은 연구가 수행되고 있으며 일부 상용화 제품도 출시되었다.1-3)
	IMV에 적용되는 2방향 비례 유량제어밸브에 필수적인 것은 무엇인가?	IMV에 적용되는 2방향 비례 유량제어밸브는 대용량 유량조절을 위하여 스풀에 작용하는 유동력을 보상할 수 있는 2단 밸브로 설계되며 양 방향으로 유량을 조절이 가능한 양 방향밸브가 필수적이다.5-6)Fig.
	기존 MCV에 비하여 IMV의 구동 특성과 장점은 무엇인가?	기존 MCV는 운전자가 조이스틱을 조작하여RCV(Remote Control Valve)에서 생성된 파일럿 압력으로 4방향 스풀밸브를 작동시키므로 작동기 공급유로와 귀환유로가 기계적으로 연동된다. 이에 비하여IMV는 2방향 비례 유량제어밸브 4개를 결합하여 하나의 작동기를 제어알고리즘으로 구동하므로 공급과 귀환유로가 소프트웨어적으로 연동되어 작동상태에 적절하게 성능과 효율을 향상시킬 수 있다. IMV를구현하기 위해서는 하나의 유압작동기에 유량조절이 가능한 비례 유량제어밸브 4개가 필요하므로 MCV제작비용이 증가하는 단점이 있으나 복합동작에서 작동기 응답속도를 조절하는 부가적인 기능밸브가 제어알고리즘으로 대체되고 운전자 조작과 작동기 구동을 소프트웨어적으로 연결하는 actuation-by-wire를 통해 다양한 기능구현이 가능하다는 장점으로 인하여 해외 선진사를 중심으로 굴삭기 상용화가 시도되고 있고 국내 건설기계 업체에서도 연구결과를 발표한 바 있다.

참고문헌 (8)

Caterpillar, Catalog for 336F XE Hydraulic Excavator, 2016.
H. G. Park, S. A. Nahian and K. K. Anh, "A Study On Energy Saving Of IMV Circuit Using Pressure Feedback", Journal of Drive and Control, Vol.13, No.4, pp.31-44, 2016.

원문보기 상세보기
J. Y. Huh, "Energy Saving in Boom Motion of Excavators using IMV", Journal of Drive and Control, Vol.14, No.3, pp.1-7, 2017.
J.-C. Lee et al., "Development of the Independent Metering Valve Control System and Analysis of its Performance for an Excavator", BATH/ASME 2016 Symposium on Fluid Power and Motion Control, Paper No. FPMC2016-1745, pp.V001T01A021, 2016.
A. Shenouda, Quasi-Static Hydraulic Control Systems and Energy Savings Potential Using Independent Metering Four-Valve Assembly Configuration, PhD Dissertation, Georgia Institute of Technology, Georgia, 2006.
A. Shenouda and Wayne Book, "Optimal Mode Switching for a Hydraulic Actuator Controlled With Four-Valve Independent Metering Configuration", International Journal of Fluid Power, Vol.9, No.1, pp.35-43, 2008.

상세보기
G. H. Jung, "Steady-state Analysis of Proportional Flow Control Valve with Large Capacity", 2009 KSFC Spring Conference Proceeding, pp.67-72, 2009.
G. H. Jung, "Static Analysis of Dedicated Proportional Flow Control Valve for IMV", 2018 Spring Conference on Drive and Control, pp.115-122. 2018.

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