[논문]차륜형 장갑차용 액시얼 피스톤 펌프 개발을 위한 피스톤 수에 대한 시뮬레이션에 관한 연구

최성웅; 이창돈; 양순용

doi:10.7839/ksfc.2019.16.1.014

Abstract ▼ AI-Helper

Axial piston pump is a significant part in wheeled armored vehicle, for generating hydraulic power of vehicle power system. The Axial Piston Pump is a high-performer, core functional item that is developed and applied to most of the military models in the development of military weapon systems. Howe...

Axial piston pump is a significant part in wheeled armored vehicle, for generating hydraulic power of vehicle power system. The Axial Piston Pump is a high-performer, core functional item that is developed and applied to most of the military models in the development of military weapon systems. However, in the case of military equipment, there are conditions of limited size and weight required depending on the operating conditions and the operating environment. Under these conditions, it is required that the performance and the environmental resistance are verified to exert the required output. A unique technology is needed for the development of such equipment both in the present and in the future. Therefore, in this study, mathematical modeling of an axial piston pump is presented as a basic data for securing proprietary technology. In addition, a simulation model is designed and compared with the models of six kinds of pistons through simulation. It was established that when the number of pistons of the axial piston pump, which is the development objective, is seven, the model is suitable for the wheeled armored vehicle.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Main Components of Axial Piston Pumps
그림 Fig. 2 Model of Axial Piston Pump
그림 Fig. 3 Kidney Port and Sausage Port
그림 Fig. 4 Structure of (a) Sausage Port and (b) Kidney Port
그림 Fig. 5 The opening area between the Kidney port and the Sausage port
그림 Fig. 6 AMESim model of axial piston pump
표 Table 1 Basic Design Value for Piston Number
표 Table 2 Opening Area of Kidney Port and Sausage Port
그림 Fig. 7 Suction Flow Rate by Piston Number
표 Table 3 Suction Flow Rate
표 Table 4 Supply Flow Rate
그림 Fig. 8 Supply Flow Rate by Piston Number
그림 Fig. 9 Flow Pulsation Rate of Axial Piston Pump
표 Table 5 Result of Flow Pulsation Rate

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기초 설계기술 확보와 구현을 위해 6가지 종류의 피스톤 수에 따른 액시얼 피스톤 펌프의 수학적 모델링을 수립하고 기초 설계 값을 도출 하였다. AMESim을 이용하여 액시얼 피스톤 펌프 모델을 설계하고 시뮬레이션을 실시하였다.
본 논문에서는 차륜형 장갑차의 차체 파워팩의 핵심기능품목인 액시얼 피스톤 펌프를 대상으로 기초 설계기술 확보와 구현을 목적으로 한다. 이에 대해 피스톤 수가 7개를 기준으로 수학적 모델링과 시뮬레이션 모델을 수립하여 AMESim을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션으로 피스톤 수별로 유량과 유량 맥동해석결과를 비교 분석한다.

가설 설정

1) 일반적으로 액시얼 피스톤 펌프의 경우 피스톤 수가 9개일 때 유량 맥동 값이 작다. 하지만, 피스톤 수가 7개일 때의 피스톤 펌프 모델을 대상으로 개발을 진행했기 때문에 본 논문에서는 차륜형 장갑차에 적용되는 액시얼 피스톤 펌프의 시뮬레이션을 통해 피스톤 수가 7개일 때 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

각 요소모델을 바탕으로 피스톤의 수가 5, 6, 7, 8, 9, 10개의 6가지 종류에 대해 모델을 구성하였으며 시뮬레이션 조건으로 펌프의 회전속도 1750 [rpm], 사판각 17 [°]로 고정하였다.
시뮬레이션을 통해 6가지 종류의 피스톤 수에 따른 흡입유량과 토출유량 결과를 도출하였다. 초기 0~0.
압력이 상승하게 되면 개구면적이 0이 되는 구간이 발생하는데 본 논문에서는 개구면적이 항상 오픈되어 있는 Open Area 형태로 시뮬레이션 하였다. 6가지의 모델의 개구면적 변화는 Fig.
액시얼 피스톤 펌프의 시뮬레이션 모델링을 하기 위해서는 정립한 수학 모델을 이용하여 6가지의 피스톤 수에 대해 유량, Kidney Port 각도 등의 필요한 기초 설계 값을 도출하였으며 Table 1과 같다.
액시얼 피스톤 펌프의 펌프 몸체, 피스톤과 실린더 배럴, 구동축에 대해 AMESim으로 모델링을 하였다. 각 요소모델을 바탕으로 피스톤의 수가 5, 6, 7, 8, 9, 10개의 6가지 종류에 대해 모델을 구성하였으며 시뮬레이션 조건으로 펌프의 회전속도 1750 [rpm], 사판각 17 [°]로 고정하였다.
본 논문에서는 차륜형 장갑차의 차체 파워팩의 핵심기능품목인 액시얼 피스톤 펌프를 대상으로 기초 설계기술 확보와 구현을 목적으로 한다. 이에 대해 피스톤 수가 7개를 기준으로 수학적 모델링과 시뮬레이션 모델을 수립하여 AMESim을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션으로 피스톤 수별로 유량과 유량 맥동해석결과를 비교 분석한다.
2) 시뮬레이션을 통해 피스톤 수에 따라 유량 값과 맥동율에 영향이 있음을 알 수 있다. 하지만, 본 논문에서는 시뮬레이션 조건을 특정 값으로 고정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

이론/모형

본 논문에서는 기초 설계기술 확보와 구현을 위해 6가지 종류의 피스톤 수에 따른 액시얼 피스톤 펌프의 수학적 모델링을 수립하고 기초 설계 값을 도출 하였다. AMESim을 이용하여 액시얼 피스톤 펌프 모델을 설계하고 시뮬레이션을 실시하였다.
액시얼 피스톤 펌프의 수학적 모델링을 수립하기 위해 운동방정식을 이용하였으며 Fig. 2와 같이 사판이 고정되어 있는 경우에 대하여 액시얼 피스톤 펌프의 피스톤 위치와 속도를 도출하면 다음과 같다.
이론과 시뮬레이션의 유량 맥동율 결과를 비교하기 위해 이론상의 유량 맥동율을 참고하였다. 이론상의 피스톤 수에 따른 유량 맥동율은 다음과 같은 식을 이용하여 값을 도출하였다.

성능/효과

2) 시뮬레이션을 통해 피스톤 수에 따라 유량 값과 맥동율에 영향이 있음을 알 수 있다. 하지만, 본 논문에서는 시뮬레이션 조건을 특정 값으로 고정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
9와 같다. 결과 값을 그래프로 나타내었을 때 이론의 경향과 시뮬레이션의 경향이 유사한 그래프 형상을 나타냄을 알 수 있었다.
8과 같다. 결과에서 알 수 있듯이 피스톤 수가 7개일 때 토출유량의 최대 유량 값과 최소 유량 값 차이가 가장 작게 나타남을 알 수 있다.
7과 같다. 결과에서 알 수 있듯이 피스톤 수가 7개일 때 흡입유량의 최대 유량 값과 최소 유량 값 차이가 가장 작게 나타남을 알 수 있다.
본 시뮬레이션 결과를 통해 액시얼 피스톤 펌프 6 가지 모델의 흡입유량과 토출유량 결과는 모두 일정 범위 내에서 그래프가 나타났다. 이에 대해 유량의 결과로만 봤을 때 피스톤 수가 7개일 때 가장 좋은 결과를 나타냄을 알 수 있었다.
본 시뮬레이션 결과를 통해 액시얼 피스톤 펌프 6 가지 모델의 흡입유량과 토출유량 결과는 모두 일정 범위 내에서 그래프가 나타났다. 이에 대해 유량의 결과로만 봤을 때 피스톤 수가 7개일 때 가장 좋은 결과를 나타냄을 알 수 있었다.
1) 일반적으로 액시얼 피스톤 펌프의 경우 피스톤 수가 9개일 때 유량 맥동 값이 작다. 하지만, 피스톤 수가 7개일 때의 피스톤 펌프 모델을 대상으로 개발을 진행했기 때문에 본 논문에서는 차륜형 장갑차에 적용되는 액시얼 피스톤 펌프의 시뮬레이션을 통해 피스톤 수가 7개일 때 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

따라서, 국산화 개발과 독자기술력을 확보하기 위해서는 유압시스템의 작동 특성을 파악하고 고효율, 고성능화를 위해서는 유압 펌프의 소음, 진동, 맥동 감소에 대한 연구가 필요하다. 이에 대해 밸브프레이트의 노치형상, 치수, 각도 등의 변화에 따른 설계와 밸브플레이트의 형상, 동적거동예측을 위한 새로운 모델 등의 성능에 대한 시뮬레이션 해석이 필요 하다.
마지막으로 개발된 피스톤 펌프의 성능시험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 설계된 시뮬레이션 모델이 검증된다면 국산화 개발과 독자기술력을 확보에 대한 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. ^10-12)
향후 다양한 조건에 따라서 피스톤 수가 유량 값과 맥동율에 어떤 영향을 미치는지에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액시얼 피스톤 펌프란 무엇인가?	차륜형 장갑차에 적용되는 액시얼 피스톤 펌프는 차체 동력장치의 오일냉각을 위해 소요되는 유압 동력을 발생시키는 핵심구성품으로 운용요구조건과 사용 환경에 따라 장비에서 요구되는 크기와 중량 조건에서 최적의 출력과 성능검증을 요구한다.
	액시얼 피스톤 펌프가 수급이 어려운 이유는?	핵심구성품 중 액시얼 피스톤 펌프의 경우 해외에서 수입하여 적용하고 있으나 차륜형 장갑차의 장비 특성상 해외에서 소량으로 수급하기 때문에 가격이 비싸고 안정적인 적기에 수급이 어렵다.
	차륜형 장갑차의 핵심기능품목의 경우 국산화 개발이 필요한 이유는?	핵심구성품 중 액시얼 피스톤 펌프의 경우 해외에서 수입하여 적용하고 있으나 차륜형 장갑차의 장비 특성상 해외에서 소량으로 수급하기 때문에 가격이 비싸고 안정적인 적기에 수급이 어렵다. 또한, 완성품을 해외에서 수입 시 운용 중 발생되는 기능저하와 같은 문제로 인해 적기에 대응이 어렵고 최적의 장비 운용이 어렵게 된다. 따라서, 차륜형 장갑차의 핵심기능품목의 경우 국산화 개발과 독자기술력을 확보할 필요가 있다.

참고문헌 (12)

S. R. Choi, S. S. Shin, I. Y. Lee, D. H. Jang and J. H. Kwon, "A Basic Study on Pressure & Flow Ripple Simulation of Axial Piston Pump", Proceedings of the KFPS 2010 Autumn Conference, pp.57-62, 2010.
I. Y. Lee, J. H. Park and M. G. Kang, "Flow Ripple Simulation Model of Axial Piston Pump," Journal of Drive and Control, Vol.2, No.3, pp. 54-59, 2005.
D. H. Jang, S. K. Lee, J. H. Kwon and S. H. Park, "A Study on Pressure, Flow Fluctuation and Noise in the Cylinder of Swash Plate Type Axial Piston Pump," Journal of Drive and Control, Vol.6, No.3, pp.38-46, 2009.
J. H. Shin, H. E. Kim and K. W. Kim, "A Study on Models for the Analysis of Pressure Pulsation in a Swash-Plate Type Axial Piston Pump," Journal of The Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol.27, No.6, pp.314-320, 2011.

원문보기 상세보기
M. Galal Rabie, Fluid Power Engineering, McGraw-Hill, New York, pp.103-105, 2009.
J. H. Bae, W. J. Chung, J. H. Jang, Y. H. Yoon, J. Y. Jeon, "Study of Pressure and Flux Pulsation to Design Optimum Valve-Plate Notch and Pulsation-Variables Analysis of Swash-Plate-Type Piston Pump", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.24, No.2, pp.244-250, 2015.

원문보기 상세보기
J. Ivantysyn and M. Ivantysynova, Hydrostatic Pumps and Motors, Tech Books International, New Delhi, pp.123, 2003.
Y. H. Yoon, J. S. Jang, Y. B. Lee, "An Analysis of Dynamic Characteristics for Variable Swash Plate Type Axial Piston Pump", Proceedings of the KSFC 2012 Spring Conference, pp.23-30, 2012.
S. W. Choi, Q. H. Le, S. J. Kim and S. Y. Yang, "Analysis of flow characteristics according to the tilting angle of the variable swash plate type piston pump for power transmission device," Proceedings of 2017 Autumn Conference on Drive and Control, pp. 40-41, 2017.
S. R. Choi et al., "A Study on Design of Notches in Valve Plate of Swash Plate Type Axial Piston Pumps Operated Bi-directionally", Journal of Drive and Control, Vol.13, No.3, pp.39-46, 2016.

원문보기 상세보기
S. S. Park et al., "Development of a Concrete Pump Truck's Core Pump Model and Its Validation", Journal of Drive and Control, Vol.15, No.2, pp.1-8, 2018.
D. S. Jung, Y. B. Lee and B. S. Kang, "Study for the Reliability Evaluation of a Volute Pump", Journal of Drive and Control, Vol.15, No.4, pp.23-29, 2018.

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