보고서 정보
주관연구기관 |
한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-03 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201600011337 |
과제고유번호 |
1415117676 |
사업명 |
글로벌전문기술개발(주력및신산업) |
DB 구축일자 |
2016-11-19
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키워드 |
복합환경.실차 재현 시험.에어 해머.6축 가진.복합환경 챔버.친환경 유압동력 발생장치.Hybrid Dynamometer.Hydrostatic actuator.
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초록
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핵심기술
- (복합환경)Hybrid Dynamometer 시험장비는 실제 차량 및 기계류 부품 작동시 입력되는 외부 환경(고온, 저온, 습도, 염수분무, 열 충격 등)요소와 동역학적 가진 현상을 충분히 모사하여 주요 구동부인 Hybrid Dynamometer, 유압 엑츄에이터, 환경챔버를 동시에 제어함으로써 실제 현장 작동 조건을 재현 할 수 있는 첨단 시험 장비임
최종목표
- (복합환경)Hybrid Dynamometer 시험장비 시스템 개발
ㆍ 단축 가진 Frequency : 65 Hz (5톤급), 6
핵심기술
- (복합환경)Hybrid Dynamometer 시험장비는 실제 차량 및 기계류 부품 작동시 입력되는 외부 환경(고온, 저온, 습도, 염수분무, 열 충격 등)요소와 동역학적 가진 현상을 충분히 모사하여 주요 구동부인 Hybrid Dynamometer, 유압 엑츄에이터, 환경챔버를 동시에 제어함으로써 실제 현장 작동 조건을 재현 할 수 있는 첨단 시험 장비임
최종목표
- (복합환경)Hybrid Dynamometer 시험장비 시스템 개발
ㆍ 단축 가진 Frequency : 65 Hz (5톤급), 60 Hz (20톤급), 50 Hz (50톤급)
ㆍ 6축 가진 Frequency : 45 Hz
ㆍ 랜덤 가진 Frequency : 7,000 Hz
ㆍ High Torque 모드 출력 : 2,030 Nm
ㆍ High Torque 모드 최대회전수 : 1,500 r/min
ㆍ 고속 제어 모드 출력 : 760 Nm
ㆍ 고속 제어 모드 최대회전수 : 4,000 r/min
ㆍ 온도 제어 범위 : -50 ℃ ~ 150 ℃
ㆍ 습도 제어 범위 : 30 % ~ 98 %
ㆍ 염수 강하율 : 0.5 ~ 3 mL/h
개발내용 및 결과
- High Frequency Hydrostatic actuator 시스템
ㆍ 부품 및 장비의 실험을 이용한 모달 시험(Experimental modal test), 부품 및 장비의 진동피로 (Vibration fatigue test)를 수행할 수 있는 대용량의 가진력을 가진 시험장비로 유압 서보 액추에이터, 진동 테이블, 방진 마운트 시스템, 저소음 대용량 유압 공급 제어장치로 구성되었으며, 블래더형 어큐물레이터를 메인 압력과 리턴 압력 라인에 각각 설치하여 충격적으로 발생하는 압력(서지압) 흡수 및 유압이 변화하더라도 항상 일정한 유압을 공급하여 고성능을 발휘할 수 있도록 최적화함
ㆍ Flapper Nozzle Type의 Servo Valve와 주파수 응답 성능이 월등히 뛰어난 Voice Coil Type의 직구동형 Servo Valve를 용도에 맞게 사용이 가능하며, 기존의 서보 액추에이터의 저마찰 씰적용대신 고체 표면 마찰에 의한 스틱 슬립 현상을 제거하여 작동부의 성능 향상을 위한 하이드로스테틱 베어링 기술을 적용한 5톤급, 20톤급, 50톤급의 Hydrostatic actuator를 개발
- 초고주파 공압 가진 시스템
ㆍ Pneumatic Hammer를 가진원으로 하여, 높은 진동 주파수의 랜덤 가진 값을 구현할 수 있는 시스템으로 Pneumatic Hammer, 진동 테이블, 마운팅 시스템, 공압 공급 및 제어 시스템으로 구성
ㆍ 공기압에 의해 Pneumatic Hammer 로드가 빠른 속도의 왕복 운동으로 진동을 발생시며, 공압 공급 및 제어 시스템을 장착하여 10~7,000 Hz, 최대 90 Grms까지 압축 공기의 공급과 가진 값의 정밀한 제어가 가능하도록 개발
ㆍ 공압 제어 시스템에 별도의 솔레노이드 밸브 모듈, 레귤레이터, Press Booster 및 탱크를 장착하여 공압 압력 조절기를 통해 토출되는 압축 공기를 바로 공압 가진 시스템에 공급되지 않고 밸브를 거쳐 운전이 되며 순간적인 정지가 가능하도록 최적화함
개발내용 및 결과
- 소형 6축 가진 시스템
ㆍ 유압시스템을 적용한 가진 시스템으로 6면체를 감싸고 있는 커버안에 6개의 서보 액추에이터가 장착되어 6자유도의 진동을 시험 대상품에 가할 수 있는 시험 시스템으로, 서보밸브가 장착되는 서보액추에이터 시스템과 상, 하, 좌, 우, 전, 후에 부착되는 6개의 커버와 서보액추에이터를 장착하는 베이스와 시스템 전체를 하부에서 지지할 수 있도록 하는 방진시스템으로 구성
ㆍ 각각의 액추에이터에 대한 정밀 제어를 위한 System ID를 활용하는 제어 기법, 최대 주파수 45 Hz의 주파수 영역을 확보하기 위한 압력 보상 기법인 반복 피드 포워드 제어 기법을 적용
- Hybrid Dynamometer 시스템
ㆍ 전기식 Dynamometer와 유압모터(유압펌프)를 기어박스에 연결하여, 두 가지 동력원을 하나의 동력으로 취합하며, 시험조건에 맞도록 고토크 혹은 고속의 조건을 전기식 Dynamometer와 유압모터(유압펌프)를 조합하여 효율적인 동력을 제공하는 시스템으로, Hybrid Type gear box, 고속, 고토크 Hydro Dynamometer, Power Split 제어 시스템으로 구성 ㆍ 전기 모터가 발휘 할 수 있는 토크에 유압 모터의 토크를 더하여 적은 동력으로 큰 토크를 발휘할 수 있는 동기제어 방식을 적용
ㆍ 전기모터와 유압펌프·모터로 구성된 Hybrid 방식 Dynamometer에 연결 축 상에서 요구되는 목표조건을 만족시키기 위해, Hybrid Dynamometer 구성요소들의 동력배분 비율을 결정하고, 유압펌프 & 모터와 Dynamometer 제어기, 그리고 그에 따른 각각의 제어 알고리즘을 작성하여, 상위 제어기에서 각각의 제어기를 동조시켜 제어 하는 동조 알고리즘을 적용하여 최적화함
- 복합환경 챔버 시스템
ㆍ 복합환경 챔버는 하나의 챔버에서 고온, 저온, 습도, 염수분무 등 초가속시험 환경 요소를 동시에 또는 각각 구현할 수 있는 시험 장비로서, 복합환경을 재현하는 챔버 본체, 이원냉각 시스템, 염수 분무 시스템, 콘덴싱 유니트(냉매 압축기), 이원냉각 시스템의 제어 컨트롤러 등으로 구성되었으며 가열, 가습 및 냉각의 최적화함. 염수분무 챔버도 밀봉성과 염무의 분사입자를 고르게 할 수 있는 전용 노즐을 추가로 제작하여 복합환경 챔버 시스템을 최적화함
ㆍ 복합환경 챔버 내부는 이원냉각 시스템에서 온도 및 습도가 조절된 순환공기를 공급하여 기본적인 온도, 습도 시험과 초순수 제조 설비 및 고순도의 염화나트륨을 사용하여 정밀한 염수분무 시험이가능하며, 이원냉각 시스템에 액체질소 냉각 시스템을 추가하여 복합으로 냉각시키는 방식으로 챔버 내부의 온도를 –50 ℃~150℃까지 온도 변화율은 고온 +7.5 ℃/min, 저온 –7.2 ℃/min, 온도 제어 정밀도는 ±0.5 ℃로 온도사이클 시험의 온도 변화율은 ±8.5℃/min으로 열충격 시험까지 가능함. 또한 각 시스템의 통합화 를 통해 온도(초저온 포함), 습도, 염수 조건 등을 동시에 재현할 수 있어 다양한 인자에 대한 환경시험을 수행할 수 있음
- 핵심기술 : 친환경 유압 공급 제어 시스템
ㆍ 압력과 유량을 액추에이터에 공급하기 위한 시스템으로, 유압 펌프, 전기 모터, 유압 필터, 배관, 유압 탱크, 전기 시스템으로 구성
ㆍ 가진 시험에서의 액추에이터 최적 성능 구현을 위해 150 kW의 유압 펌프와 전기 모터, Hybrid Dynamometer 시스템의 최적 성능 구현을 위해 187 kW의 유압 펌프와 전기 모터를 적용하여 용도에 맞게 사용이 가능함 ㆍ 기어박스에 공급되는 유압원에 대해 과부하 고속 조건에서도 내구성을 유지할 수 있도록 기어박스 윤활용 유압동력 발생장치를 장착하였으며, 오일탱크에서 펌프의 소음을 감소시키고, 구동 모터 송풍팬의 소음 등을 차폐시키고 진동을 저감할 수 있는 방음재가 부착된 방음 챔버를 적용함
기술개발 배경
- 과거와는 달리 진보된 기계 기술력으로 인하여, 단순한 기계 장비의 고장 발생은 현저하게 줄었으나, 복합적인 외부 환경요건 변화에 따른 기계시스템의 고장 현상이 늘어나고 있는 추세이며, 제품의 높은 신뢰성을 확보하기 위해서 단순한 반복 작동의 내구시험을 탈피하여, 제품의 운용시 노출되는 환경 인자를 고려한 복합 환경 내구 시험이 자동차산업 분야와 항공우주산업분야를 중심으로 하여 전 세계적으로 대두되고 있음
- 유압식 가진기 및 진동시험장비, 복합 환경 시험장비, Dynamometer를 이용한 구동계통의 내구 시험 및 성능 시험시스템의 경우 전량 선진 외국제품을 사용하고 있으며, 장비도입시 많은 비용이 소요됨은 물론, 장비의 사용 및 유지보수를 위해 많은 시간과 비용이 발생 되고 있음. 국내 복합 환경(고온, 저온, 습도, 진동, 염수) Dynamometer 시스템을 구축 하고 있는 기관이 거의 전무한 상태로서, 기업들의 장비 활용 필요시 미국, 독일, 일본등 외국의 시험 설비에 의존 하고 있으며, 이로 인해 발생되는 많은 양의 외화의 유출과, 국내 제품의 기술력 및 Know-How가 외국 시험기관등을 통해 유출되고 있는 실정임
- 그러나, 아직까지 국내에서는 실제 차량이 주행 시 차량으로 입력되는 외부 환경요소(고온, 저온, 습도, 염수, 열 충격 등)와 동역학적 진동 신호를 충분히 모사해 줄 수 있는 유압 액츄에이터를 이용한 복합 환경 시뮬레이터의 설계와 기구학적 해석 및 동특성에 대한 연구와 시험장비 개발은 아직 기대에 미치지 못하고 있는 실정임
핵심개발 기술의 의의
- 복합 환경 장비, 유압식 가진 시험장비, 진동시험장비, Dynamometer를 이용한 구동계통의 내구 시험 및 성능 시험 장비 등의 국산화에 이바지 하여, 전량 수입에 의존하던 가진 및 진동 시험 시스템의 무역구조를 바꿀 수 있으며, 시험 시스템 및 복합 환경에 대한 기술력 확보 및 축적을 통해, 외국기업으로부터 시험 유치와 시험장비 수출 등 을 기대함
- (복합 환경) Hybrid Dynamometer개발을 통해 다양한 환경인자를 부여한 내구 시험 및 성능시험을 실시 할 수 있으며, 현재까지 밝혀내지 못했던 기계 시스템 의 정확한 성능 및 고장원인 파악, 분석 등을 통해 제품의 신뢰성 향상에 이바지할 수 있을 것으로 사료 됨. 또한, 국내 가진, 진동, 피로 시험 시스템 시장의 국산화 및 시장 확대에 이바지 할 것으로 기대됨
적용 분야
차량용 Road Simulator, 항공기 주요 구성품 피로시험, 일반 산업 분야의 액추에이터 제어기술, 시험장비 산업 분야, Real Time Control 시스템 분야 등에 적용
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