[논문]고출력 유압 드리프터 설계를 위한 해석모델 개발 및 민감도 분석

노대경; 이대희; 윤주섭; 이동원

doi:10.9709/jkss.2018.27.2.011

고출력 유압 드리프터 설계를 위한 해석모델 개발 및 민감도 분석
Development of Analysis Model and Sensitivity Analysis for High-Power Hydraulic Drifter Design 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.27 no.2, 2018년, pp.11 - 24

노대경 (한국과학기술정보연구원 대구경북지원) , 이대희 (가천대학교 기계공학과) , 윤주섭 (한국생산기술연구원 대경지역본부 건설기계기술센터) , 이동원

초록
AI-Helper

본 연구는 한국형 유압드릴에 적합한 고출력 드리프터 개발을 위해 해석모델 개발 및 설계변수 민감도 분석을 목표로 한다. 이러한 연구는 설계변수 민감도 분석을 통하여 각각의 설계인자들이 타격성능에 미치는 영향을 파악함으로써 타격성능 및 안정성 향상을 위한 최적화 작업에 기틀을 마련하는 연구이다. 본 연구를 진행하는 순서는 다음과 같다. 먼저 드리프터의 동역학 해석모델을 개발하고 해석결과와 실험결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성을 확보한다. 그 후 한국형 유압드릴에 적합하도록 드리프터를 재설계하며, 마지막으로 재설계된 드리프터의 설계변수 민감도 분석을 실시하여 타격성능에 미치는 영향을 파악하고 상위민감도를 가진 변수들을 추출한다. 드리프터의 해석모델은 다물리 해석 소프트웨어인 SimulationX를 사용하여 모델링 하였으며, 설계변수 민감도 분석은 EasyDesign을 사용하여 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of the present study is to develop an analysis model to analyze the design parameter sensitivity of a high-power drifter suitable for implementation in Korean hydraulic drills. This study aims to establish a basis for the optimization of the impact performance and stability of a high-power drifter by investigating the effects of each design parameter on the impact performance via design parameter sensitivity analysis. To begin, an analysis model of drifter dynamics is developed, and the reliability of the analysis model is verified by comparing the analysis results to the experimental results. The drifter is then redesigned for compatibility with Korean hydraulic drills. Finally, design parameter sensitivity analysis of the redesigned drifter is conducted to determine the effects of the design parameters on the impact performance, and to extract the high-sensitivity parameters. SimulationX, which is multi-physics analysis software, is used to develop the analysis model, and EasyDesign is employed for design parameter sensitivity analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 21kW급의 고출력 유압 드리프터 개발에 발판이 되는 연구이다. 고출력 유압 드리프터 개발을 위해 한국형 유압드릴에 맞도록 드리프터를 재설계하고, 이를 해석모델에 반영하여 타격성능에 영향을 미치는 변수를 파악하기 위해 설계변수 민감도 분석을 실시한 연구이다. 본 연구의 성과를 요약하면 다음과 같다.
드리프터의 타격성능을 좌우하는 설계인자는 매우 많지만 각각의 영향도가 다르기 때문에 작은 변화에도 성능이 획기적으로 증가할 수 있는 설계인자들을 선정하여 균형을 맞춰야한다. 따라서 본 연구는 한국형 유압드릴의 파워팩 조건에 맞는 21kW급의 고출력 드리프터 개발을 위해서 해석모델을 개발하고, 설계변수 민감도 분석을 통해 각각의 설계인자들이 타격성능에 미치는 영향을 파악하는 것을 목표로 한다. 이러한 연구는 최종적으로 다목적함수 최적화를 활용하여 타격성능을 향상시키기 위한 과정 중 하나라고 볼 수 있다.
먼저 드리프터의 동역학 해석모델을 개발하고, 타격성능에 대한 해석 결과와 실험결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성을 확보한다. 또한 현재 시스템에 적용중인 드리프터의 타격성능을 분석하여 문제점을 파악하고 발견된 문제점을 극복하기 위한 새로운 설계를 제안한다. 마지막으로 해석모델을 활용하여 재설계된 드리프터를 통해 설계변수 민감도 분석을 실시하고, 타격성능에 미치는 영향을 파악하여 상위민감도를 가진 변수들을 추출한다.
본 연구는 21kW급의 고출력 유압 드리프터 개발에 발판이 되는 연구이다. 고출력 유압 드리프터 개발을 위해 한국형 유압드릴에 맞도록 드리프터를 재설계하고, 이를 해석모델에 반영하여 타격성능에 영향을 미치는 변수를 파악하기 위해 설계변수 민감도 분석을 실시한 연구이다.
본 연구는 적은 비용과 시간의 투자로 고성능의 건설장비를 개발하기 위한 내용을 다룬다. 연구대상은 유압드릴이며 건설현장에서 사용빈도가 높은 장비 중 하나이다.
하지만 드리프터에서는 압력맥동 뿐만 아니라 타격출력에도 영향을 미치는지 알아 볼 필요가 있다. 이는 추후 진행할 타격성능 최적화 과정에서 어큐뮬레이터를 변수로 볼 것인가의 여부를 정하는 근거를 마련하기 위함이다.

제안 방법

1) 드리프터의 개구면적과 수압면적을 파악하여 이를 토대로 동역학 해석모델을 개발하였다.
2) 타격성능에 대해 해석모델의 해석결과와 실험결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성을 확보하였다.
3) 해석결과를 통해 벤치마킹 드리프터의 타격성능을 파악하였고 발견된 문제점을 해결하기 위해 재설계된 드리프터를 해석모델에 재반영하였다.
설계변수민감도 분석은 공차를 제외한 설계변경이 가능한 모든 치수를 대상으로 진행이 된다. 3수준의 분석을 수행하며 현재 설계치수를 변동이 가능한 범위 내에서 가감하여 타격에너지와 타격주파수, 공급압력, 서지압력에 대하여 얼마나 민감하게 반응하는지를 확인한다. 여기서 3수준이란, 현재 분석 대상 변수의 값과 이를 증가시켰을 때의 값, 감소시켰을 때의 값을 지정하여 변수의 변동 범위를 설정한다는 것을 의미하며, 3수준의 분석은 변수 변동 범위 안에서 나타나는 변수들의 조합으로 민감도 분석을 수행한다는 것을 의미한다(EasyDesignManual; Lee et al.
4) 추후 드리프터의 타격성능 최적화를 위하여 재설계된 드리프터의 설계변수 변동가능 범위를 지정하였고, 설계변수에 변화를 주었을 때 타격성능에 미치는 영향을 파악하여 상위민감도를 갖는 변수들을 추출하였다.
Table 2는 피스톤에서 포트별 개구면적 증가율을 나타낸 것이다. 기본적인 구조는 동일하기 때문에 타격피스톤의 용량을 확대하기 위해서 피스톤의 외경과 로드의 치수만을 신뢰성이 확보된 해석모델에 반영하여 성능분석을 수행하였다. 성능분석의 대상은 타격에너지(AR1), 타격주파수(AR2), 공급유량에 따른 공급라인의 형성압력(AR3), 타격체적서지압력 수준(AR4)이다.
밸브의 개구면적은 유로의 면적에 비해 크기때문에 밸브의 크기를 증가시키는 것은 소요유량을 늘리는데 큰 도움이 못된다. 따라서 소유유량을 늘리기 위해 드리프터의 제조사가 수년간 축적한 노하우가 담긴 비율로 타격피스톤의 크기를 확대하였다. Table 2는 피스톤에서 포트별 개구면적 증가율을 나타낸 것이다.
예를 들어 밸브의 운동성을 규제하는 수압면적이 기존 설계자의 의도와는 반대로 설정되는 수압면적 역전이 발생할 경우 밸브스풀은 정상적인 변환동작이 불가능해진다. 따라서 이러한 설계의도에 위배되는 현상이 일어날 가능성이 있는 변수를 안정적인 변수에 종속시켜서 원활한 설계변수민감도 분석이 가능한 환경을 구축하였다.
또한 현재 시스템에 적용중인 드리프터의 타격성능을 분석하여 문제점을 파악하고 발견된 문제점을 극복하기 위한 새로운 설계를 제안한다. 마지막으로 해석모델을 활용하여 재설계된 드리프터를 통해 설계변수 민감도 분석을 실시하고, 타격성능에 미치는 영향을 파악하여 상위민감도를 가진 변수들을 추출한다.
본 연구를 진행하는 방법은 다음과 같다. 먼저 드리프터의 동역학 해석모델을 개발하고, 타격성능에 대한 해석 결과와 실험결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성을 확보한다. 또한 현재 시스템에 적용중인 드리프터의 타격성능을 분석하여 문제점을 파악하고 발견된 문제점을 극복하기 위한 새로운 설계를 제안한다.
변수는 피스톤의 직경(Pd1~2), 피스톤 로드의 직경(Prd1~3), 그리고 랩조건(Plap1~7)이다. 밸브에서 설정한 것과 동일한 방식으로 설계변수민감도 분석의 환경을 구축하였다. Figure 13은 어큐뮬레이터의 설계변수 민감도 분석 대상을 나타낸 것이며, 총 4가지 변수를 분석 대상으로 삼았다.
설계변수의 변동범위는 앞서 언급하였듯이±1mm로 설정하였으며, 분석 대상의 치수가 1mm 이하인 경우에는 -1mm를 적용할 경우 설계변수 자체가 소멸되기 때문에 ±0.3mm를 기준으로 삼았다.
3mm를 기준으로 삼았다. 시제품 제작을 염두에 두어야 하기 때문에 기존의 설계형상을 최대한 유지하여 금형의 수정을 최소화 하는 방향으로 변동범위를 설정하였다.
용량이 재설계된 드리프터는 벤치마킹 제품과 동일한 해석 절차를 따라 성능 분석을 진행하였으며, 아직 컨셉만 잡혀있는 단계이기 때문에 누유유량에 의한 효과는 배제하고 해석을 진행하였다. 누유유량은 드리프터 내부의 표면 거칠기가 변화하거나 피스톤에 가공된 그루부 등이 변화할 때도 큰 폭의 변화가 생긴다.
이렇게 작은 변동에도 민감하게 변화하는 누유특성을 가지고 있기 때문에 드리프터 내부누유는 단순한 상사모델로는 예측하기가 어려우며, 섣부른 추측으로는 실제와 매우 큰 오차를 갖는 해석을 수행할 수가 있다. 이러한 이유로 누유가 배제된 순수 운동에 소요되는 유량에 의한 타격특성만을 살펴보았다.
최종적으로 위에서 언급한 유압 드리프터의 수압면적과 각 포트 간의 여닫힘 조건, 작동원리를 파악하여 해석모델을 개발하였으며, 이를 Figure 2에 나타내었다. 또한 유압 드리프터의 각 구성부품에 대한 수학적 모델링과 검사체적에서의 유량방정식 및 연속방정식은 Noh(2017)에 제시된 바 있다.
타격주파수 역시 해석모델의 신뢰성을 판별하는 중요한 요소이다. 타격주파수는 해석과 실험결과의 공급압력 파형을 FFT시켜 산출한 것이며, 공급압력이 안정화 된 이후에 각 유량 및 압력 조건별로 25회 5사이클의 평균값으로 타격주파수를 산출하였다. 이와 같은 결과를 Table 1 에 나타내었으며, 2가지 공급 조건에서 해석모델과 실험의 타격주파수가 적은 오차로 잘 일치하는 모습을 보여주므로 본 해석모델은 신뢰성을 갖게 된다.
하지만 본 연구에서는 설계치수의 작은 변화로 최대의 효과를 보는 것을 목적으로 하기 때문에 설계변수의 최대 변동범위를 ±1mm로 규제하였다.

대상 데이터

Figure 12는 타격피스톤의 설계변수 민감도 분석 대상을 나타낸 것이며, 총 12가지 변수를 분석 대상으로 삼았다. 변수는 피스톤의 직경(Pd1~2), 피스톤 로드의 직경(Prd1~3), 그리고 랩조건(Plap1~7)이다.
밸브에서 설정한 것과 동일한 방식으로 설계변수민감도 분석의 환경을 구축하였다. Figure 13은 어큐뮬레이터의 설계변수 민감도 분석 대상을 나타낸 것이며, 총 4가지 변수를 분석 대상으로 삼았다. 어큐뮬레이터에서 Ap1은 공급라인 어큐뮬레이터에 충진된 질소가스의 압력이고, Ap2는 리턴 라인 어큐뮬레이터에 충진된 질소가스의 압력이다.
기본적인 구조는 동일하기 때문에 타격피스톤의 용량을 확대하기 위해서 피스톤의 외경과 로드의 치수만을 신뢰성이 확보된 해석모델에 반영하여 성능분석을 수행하였다. 성능분석의 대상은 타격에너지(AR1), 타격주파수(AR2), 공급유량에 따른 공급라인의 형성압력(AR3), 타격체적서지압력 수준(AR4)이다.
본 연구는 적은 비용과 시간의 투자로 고성능의 건설장비를 개발하기 위한 내용을 다룬다. 연구대상은 유압드릴이며 건설현장에서 사용빈도가 높은 장비 중 하나이다. 유압드릴은 주로 터널공사나 대형 토목공사에서 발파작업을 위해 구멍을 뚫는 용도로 사용된다.

이론/모형

설계변수 민감도 분석은 한국 IDO社에서 개발한 전문화된 도구인 EasyDesign을 사용하였다.

성능/효과

Figure 4는 누유유량을 고려치 않은 공급유량조건(40~90 lpm ; 10 lpm 간격)에서 설정 압력별(170~290 bar ; 30 bar 간격)로 타격특성을 해석한 결과이다. 결과를 살펴보면 압력릴리프밸브의 개방 시기에 따라서 타격특성이 지배받는 것을 알 수 있다. 릴리프밸브가 개방되면 아무리 많은 유량을 공급해도 드리프터의 운동에 소요되지 못하고 탱크로 귀환하게 된다.
하지만 유압드릴 시스템의 최고 사용압력인 220bar에서 타격출력이 상승하지는 못했다. 결국 결과를 종합하여 보면 벤치마킹 제품과 같은 타격출력을 내기 위해 보다 많은 유압마력의 공급을 필요로 하므로 타격효율이 나빠졌다고 할 수 있다.
하지만 Figure 8을 보면 타격에너지에는 어큐뮬레이터에 영향을 받는 것을 볼 수 있다. 따라서 어큐뮬레이터가 압력맥동 뿐만 아니라 타격 출력에도 영향을 미치는 것을 알 수 있으므로 타격성능 최적화 과정에서 어큐뮬레이터를 변수로 포함시켜야 하는 근거가 되며, 본 연구에서 진행되는 설계변수 민감도 분석에도 어큐뮬레이터의 변수분석이 진행되어야 한다는 것을 의미한다.
드리프터는 타격피스톤의 확장으로 벤치마킹 제품에 비해 확실히 소화 가능한 유량은 늘었으나 타격출력이 그대로인 문제점을 보여줬다. 또한 타격체적에서 발생하는 서지압력도 상당히 높은 수준인 것을 확인하였다. 이렇듯 문제점이 발견된다는 것은 개선의 여지가 있다는 신호이다.
2%로 나타난 것을 알 수 있고, 이를 통해 해석모델의 신뢰성을 확보하였다는 것을 확인할 수 있다(Shin and Kwon, 2011). 본 연구에서 나타난 타격주파수 오차의 최고치는 8.33%로 선행연구사례보다 더 큰 오차가 발생한 것처럼 보일 수 있지만, 유압 브레이커와 유압 드리프터의 기본적인 타격주파수를 비교해보면 8.33%의 오차 값이 결코 크다고 볼 수 없다. 유압 드리프터의 경우 유압 브레이커보다 타격주파수가 기본적으로 6~7배 이상 크기 때문에 이는 매우 큰 타격주파수를 나타낸다고 할 수 있으며, 이로 인해 유압 브레이커보다 상대적으로 모델링을 통한 유압 드리프터의 동적거동 구현 및 타격주파수 산출이 어렵기 때문이다.
Figure 3은 공급압력과 공급유량을 제어하여 확보한 실제 실험결과와 누유유량이 고려된 해석모델의 해석결과를 비교한 것이다. 비교에 사용된 실험결과는 드리프터의 순수한 압력맥동 특성을 보기위하여 펌프의 공급 유량맥동이 최소화될 수 있는 특수한 실험 환경을 조성하여 얻어낸 결과이며, 이때 설정된 공급유량 조건은 각각 78lpm과 89lpm이다. 또한 실험을 수행할 때 사용된 유압펌프는 유량-압력 제어형 펌프이므로 위에서 설정된 공급유량에 따라 설정압력은 각각 201bar 및 215bar로 설정되었다.
최종적으로 밸브에서 4가지 결과에 대해 상위민감도를 갖는 변수들은 총 4개(Vd2, Vd3, Vlap1, Vlap2)가 채택되었으며, 타격피스톤에서 상위민감도를 갖는 변수들은 총 5개(Prd1, Prd3, Pd1, Pd2, Plap5)가 채택되었다. 마지막으로 어큐뮬레이터에서 상위 민감도를 갖는 변수들은 총 2개(Av1, Ap2)가 추출되었지만 어큐뮬레이터는 주문 제작이 아닌 기성품을 사용하기 때문에 질소가스의 충진압력은 쉽게 바꿀 수 있는데 반해 체적은 바꾸기가 곤란하다.
타격출력을 분석하면서 벤치마킹제품이 소화할 수 있는 유량이 적음을 알 수 있었다. 즉, 적은 유량을 공급하여도 공급라인의 압력이 고압이 되기 때문에 시스템의 한계압력을 규제하는 압력릴리프밸브가 개방되어 타격운동으로 유량을 소요하지 못하고 탱크로 귀환하게 된다는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드리프터의 역할은?	유압드릴의 천공작업은 드리프터라고 하는 코어부품이 작동함으로써 이루어지며, 드리프터는 반복타격과 회전으로 목표물을 파괴시키는 역할을 한다. 현재 국내.
	타격성능이 뛰어난 선진사의 드리프터를 국내 유압드릴에 적용해도 우수한 타격성능을 낼 수 없는 이유는 무엇인가?	고출력의 드리프터가 충분히 필요함에도 불구하고 연구 진행이 미진한 것은 그간 드리프터 개발에서 벤치마킹의 대상이 되었던 선진사의 제품이 한국형 유압드릴에 매칭(Matching)이 되지 않기 때문이다. 한국형 유압드릴에서 드리프터를 작동하기 위해 유압마력을 공급해주는 파워팩은 대유량(130lpm 이상), 저압(220bar 미만)의 특성을 가지고 있다. 외국 선진사에 비하여 작동압력 영역이 낮은데 비해 펌프의 용량은 커서 잉여유량이 많은 편이다(Noh, 2017; SOOSAN drifter catalog; Atlas Copcocatalog; Roxar catalog). 그렇기에 아무리 타격성능이 뛰어난 선진사의 드리프터를 국내 유압드릴에 적용해도 우수한 타격성능을 낼 수 없는 것이다(Oh et al.
	고출력의 드리프터가 충분히 필요함에도 불구하고 연구 진행이 미진한 이유는?	, 2015)도 이루어졌지만 실제 이러한 드리프터의 타격성능 최적화에 관한 연구 진행은 매우 미진한 상태이다. 고출력의 드리프터가 충분히 필요함에도 불구하고 연구 진행이 미진한 것은 그간 드리프터 개발에서 벤치마킹의 대상이 되었던 선진사의 제품이 한국형 유압드릴에 매칭(Matching)이 되지 않기 때문이다. 한국형 유압드릴에서 드리프터를 작동하기 위해 유압마력을 공급해주는 파워팩은 대유량(130lpm 이상), 저압(220bar 미만)의 특성을 가지고 있다.

참고문헌 (16)

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SOOSAN drifter catalog
Atals Copco drifter catalog
Roxar drifter catalog

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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