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유압 브레이커의 충격량 예측을 위한 모델링과 해석

Modeling and Simulation for Predicting the Impact of Hydraulic Breaker

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.2, 2019년, pp.741 - 749  

김성현 (한국기계연구원 신뢰성 평가 연구실) ,  정재호 (한국기계연구원 신뢰성 평가 연구실) ,  백동천 (한국기계연구원 신뢰성 평가 연구실) ,  박종원 (한국기계연구원 신뢰성 평가 연구실)

초록
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굴삭기에 부착되는 유압 브레이커는 건물의 파괴 및 분해, 도로 포장재의 파손, 채석장에서의 암석 파단 등에 사용되고 있는 부착작업기의 일종의 건설 장비이다. 따라서 유압브레이커의 성능은 주로 충격량 및 충격 효율에 의해 평가되며, 이는 제조사 및 사용자 모두에게 중요한 요소이다. 본 논문에서는 건설 현장에서 주로 사용되는 20톤급 유압브레이커를 대상으로 상용 프로그램인 SimulationX를 사용하여 유압밸브 및 피스톤의 수압 면적 또는 작동 조건에 따라 유압 브레이커의 충격량 예측을 위한 모델링 및 해석을 진행하였다. 또한, 모델링 및 해석의 신뢰성을 확인하기 위하여 기존 실험 연구의 결과를 통하여 비교 및 검증하였다. 본 연구 결과는 제작 이전의 설계 단계에서 유압 브레이커의 충격량을 예측하고 충격량 향상을 위한 파라미터 연구에 도움이 될 것으로 본다. 또한 제조사 측에서는 본 논문의 결과를 통하여 유압 브레이커의 충격량을 미리 예측함으로서, 시행 착오 방지를 통하여 개발 시간 및 비용을 절감할 수 있을 것으로 예측한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A hydraulic breaker attached to an excavator is a kind of constructuion equipment which is used for the disassembling of buildings, crashing road pavement, breaking rocks at quarry and etc. Therefore, the performance of the hydraulic breaker is mainly evaluated by the impact quantity and impact effi...

주제어

표/그림 (23)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 국내외 최초로 SimulaitonX 프로그램을 사용하여 유압 브레이커의 충격량을 예측하고 실험 데이터와의 비교를 통해 검증하였다. 모델링의 간소화를 위해 유압 브레이커의 충격량 예측을 위한 최소 요소로 모델링을 진행하였으며, 다음의 현상들을 모델링 및 해석을 통해 확인하였다.
  • 그러한 이유로 본 연구에서는 실험에 비해 시간과 비용이 적게 소모되며 간단한 방법으로 유압 브레이커의 충격량을 예측하는 방법으로 상용 프로그램인 SimulationX를 사용하여 설계 단계에서 유압 브레이커의 충격량, 피스톤의 속도, 피스톤의 변위 및 작동 주파수 등을 파악할 수 있는 방법을 제안하였다. 연구 결과는 기존의 실험을 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 검증하였다.
  • 087m로 정의하였다. 또한 밸브의 개도 조건을 정의하기 위해 Port1_in, Port1_out, Port2_out, Port3_in 및 Port3_out의 포트를 모델링하였다. 각각의 포트의 개도 조건은 다음과 같다.
  • 유압 브레이커의 충격력은 Piston부분의 ‘End_stop’에서의 변위와 충격력을 구할 수 있으며, 각각의 단위는 mm와 kN으로 정의하였다. 또한 부가적으로 유압 브레이커에서 충격이 가해질 때마다의 손실 에너지[J]와 피스톤의 속도[m/s]를 구하였다. Fig.
  • 국내외 최초로 SimulaitonX 프로그램을 사용하여 유압 브레이커의 충격량을 예측하고 실험 데이터와의 비교를 통해 검증하였다. 모델링의 간소화를 위해 유압 브레이커의 충격량 예측을 위한 최소 요소로 모델링을 진행하였으며, 다음의 현상들을 모델링 및 해석을 통해 확인하였다. 유압 브레이커의 Spec.
  • 유압 브레이커는 유압시스템의 일종으로 에너지원인 유압 펌프, 제어밸브, 액추에이터로 구성되어 있다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이, 유압브레이커의 유압의 제어를 위한 밸브 부분과 충격부분인 피스톤 부분으로 나누어 모델링을 진행하였다. 밸브와 피스톤 부분은 다음 장부터 소개되어 있으며, 서플라이(supply) 부분의 초기 조건은 290L/min에 210bar로 진행하였다.
  • 본 연구의 유압브레이커 밸브 모델링 (Fig. 3)에서는 밸브의 제어를 위해 3개의 수압면적을 정의하는 부분을 각각 Fig. 4와 같이 두었으며, 각각의 지름은 0.084m, 0.087m 및 0.087m로 정의하였다. 또한 밸브의 개도 조건을 정의하기 위해 Port1_in, Port1_out, Port2_out, Port3_in 및 Port3_out의 포트를 모델링하였다.
  • 유압브레이커의 피스톤 모델링은 Fig. 11과 같이 정의하였으며, 크게 수압 면적을 정의하는 부분인 PPA부분, 피스톤(piston) 부분, 충격량을 측정하는 치즐 부분(End_stop)과 피스톤의 개도 조건을 정의하는 부분(Pport)로 나누어 모델링을 진행하였다. 수압 면적을 정의하는 PPA부분은 밸브 모델에서의 PA3과 같은 링 타입을 사용하였다.

대상 데이터

  • 본 연구에 사용된 유압브레이커 실험 장비는 엔진출력 240 HP, 최고압력 350 bar, 최고유량 540 Lpm이며, 타격 베이스의 경우 2.5 m × 2.5m 이다.
  • 실험 장비는 한국기계연구원(KIMM) 신뢰성평가연구실 유압브레이커 실험동에서 진행되었다. Fig.

데이터처리

  • 모델링 및 해석 결과의 충격량 검증을 위해 실험 데이터와의 비교를 진행하였다. 실험 장비는 한국기계연구원 신뢰성평가연구실 유압브레이커 실험동에서의 실험 결과 [10]와 비교를 진행하였다.
  • 모델링 및 해석 결과의 충격량 검증을 위해 실험 데이터와의 비교를 진행하였다. 실험 장비는 한국기계연구원 신뢰성평가연구실 유압브레이커 실험동에서의 실험 결과 [10]와 비교를 진행하였다. 실험에서의 충격량은 아래의 Eq.
  • 그러한 이유로 본 연구에서는 실험에 비해 시간과 비용이 적게 소모되며 간단한 방법으로 유압 브레이커의 충격량을 예측하는 방법으로 상용 프로그램인 SimulationX를 사용하여 설계 단계에서 유압 브레이커의 충격량, 피스톤의 속도, 피스톤의 변위 및 작동 주파수 등을 파악할 수 있는 방법을 제안하였다. 연구 결과는 기존의 실험을 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 검증하였다.

이론/모형

  • 실험에서의 충격량은 아래의 Eq. 1을 사용하였으며 실험 방법은 RS B 0022 [11]에 따른 방법을 사용하였다.
  • 따라서 유압 브레이커의 충격량은 유압 브레이커의 성능을 평가하는 중요한 요소이다. 하지만, 유압 브레이커의 충격량은 큰 운동에너지에 의해 발생하게 됨으로 정확한 측정이 어려우며, 기존의 방법으로는 로드셀(Load cell), 스트레인 게이지(Strain gauge) 등을 사용하여 실험을 통하여 측정하거나 [5, 6], 실린더의 압력 및 체적 변화로부터 충격량을 환산하는 방법 [2]을 사용하였다. 이러한 기존의 방법들은 모두 실험을 통하여 측정을 해야 하는 이유로 상당한 시간과 비용이 필요했으며, 충격량의 정확도 역시 실험의 케이스에 따라 다르게 나타나는 특성을 보였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유압 브레이커의 충격량 측정이 어려운 이유는? 따라서 유압 브레이커의 충격량은 유압 브레이커의 성능을 평가하는 중요한 요소이다. 하지만, 유압 브레이커의 충격량은 큰 운동에너지에 의해 발생하게 됨으로 정확한 측정이 어려우며, 기존의 방법으로는 로드셀(Load cell), 스트레인 게이지(Strain gauge) 등을 사용하여 실험을 통하여 측정하거나 [5, 6], 실린더의 압력 및 체적 변화로부터 충격량을 환산하는 방법 [2]을 사용하였다. 이러한 기존의 방법들은 모두 실험을 통하여 측정을 해야 하는 이유로 상당한 시간과 비용이 필요했으며, 충격량의 정확도 역시 실험의 케이스에 따라 다르게 나타나는 특성을 보였다.
기존의 유압 브레이커의 충격량 측정의 특징은 무엇인가? 하지만, 유압 브레이커의 충격량은 큰 운동에너지에 의해 발생하게 됨으로 정확한 측정이 어려우며, 기존의 방법으로는 로드셀(Load cell), 스트레인 게이지(Strain gauge) 등을 사용하여 실험을 통하여 측정하거나 [5, 6], 실린더의 압력 및 체적 변화로부터 충격량을 환산하는 방법 [2]을 사용하였다. 이러한 기존의 방법들은 모두 실험을 통하여 측정을 해야 하는 이유로 상당한 시간과 비용이 필요했으며, 충격량의 정확도 역시 실험의 케이스에 따라 다르게 나타나는 특성을 보였다. 또한 실험이 아닌 예측 방법을 통해 충격량을 예측하는 기존 방법으로는 전달 경로 분석 (Transfer path analysis)을 이용하는 방법 [7], 운동 방정식을 이용하는 방법 [8] 등이 있었으나, 많은 가정이 들어가며 복잡한 수식으로 인해 산업계에서 사용하기 힘든 단점이 있다.
유압 브레이커란 무엇인가? 굴삭기에 부착되는 유압 브레이커는 건물의 파괴 및 분해, 도로 포장재의 파손, 채석장에서의 암석 파단 등에 사용되고 있는 부착작업기의 일종의 건설 장비이다. 따라서 유압브레이커의 성능은 주로 충격량 및 충격 효율에 의해 평가되며, 이는 제조사 및 사용자 모두에게 중요한 요소이다.
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