[논문]선박 유압공급 장치용 사판식 유압 피스톤 펌프의 구조적 안정성에 관한 연구

곽범섭; 임종학; 이인욱; 이중섭; 이호성; 송철기

doi:10.14775/ksmpe.2021.20.04.024

선박 유압공급 장치용 사판식 유압 피스톤 펌프의 구조적 안정성에 관한 연구
A Study on the Structural Stability of the Swash Plate Piston Pump for Marine Hydraulic Power Supply 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.20 no.4, 2021년, pp.24 - 30

곽범섭 (경상대학교 대학원 기계설계학과) , 임종학 (경상대학교 대학원 기계설계학과) , 이인욱 ((유)셰플러코리아) , 이중섭 (한국승강기대학교) , 이호성 (경상대학교 기계융합공학과) , 송철기 (경상대학교 기계공학과 공학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a structural stability analysis of the swash plate hydraulic piston pump installed on hydraulic supply systems in marine vessels is presented. In order to verify the integrity of the pump design, a standard structural analysis technique based on the finite element method has been applied for various operating and boundary conditions. For the maximum operational torque (223 N·m) at 5°, 10°, and 15° of the swash plate angle, the maximum deformation, equivalent stress and safety factor are evaluated. The analytical results show that under current operating conditions, the structural reliability of the design has been confirmed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가능해야 된다.고압 출력을 요구하는 엔진의 연료분사 및 배기밸브의 개폐를 위해 압력 350 bar, 용량 40 cc/rev, 회전수 2600 rpm 의 성능을 낼 수 있는 고성능 유압 피스톤 펌프를 개발하기 위한 연구로서 구조해석을 통해 사판식 피스톤 펌프에 미치는 영향과 그에 대한 설계 자료를 도출하고자 한다.

제안 방법

. 구조해석수행 후 , 후처리 과정을 통해 사판식 유압 펌프에서 발생하는 등가응력 (equivalent stress) 및 변형량 (total deformation) 등 구조적 안전성 판단에 필요한 정보를 확인할 수 있다.^[6-8]
. 또한 , 토출되는 압력과 실린더 내부에서 실린더와 피스톤에 가해지는 압력 성분들은 서로 작용과 반작용의 관계이므로 피스톤 펌프의 최대 압력을 정적 작용력으로 적용하였다 . 구속조건은 하우징과 스토퍼 (stopper) 에 설정하였다 .
본 연구에서 사판식 유압 피스톤 펌프에 대한구조해석을 위하여 사판식 유압 피스톤 펌프 전체의 3D 모델링을 Fig. 3과 같이 수행하였다 . 사판식 피스톤 펌프는 크게 사판 플레이트 , 하우징 , 축 , 실린더 블록 등으로 구성되어 있다.
따라서 해석시 불필요한 구조물은 제외하고 구조해석이 수행되어야 하며 , 적절한 경계조건을 통해 전체 시스템 해석과 유사한 해석 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 CATIA V5 를 활용하여 펌프 이외의 구조해석에 영향을 미치지 않는 불필요한 부분을 삭제하였다.^[9-10]
본 연구에서는 사판식 유압 피스톤 펌프에 대한 구조해석을 수행하여 사판의 각도(5°, 10, ° 15°) 에 따라 최대 토크 (223 N·m) 에 대해 각 구조물 의안 전율을 확보하였고 구조적 안전성을 확인하였다 . 이를 통해 사판식 유압 피스톤 펌프 설계 신뢰성을 가질 수 있었다.
본 연구에서는 사판식 유압 피스톤 펌프의 구조적 안정성의 검증이 목적이기 때문에 펌프의 사 판의 각도 (5°, 10°, 15°) 에 따른 모델에 대하여 해석을 수행하였다.
전처리 과정에서는 유압 펌프의 3D 모델링을 바탕으로 해석에서 필요하지 않은 요소들을 제거하여 해석이 가능하도록 재설계를 한다. .

대상 데이터

본 연구에 사용된 사판식 피스톤 펌프는 Fig. 1 과 같이 선박엔진의 유압공급장치에 사용되는 유압펌프이며 , Fig. 2와 같은 형태를 나타내고 있다. .
연구에서 고려한 사판 플레이트 (swash plate) 의재질은 FCD600 이며 , 실린더 블록과 하우징 (housing) 의 재질은 FCD400 이며 , 밸브 플레이트 (val.,e plate) 의 재질은 SCM440 으로 기계구조용 저 합금 강재이며 , 피스톤의 재질은 SACM645 로 기계구조용 합금강재이며 , 슈의 재질은 P31CE 이며 , 축의 재질은 SNCM420H 로 재료의 물성치는 Table 1 과 같다.

이론/모형

유압 피스톤 펌프의 구조해석은 유한요소법 (FEM, finite element method) 을 기반으로 하는 ANSYS Mechanical 을 활용하여 수행한다. .

성능/효과

1. 사판의 각이 5° 일 때 , 최대 토크 (223 N·m) 에 대해 재질의 안전율 (1.49) 을 확보했고 , 구조적 안정성을 확인하였다.
2. 사판의 각이 10° 일 때 , 최대 토크 (223 N·m) 에대해 재질의 안전율 (1.23) 을 확보했고 , 구조적 안정성을 확인하였다.
3. 사판의 각이 15° 일 때 , 최대 토크 (223 N·m) 에대해 재질의 안전율 (1.57) 을 확보했고 , 구조적 안정성을 확인하였다.
119 mm 로 구조적 변형이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 그리고 하중이 전달되었을 때 펌프를 구성하고 있는 요소 중에 피스톤에 최대 응력 286 MPa 이 발생하였고 피스톤의 최대 허용응력인 450 MPa 과 비교하였을 때 안전율 1.57 을 가지는 것을 확인할 수 있다.
022 mm 로 구조적 변형이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 그리고 하중이 전달되었을 때 펌프를 구성하고 있는 요소 중에 하우징을 고정하는 부위에 최대 응력 167.52 MPa 이 발생하였고 축의 최대 허용응력인 250 MPa 과 비교하였을 때 안전율 1.49 를 가지는 것을 확인할 수 있다.
048 mm 로 구조적 변형이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 그리고 하중이 전달되었을 때 펌프를 구성하고 있는 요소 중에 하우징을 고정하는 부위에 최대 응력 203.5 MPa 이 발생하였고 축의 최대 허용응력인 250 MPa 과 비교하였을 때 안전율 1.23 를 가지는 것을 확인할 수 있다.

참고문헌 (10)

Yi, C. S., Suh, J. S., Song, C. K., Shin, Yun. J. H., and Chung. K. T., "A Study on the Flow Characteristic of Lubrication Oil System in Manual Transmission System for Large Commercial Vehicle," Journal of Korean Society for Fluid Machinery, Vol. 13, No. 6, pp. 77-82, 2010.

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Kim, D. M., Kim, S. D., Gu, J. S., and Oh, S., "Design of a Gerotor Pump and Experimental Investigation of Its Volumetric Displacement Characteristics," Journal of Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 35, No. 11, pp. 1383-1389, 2011.
Lee, J. W., Moon, J. S., Kim, J. G., Sung, K. K., and Kim, H. M., "Acoustic Structure Interaction Analysis of the Core Support Barrel for Pump Pulsation Loads," Journal of Korean Society of Mechanical Engineers C, Vol. 5, No. 2, pp. 127-134, 2011.
Choi, S. W., Lee, C. D., and Yang, S. Y., "A Study on Simulation of Piston Number for Development of Axial Piston Pump for Wheeled Armored Vehicle," Journal of Drive and Control, Vol. 16, No. 1, pp. 14-21, 2019.

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Kim, J. H., "Structural Analysis of the Valve Block of a Swash Plate-Type Axial Piston Pump," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 3, pp. 52-57, 2016.

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An, J. W., "Development of Analytical Model of Spindle and Rack Gear Systems for Knuckle Boom Crane," Journal of Drive and Control, Vol. 14, No. 2, pp. 23-29, 2017.

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Park, I. S., Jang, H., Song, C. K., and Suh, J. S., " Numerical Study on Flow Characteristic of Axial Swash-Plate Hydraulic Motor For Excavator," The spring conference of Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 237-238, 2014.
Choi, S. W., Kim, Y. S., and Yang, S. Y., "A Study on the Structural Analysis and Design Verification of Variable Swash Plate Piston Pump Case for Wheeled Armored Vehicle," Journal of Drive and Control, Vol. 16, No. 2, pp. 43-50, 2019.

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TSNE Co. Ltd., "ANSYS 14.0 Escape from the base," ver. 14.0, pp. 157, 207, 271
Yi, C. S., Jang, H., Park, I. S., and Song, C. K., "Development of Swash Plate Type Hydriodic Motor for Middle-class Excavator Driving System," Proceedings of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers Conference, pp. 118, 2013.

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