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문제 정의
- 경우이다 . 내부 구성부품은 유압 라인의 연결을 목적으로 한다. .
- 본 연구에서는 유체이송 및 차단을 목적으로 사용하는 3/8″ 유압 퀵 커플러에서 일반적으로 널리 사용하는 산업용 수치를 적용하여 타당성을 검증하였다 . 그리고 유압 퀵 커플러의 구조해석 및 유동해석을 통해 내부 피스톤형상에 따른 유동 특성을 연구하여 최적설계안을 도출하였다.
제안 방법
- 본 설계는 피스톤부의 형상을 변경하는 설계를 통해 경제성과 효율성에 초점을 두었다 . 설계모델에 있어서 구조해석을 통해 안정성을 검증하였다.
- 설계모델에 있어서 구조해석을 통해 안정성을 검증하였다. 그리고 유동흐름에서 내부 입출구의 압력차에 따른 온도와 속도분포 , 내부 난류를 비교하여 경제성을 검증하였다.
- 설계모델에 있어서 구조해석을 통해 안정성을 검증하였다. 그리고 유동흐름에서 내부 입출구의 압력차에 따른 온도와 속도분포 , 내부 난류를 비교하여 경제성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 유압기계에 많이 사용되고 있는 3/8” 유압 퀵커플러를 바탕으로 상용 기계요소 설계 및 검증 소프트웨어 프로그램인 Solidworks 를 사용하여 모델링 구축 및 CFD(Computational Fluid Dynamics) 유동특성 검증해석을 진행하였다 . 내부피스톤형 상의 영향을 고려하여 최적설계를 수행하였다.
- 내부피스톤형 상의 영향을 고려하여 최적설계를 수행하였다.
- 누유로 인한 환경문제를 해결하기 위하여 기존포펫 커플러 기술대비 탈부착시 소켓과 플러그 사이에 잔여 공간이 없으므로 누유 현상을 완전제거할 수 있는 새로운 유압 퀵 커플러의 구조를 설계하였다 . 새로운 퀵 커플러의 구조 및 유동 특성을 검토 및 보완하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
- . 새로운 퀵 커플러의 구조 및 유동 특성을 검토 및 보완하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
- 이에 내부 구성부품의 형 . 상으로 인한 압력강하 발생을 줄이고 난류개선을 통해 최적화할 수 있는 구조로 피스톤 부품설계를 진행하였다.
- 일반적으로 사용되는 피스톤형상 case 1과 개선을 위해 모델링한 것이 case 2 이다 . case 2는 유로존에 있어 비교적 완만한 형상을 나타내면서 넓이를 넓히고 난류가 발생하지 않도록 적절한 형상을 설계하였다.
- 구조해석시 사용된 물성치는 일반적으로 사용되는스테인레스 316L 소재를 적용하고 각 상태량은 온도 의존성 없이 일정한 것으로 하였다. Solidworks 구조해석에 사용된 경계조건으로 28 MPa 의 내압을 piston 에 가하여 고압 유압 퀵 커플러에 대해 사용되는 정격사용압력을 적용 및 확인하였다 . Table 3 은 위의 압력강하를 줄이기 위하여 2 가지 형상을 모델링 , 각 28 MPa 의 내압을 주고 해석한 결과이다.
- 개선을 위해 사용된 모델링 case 2 를 구조해석을 통하여 안정성을 검증하였고 , 일반산업에서 사용되고 있는 case 1과 비교하여 내부 형상에 따른 유동 특성 연구를 진행하였다.
- Dassault 사의 Solidworks 소프트웨어의 Flow simulation 을 사용하여 유압 퀵 커플러 내의 유동해석을 진행하였다 . 해석에 적용되는 유체로는 740 의 밀도와 ∙의 비열을 가지고, 열전도율이 ∙인 Exxon 사의 Exxon 3002.
- 05 ℃ 로 하였다 . Table 4 와 같이 입출구에 압력 차를 변수로 설정하였고 , 입구압력 28 MPa 로 고정시키고 출구압력은 25 MPa 에서 27 MPa 까지 각 1 MPa 씩 변화시켜 유량을 측정하였다 . 반복횟수는 500 회로 모든 조건들에 대해 똑같이 적용하고 해석 도중 수렴시 그때의 값을 결과로 정하였다.
- Table 4 와 같다 . 입구에서 28 MPa 을 두고 출구에서 25 MPa 로 하여 비교를 하였다 . 기존 모델 대비 개선 모델에 대한 결과값이 비교적 우수하다는 것을 확인하였다.
- 기존 모델 대비 개선 모델에 대한 결과값이 비교적 우수하다는 것을 확인하였다. 이후 case 2에 대해 진행하여 각각 속도 , 압력 , 내부 유동흐름에 대한 난류에 대해 분석 및 진행하였다.
- . 그리고 유압 퀵 커플러의 구조해석 및 유동해석을 통해 내부 피스톤형상에 따른 유동 특성을 연구하여 최적설계안을 도출하였다.
- 2. 각 모델에 대한 최대응력값을 확인하고 유로에 대한 넓이 및 무게를 확인하여 최적설계 표준모델을 제안하였다.
대상 데이터
- Fig. 2 는 구조해석에 사용된 모델을 나타내며 총 27, 115개의 Mesh 중 고체와 접촉하는 유체 셀은 85, 164 개로 구성하였다 .
- Fig. 3 은 유동해석에 사용된 모델에서 실제 내부 유체면적에 대한 셀을 나타내며 총 286, 124 개의 Mesh 중 고체와 접촉하는 유체 셀은 86, 114 개 , 곡률 기준은 0.317 rad 으로 구성하였다 .
- . 구조해석시 사용된 물성치는 일반적으로 사용되는스테인레스 316L 소재를 적용하고 각 상태량은 온도 의존성 없이 일정한 것으로 하였다. Solidworks 구조해석에 사용된 경계조건으로 28 MPa 의 내압을 piston 에 가하여 고압 유압 퀵 커플러에 대해 사용되는 정격사용압력을 적용 및 확인하였다 .
- 진행하였다 . 해석에 적용되는 유체로는 740 의 밀도와 ∙의 비열을 가지고, 열전도율이 ∙인 Exxon 사의 Exxon 3002.23 LLDPE 를 사용하였다 . 이 유체의 경우 Solid works Flow Simulation 내 비뉴턴 액체 정의를 사용하였다 .
성능/효과
- Fig. 4 에서 확인할 수 있듯이 28 MPa 의 외압이 걸릴 경우 최대응력은 83.3, 71, 114 MPa 로 나타났으며 case 2 가 case 1 대비 유로존의 면적 , 최대 응력이 개선되었다는 것을 확인할 수 있다.
- 입구에서 28 MPa 을 두고 출구에서 25 MPa 로 하여 비교를 하였다 . 기존 모델 대비 개선 모델에 대한 결과값이 비교적 우수하다는 것을 확인하였다. 이후 case 2에 대해 진행하여 각각 속도 , 압력 , 내부 유동흐름에 대한 난류에 대해 분석 및 진행하였다.
- 1. 유압 퀵 커플러에 대하여 동일한 내압이 부여될 때 파괴 압력에 대한 응력 분포 및 최 대응력 점을 확인하였다.
- 3. 속도분포의 경우 입구와 출구에서의 압력차가 증가할수록 내부의 유속은 증가하였다 . 특히 , 출구에서 빠져나갈 때의 직선구간에서 유속이 빨라지면서 압력이 낮아졌다 .
- 특히 , 출구에서 빠져나갈 때의 직선구간에서 유속이 빨라지면서 압력이 낮아졌다 . 이와 반대로 유로존의 넓이가 넓어질수록 내부의 유속은 줄어들었음을 확인하고 , 유로존의 넓이에 따른 내부 압력은 반비례 관계에 있음을 알 수 있었다.
- 4. 유선분포의 경우 형상변경에 따라 개선될 수 있으나 press drop, 속도분포 , 온도 등에 있어 크게 영향을 끼치지 않았다.
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