사판식 유압 피스톤 펌프의 손실해석을 위한 미끄럼 부 모델링 및 시뮬레이션 연구

Abstract

본 논문의 목적은 사판식 유압 피스톤 펌프의 미끄럼 부에서의 비선형 윤활성능을 모델링 및 시뮬레이션 하는 것이다. 미끄럼 부는 다음 3종으로 구성된다: 1. 실린더배럴 / 밸브판, 2. 피스톤 / 실린더, 3. 슬리퍼 / 사판. 개발된 수치해석 알고리즘을 사용하면 시간에 따라 변화하는 실린더압력, 회전체의 운동, 유막압력을 동시에 계산할 수 있게하여 유막의 형상과 동력손실의 시간변화를 예측할 수 있다. 기존연구들보다 더 적용성을 높이기 위해 실제 가공표면의 표면형상과 경계윤활상태를 해석에 고려하였다. 실린더/밸브판 미끄럼 부에서는 기하학적으로 완전한 평면을 가정할 경우에는 완전유체윤활로 동작하는 것이 어렵다는 것을 보이고, 가공 비정밀도에 의한 표면파형굴곡과 같은 작은 스케일의 형상오차도 유막의 형상에 지대한 영향을 줌을 보인다. 이 표면파형굴곡 오차의 다양한 형상과 무늬를 모형화하여 윤활성능을 파라미터 연구를 수행하였다. 그리고 유막에서의 최소동력손실을 달성하기 위해 표면설계를 해야함을 역설하고, 2종의 표면을 대상으로 윤활성능 비교연구를 수행하였다. 이 두 표면은 반경방향으로만 진폭의 변화가 있는 반경방향 굴곡과 각도방향으로만 진폭의 변화가 있는 각도방향 굴곡으로서, 유막압력발생 메커니즘이 상이하다. 실린더배럴/밸브판 부에서는 회전체의 안정성이나 동력손실 면에서 각도방향 굴곡의 표면설계를 추천하다. 두 번째로 피스톤/실린더 미끄럼 부에서는 피스톤에 큰 횡력이 작용하는 사판식 펌프에서는 경계윤활접촉이 빈번하게 발생함을 가정하였다. 접촉표면형상, 반력, 가상의 국부탄성변형 등을 구할 때 헤리츠 모형을 적용하여 근사값을 계산하였다. 개발된 해석툴을 사용하여 피스톤/실린더의 평균틈새, 모서리 프로파일링, 작동조건 등의 영향을 연구하였다. 마지막 미끄럼 부인 슬리퍼/사판 부는 실린더배럴/밸브판 부와 동일하게 표면이 평면일 경우에는 힘과 모멘트의 균형을 이룰 수가 없는 특징이 있지만, 슬리퍼의 운동과 고압포트와 저압포트의 주기적인 작용에 의해서 평면일 경우에도 유체윤활상태를 유지함을 보인다. 슬리퍼 표면의 다양한 형상을 고려하였을 때, 반경방향 파형굴곡의 윤활성능이 좋게 나타났다. 볼록형상 혹은 오목형상의 슬리퍼에서는 경계윤활접촉이 모두 발생하였다. 본 연구의 궁극적 목적인 펌프의 전체 동력손실의 예측을 위해서는 미끄럼 부에서의 손실을 제외하고 부차적인 손실을 단순 해석식을 수립하여 계산하였다. 유압장비를 구축하여 효율시험을 수행하여 나온 용적/토크/전체 효율 결과와 해석을 통해 구한 효율을 비교하였다. 예측된 손실은 실험값을 잘 모사하였다.