[논문]케이블 사장교용 내고온·내고압 유압 펌프의 설계에 관한 연구

진진; 우위팅; 김동선; 김상배; 류성기

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.11.110

케이블 사장교용 내고온·내고압 유압 펌프의 설계에 관한 연구
Study on Design of Hydraulic Pump with High Temperature and High Pressure Resistance for Cable-Stayed Bridge 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.11, 2019년, pp.109 - 114

진진 (경상대학교 기계항공공학부(항공연)) , 우위팅 (경상대학교 기계항공공학부(항공연)) , 김동선 (경상대학교 기계항공공학부(항공연)) , 김상배 ((주)한국교량) , 류성기 (경상대학교 기계항공공학부(항공연))

Abstract ▼ AI-Helper

Hydraulic pumps are widely used in fields such as machinery manufacturing, engineering and construction. Although the research on hydraulic engineering is mature, it is still necessary to examine various performance aspects in detail for specific applications. This paper will focus on the hydraulic pump used in special construction machinery that needs high temperature and high pressure resistance. It will analyze the theoretical design, structure and thermal characteristics of the pump system using the Fundamentals of Engineering (FE) method, and will measure the key tolerance parameters of the hydraulic pump to ensure the accuracy of the machining. Through this research, a good design method for the linear reciprocating type of hydraulic pump can be summarized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그 안의 액체는 일반적으로 광유 인 작동 매체가 되고 그 기능은 기계적 구동방식 중의 벨트, 체인 및 기어와 유사하다. 구조형태에 따라 유압 실린더는 피스톤 유형, 플런저 유형, 텔레스코픽 유형 및 스윙 유형으로 나눌 수 있으며 본 논문은 선형 왕복 운동식 피스톤 유압 실린더에 대한 일련의 연구를 수행하였다. 본 논문의 연구 대상은 유압 버퍼링에 의해 갑작스러운 외부 충격(진동)을 흡수할 수 있는 건설 장치이다.
본 연구에서는 이러한 특수 용도의 유압 실린더를 바탕으로 내 고온 및 내 고압의 설계를 수행하였다. 유한 요소 시뮬레이션을 통해 설계의 구조 강도 및 고온 특성을 검증하였다.
가공 정밀도의 제어는 마찰로 소비되는 에너지를 줄일 수 있는 유효한 방법이다. 이 섹션에서는 피스톤과 실린더의 진원도와 진직도에 대한 실험 측정 및 결과를 비교하여 가공 정밀도가 설계 규격을 만족하는지 여부를 평가하게 되었다.

제안 방법

피스톤이 실린더에서 왕복 운동할 때에 유압 저항이 반대로 되어 있으니 두 방향 케이스를 고려하여 시뮬레이션을 별도로 진행하였다.
3. 왕복 운동시 피스톤의 열 에너지 소비를 최소화하기 위해 측정 테스트를 통해 가공의 정밀도를 평가하였다.
마지막으로 전체 유압 실린더 시스템의 열 특성을 관찰하기 위해 과도 열 시뮬레이션을 수행하게 되었다. 메싱후의 절점 수는 294,229이며 요소 수는 149,116이다.
먼저 실린더에 대한 구조 분석이 수행되었다. 모델의 메싱 방법은 육면체로 분할되고 절점 수는 210,792이며 요소 수는 실제 설치 122,773이다.
설계의 정확성을 보장하기 위해 중요 치수는 경험공식을 통하여 결정하게 되었다. 공식 (1)은 유압 실린더의 하중이 추력 될 때 내경D의 계산 공식이 제시되었다:
실린더의 시뮬레이션에 따라, 실린더 내부에서 선형으로 왕복 운동하는 피스톤의 구조적 분석을 수행하게 되었다. 3.
최종적으로 유압 실린더의 주요 공차를 측정하여 제품의 밀봉 및 내구성을 보장하였다. 유한 요소 방법에 기반한 상용 소프트웨어 ANSYS 18.0을 사용하여 설계의 강도 및 열 특성을 관찰하였다.^[5]
본 연구에서는 이러한 특수 용도의 유압 실린더를 바탕으로 내 고온 및 내 고압의 설계를 수행하였다. 유한 요소 시뮬레이션을 통해 설계의 구조 강도 및 고온 특성을 검증하였다. 최종적으로 유압 실린더의 주요 공차를 측정하여 제품의 밀봉 및 내구성을 보장하였다.

대상 데이터

먼저 실린더에 대한 구조 분석이 수행되었다. 모델의 메싱 방법은 육면체로 분할되고 절점 수는 210,792이며 요소 수는 실제 설치 122,773이다. 방법에 따라 모델의 경계 조건은 FIg.
구조형태에 따라 유압 실린더는 피스톤 유형, 플런저 유형, 텔레스코픽 유형 및 스윙 유형으로 나눌 수 있으며 본 논문은 선형 왕복 운동식 피스톤 유압 실린더에 대한 일련의 연구를 수행하였다. 본 논문의 연구 대상은 유압 버퍼링에 의해 갑작스러운 외부 충격(진동)을 흡수할 수 있는 건설 장치이다. 따라서 이러한 장치가 실제 사용에서 과도한 충격으로 인해 적재하기가 어려운 고온 고압을 발생하여 장치가 누유 및 손상 등 문제가 종종 나타났다.
건설 장치의 작업 환경을 고려하여 장치의 강도와 내고온 성능을 보장할 뿐만 아니라 재료 자체의 내 부식성도 고려해야 한다. 본 연구에서는 항공 우주 산업용 AL6061- T6 고강도 알루미늄 합금 소재를 적용하게 되었다. Table 1은 AL6061 – T6 재료의 기계적 특성이 나타냈다.

이론/모형

유한 요소 방법은 엔지니어링 분야에서 널리 사용되며 본 연구에서는 상용 소프트웨어 ANSYS 18.0를 활용하여 시뮬레이션을 수행하게 되었다. 이 시뮬레이션은 Intel Xeon E5-1650 v4 128GB 및 메모리가 탑재된 워크 스테이션으로 수행되었다.

성능/효과

1. 시뮬레이션 결과는 설계 단계의 경험 수식의 정확성을 입증하게 되었다.
2. 해석 결과를 통해 모든 구성 요소의 안전 계수가 1.0 이상이며 최소값이 피스톤과 샤프트 사이의 연결부에 나타나는 것을 확인할 수 있으며 응력 집중이 발생하지 않도록 이 부위의 형상 최적화하는 것으로 간주할 수 있다. 열 특성 해석 결과도 정상 범위에 나타났으므로 유압 펌프의 고온 및 고압 성능을 보장하게 되었다.
본 논문의 연구 대상은 유압 버퍼링에 의해 갑작스러운 외부 충격(진동)을 흡수할 수 있는 건설 장치이다. 따라서 이러한 장치가 실제 사용에서 과도한 충격으로 인해 적재하기가 어려운 고온 고압을 발생하여 장치가 누유 및 손상 등 문제가 종종 나타났다.
본 연구에서는 유압 펌프 시스템의 주요 치수를 경험 수식으로 계산하여 모델을 설정한 후 유한 요소 시뮬레이션으로 유압 펌프 구성 요소의 구조적 강도와 열 특성을 분석하게 되었다 마지막 측정 테스트를 통해 제품 가공의 정확성을 확보할 수 있었다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
안전 계수의 분포는 응력 분포와 재료의 허용 응력에서 계산하여 얻을 수 있다. 실제 최대 압력 12MPa 에서 실린더 커버와 피스톤샤프트 사이의 접촉부에 전체 실린더의 최소 안전 계수는 1.68로 나타났다.
0 이상이며 최소값이 피스톤과 샤프트 사이의 연결부에 나타나는 것을 확인할 수 있으며 응력 집중이 발생하지 않도록 이 부위의 형상 최적화하는 것으로 간주할 수 있다. 열 특성 해석 결과도 정상 범위에 나타났으므로 유압 펌프의 고온 및 고압 성능을 보장하게 되었다.
유압 펌프의 각 구성 요소의 안전 계수는 1.0 보다 높아 산업의 요구 사항을 충족하며 설계 강도가 신뢰할 수 있음을 확인할 수 있다. 피스톤이 실린더와 접촉하는 부분에서 열 유속이 더 빠르지만 최대 값이 예상 범위 내에 있으므로 유압 펌프의 열 안정성도 입증될 수 있었다.
측정 결과는 Fig. 11에 나타난 것처럼 매우 고르게 분포되어 있으며 모든 결과는 산업 규격에 필요한 0.05 mm보다 훨씬 낮게 나타났다. 즉 제품의 정밀 가공 수준을 확인할 수 있었다.
0 보다 높아 산업의 요구 사항을 충족하며 설계 강도가 신뢰할 수 있음을 확인할 수 있다. 피스톤이 실린더와 접촉하는 부분에서 열 유속이 더 빠르지만 최대 값이 예상 범위 내에 있으므로 유압 펌프의 열 안정성도 입증될 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압 기술은 어디에 사용되는가?	현재 유압 기술은 기계 제조, 엔지니어링, 건설,광업, 야금, 조선 기계, 항공 우주 산업, 해양 개발프로젝트 등 거의 모든 산업 분야의 기술 장치에널리 사용하고 있다.[1-4] 유압 트랜스미션은 유체를작동 매체로 사용하여 에너지를 전달하는 트랜스미션 방식이다.
	유압 트랜스미션의 기본 원리는 무엇인가?	유압 시스템에서 유압 트랜스미션의 기본 원리는유압 펌프를 사용하여 원동기의 기계적 에너지를 액체의 압력 에너지로 변환하고 액체 압력 에너지의 변화를 통해 에너지를 전달하게 되었다. 유압 실린더 또는 모터는 액체 압력 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 선형 왕복 운동이나 회전 운동을 시킬 수 있는 메커니즘 이다.
	특수 용도의 유압 실린더를 바탕으로 내 고온 및 내 고압의 설계를 수행한 이유는 무엇인가?	본 논문의 연구 대상은 유압 버퍼링에 의해 갑작스러운 외부 충격 (진동)을 흡수 할 수 있는 건설 장치이다. 따라서 이러한 장치가 실제 사용에서 과도한 충격으로 인해 적재하기가 어려운 고온 고압을 발생하여 장치가 누유 및 손상 등 문제가 종종 나타났다.

참고문헌 (5)

Park, J. H., Kim, M. K. and Choi, S. C., “The Study on Development of Fixed Displacement Piston Pump for Special Access Vehicle,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 9, No. 3, pp. 19-27, 2010.
Kim, T. G., Park, J. H., and Park, Y. C., “Fitting Pipe Flange Process Research Using Orbital Forming,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 6, pp. 57-62, 2015.
Yi, C. S. and Chin, D. H., “Numerical Analysis of the Development of an Air Conditioning Duct for Marine and Oil Drilling Ships,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 2, pp. 50-55, 2017.

원문보기 상세보기
Yun, J. H., Yi, C. S., Suh, J. S. and Song, C. K., “A Study on Flow Characteristics in Lubrication System of Manual Transmission in a Commercial Vehicle,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 2, pp. 40-46, 2012.
ANSYS, ANSYS User's Manual Version 18.0, ANSYS Inc.

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