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볼-박판 스프링 형 체크밸브가 적용된 압전유압펌프의 가압 특성
Pressurization Characteristics of Piezoelectric-Hydraulic Pump Adopting a Ball-Thin Plate Spring Type Check Valve 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.2, 2018년, pp.7 - 14  

황용하 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) ,  황재혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  배재성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 소형 압전유압펌프가 적용된 브레이크 시스템의 부하압 개선을 위해 체크밸브에 대한 연구를 수행하였다. 가압 과정에서 부하의 정상상태 압력은 챔버압과 부하압이 체크밸브에 작용하는 단면적 비에 영향을 받는다. 체크밸브 유로 덮개는 역류 방지를 위해 유로의 단면적보다 넓게 제작되었기 때문에 단면적 비 조절을 위해 박판 스프링 형 체크밸브에 부가질량을 부착하는 방식을 제안하였다. 부가질량 부착에 의한 부하압 개선 효과를 확인하기 위해 상용코드를 이용하여 소형 압전유압펌프가 적용된 단순 브레이크 시스템의 모델링을 수행하였다. 모델링의 검증을 위해 부가질량이 부착되지 않은 박판 스프링 형 체크밸브를 적용한 펌프의 가압 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 검증된 아메심 모델링에 부가질량을 추가하였고 시뮬레이션을 통해 단면적 비 조절에 의한 고 부하압 형성 효과를 확인하였다. 부가질량 추가에 따른 소형 압전유압펌프 구성품을 새롭게 설계/제작한 후 브레이크 시스템의 가압 성능 실험을 수행하여 부하압 35% 의 성능 개선을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a new check valve was studied to improve the load pressure of a brake system with a small piezoelectric-hydraulic pump. During the pressurization process, the steady-state pressure at the load is affected by the ratio of the cross-sectional area of the check valve the chamber pressure...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 체크밸브 연구를 통해, 정상상태 부하압 개선을 위해서는 체크밸브에 챔버압과 부하압이 작용하는 단면적 비의 조절이 중요한 인자임을 확인하였다. 따라서 단면적 비를 줄여 챔버에 형성된 압력이 부하에 효과적으로 전달되게 하기 위해 기존의 박판 스프링형 체크밸브에 볼 타입의 부가질량을 부착하는 방안을 제시하였다. 새로운 체크밸브를 제작하기 전 부가질량의 추가가 부하압 개선으로 이어지는지 확인하기 위해 상용코드 LMS AMESim을 이용한 단순 브레이크 시스템의 모델링을 수행하였다.
  • 고 부하압을 얻기 위해서는 가능한 한 아웃 체크밸브에서 부하압이 작용하는 면적을 줄여서 3배 이상의 부하압을 견딜 수 있는 설계가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 부하압이 작용하는 단면적을 조절하여 고 부하압을 얻기 위해 기존의 체크밸브에 볼 타입의 부가질량이 부착된 새로운 체크밸브를 제안하였다.
  • 본 논문에서는 선행연구에서 설계/제작된 압전유압펌프의 성능 개선을 위해 체크밸브에 대한 연구를 진행하였다. 체크밸브 연구를 통해, 정상상태 부하압 개선을 위해서는 체크밸브에 챔버압과 부하압이 작용하는 단면적 비의 조절이 중요한 인자임을 확인하였다.
  • 이 때, 이륙포기 제동시의 운동에너지를 고려하여 목표 브레이크 압력을 정하였다. 본 논문에서는 제작된 소형 압전유압펌프를 이용하여 정상상태 부하압력의 개선을 위해 체크밸브에 대한 연구를 수행하였다. 솔레노이드 밸브를 닫아 부하에 폐회로가 형성되면 체크밸브는 압전작동기에 의해 가압된 유압유를 부하로 전달하며, 부하압 유지를 위해 역류에 의한 누수를 방지하는 역할을 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압전작동기의 인가 전압은? Table 1에서 압전작동기는 0~1000V 사이의 전압을 인가할 수 있다. 입력전압과 압전작동기가 발생시키는 힘은 서로 비례하므로[9], 압전작동기에 1000V를 인가할 경우 최대 12500N의 블로킹 힘을 발생시킬 수 있으며, 자유단에서 최대 60μm의 변위를 발생시킬 수 있다.
중소형 무인항공기의 유압 브레이크 시스템에 가장 적합한 재료는? 이러한 스마트재료 작동기(smart material actuator)에 대한 연구는 기존의 작동기에 비해 소형화가 가능하여 초소형 압력센서, 가속도 센서와 같은 초소형 기계부품에 매우 유용하며 마이크로 펌프에도 적용되고 있다. 이 중 중소형 무인항공기의 유압 브레이크 시스템에 적용하기 위해서는 작은 변위로 큰 배압을 만들어낼 수 있는 압전세라믹이 가장 적절하다[4-7]. 이에 압전작동기가 적용된 소형 압전유압펌프를 설계/제작하였다[8].
압전작동기의 한계와 보완할 수 있는 대책은? 압전작동기는 피스톤이 1자유도의 상하운동을 통한 펌핑을 할 수 있도록 구성되어 있으며, 이상적인 비압축성 유체의 경우 압전작동기가 발생시키는 힘을 설계된 피스톤의 단면적으로 나누어 주면 챔버에서 생성되는 압력을 구할 수 있다. 하지만, 실제 유압유는 압축성 때문에 작동기에서 유체로 전달되는 힘이 전부 챔버압으로 변환되지 않으므로 유체의 압축성을 고려한 모델링이 수행되어야 한다. 작동유로 선정된 MIL-H-83282 의 경우 이물질이 들어가지 않은 상태에서 약 1%의 압축성을 가지며, 공기 중에 노출될 경우 최대 3%의 압축성을 가지게 된다.
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참고문헌 (15)

  1. Hsiao-Kan Ma, Bo-Ren Hou, Haiyuan Wu, Chin-Yuan Lin, Jing-Jhe Gao, Ming-Chien Kou, "Development and application of a diaphragm micro-pump with piezoelectric devices," Journal of Microsystem Technologies, Vol. 14, No. 7, 2008, pp. 1001-1007. 

  2. Junwu Kan, Zhigang Yang, Taijiang Peng, Guangming Cheng, Boda Wu, "Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery," Journal of Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 121, No. 1, 2005, pp. 156-161. 

  3. John P Larson, Marcelo J Dapino, "Reliable, high-frequency miniature valves for smart material electrohydraulic actuators," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 23, No. 7, 2012, pp. 805-813. 

  4. Youngbog Ham, Sungjin. Oh, Woosuk Seo, Jungho Park, Sonam Yun, "A Piezoelectric Micropump for Microscale Pumping Systems," Journal of Drive and Control, Vol. 36, No. 2, 2009, pp. 17-25. 

  5. Daniel J. Laser, Juan G. Santiago, "A Review of Micropumps," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 14, No. 6, 2004, pp. 35-64. 

  6. Brian D. Iverson, Suresh V. Garimella, "Recent Advances in Microscale Pumping Technologies: a Review and Evaluation," Journal of Microfluidics and Nanofluidics, Vol. 5, No. 2, 2008, pp. 145-174. 

  7. Anirban Chaudhuri, Norman Wereley, "Compact hybrid electrohydraulic actuators using smart materials A review," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 23, No. 6, 2012, pp. 597-634. 

  8. Yonghwi Joo, Jaihyuk Hwang, Jiyoun Yang, Jaesung Bae, Junyong Kwon, "On the performance test of the Piezoelectric-Hydraulic Pump," J. of The Korea Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 43, No.9, 2015, pp. 706-711. 

  9. Minji Jeong, Jaihyuk Hwang, Jaesung Bae, Junyong Kwon, "On the Pressurization Characteristics of Small Piezoelectric Hydraulic Pump for Brake System," J. of The Korea Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 43, No.11, 2015, pp. 963-970. 

  10. Jonghoon Lee, Jaihyuk Hwang, Jiyoun Yang, Yonghwi Joo, Jaesung Bae, Junyong Kwon, "Design of the Compound Smart Material Pump for Brake System of Small?Medium Size UAV," Journal of The Society for Aerospace System Engineering, Vol. 9, No. 3, 2015, pp. 1-7. 

  11. FAA-H-8083-1A, "Aircraft Weight and Balance Handbook," U.S.Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Flight Standards Service, 2007. 

  12. FAA-H-8083-30 "Aviation Maintenance Technical Handbook," U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Flight Standards Service, 2008. 

  13. Yonghwi Joo, Jaihyuk Hwang, Jaesung Bae, Jiyoun Yang, Junyong Kwon, "The Design on the spring Sheet type check valve of smart material hydraulic pump," The Society for Aerospace System Engineering, Fall Conference Paper #85, 2014. 

  14. Jaihyuk Hwang, Jonghoon Lee, Jaeup Hwang, Jaesung Bae, Junyong Kwon, "Conceptual Design of Compound Smart Material Pump with Sequential Operatioon of Fluid Displacement-Force," The Society for Aerospace System Engineering, Spring Conference, Paper #95, 2014. 

  15. Nguyen Anh Phuc, Jai-Hyuk Hwang, Yong-Ha Hwang, Jun-Yong Kwon, "FSI Analysis of Spring Sheet Check Valve Used in Smart Material Pump," Proceedings of Asia Symposium on Engineering and Information, pp. 24-25, 2017. 

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