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문제 정의
- 본 연구에서는 현재까지 정확한 수치가 제시되지 않고 있는 플런저 펌프의 플런저 와 실린더 사이 간극에서의 압력을 실험적 으로 측정하여 수치 계산적으로 해석된 압력 분포 결과[6] 비교·검증하여 해석의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 간극과 토출 압력, 회전속도 그리고 작동 오일의 점도 등의 운전조건에 따른 플런저와 실린더 사이 간극에서의 압력 변화를 측정하였으며 해석 결과와 비교하여 ZL 경향의 신뢰를 바탕으로 플런저에 작용하는 측력과 압력에 의한 힘, 마찰력 그리고 점성력 등을 계산하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 현재까지 정확한 수치가 제시되지 않고 있는 플런저 펌프의 플런저 와 실린더 사이 간극에서의 압력을 실험적 으로 측정하여 수치 계산적으로 해석된 압력 분포 결과[6] 비교·검증하여 해석의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 간극과 토출 압력, 회전속도 그리고 작동 오일의 점도 등의 운전조건에 따른 플런저와 실린더 사이 간극에서의 압력 변화를 측정하였으며 해석 결과와 비교하여 ZL 경향의 신뢰를 바탕으로 플런저에 작용하는 측력과 압력에 의한 힘, 마찰력 그리고 점성력 등을 계산하였다. 이러한 연구는 유압펌프의 누설유량 예측 및 효율향상을 위한 연구에 결정적인 기여를 할 것으로 예상되므로 그 기초가 되는 간극에서의 정확한 압력분포를 측정하는 것은 매우 중요한 의미를 가진다고 생각된다.
- 토출 압력과 모터의 회전수 그리고 작동 오일의 점도를 변화시켜 가면서 10~20㎛의 간극을 갖는 플런저와 실린더 사이 유막에서 발생하는 압력을 측정하였다. 전체 실험 장치의 개략적인 구성이 Fig.
- 토출 압력과 모터의 회전수 그리고 작동 오일의 점도를 변화시켜 가면서 10~20㎛의 간극을 갖는 플런저와 실린더 사이 유막에서 발생하는 압력을 측정하였다. 전체 실험 장치의 개략적인 구성이 Fig. 1에 나타나 있는데, 실험 방법은 우선 파워팩(power pack)을 이용하여 일정 압력을 실린더 내부에 유지시키면 플런저는 하사점에 위치하게 되고 이 때, 모터를 구동시켜서 캠의 작용에 의해 플런저가 왕복 행정을 수행하게 하여 플런저와 실린더 사이의 유막에서 발생하는 압력을 측정하는 것이다. 전체 부하 릴리이프 밸브의 압력은 토출부에서의 압력 측정값을 이용하여 설정하였는데, 80~200bar를 범위로 하였으며 회전속도는 1,000~3,000rpm이었고, 작동 오일의 점도는 80~ 180cSt로 하였다.
- 실험장치에 사용된 모터는 5HP 삼상 유도 전동기이며 전용 컨트롤러를 사용하여 회전 속도를 조절하였고 실린더 주위의 압력 측정점으로부터 플런저와 실린더 사이의 유막에서 발생하는 압력을 측정하였는데, Photo 1에 실험장치의 구성과 측정점의 번호가 나타나 있다. 압력 센서는 piezoelectric pressure transducer를 사용하였고 T-type 열전대로 오일의 온도를 측정하여 작동 중의 정확한 점도를 알아내었다.
- 실험장치에 사용된 모터는 5HP 삼상 유도 전동기이며 전용 컨트롤러를 사용하여 회전 속도를 조절하였고 실린더 주위의 압력 측정점으로부터 플런저와 실린더 사이의 유막에서 발생하는 압력을 측정하였는데, Photo 1에 실험장치의 구성과 측정점의 번호가 나타나 있다. 압력 센서는 piezoelectric pressure transducer를 사용하였고 T-type 열전대로 오일의 온도를 측정하여 작동 중의 정확한 점도를 알아내었다.
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2.2 예비 실험
실험에서는 플런저의 복귀를 위해서 일정 압력을 실린더 내부의 간극 체적(clearance volume)에 작용시키고 있으므로 하사점에서의 압력을 보정하기 위하여 예비 실험을 통해서 각 측정점에 작용하는 압력을 알아내었고 그 결과가 Fig. 2에 나타나 있다. 측정 점이 상사점에서 멀어질수록 최초 작용 압력이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 다양한 속도로 모터를 회전시키면서 실험을 수행하였고 500~l,500rpm까지의 범위에서, 플런저의 길이 방향으로 한가운데에 위치한 플런저와 실린더 사이 유막에서 발생하는 압력의 분포를 Fig. 6에 나타내었다. 실선으로 표시된 것은 모터의 회전수가 500rpm으로 매우 낮은 경우이며, 상대적으을 감소시킬 것이라고 생각할 수 있었다.
- 12와 13에 나타나 있다. 작동 오일의 압축성과 압력에 의한 점도 변화[6]를 고려하였고 플런저의 전진에 따른 오일의 압축에 의하여 토출부에서 발생하는 압력에 의한 힘으로 무차원화하였다. Figure 12에서 토출 설정 압력이 600bar인 경우, 오일의 토출이 시작되는 캠의 회전각 40° 이후에서는 모터에 의한 구동력이 토출부 압력에 의하여 발생하는 힘과 균형을 이루었으며, 플런저 주변의 압력 불평형으로 인하여 발생하는 측력은 플런저의 최대속도가 나타나는 90° 이후 에서 점차 줄어들어가는 것을 볼 수 있었고 실린더와 플런저의 접촉점에서 발생하는 접촉력과 상쇄되는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구를 통하여 플런저와 실린더 사이의 간극, 토출압력 및 회전수 그리고 작동 오일의 점도 변화에 대한 플런저와 실린더 사이의 유막에서 발생하는 압력 분포를 실험적으로 측정하였고 해석으로 얻어진 압력 분포 결과와 비교 및 검증을 수행하였다.
이론/모형
- 작용력은 ADI 방법으로 구한 압력분포를 이용하여 계산하였으며, 그 결과가 Fig. 12와 13에 나타나 있다. 작동 오일의 압축성과 압력에 의한 점도 변화[6]를 고려하였고 플런저의 전진에 따른 오일의 압축에 의하여 토출부에서 발생하는 압력에 의한 힘으로 무차원화하였다.
성능/효과
- 2에 나타나 있다. 측정 점이 상사점에서 멀어질수록 최초 작용 압력이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 진하게 표시된 긴 점선은 상대적으로 고점도 인 경우이며, 저점도인 짧은 점선에 비하여 압력이 높게 형성되는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 점도가 낮을수록 플런저와 실린더 사이의 간극을 통하여 누설되는 오일의 양이 많아진다는 것을 알 수 있었다.
- 토출 설정 압력이 높을수록 압력의 피크가 상대적으로 작게 형성되는 것을 볼 수 있으며 발생하는 최고 압력도 토출 설정 압력에 비하여 낮아지는 것을 알 수 있다. 실험 결과로부터 160bar이상의 고압 운전 조건에서 작동오일의 점도가 80cSt으로 비교적 묽은 경우에는 누설되는 오일의 양이 많아진다고 생각할 수 있었다.
- 9에 실험과 계산을 통하여 얻어진 압력분포 결과를 나타내었다. 수치해석에서 얻어진 결과는 캠의 회전이 90° 부근에 이르렀을 때, 토출부에서 먼 쪽에 위치한 플런저와 실린더 사이의 간극에서 압력의 상승 효과가 두드러진다는 것이었다. 실험을 통하여서는 플런저의 중심부 간극에서 압력의 증가폭이 큰 것으로 나타났는데, 플런저의 헤드에 가까운 영역에서는 누설에 의하여 압력의 증가가 둔한 것으로 생각할 수 있었고 상대적으로 외부 대기압의 영향이 적은 플런저의 중심부 간극에서는 해석과 마찬가지로 압력의 증가폭이 크게 나타난 것을 알 수 있었다.
- 수치해석에서 얻어진 결과는 캠의 회전이 90° 부근에 이르렀을 때, 토출부에서 먼 쪽에 위치한 플런저와 실린더 사이의 간극에서 압력의 상승 효과가 두드러진다는 것이었다. 실험을 통하여서는 플런저의 중심부 간극에서 압력의 증가폭이 큰 것으로 나타났는데, 플런저의 헤드에 가까운 영역에서는 누설에 의하여 압력의 증가가 둔한 것으로 생각할 수 있었고 상대적으로 외부 대기압의 영향이 적은 플런저의 중심부 간극에서는 해석과 마찬가지로 압력의 증가폭이 크게 나타난 것을 알 수 있었다. 그리고, 토출부에 가까운 간극에서의 압력 증가 경향은 실험과 해석의 결과가 일치하는 것을 볼 수 있었다.
- 실험을 통하여서는 플런저의 중심부 간극에서 압력의 증가폭이 큰 것으로 나타났는데, 플런저의 헤드에 가까운 영역에서는 누설에 의하여 압력의 증가가 둔한 것으로 생각할 수 있었고 상대적으로 외부 대기압의 영향이 적은 플런저의 중심부 간극에서는 해석과 마찬가지로 압력의 증가폭이 크게 나타난 것을 알 수 있었다. 그리고, 토출부에 가까운 간극에서의 압력 증가 경향은 실험과 해석의 결과가 일치하는 것을 볼 수 있었다.
- Figure 10에는 캠의 회전, 즉 플런저의 전진에 따른 플런저와 실린더의 중심부 간극 에서의 압력 변화가 나타나 있다. 해석에서는 전체 행정의 12% 정도가 진행된 캠의 회전이 40° 부근인 영역에서 토출부는 설정압력에 도달하여 오일의 토출이 시작되어 압력이 점차 감소하는 것을 보여주고 있다. 실험 결과의 도시는 초기 공급압력의 크기를 제외한 것이며, 캠의 회전각 100°까지는 해석 결과와 마찬가지로 압력의 증가와 더불어 피크 압력이 발생하고 점차 압력이 감소하는 경향을 보이면서 잘 일치하고 있으며, 해석에서 나타난 플런저의 기울어짐의 정도에 따라 쐐기 효과에 의한 압력증가 경향이 강하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
- 해석에서는 전체 행정의 12% 정도가 진행된 캠의 회전이 40° 부근인 영역에서 토출부는 설정압력에 도달하여 오일의 토출이 시작되어 압력이 점차 감소하는 것을 보여주고 있다. 실험 결과의 도시는 초기 공급압력의 크기를 제외한 것이며, 캠의 회전각 100°까지는 해석 결과와 마찬가지로 압력의 증가와 더불어 피크 압력이 발생하고 점차 압력이 감소하는 경향을 보이면서 잘 일치하고 있으며, 해석에서 나타난 플런저의 기울어짐의 정도에 따라 쐐기 효과에 의한 압력증가 경향이 강하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 실험 결과에서 나타난 초기 압력 증가폭이 작은 것은 작동오일에 기본적으로 포함되어 있는 공기의 압축에 의한 영향을 해석에서는 고려하지 않았기 때문이며, 캠의 회전각 100° 이후의 영역에서 압력이 계속적으로 증가하는 것은 실험에서 사용한 릴리프 밸브의 응답속도가 다소 원활하지 못하여, 해석에서 나타난 바와 같이 플런저의 기울어지는 양이 줄어들 때에 토출부로 향하던 오일이 간극으로 역류하였기 때문인 것으로 생각되었다.
- 그러나 실험 결과에서 나타난 초기 압력 증가폭이 작은 것은 작동오일에 기본적으로 포함되어 있는 공기의 압축에 의한 영향을 해석에서는 고려하지 않았기 때문이며, 캠의 회전각 100° 이후의 영역에서 압력이 계속적으로 증가하는 것은 실험에서 사용한 릴리프 밸브의 응답속도가 다소 원활하지 못하여, 해석에서 나타난 바와 같이 플런저의 기울어지는 양이 줄어들 때에 토출부로 향하던 오일이 간극으로 역류하였기 때문인 것으로 생각되었다. 그리고, 토출 과정이 충분히 진행된 캠의 회전각 160° 이후에서는 해석과 마찬가지로 압력의 감소가 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 플런저의 속도가 가장 빠른 압축 행정 중기에는 토출부에서 비교적 먼 쪽의 간극에서 순간적인 압력의 피크가 형성되는 것을 실험적으로 볼 수 있었고 해석을 통하여서도 그와 같은 현상을 발견할 수 있었으나 그 위치에서는 다소 차이가 있었다. 이것은 실험장치를 통하여 누설되는 오일이 간극에서의 압력 감소에 영향을 준 것으로 생각할 수 있었고 상대적으로 누유에 의한 영향이 적은 플런저 중심부의 간극에서 실험을 통하여 측정된 압력이, 펌프 가공의 정밀도 를 이상적으로 가정하여 누설량이 적다고 본 해석에서의 플런저 헤드에 가까운 부분의 압력에 해당한다고 생각할 수 있으며 이와 같은 조건 하에서 실험과 해석의 결과는 잘 일치한다고 볼 수 있었다.
- 플런저의 속도가 가장 빠른 압축 행정 중기에는 토출부에서 비교적 먼 쪽의 간극에서 순간적인 압력의 피크가 형성되는 것을 실험적으로 볼 수 있었고 해석을 통하여서도 그와 같은 현상을 발견할 수 있었으나 그 위치에서는 다소 차이가 있었다. 이것은 실험장치를 통하여 누설되는 오일이 간극에서의 압력 감소에 영향을 준 것으로 생각할 수 있었고 상대적으로 누유에 의한 영향이 적은 플런저 중심부의 간극에서 실험을 통하여 측정된 압력이, 펌프 가공의 정밀도 를 이상적으로 가정하여 누설량이 적다고 본 해석에서의 플런저 헤드에 가까운 부분의 압력에 해당한다고 생각할 수 있으며 이와 같은 조건 하에서 실험과 해석의 결과는 잘 일치한다고 볼 수 있었다.
- 수치 해석을 통하여 계산된 압력 분포를 바탕으로 플런저에 작용하는 각종의 힘 성분들을 분석할 수 있었으며, 플런저 주위의 압력 불평형으로 인하여 발생하는 측력은 토출부 설정 압력에 비례하는 것을 확인할 수 있었고 토출이 시작된 후에는 압력 불평형의 해소에 따라 감소하는 것을 알 수 있 었다.
- 마찰력과 점성력은 상대적으로 그 영향이 적었으나 플런저와 실린더가 접촉하는 영역에서는 비교적 큰 마찰력이 나타났고, 플런저의 기울어진 정도와 그 경향이 일치하였다. 레이디얼 타입 플런저 펌프에서 캠과 플런저 헤드가 접촉하는 구동부에서의 접촉점의 변화로 플런저가 기울어지는 것은 피할 수 없는 현상이며 특히, 과대한 토출압에서의 운전은 그에 비례하는 측력을 발생시키고 플런저와 실린더 사이의 접촉점에서 매우 심각한 마찰력의 원인이 되어 유압 요소들간의 직접적인 접촉이 일어나는 혼합윤활조건이 될 수 있으므로 윤활의 관점에서는 매우 좋지 않으며 아울러 효율의 저하를 예상할 수 있으므로 신중히 고려하여야 한다.
- 간극이 상대적으로 큰 20㎛인 경우에는 토출부 압력의 영향이 측정점인 플런저의 중심부에까지 크게 미치는 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과는 간극을 따라 흐르는 오일의 양이 많다는 것을 의미하며, 따라서 플런저의 기울어짐이 최대인 90° 부근에서의 압력 상승 효과도 두드러지게 나타난다는 것을 보여준다. 간극이 작은 경우에는 간극을 따라 흐르는 오일의 양이 적으며, 플런저의 기울어짐에 따른 쐐기 효과에 의한 압력 상승량도 적다는 것을 나타내고 있다.
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