[논문]다물체 동역학과 다중물리 연동 시뮬레이션 환경에서 정/역 가변용량형 사판식 피스톤 펌프의 모델링 기법

장진현; 정헌술

doi:10.7839/ksfc.2019.16.1.036

다물체 동역학과 다중물리 연동 시뮬레이션 환경에서 정/역 가변용량형 사판식 피스톤 펌프의 모델링 기법
Modeling Technique for a Positive and Negative Variable Displacement Swash Plate Hydraulic Piston Pump in a Multibody Dynamics and Multi-Physics Co-Simulation Environment 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.1, 2019년, pp.36 - 44

장진현 (Department of Mechanical Engineering, Kunsan National University) , 정헌술 (Department of Mechanical Engineering, Kunsan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Variable displacement swash plate piston pump analysis requires electric, hydraulics and dynamics which are similar to the one's incorporated in the complex fluid power and mechanical systems. The main variable capacity for the swash plate piston pumps, hydraulics or simple kinematic (swash plate degree, piston displacement) models are analyzed using AMESim, a multi-physics analysis program. AMESim is a multi-physics hydraulic analysis program that is considered good for the environment but not appropriate for environmental analysis for multibody dynamics. In this study, the analytical model of the swash plate type hydraulic piston pump variable capacity is modeled by combining the hydraulic part and the dynamic part through co-simulation of multibody dynamics program (Virtual.lab Motion) and multi-physics analysis (AMESim). This paper describes the whole modeling analysis method on the mechanical analysis of the multi-body dynamics program and how the hydraulic analysis in multi-physics analysis program works. This paper also presents a methodology for analyzing complex fluid power systems.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Physical model of the hydraulic variable displacement pump⁷⁾
그림 Fig. 2 Physical model of the positive / negative variable servo regulator⁷⁾
그림 Fig. 3 Modeling of servo piston and result
그림 Fig. 4 Modeling of single piston
그림 Fig. 5 Modeling of valve plate and opening condition of valve plate by piston angle
그림 Fig. 6 Modeling of piston pump and result
그림 Fig. 7 Modeling structure of HSU Pump
그림 Fig. 8 Modeling of shaft and bearing reaction force
표 Table 1 Possible constraints for the shaft
표 Table 2 Possible constraints for the piston
그림 Fig. 9 Possible constraints for the piston⁹⁾
그림 Fig. 10 3 Constraints of piston and lateral force acting on the piston
그림 Fig. 11 Co-simulation model and interface block
그림 Fig. 12 Variable graph exchanged between each programs
그림 Fig. 13 Co-simulation model result of displacement and force
표 Table 3 Parameters of the piston pump used in simulation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기, 유압, 기계를 포함하는 3차원 회전 및 왕복 운동체인 정/역 가변 사판식 피스톤 펌프에 대하여 다중물리해석 프로그램(AMESim)과 다물체 동역학 프로그램 (Virtual.lab motion)의 연동해석에 대한 방법론에 대해 서술하였다. 각 프로그램의 단점을 보완하기 위해 연동해석을 통하여 펌프 전체 모델에 대한 해석모델을 개발하였다.
본 연구에서는 기존의 유압 또는 동역학적 해석을 부분적으로 해석하는 것이 아닌 유압, 동역학 등의 해석이 동시에 진행되어 정/역 가변 사판식 유압 피스톤 펌프의 설계에 활용할 수 있는 해석 방법을 제시한다. 다중물리해석 프로그램을 이용하여 유체가 작용하는 서보레귤레이터, 피스톤, 밸브판에 대해 모델링하고 다중물리해석 프로그램에서 계산된 유체가 이송되면서 발생하는 액츄에이터의 부하에 따른 압력, 유량 등에 의해 발생하는 힘을 연동해석을 통해 다물체 동역학해석 프로그램으로 받아 사판의 각도, 피스톤의 변위 등을 포함하여 펌프가 회전하면서 발생하는 측력, 원심력, 마찰 등에 대해 계산한다.
연동 해석을 통해 유압해석은 물론 펌프전체 주요 구성 요소의 3차원 동역학적 해석까지 포함하는 해석 방법에 대해 설명한다. 이 논문은 Co-simulation 해석기법을 제시하기 위해 대상인 유압 피스톤 펌프를 선정하여 복잡한 유체 동력 시스템을 분석하기 위한 방법론을 제시한다.
Zeiger등은¹⁾ 피스톤이 사판에 미치는 토크를 선형적으로 모델링하여 수학적 모델을 제안하였다. 정헌술은²⁾ 가변용량형 사판식 피스톤 펌프의 비선형, 선형 모델에 대해 단순화 정도에 따라 어떠한 과도응답특성을 보여주는지에 대해 연구하였다. D.

제안 방법

lab Motion을 이용하여 유압피스톤펌프 모델링을 진행하였다. AMESim을 이용하여 유체가 작용하는 서보레귤레이터, 피스톤, 밸브판에 대해 모델링하고 유량, 압력 등에 의해 발생하는 힘을 연동해석을 통해 다물체 동역학 해석 프로그램으로 받아 회전하면서 발생하는 반력, 원심력, 마찰 등에 대한 펌프전체 주요 구성 요소의 3차원 동역학적 해석을 진행하였다.
Fig. 11과 같은 Interface Block에 의해 AMESim에서 EPPR 밸브의 제어압력에 의해 발생하는 서보레귤레이터의 작용 힘, 토출 압력에 의해 발생하는 피스톤의 작용 힘 등을 계산하여 Virtual.lab motion의 input으로 사용되고 Virtual.lab motion에서는 작용하는 힘에 의해 계산되는 서보레귤레이터의 변위, 피스톤의 회전각, 변위, 속도를 계산하여 AMESim의 input으로 사용되어 동시에 해석이 진행된다. 각 프로그램에서 상호 주고 받는 변수의 그래프는 Fig.
다중물리해석 프로그램인 AMESim과 다물체 동역학 해석프로그램인 Virtual. lab Motion을 이용하여 유압피스톤펌프 모델링을 진행하였다. AMESim을 이용하여 유체가 작용하는 서보레귤레이터, 피스톤, 밸브판에 대해 모델링하고 유량, 압력 등에 의해 발생하는 힘을 연동해석을 통해 다물체 동역학 해석 프로그램으로 받아 회전하면서 발생하는 반력, 원심력, 마찰 등에 대한 펌프전체 주요 구성 요소의 3차원 동역학적 해석을 진행하였다.
lab motion)의 연동해석에 대한 방법론에 대해 서술하였다. 각 프로그램의 단점을 보완하기 위해 연동해석을 통하여 펌프 전체 모델에 대한 해석모델을 개발하였다. 이 방법을 통해 얻게 되는 주요 이점은 다음과 같다.
힘을 이용한 구속조건을 적용할 시조인트에서 계산되지 않는 반력, 진동 등에 대한 보다 실제적인 해석이 가능하다. 다물체 동역학 모델링은 펌프 하우징에 축계를 설치하는 것을 시작으로 주요 구성요소를 하나씩 추가하며 모델링을 진행하였다.
본 연구에서는 기존의 유압 또는 동역학적 해석을 부분적으로 해석하는 것이 아닌 유압, 동역학 등의 해석이 동시에 진행되어 정/역 가변 사판식 유압 피스톤 펌프의 설계에 활용할 수 있는 해석 방법을 제시한다. 다중물리해석 프로그램을 이용하여 유체가 작용하는 서보레귤레이터, 피스톤, 밸브판에 대해 모델링하고 다중물리해석 프로그램에서 계산된 유체가 이송되면서 발생하는 액츄에이터의 부하에 따른 압력, 유량 등에 의해 발생하는 힘을 연동해석을 통해 다물체 동역학해석 프로그램으로 받아 사판의 각도, 피스톤의 변위 등을 포함하여 펌프가 회전하면서 발생하는 측력, 원심력, 마찰 등에 대해 계산한다. 연동 해석을 통해 유압해석은 물론 펌프전체 주요 구성 요소의 3차원 동역학적 해석까지 포함하는 해석 방법에 대해 설명한다.
본 연구에서는 다물체 동역학 해석 프로그램인 Virtual.lab Motion을 이용하여 피스톤펌프의 모델링을 진행하였다. Virtual.
본 연구에서는 다중물리해석 프로그램인 AMESim을 이용하여 피스톤펌프의 모델링을 진행하였다. AMESim에서는 피스톤펌프 내부의 유체가 이송되면서 액츄에이터의 부하에 따라 발생하는 압력, 유량, 맥동 등을 해석하기 위해 모델링한다.
AMESim에서는 피스톤펌프 내부의 유체가 이송되면서 액츄에이터의 부하에 따라 발생하는 압력, 유량, 맥동 등을 해석하기 위해 모델링한다. 유압 피스톤펌프의 모델구성은 크게 서보레귤레이터와 피스톤펌프에 대해 모델링을 진행하였다. 서보레귤레이터의 다중물리해석 모델 구성은 사판의 각도를 조절하는 서보레귤레이터, 서보레귤레이터의 각 챔버의 압력을 제어하여 행정방향을 결정하는 EPPR 밸브로 구성되어 있다.
윤영환 외 2인은⁴⁾ SimulationX를 이용하여 피스톤에 대한 1D화 동역학해석과 유압해석을 조합하여 모델링 하였다. 장진현은⁵⁾ 피스톤 펌프에 대하여 다물체 동역학 프로그램을 이용하여 3차원 동역학해석을 진행하였다.
펌프 전체의 다물체 동역학 모델링은 Revolute, Planner, Spherical, Cylinderical, Bracket, Translational 등의 조인트를 포함하여 총 43개의 조인트를 사용하였고 Bushing, TSDA, 3PTF를 포함하여 총 22개의 힘을 이용하여 모델링을 하였다. 다물체 동역학 프로그램에서는 펌프를 1차원에 대한 해석뿐만 아니라 3차원에 대한 해석이 가능하고 이는 회전체인 펌프에서 발생하는 측력, 원심력, 마찰, 간극 차이에 의해 발생 하는 진동, 반력에 대한 펌프의 모든 주요 구성 요소의 동역학적 해석을 할 수 있다.

대상 데이터

7과 같다. 대상 펌프의 주요 구성요소는 축계(축, 베어링, 실), 밸브판, 실린더 블록, 경사판, 서보레귤레이터, 하우징 등으로 구성되어 있다. 다물체 동역학 모델링은 각 연결부위에 실제조건과 같은 조인트를 통해 진행되지만 해석조건, 해석의도에 맞게 힘을 이용한 적절한 구속 조건을 적용하는 것이 중요하다.
주요구성요소는 실린더블록, 9개의 피스톤, 밸브판으로 구성된다. 축과 실린더블록은 스프링에 의해 밸브판에 밀착되기 때문에 병진운동이 가능한 Translational 조인트로 구속되고 밸브판과 면 접촉인 Planer 조인트에 의해 구속된다.
축계의 모델링은 하우징, 펌프 커버, 축계, 축실, 베어링으로 6개의 Body로 구성된다. 축을 모델링하는 구속 조건은 여러 방법으로 나타낼 수 있다.
서보레귤레이터의 다중물리해석 모델 구성은 사판의 각도를 조절하는 서보레귤레이터, 서보레귤레이터의 각 챔버의 압력을 제어하여 행정방향을 결정하는 EPPR 밸브로 구성되어 있다. 피스톤 펌프의 다중물리해석 모델 구성은 유량을 토출 또는 흡입하는 9개의 피스톤, 토출유량을 조절하는 사판, 밸브판 등으로 구성되어 있다.

이론/모형

8의 결과와 같이 두개의 지지 베어링에 작용하는 축 하중의 반력이 계산 가능하여 축 하중에 의한 결과를 확인할 수 있지만 계산 시간이 증가할 수 있다. 본 연구에서는 베어링에 작용하는 반력을 계산할 수 있도록 Bushing 힘을 이용하여 모델링하였다.

성능/효과

1. 축, 피스톤, 사판뿐만 아니라 펌프의 모든 주요 구성 요소의 다물체 동역학을 시뮬레이션 해석을 수행할 수 있다. 특히 실린더 블록과 피스톤 사이의 간극 차이에 의해 발생하는 회전, 반력 및 접촉 현상까지 시뮬레이션이 가능하고 경사판에서 발생하는 반력, 슈와 피스톤 사이의 3차원 거동해석 또한 가능하다.
2. 실제 펌프 CAD모델을 사용함으로써 소프트웨어에서 제공하는 단순한 피스톤펌프 형상을 이용한 시뮬레이션을 할 수 있을 뿐만 아니라 실제 3차원의 복잡한 펌프형상, 재질 및 질량 등을 고려한 동역학 해석을 할 수 있다.
3. 펌프 주요 구성 요소의 동역학 시뮬레이션을 함과 동시에 유체에 의해 발생하는 힘, 압력, 맥동, 유체력 등에 대한 해석을 동시에 진행함으로써 주요 구성요소 간에 상호 작용되는 힘과 반력에 대한 연동해석이 가능하다.
Fig. 13과 같이 각각의 프로그램에서 계산되는 결과 값이 동시에 전달되어 계산되는 것을 확인할 수있고 또한 AMESim만으로 계산했을 때와 결과와 비교하여 거의 일치하는 것으로 보아 모델의 타당성을 입증하였다. 연동해석을 통해서 각 프로그램의 한계를 보완함으로써 펌프 전체 모델의 유체해석, 동역학 해석이 동시에 가능할 수 있도록 하였다.
3의 그래프와 같다. 그래프를 확인해 보면 입력전류에 따라 각 챔버에 제어되는 압력에 의해 서보레귤레이터의 변위가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
13과 같이 각각의 프로그램에서 계산되는 결과 값이 동시에 전달되어 계산되는 것을 확인할 수있고 또한 AMESim만으로 계산했을 때와 결과와 비교하여 거의 일치하는 것으로 보아 모델의 타당성을 입증하였다. 연동해석을 통해서 각 프로그램의 한계를 보완함으로써 펌프 전체 모델의 유체해석, 동역학 해석이 동시에 가능할 수 있도록 하였다. 단점은 시뮬레이션 계산시간이 증가한다는 점이 있다.

후속연구

이상 개발된 방법을 응용하여 피스톤 펌프설계에 있어 단일 부품 단위에서가 아닌 시스템 단위에서의 해석이 가능하다. 아울러 유압, 다물체 동역학 해석을 동시에 진행함으로써 보다 실제적인 펌프의 특성 해석, 성능개선, 구조물의 안정성 향상, 진동 특성 개선, 레귤레이터 설계, 제어알고리즘 개발, 제품 결함의 원인 분석 등에도 확장하여 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	누설유량계수 Clp는 어떻게 구할 수 있는가?	누설유량계수 Clp는 누설유량과 토출압력 Pd의 정비례 관계를 통해 구할 수 있다. 사판에 작용하는 힘은 토출압력에 의한 힘, 서보레귤레이터의 반력 스 프링의 힘, 축이 회전할 때 피스톤과 홀딩판의 관성 력 그리고 서보실린더의 제어입력과 관성력이 사판 에 토크로 작용한다.
	본문에서 언급된 HSU는 무엇인가?	1은 연구 대상인 HSU(Hydro Static Unit) 에 사용되는 정/역 가변 사판식 유압피스톤 펌프를 나타낸다. 정유압식 변속기인 HSU는 부분 부하의 사용이 빈번하거나 큰 속도비 범위를 사용으로 하는 경우에 주로 채택되어 적용되는 장치로써 유압펌프, 유압모터, 릴리프밸브 등으로 구성된다. 유압피스톤 펌프는 회전속도 w를 갖는 실린더블록과 경사각(tilting angle)을 형성하는 사판(swash plate)에 의하여 피스톤들을 왕복운동하게 함으로써 밸브판(valve plate)을 통하여 유량을 흡입하고 토출한다.
	EPPR 밸브는 입력전류에 따라 사판의 경사각을 제어하는 서보실린더의 압력을 제어하는 방법을 설명하시오	EPPR 밸브는 입력전류에 따라 사판의 경사각을 제어하는 서보실린더의 압력을 제어한다. EPPR 밸브에 의하여 제어부의 압력이 상승되면 서보실린더는 사판의 경사각을 증가시키게 되고 반대쪽 제어부의 압력이 상승되면 역방향으로 사판의 경사각을 증가시키게 된다. EPPR 밸브에 인가되는 입력전류가 없을 때에는 반력스프링에 의하여 사판의 경사각을 0도로 복귀시킨다.

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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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