[논문]항공우주 비행체 정적구조시험용 하중제한밸브 부품 형상 분석

심재열

doi:10.5139/jksas.2019.47.9.607

[국내논문] 항공우주 비행체 정적구조시험용 하중제한밸브 부품 형상 분석
Geometrical Analysis on Parts of Load Limit Valve for Static Structural Test of Aerospace Flight Vehicles 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.9, 2019년, pp.607 - 616

심재열 (Aircraft System Division, Korea Aerospace Research Institute)

초록
AI-Helper

항공우주비행체 정적구조시험을 위한 과하중 방지를 위해 사용되는 하중제한밸브(LLV)의 파일럿 스테이지의 주요 구성품들에 대한 자유물체도 분석을 수행하였다. 이 분석을 통하여 유압작동기의 동일한 힘에서 일관성있게 포펫 개방되도록 하기 위해서는 파일럿스테이지에 있는 두 포펫의 직경비($(D_2)^{ten}/D_2)^{comp}$)가 작동기의 피스톤 면적비($A_{comp}/A_{ten}$)와 동일해야만 한다는 것을 보였다. 실험실에서 외산으로 수입하여 사용하고 있는 4개의 서로 다른 하중제한밸브의 포펫들 형상을 측정하고 대응되는 4개의 다른 용량을 갖는 유압작동기들의 피스톤 면적비들로부터 위의 분석결과가 타당함을 확인하였다. 두 개의 다른 파일럿스테이지로 수행한 "조절자 분해능시험들"의 결과들로부터 조절자 각 회전에서 얻은 Fi(포펫개방 순간의 작동기 힘)의 최대 표준편차는 각 평균값으로부터 0.3KN이고 표준편차를 각 평균값으로 나눈 무차원값으로 분석하면 최대편차는 3.7%이다. 이 결과로 부터 동일 포펫 직경비를 갖는 두 개의 파일럿스테이지들의 포펫은 각 조절자 회전에 대해 Fi/(평균 Fi) 값이 +/- 3.7% 범위에서 일관성 있게 개방되고 있음을 확인하였다. 위의 편차는 포펫 O-링의 마찰력으로부터 유발되는 것임을 보였다. 부가적으로 파일럿스테이지의 다른 주요부품인 포펫 스프링과 조절자의 주요설계인자들도 식별하였고 이들의 결정과정도 본 연구에서 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Free body diagram analysis is done for key parts of pilot stage of LLV (Load Limit Valve) which is used to protect overload for static structural test of aerospace flight vehicle. It is shown through the analysis that diameter ratio($D_2)^{ten}/D_2)^{comp}$) of two poppets in a pilot stage must be equal to piston area ratio($A_{comp}/A_{ten}$) of a hydraulic actuator for making a poppet open consistently at constant force applied by an actuator. The result of the analysis is verified by measuring geometries of the poppets in the four different LLVs which are corresponding to four actuators with different capacity and have been used after being imported in this laboratory. Results of "Adjuster resolution tests" with two different pilot stages show the max. deviation of Fi(actuator force in instant of opening poppet) from average Fi obtained for each turn of adjuster is 0.3KN and max. deviation of the Fi normalized by average Fi of each turn of adjuster is 3.7%. From the results, it is verified that the two pilot stages with same poppet diameter ratio make a poppet consistently open at Fis within ${\pm}3.7%$ deviation from the average Fi. The deviation is shown to be caused from frictional force of O-ring in the poppet. Additionally, design factors for poppet spring and adjuster, which are also key parts of the pilot stage, are distinguished and procedure for deciding the factors are also shown in this study.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 많은 시험에서 하중제한밸브를 사용한 경험을 바탕으로 이 밸브가 기능을 개시하는 순간을 이해하는 것이 중요하고 이를 위하여 하중제한밸브 주요 구성품인 파일럿스테이지의 내부 힘을 분석하여 주요부품들(포펫, 스프링, 조절자)에 대한 설계인자들을 식별하고자 한다. 본 연구분석의 타당성을 확인하기 위하여 사용하는 파일럿스테이지들을 분해하여 조사하였고 분석결과를 반영해서 자체 설계/제작한 2개의 파일럿스테이지를 활용하여 검증시험을 수행하였다.
2의 ③,④ 등 포함 “B” Part)을 자체 제작하여 점검시험을수행하였다. 시험 목표는 식 (14)를 만족하는 경우포펫개방이 일정한 유압작동기 하중크기에서 지속적으로 발생되는 반복성 유지를 확인하고 포펫개방의 특성을 살펴보고자 하였다.
동일 조절자 회전수에 대한 두 구성 R00, R01의 시험데이터들을 상세히 분석하여 2.3절에서 전개한 포펫 개방시점에 대한 특성을 살펴보고자 하였다. Fig.
2에서 본 바와 같이 포펫이 개방되는 순간 해당포펫과 유압적으로 연결된 유압작동기 인장 또는 압축 챔버 내부 작용압력의 감소가 발생되어 하중 실제값인 피드백(FDBK)이 감소하는 현상이 발생할 것이다. 본 연구에서는 포펫의 개방순간 FDBK값이 명령값으로부터 이탈되기 시작할 것을 고려하여 명령 값과 피드백값의 차이(CMF=CMD-FDBK) 변화를 살펴보았다.

가설 설정

분석의 편리성을 위하여 오링과 벽면간의 마찰력은 작동오일 존재를 고려하면 크지 않아 무시하는 것으로 가정했고 포펫이 개방되는 순간에 반력(R) 크기가 0이 되므로 식 (3)으로부터 인장과 압축담당 밸브의 스프링에 작용되는 힘은 식 (8), (9)와 같고 이힘이 스프링 초기설정힘(F_S-pre)과 같게 되며, 작동기챔버들의 압력(P_Ten, P_Com) 관계인 식 (7)을 적용하고 정리하면 식 (10), (11)이 유도된다.

제안 방법

하중부가장치에는 각 시험조건에 적절한 용량의 유압작동기(Hydraulic Actuator)가 설치되어야 한다. 유압작동기의 설치도 하중조건별 하중의 크기가 바뀌더라도 가급적 여러 하중조건에 대해 교체없이 하나의 유압작동기로 시험을 수행할 수 있도록 계획한다. 일반적으로 유압작동기 용량의 90%이내의 시험조건에 대해서는 유압작동기를 변경없이 사용하고 있으며, 이 경우 고가의 시험체를 보호하기 위하여 각 시험조건에 대해 요구하는 하중 크기보다 지나치게 큰 하중이 작용되지 않도록 과하중방지의 수단을 요구하게 된다.
본 연구에서는 많은 시험에서 하중제한밸브를 사용한 경험을 바탕으로 이 밸브가 기능을 개시하는 순간을 이해하는 것이 중요하고 이를 위하여 하중제한밸브 주요 구성품인 파일럿스테이지의 내부 힘을 분석하여 주요부품들(포펫, 스프링, 조절자)에 대한 설계인자들을 식별하고자 한다. 본 연구분석의 타당성을 확인하기 위하여 사용하는 파일럿스테이지들을 분해하여 조사하였고 분석결과를 반영해서 자체 설계/제작한 2개의 파일럿스테이지를 활용하여 검증시험을 수행하였다.
시험에는 Table 2의 Act.1을 이용하였고 식 (14)를만족하는 두 가지(R00, R01) 포펫구성을 제작하여 동일 유압작동기에 각각 결합하여 동일한 하중조건을 작용하면서 두 구성간 포펫개방의 특성을 살펴보았다.
Figure 9와 같이 하중후레임을 단순하게 구성하여 힘을 부가하였고 포펫개방 반복성유지를 살펴보기 위하여 동일 하중크기를 여러 번 부가하는 반복하중시험을 수행하였다. Fig.
Figure 9와 같이 하중후레임을 단순하게 구성하여 힘을 부가하였고 포펫개방 반복성유지를 살펴보기 위하여 동일 하중크기를 여러 번 부가하는 반복하중시험을 수행하였다. Fig. 2의 조절자는 나사산형태로 되어 있으므로 이를 돌려 유지하면 포펫스프링을 통하여 포펫을 특정한 힘으로 누르게 되므로 조절자를 각 1회전씩 추가로 돌려 감으면서 시험을 수행하였다. 조절자를 많이 감을수록 포펫개방에 필요한 하중이 증대되므로 시험에서 적용한 반복하중의 크기도 조절자를 많이 감을수록 증대하였고 이 값들은 Table 4와 같았다.
하중의 부호 +/-가 각각 인장과 압축을 의미한다. 시험의 순서는 포펫구성 REV00에 대해 포펫 인장/압축 조절자를 완전히 풀어 포펫스프링을 포펫과 분리하도록 한 상태에서 조절자를 감아 접촉이 느껴지는 지점(0 turn)에서 첫 고정한 후 하중부가, 이후 조절자를 각각 1회씩 감은(n^th-Turn) 뒤 Table 4에 대응하는 하중크기의 반복하중 부가하였고 총 8회 조절자 회전할 때까지 시험을 수행했다. 다음으로 포펫구성 REV01로 교체한 후 REV00과동일한 순서의 시험을 수행하였다.
시험의 순서는 포펫구성 REV00에 대해 포펫 인장/압축 조절자를 완전히 풀어 포펫스프링을 포펫과 분리하도록 한 상태에서 조절자를 감아 접촉이 느껴지는 지점(0 turn)에서 첫 고정한 후 하중부가, 이후 조절자를 각각 1회씩 감은(n^th-Turn) 뒤 Table 4에 대응하는 하중크기의 반복하중 부가하였고 총 8회 조절자 회전할 때까지 시험을 수행했다. 다음으로 포펫구성 REV01로 교체한 후 REV00과동일한 순서의 시험을 수행하였다. 이 시험을 편의상”조절자 회전 분해능시험“으로 칭하였다.
본 연구에서 분석한 2.3절 결과의 타당성을 살펴보기 위하여 현재 사용하고 있는 4종류의 작동기에 탑재된 M사 하중제한밸브의 파일럿부를 분해하여 마이크로미터로 기하학적 치수들을 측정하였고 D₂, D₃ 측성치수는 Table 5에 해당 유압작동기의 특성(용량,피스톤부 면적비)과 함께 기록하였다. Table 5에서 보는 바와 같이 A₃는 모두 동일하였고 측정값들로부터 직경비(D₂^ten/D₂^com) 값이 표의 순서대로 각각 1.
포펫개방하중(Fi)의 결정과정은 다음과 같다. 무차원화 시킨 CMF값의 큰 변화가 발생한 지점 직전영역에서 CMF값 기울기가 갑작스럽게 변한 점(NOS_i)을 기준하고 대응되는 피드백값을 포펫개방하중(Fi)으로 정하였다. Fig.
하중제한밸브 기능개시단계에 대한 연구로 하중제한밸브의 파일럿스테이지 내부 주요 구성품에 대한 자유 물체도 분석을 수행하였고 분석결과의 타당성을 확인하기 위해 ”조절자 분해능시험“을 수행하여 얻은 주요 결론들은 다음과 같다.
2.3절 분석결과의 타당성을 확인하기 위해 Fig. 2에서 보인 파일럿스테이지부의 주요부품들(Fig. 2의 ③,④ 등 포함 “B” Part)을 자체 제작하여 점검시험을수행하였다.

대상 데이터

일반적으로 유압작동기 용량의 90%이내의 시험조건에 대해서는 유압작동기를 변경없이 사용하고 있으며, 이 경우 고가의 시험체를 보호하기 위하여 각 시험조건에 대해 요구하는 하중 크기보다 지나치게 큰 하중이 작용되지 않도록 과하중방지의 수단을 요구하게 된다. 현재 본 시험실에서는 과하중방지장치 중 하나인 하중제한밸브(Load Limit Valve, 외산 M사 제품)을 사용하고 있다. 이 밸브는 작동기 종류별로 다르게 구분하여 사용하고 있다.
최대힘은 식 (17),(18)에서 마찰력이 없는 것으로 가정하여 산출되고 이식들에서 A₂는 포펫이 설계되면 상수로 결정되고 Aten과 Acom은 사용 작동기의 인장과 압축부 피스톤 면적들로 상수이므로 유압작동기 인장과 압축 최대용량을 대입하면 결정이 된다. 본 시험에 사용한 작동기는 Table 5의 Act.01이고 인장과 압축하중용량을 적용하고 작동기 용량대비 하중인 하중비(Loadratio)별 산출 스프링의 힘은 Fig. 20에서 보는 바와 같고 최대힘(Fs_pre_max)은 1.07KN이었다. 압축작동 길이(l₀)를 경험상 20mm 정도로 결정하고 나면, 포펫스프링의 설계가 가능해진다.

데이터처리

위와 같이 시험데이터들로부터 얻어진 Fi값들과 반복시험에 대한 평균, 표준편차(SD)를 Tables 6, 7에서표시했고 표준편차 최대값이 0.3KN이며, 표준편차의 정도는 평균값대비 3.7% 이내로 유지됨을 알 수 있었다(Fig. 14). Tables 6, 7의 ”N/A“표시는 시험데이터로부터 NOS_i를 식별하기에 어려운 경우들이고 특히, 인장하중에 대한 조절자 8번째 회전 후 얻은 시험결과는 Fig.

성능/효과

이들 데이터로부터 P_com의 최대편차가 44psi임을 알 수 있었다. 이들을 통하여 유압작동기의 하중과 챔버내부 압력은 1:1관계가 유지되지 않는다는 것을 확인할 수 있다. Fig.
3절 결과의 타당성을 살펴보기 위하여 현재 사용하고 있는 4종류의 작동기에 탑재된 M사 하중제한밸브의 파일럿부를 분해하여 마이크로미터로 기하학적 치수들을 측정하였고 D₂, D₃ 측성치수는 Table 5에 해당 유압작동기의 특성(용량,피스톤부 면적비)과 함께 기록하였다. Table 5에서 보는 바와 같이 A₃는 모두 동일하였고 측정값들로부터 직경비(D₂^ten/D₂^com) 값이 표의 순서대로 각각 1.962, 1.463, 1.394, 1.0로 작동기의 피스톤부 면적비(AR)와 일치함을 확인할 수 있었다.
이들은 대표적으로 각각 조절자 2번째, 5번째 회전감은 후 얻은 시험데이터들로 비교를 위해 x-축의 값을 약간 이동편집한 것이다. 그래프에서 R00, R01이 각각 포펫구성 REV00,REV01에 대한 시험데이터이고 각 구성별 조절자의 회전수별로 해당 명령값(CMD)들에 대해 매 사이클마다 실제 작용된 피드백(FDBK)값들은 거시적으로 반복성을 잘 유지하고 있음을 보여주고 있다.
하나의 유압작동기에 대해 일정한 작용힘 크기에서 반복적으로 포펫개방이 발생되려면, 인장/압축 포펫직경(D₂)비가 작동기 피스톤 면적비(AR)와 상호 관련성을 가져야 함을 보였다.
두 포펫구성(R00, R01)에 대한 시험결과 각 조절자회전수에 대해 포펫개방하중의 표준편차는 0.3KN 이내로 유지하고 있으며, 평균값대비 표준편차들이 3.7% 이내의 특성을 갖는 포펫개방하중의 일관성을 유지하고 있음을 보여주었다. 이 편차는 포펫마찰력(F_f2)으로기인하는 것으로 해석할 수 있음을 보였다.
파일럿스테이지 구성품인 포펫스프링과 조절자의 주요 설계인자들인 스프링 최대힘, 압축조절길이, 조절자 피치들에 대한 결정과정을 보였다.

후속연구

이 밸브는 작동기 종류별로 다르게 구분하여 사용하고 있다. 향후 신규 작동기 확보 시 대응되는 하중제한밸브의 추가확보가 필요하고 또한기 사용중인 제한밸브들의 부품교체 시 현재 외산에 전량 의존하고 있는 실정이다. 항공우주비행체 구조시험을 효율적으로 준비하고 수행하기 위해 하중제한밸브의 주요부품들을 자체적으로 조달할 수 있도록 자체 설계/제작 기술의 확보가 필요하다.
위의 연구를 통하여 하중제한밸브 파일럿스테이지독자 설계기술을 확보하게 되었고 향후 외산 의존없이 신품 획득과 기존품의 유지관리를 위한 교체부품 조달을 위해 본 연구결과를 활용할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하중 제한밸브는 어떻게 구성, 구분 되는가?	1과 같다. 하중 제한밸브는 그림 상부에 나타낸 인장과 압축을 담당하는 두 개의 밸브로 구성되고 각 밸브는 메인(Fig.2의 C)과 파일럿스테이지(Fig. 2의 A+B)로 구분한다. 유압작동기의 인장(C1)과 압축(C2)챔버가 각 하중제한밸브의 메인/파일럿스테이지에 연결되고 인장/압축담당 밸브에 서로 반대 위치로 연결됨을 알 수 있다.
	하중제한밸브란?	항공우주비행체 정적구조시험을 위한 과하중 방지를 위해 사용되는 하중제한밸브(LLV)의 파일럿 스테이지의 주요 구성품들에 대한 자유물체도 분석을 수행하였다. 이 분석을 통하여 유압작동기의 동일한 힘에서 일관성있게 포펫 개방되도록 하기 위해서는 파일럿스테이지에 있는 두 포펫의 직경비($(D_2)^{ten}/D_2)^{comp}$)가 작동기의 피스톤 면적비($A_{comp}/A_{ten}$)와 동일해야만 한다는 것을 보였다.
	하중제한밸브의 작동원리는?	하중제한밸브의 작동원리는 다음과 같다. 작동기에 압력이 걸리지 않은 상태에서 수나사로 만들어진 조절자(①)를 돌려서 포펫스프링(②)을 원하는 정도로 압축시켜 둔다. 이때 스프링에 가해진 힘을 스프링초기설정힘(Fs pre)으로 정의하고, 이때 포펫(③)은포펫받침과 밀착이 되어 있게 된다. 이 힘으로 포펫을 아래로 눌러준 상태에서 유압작동기 하중이 작용되면 작동기의 인장/압축챔버에 각각 압력이 작용하게 되고 이 압력들이 하중제한밸브 구성품인 포펫을윗방향으로 미는 힘이 존재할 수 있게 되고 이 힘이포펫스프링(②) 초기설정힘보다 적을 때는 포펫이 포펫받침과 밀착이 유지되고, 클 때는 포펫이 포펫받침과 분리되어 D-line(Fig. 2, B의 우측에 존재)으로 통하는 유로가 개방이 된다. 이 유로개방으로 인하여오일의 흐름이 발생하게 되고 이 흐름은 메인스테이지의 포펫의 중앙에 존재하는 오리피스에 흐르는 오일로 인하여 압력차가 발생하게 되어 메인스테이지의 포펫도 개방을 시작하게 되어 메인스테이지의 오일이 R-line으로 배출이 된다. 이와 같은 상황으로 인하여 이밸브의 메인라인(⑥) 압력의 상승이 제한을 받게 되고 메인라인과 연결된 유압작동기 챔버의 압력 상승에 제약을 주어 하중부가 능력을 제한하게 된다.

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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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