[논문]유압 드리프터의 동적성능 최적화 사례

노대경; 이대희; 장주섭; 윤주섭; 이동원

doi:10.9709/jkss.2019.28.2.035

유압 드리프터의 동적성능 최적화 사례
Case of Dynamic Performance Optimization for Hydraulic Drifter 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.2, 2019년, pp.35 - 48

노대경 (한국과학기술정보연구원 대구경북지원) , 이대희 (현대자동차 R&H성능개발2팀) , 장주섭 (가천대학교 기계공학과) , 윤주섭 (한국생산기술연구원 대경지역본부 메카트로닉스융합기술그룹) , 이동원

초록
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그간 국내 유압 드리프터는 해외 선진사의 제품을 벤치마킹하여 개발되었지만, 이는 한국형 유압드릴 파워팩 특성(대유량, 저압)에 적합하지 않아 우수한 타격성능을 나타내지 못하였으며, 이로 인해 최적설계에 대한 연구 진행도 미진한 상태였다. 이에 본 연구에서는 대유량을 소화할 수 있도록 용량이 재설계된 유압 드리프터에 대해 다목적함수 최적화를 수행하고, 이를 통해 타격출력 향상과 공급압력 및 서지압력을 감소시키는 것을 목표로 한다. 이러한 연구의 진행방법을 요약하면 다음과 같다. 먼저 타격출력과 공급압력 및 서지압력 개선에 대한 목표를 설정하고 이에 대한 다목적함수 최적화를 수행한다. 이후 최적화된 설계치로 제작된 시제품의 시험결과와 해석모델의 해석결과 비교를 통해 최적화된 해석모델의 신뢰성을 확보한다. 본 연구에서는 유압시스템 해석 소프트웨어인 SimulationX와 다목적함수 최적화 프로그램인 EasyDesign이 사용되었으며, 위와 같은 연구를 통하여 한국형 유압드릴에 적합한 고출력 드리프터 개발 목적에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Domestic hydraulic drifters till now have been developed by benchmarking products from overseas leading companies. However, they do not have excellent impact performance as they are not suitable for characteristics (large flow rate and low pressure) of Korean hydraulic drill power pack, and therefore, research on the optimum design has not made much headway. This study performs multi-objective function optimization for hydraulic drifters whose capacity has been redesigned to deal with the large flow rate, and also with the help of this function, it aims to improve impact power and reduce supply and surge pressure. A summary of the research study is as follows: First, we set goals for improving impact power, supply pressure, and surge pressure, and then perform multi-objective function optimization on them. After that, we secure the reliability of the optimized analytical model by comparing the test results of the prototype built by the optimized design with the analysis results of the analytical model. This study used SimulationX, that is the hydraulic system analysis software, and EasyDesign, which is a multi-objective function optimization program. Through this research, we have achieved the results that satisfy the goal of developing high power drifters suitable for Korean type hydraulic drills.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Drawing of drifter
그림 Fig. 2. Analysis model of drifter
표 Table 1. Multi-objective function optimization goal setting
표 Table 2. Creation process of the initial meta model
그림 Fig. 3. Convergency history in optimization process
표 Table 3. Process of sequential approximate optimization
그림 Fig. 4. Comparison of Impact energy and impact frequency in 4 variable combinations
그림 Fig. 5. Comparison of impact energy before and after optimization
그림 Fig. 6. Comparison of impact frequency before and after optimization
그림 Fig. 7. Comparison of overall impact performance before and after optimization
그림 Fig. 8. Comparison of surge pressure before and after optimization
그림 Fig. 9. Comparison of supply line formation pressure characteristics
그림 Fig. 10. Comparison of input-output power characteristic
그림 Fig. 11. Comparison of impact efficiency
그림 Fig. 12. Test bench experiment
그림 Fig. 13. Hydraulic drill experiment
그림 Fig. 14. Comparison of drifter’s characteristic between simulation and experimental results
그림 Fig. 15. Overall impact performance of drifter considering leakage
표 Table 4. Comparison of relative error between simulation and experimental results
표 Table 5. Comparison of potential limit performance before and after optimization

AI 본문요약
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문제 정의

만약 구성부품 조합에 따라 드리프터의 성능편차가 많이 나타난다면 평준화된 타격성능을 규정하기 어려우며, 추후에 양산하여 판매할 때 카탈로그의 타격성능을 표기할 수 없는 상황이 올 수 있다. 따라서 시제품 제작과 테스트 벤치 및 실차에서의 실험 목적은 최적화 설계치수의 신뢰성을 검증하고, 드리프터의 성능이 다양한 작동조건에서 안정화되는지를 확인하는데 있다.
따라서 드리프터의 구동은 이러한 파워팩의 한계성능 범위 안에서 이루어지고, 타격성능을 향상시키기 위한 최적화를 진행할 때도 파워팩 한계성능 내에서 이루어져야 함을 염두에 두어야 한다. 또한 본 연구에서는 한국형 유압드릴에 적합하게 개선설계를 수행해야하기 때문에 타격출력(타격에너지, 타격주파수)을 개선시킬 뿐만 아니라 공급라인에 형성되는 압력의 감소와 서지압력 감소를 다목적함수로 설정하여 최적화를 수행하였다. 최적화 대상은 벤치마킹 제품이 아닌 대유량 파워팩 특성에 맞게 기존 벤치마킹 제품의 타격피스톤 크기를 확장하여 재설계 한 드리프터이다(Noh, 2017).
본 연구는 다목적함수 최적화를 통해 고출력 유압 드리프터를 개발하고자 하는 내용을 다룬다. 유압 드리프터는 유압드릴의 코어부품이며, 유압드릴이란 대형 토목공사 또는 터널공사에서 발파작업을 수행하기 위한 건설장비이다.
본 연구는 유압 드리프터 타격성능변화에 상위 민감도를 갖는 10가지의 변수들을 사용하여 타격성능 최적화를 수행하고, 이를 통해 한국형 유압드릴에 적합한 고출력 유압 드리프터를 개발하고자 하는 연구이다. 이러한 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
제조업체에서 시제품 제작횟수를 줄인다는 것은 그만큼의 개발비용 절감과 개발에 소요되는 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 시제품의 제작횟수를 1회로 줄이는 것을 목표로 타격성능에 지배적인 영향을 미치는 설계변수들을 이용하여 타격성능 최적화를 수행하였다. 타격성능 최적화는 시뮬레이션을 통해 수행된 것이므로 최적화된 설계치수가 유효성을 갖는지에 대하여 검증절차를 거쳐야 한다.
본 연구의 궁극적인 목적은 드리프터에 유압 해석기술과 최적화 기술을 융합․적용하여 한국형 유압드릴 파워팩의 대유량(130lpm 이상) - 저압(220bar 미만) 특성에 적합한 고성능 드리프터(21kW급)를 개발하는데 있다. 이와 같이 드리프터의 출력을 향상시키기 위한 최적화과정을 수행하기 위해서는 드리프터가 장착되는 유압드릴의 파워팩 특성까지 고려를 해야한다는 것을 위에 언급한 내용을 통해 알 수 있다.
이는 타격에너지와 타격주파수를 동시에 증가시킨 선행연구사례가 존재하지 않기 때문이다. 타격체적에서 발생하는 서지압력 수준은 타격체적 뒤에 장착된 seal의 권장허용압력인 300bar 안에 들어가는 것을 목표로 삼았다.

가설 설정

하지만 가중치 최소-최대 방법에는 단점이 존재한다. 만약 다목적함수를 구성하는 각 목적함수가 F₁과 F₂2개가 존재한다고 가정해보자. 함수 F₁과 F₂가 동일하게 정규화 되어있을 때 식 (3)과 같은 상황이 오면 수학적으로 도함수를 구할 수 없다.

제안 방법

시스템 한계조건은 앞서 220bar로 언급하였지만 비례압력제어밸브의 입력전류를 달리하면 데드헤드 압력을 240bar까지 설정할 수 있고, 이때 공급라인의 형성압력은 230bar 수준이 될 것으로 예상된다. 220bar로 한계조건을 제한했던 이유는 파워팩에 연결되어있는 다른 유압장비의 안정성이 확보되지 않았기 때문이며, 추후 안정성 검증이 끝나면 공급라인의 형성압력이 230bar 일것으로 예측되기 때문에 설정압력 230bar 조건에서 재해석을 수행하였다.
하지만 Table 3을 확인해보면 이 4가지 조합에서 공급라인 형성압력이 최적화의 목표점에 도달하지 못했다는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 시스템의 한계조건에서의 정확한 타격출력을 알 수 없었다. 따라서 시스템 한계조건 안에서 가장 큰 타격출력을 갖는 변수조합을 선택하기 위하여 4가지 변수조합에 한해서만 한계조건 안에서 재해석을 수행하였다. 시스템 한계조건은 앞서 220bar로 언급하였지만 비례압력제어밸브의 입력전류를 달리하면 데드헤드 압력을 240bar까지 설정할 수 있고, 이때 공급라인의 형성압력은 230bar 수준이 될 것으로 예상된다.
이와 같은 이유는 타격 직후 발생하는 반발력이 타격피스톤의 상승방향으로 작용하고, 이는 다음타격을 준비하는 동작시간이 줄어들어 타격주파수가 증가하기 때문이다. 따라서 최적화 전후 타격성능 비교에서는 고반발에 의한 타격성능 증대효과를 없애고 순수 유압에 의한 타격성능만을 비교하기 위하여 반발계수를 0으로 설정하고 비교분석을 수행하였다.
1mm의 단위까지 가공이 가능하다. 따라서 최적화로 도출해낸 설계치수를 이에 맞게 반올림하여 치수를 재정립하였다. 또한 타격동작 직후 유압 드리프터에는 반발력이 작용하게 되는데 이때의 반발이 고반발일수록 타격성능이 증대된다.
실험은 실제 천공작업과 같은 환경을 구축하기 위하여 타격압력을 가변하며 실험하였으며, 가변 단계는 총 4단계 (110bar, 130bar, 150bar, Pmax)로 설정하였다. 또한 실제 타격대상인 암반은 강도의 불균일성으로 인해 타격성능이 안정화되지 않으므로, 강도가 균일하고 변형이 되지 않는 철판타격실험을 수행하였다. 철판을 암반으로 생각한다면 1회의 타격으로는 파괴되지 않는 초강암의 타격조건과 유사한 환경이라고 할 수 있다.
이에 최적화 전후 성능비교는 다양한 공급유량조건에 대하여 수행하였으며, 40~90lpm의 공급유량 영역을 지정하여 5lpm 간격으로 해석을 수행하였다. 또한 유량변화에 따른 드리프터의 순수한 압력특성을 보기 위하여 릴리프밸브 설정압력을 간섭(형성압력이 크래킹압력에 도달)이 일어나지 않는 영역(초고압)으로 설정하였다. 타격성능 비교의 대상은 다목적함수로 구성하였던 4가지 요소(타격에너지, 타격주파수, 공급라인에 형성되는 압력, 타격체적에서 발생하는 서지압력)이다.
우선 실차 실험을 수행하기 전에는 유압드릴에서 구현이 가능한 한계공급조건을 규정하기 위하여 타격압력제어 릴리프밸브를 한계조건(220bar)으로 설정하고 펌프의 압력-유량특성 실험을 수행하였다. 릴리프밸브에 공급되는 전류량을 높이면 220bar보다 높은 압력의 설정이 가능하나 앞서 2.1.2절에서 언급하였듯이 드리프터 이외에 다른 장비들의 내구성을 보장할 수 없으므로 해당 영역 내에서만 타격실험을 수행하였다. 타격압력은 총 6단계(110bar, 130bar, 150bar, 170bar, 190bar, Pmax)로 가변시켰다.
연구 방법은 다음과 같이 요약이 가능하다. 신뢰성이 확보된 해석모델(재설계된 드리프터)과 설계변수민감도분석에서 추출한 타격성능에 대해 상위민감도를 갖는 변수를 활용하여 타격성능 최적화를 수행한다. 이후 최적화검증을 위해 시제품을 제작하여 타격실험을 수행하고, 이를 바탕으로 최적화된 드리프터의 한계성능을 최적화 전과 비교한다.
2ms이다. 실험은 실제 천공작업과 같은 환경을 구축하기 위하여 타격압력을 가변하며 실험하였으며, 가변 단계는 총 4단계 (110bar, 130bar, 150bar, Pmax)로 설정하였다. 또한 실제 타격대상인 암반은 강도의 불균일성으로 인해 타격성능이 안정화되지 않으므로, 강도가 균일하고 변형이 되지 않는 철판타격실험을 수행하였다.
따라서 테스트벤치 시험과 더불어 Figure 13과 같이 실차 실험을 수행하였다. 우선 실차 실험을 수행하기 전에는 유압드릴에서 구현이 가능한 한계공급조건을 규정하기 위하여 타격압력제어 릴리프밸브를 한계조건(220bar)으로 설정하고 펌프의 압력-유량특성 실험을 수행하였다. 릴리프밸브에 공급되는 전류량을 높이면 220bar보다 높은 압력의 설정이 가능하나 앞서 2.
유압 드리프터는 유압드릴의 코어부품이며, 유압드릴이란 대형 토목공사 또는 터널공사에서 발파작업을 수행하기 위한 건설장비이다. 유압 드리프터는 반복타격과 회전으로 목표물을 파괴시키는 역할을 하지만 여기서 회전은 단순히 타격피스톤의 하우징 외부에 장착된 기성품 유압모터로 인해 발생하는 것이기 때문에 반복타격장치로 범위를 제한하여 연구를 수행하였다.
유압 드리프터의 타격성능 개선을 위해 설정한 다목적함수는 타격주파수와 타격에너지 증가, 공급라인 형성압력과 타격체적 서지압력 감소로 총 4가지이다. 최적화에 사용된 변수는 설계변수민감도 분석을 통해 추출된 4가지 목적함수에 상위 민감도를 갖는 변수이며, 총 변수의 개수는 10개이다.
만약 다른 장비의 고압내구성이 검증된다면 데드헤드 압력이 240bar인 펌프로 특성을 변경시킬 수 있다. 이러한 펌프 특성을 적용하였을 때 유압드릴 실차에서 구현이 가능한 잠재적인 한계성능을 파악하기 위하여 최적화 전․후 해석모델에 변경된 펌프 특성을 적용하여 해석을 수행하였으며, 이 결과를 Table 5에 나타내었다. Table 5에는 공급라인 형성압력이 존재하지 않는데 이는 펌프의 한계곡선에 의해 지배받으므로 해당 해석에서는 의미가 없어 언급하지 않았다.
5mm의 등가오리피스를 적용하면 시제품과 비교하였을 때 형성압력과 타격주파수의 오차가 최소가 된다. 이렇듯 총 누유량을 볼 수 있는 등가오리피스를 적용한 해석모델을 통해 최적화모델의 신뢰성을 검토하였다.
또한 Table 3을 통해 서지압력 수준도 41번째 최적화과정에서 얻은 결과가 가장 우수한 것을 알 수 있다. 이를 통해 안정성과 성능 모두 미세한 차이긴 하지만 41번째 최적화 과정에서 얻은 변수조합이 우세한 것을 알 수 있으므로 해당 변수 조합을 선택하였다.
이는 타격압력을 제어하게 될 때 릴리프밸브에 설정된 압력이 가변되면서 다양한 공급유량을 형성하기 때문이다. 이에 최적화 전후 성능비교는 다양한 공급유량조건에 대하여 수행하였으며, 40~90lpm의 공급유량 영역을 지정하여 5lpm 간격으로 해석을 수행하였다. 또한 유량변화에 따른 드리프터의 순수한 압력특성을 보기 위하여 릴리프밸브 설정압력을 간섭(형성압력이 크래킹압력에 도달)이 일어나지 않는 영역(초고압)으로 설정하였다.
신뢰성이 확보된 해석모델(재설계된 드리프터)과 설계변수민감도분석에서 추출한 타격성능에 대해 상위민감도를 갖는 변수를 활용하여 타격성능 최적화를 수행한다. 이후 최적화검증을 위해 시제품을 제작하여 타격실험을 수행하고, 이를 바탕으로 최적화된 드리프터의 한계성능을 최적화 전과 비교한다.
2절에서 언급하였듯이 드리프터 이외에 다른 장비들의 내구성을 보장할 수 없으므로 해당 영역 내에서만 타격실험을 수행하였다. 타격압력은 총 6단계(110bar, 130bar, 150bar, 170bar, 190bar, Pmax)로 가변시켰다.
테스트벤치와 실차에서의 실험결과와 시뮬레이션의 실험결과를 비교하기 위하여 총 누유량이 반영된 해석모델에서 실험조건과 동일한 조건을 부여하여 재해석을 수행하였다. 테스트벤치, 유압드릴 실차, 시뮬레이션, 이 3가지의 압력-유량 특성과 타격주파수를 각각 하나의 그래프로 그려 Figure 14에 나타내었다.

대상 데이터

우선적으로 시제품은 Figure 12와 같이 테스트벤치에 올려서 실험을 진행하였으며, 테스트벤치는 실차에 비하여 작은 펌프(최대 토출유량 105lpm)를 사용하기 때문에 저유량 조건의 테스트에 적합하다. 실험에 사용된 압력센서는 HYDAC사의 HDA4400시리즈이며, 계측 가능한 압력범위는 0~400bar이다. 압력센서의 장착위치는 드리프터의 공급라인과 밸브의 스위칭포트이며, 타격주파수가 빠른 드리프터의 특성을 고려하여 0.
실험에 사용된 압력센서는 HYDAC사의 HDA4400시리즈이며, 계측 가능한 압력범위는 0~400bar이다. 압력센서의 장착위치는 드리프터의 공급라인과 밸브의 스위칭포트이며, 타격주파수가 빠른 드리프터의 특성을 고려하여 0.2ms 간격으로 데이터를 취득하였다. 유량센서는 HYDAC사의 EVS3100 시리즈를 사용하였으며, 계측 가능한 유량범위는 15~300lpm이다.
2ms 간격으로 데이터를 취득하였다. 유량센서는 HYDAC사의 EVS3100 시리즈를 사용하였으며, 계측 가능한 유량범위는 15~300lpm이다. 유량센서의 장착위치는 펌프의 토출구이며, 데이터 취득 주기는 압력센서와 동일하게 0.
또한 본 연구에서는 한국형 유압드릴에 적합하게 개선설계를 수행해야하기 때문에 타격출력(타격에너지, 타격주파수)을 개선시킬 뿐만 아니라 공급라인에 형성되는 압력의 감소와 서지압력 감소를 다목적함수로 설정하여 최적화를 수행하였다. 최적화 대상은 벤치마킹 제품이 아닌 대유량 파워팩 특성에 맞게 기존 벤치마킹 제품의 타격피스톤 크기를 확장하여 재설계 한 드리프터이다(Noh, 2017).
유압 드리프터의 타격성능 개선을 위해 설정한 다목적함수는 타격주파수와 타격에너지 증가, 공급라인 형성압력과 타격체적 서지압력 감소로 총 4가지이다. 최적화에 사용된 변수는 설계변수민감도 분석을 통해 추출된 4가지 목적함수에 상위 민감도를 갖는 변수이며, 총 변수의 개수는 10개이다. 설계변수민감도 분석을 통해 타격피스톤에서는 외경(Pd1, Pd2) 및 내경(Prd1, Prd3), 랩(lap)조건(Plap5), 밸브에서는 직경(Vd2, Vd3) 및 랩(lap)조건(Vlap1, Vlap2), 리턴라인 어큐뮬레이터에서는 질소가스 충진 압력(Ap2)이 최적화 수행에 사용되는 변수로 추출되었다(Noh, 2017).

이론/모형

이러한 이론적 방법으로 다목적함수를 단목적함수로 치환하였으며, 최적화과정은 크게 초기과정과 반복과정으로 나누어진다. 최적화 초기과정에는 다변수를 대상으로 한 최적화에서 초기메타모델 생성에 유리한 알고리즘인 불완전축소합성설계-Ⅱ를 적용하였고, 반복과정에서는 타격장치에서 다변수․다목적 최적화에 유효성이 검증된 확장 라그랑지 승수기법을 적용하였다(Noh et al., 2016).

성능/효과

3) 최적화된 드리프터를 검증하기 위하여 시제품을 제작하였으며, 해석모델과 테스트벤치(4가지 공급유량조건)에서 형성압력의 최고점에 대한 평균상대오차는 6.45%, 타격주파수는 2.96%이고, 실차(6가지 공급유량조건)에서 형성압력의 최고점에 대한 평균 상대오차는 3.28%, 타격주파수는 2.41%로 나타났다. 이를 통해 최적화에 대하여 높은 신뢰성을 확보하였다.
4) 해석모델을 활용하여 유압드릴시스템 내에서 최적화 전․후 드리프터의 잠재적인 한계성능을 파악하였다. 그 결과, 최적화 후에는 타격에너지가 19.
표에서 13번째 해석결과는 현재 설계치수(용량이 재설계된 드리프터)에 관한 해석결과이며, 4가지 다목적함수의 방향성을 잘 추정하고 있는 결과는 7번째 해석결과이다. 7번째 해석결과를 살펴보면 타격에너지와 타격주파수는 증가하고, 공급라인 형성압력과 타격체적의 서지압력은 낮아졌다. 하지만 형성되는 공급압력의 수준이 매우 높기 때문에 7번째에 해당되는 변수 조합을 그대로 사용할 경우 제시된 결과와 같이 높은 타격출력을 낼 수 없다.
하지만 형성되는 공급압력의 수준이 매우 높기 때문에 7번째에 해당되는 변수 조합을 그대로 사용할 경우 제시된 결과와 같이 높은 타격출력을 낼 수 없다. 7번째 해석결과를 제외한 나머지 결과들을 살펴보면 각각의 목적 함수에는 만족하는 결과가 나오는 것을 확인할 수 있지만 모든 목적 함수를 만족하는 방향의 결과는 나타나지 않았다. 이러한 초기 메타모델 결과를 분석하였을 때 내삽문제가 아닌 외삽문제가 되는 것을 알 수 있었다.
4) 해석모델을 활용하여 유압드릴시스템 내에서 최적화 전․후 드리프터의 잠재적인 한계성능을 파악하였다. 그 결과, 최적화 후에는 타격에너지가 19.2%증가, 타격주파수는 16.2%증가, 타격출력은 38.5%증가, 타격체적에서 발생하는 서지압력은 63.7%로 감소하였다.
또한 본 연구에서는 최적화과정을 통해 다양한 변수를 튜닝 하였을 때의 결과들을 메타모델에 반영하여 안정성과 출력을 동시에 증가시킨 결과를 얻었다. 만약 이러한 해석기술과 최적화기술의 융합 없이 동일한 결과를 내기 위해서는 설계변수민감도 분석과 최적화과정에서 수행한 해석의 횟수만큼 시제품을 만들어야한다.
만약 이러한 해석기술과 최적화기술의 융합 없이 동일한 결과를 내기 위해서는 설계변수민감도 분석과 최적화과정에서 수행한 해석의 횟수만큼 시제품을 만들어야한다. 비록 시제품 하나 없이 컴퓨터시뮬레이션 안에서 모든 설계를 마치는 제로 목업 디자인(Zero Mock-up Desgin)까지는 아니지만 단 1대의 시제품 제작만으로 위와 같은 결과를 얻어냈으므로 본 연구는 충분한 기술적 가치를 가진다고 사료된다.
7번째 해석결과를 제외한 나머지 결과들을 살펴보면 각각의 목적 함수에는 만족하는 결과가 나오는 것을 확인할 수 있지만 모든 목적 함수를 만족하는 방향의 결과는 나타나지 않았다. 이러한 초기 메타모델 결과를 분석하였을 때 내삽문제가 아닌 외삽문제가 되는 것을 알 수 있었다. 하지만 7번째 해석결과는 4가지 목적함수가 추구하는 방향성을 나타내기 때문에 최적화의 결과물이 적어도 해에 근접한 결과를 얻을 수 있음을 예측할 수 있다.
Figure 4는 누유가 발생하지 않는다는 조건 아래 공급유량 85lpm, 설정압력 230bar 조건에서 4가지 변수조합의 타격에너지와 타격주파수를 나타낸다. 이를 통해 시스템 한계공급 조건에서 타격출력을 산출해보면 23번째 최적화 조합은 17.82kW, 27번째 최적화 조합은 17.85kW, 41번째 최적화 조합은 17.98kW, 45번째 최적화 조합은17.87kW인 것을 알 수 있다. 미세한 차이지만 41번째 최적화 조합에서 얻은 타격출력이 가장 높은 것을 알 수 있다.
서지압력은 밸브의 오버랩 설계로 인하여 타격피스톤이 운동하는 도중에 타격체적이 순간적으로 폐구간이 되면서 발생하는 것이다. 이에 대하여 최적화를 수행하여 폐구간이 되는 밸브의 오버랩 조건에 언더랩 조건을 적용하였으며, 이를 통해 서지압력 문제를 극복한 것을 보여준다. Figure 7과 Figure 8을 통해서 서지압력을 seal의 권장사용압력인 300bar미만으로 이동시켜 seal의 기대수명을 늘렸으며, 이와 동시에 타격출력을 상승시켰으므로 안정적인 방향의 최적화가 이루어졌음을 알 수 있다.
4kW 증가한 것을 알 수 있다. 즉, 공급동력의 증가분에 비하여 타격출력의 증가분이 더 큼으로 타격효율이 증가했음을 알 수 있다.
Figure 7을 보면 이러한 차이를 정량화 할 수 있으며, 230bar에 도달할 때 운동에 소요되는 유량은 최적화 전이 77lpm이고, 최적화 후가 80lpm이다. 최적화를 통해 보다 더 많은 유량을 운동으로 변환할 수 있으며, 이때의 타격출력 역시 14.4kW에서 17.9.kW로 더 높아진 것을 확인할 수 있다.
최종적으로 최적화를 마친 드리프터는 한계공급조건에서 132.6lpm의 대유량을 소화하며, 이때 형성되는 공급라인의 압력은 217.6bar이다. 또한 이때의 타격출력은 21.
1). 타격에너지 및 타격주파수 증가, 공급라인 형성압력 및 서지압력 감소의 목표를 만족시키는 다목적 함수 최적화를 수행하였으며, 타격물체에 반발이 일어나지 않는 조건하에서 한계압력을 230bar로 설정하였을 때 타격출력은 14.4kW에서 17.9kW로 증가하였으며, 서지압력 또한 seal의 권장사용압력인 300bar 이내로 수렴하는 결과를 얻었다.

후속연구

지금까지 타격성능 비교는 누유유량을 고려하지 않은 상태에서 진행한 것이지만 위와 같은 결과에서 누유유량을 반영한다면 타격효율은 훨씬 더 낮은 영역으로 갈 것이다. 하지만 벤치마킹제품과 용량개선제품, 최적화제품 모두 누유유량을 반영하지 않은 것이기 때문에 추후 누유유량을 반영한다 하여도 최적화 제품의 타격효율이 더 우수할 것이라고 예상할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압드릴이란?	본 연구는 다목적함수 최적화를 통해 고출력 유압 드리프터를 개발하고자 하는 내용을 다룬다. 유압 드리프터는 유압드릴의 코어부품이며, 유압드릴이란 대형 토목공사 또는 터널공사에서 발파작업을 수행하기 위한 건설장비이다. 유압 드리프터는 반복타격과 회전으로 목표물을 파괴시키는 역할을 하지만 여기서 회전은 단순히 타격피스톤의 하우징 외부에 장착된 기성품 유압모터로 인해 발생하는 것이기 때문에 반복타격장치로 범위를 제한하여 연구를 수행하였다.
	제조업체에서 시제품 제작횟수를 줄였을 때 장점은?	제조업체에서 시제품 제작횟수를 줄인다는 것은 그만큼의 개발비용 절감과 개발에 소요되는 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 시제품의 제작횟수를 1회로 줄이는 것을 목표로 타격성능에 지배적인 영향을 미치는 설계변수들을 이용하여 타격성능 최적화를 수행하였다.
	유압 드리프터는 장착되는 시스템의 조건이 하나로 고정되어 있는데, 이 때 한계점은?	반면에 유압 드리프터는 유압브레이커와 같은 반복타격장치로 볼 수 있지만 장착되는 시스템의 조건은 하나로 고정되어 있다. 즉, 드리프터 구동에 필요한 유압마력을 공급하는 파워팩의 한계성능이 명확하게 고정되어 있기 때문에 유압브레이커와는 달리 드리프터만을 별개로 개선설계를 수행할 수 없다는 것이다. 게다가 대부분의 국내 유압 장비들은 해외 선진사 제품을 벤치마킹하며, 유압 드리프터도 마찬가지로 해외제품을 벤치마킹의 대상으로 삼는다.

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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