Analysis of Drifter's Critical Performance Factors Using Its Hydraulic Analysis Model

드리프터 유압 해석모델을 활용한 성능격차 유발 인자 접근 사례

노대경¹･ 서자호²･ 박진선²･ 박승현³･ 장주섭^4†

Analysis of Drifter’s Critical Performance Factors Using Its Hydraulic Analysis Model

Dae-Kyung Noh ･ Jaho Seo ･ Jin-Sun Park ･ James Park ･ Joo-Sup Jang

ABSTRACT

Drifter is equipment which is hard to localize. Performance of prototype hasn't performed well compared to product of leading companies even though advanced foreign firm's product were dead copied. This study shows cases of approaching the factor which produces performance gap through drifter hydraulic analysis model which is core component of rock drill. Progression of procedure is following. 1) Securing reliability of the analysis model by comparing impact test result with analysis result. 2) Drawing a graph which indicates performance gap between prototype and drifter of advanced foreign firm by using analysis model. 3) Approaching the factor which produces performance gap with analysing variable of the analysis model. Software used for this analysis is SimulationX.

Key words : Rock drill, Drifter, Surface roughness, Damper, Impact frequency, Impact energy

요 약

드리프터는 국산화개발에 어려움을 겪고 있는 장비이며, 외국선진사의 제품을 데드카피 하여도 시제품의 성능이 뒤떨어지 는 현상이 발생하여 왔다. 본 논문은 천공기의 핵심부품인 드리프터의 해석모델을 활용하여 성능격차를 유발하는 요소를 분석 하는 사례를 보여준다. 진행절차는 다음과 같다. 우선, 타격시험을 수행하여 해석모델의 신뢰성을 확보한다. 그리고 해석모델을 활용하여 외국선진사 제품과 시제품의 성능비교그래프를 도출한다. 마지막으로 해석모델의 변수를 분석하여 성능격차를 유발 하는 인자에 접근한다. 사용된 소프트웨어는 독일 ITI사에서 개발된 SimulationX이다.

주요어 : 천공기, 드리프터, 표면조도, 댐퍼, 타격주파수, 타격에너지

* 본 연구는 중소기업청 중소기업기술혁신사업과제의 지원에 의해 수행되었음.

접수일(2014년 7월 15일), 심사일(2014년 8월 12일), 게재 확정일(2014년 9월 15일)

1)가천대학교 대학원 기계공학과

2)한국기계연구원 시스템신뢰성연구실

3)필엔지니어링

4)가천대학교 기계공학과 주 저 자: 노대경 교신저자: 장주섭 E-mail; jjs1@gachon.ac.kr

1. 서 론

현재 세계적으로 어떠한 공학적 메커니즘이 포함된 제 품을 개발 할 때 CAE(Computer Aided Engineering)를

적극적으로 활용하고 있는 추세이다. 특히 외국 선진사의 고도기술이 적용된 부품을 분석하는 용도로 많이 활용되 며, 이러한 분석은 곧 국내 기술의 발전을 가져다준다고 할 수 있다.

본 논문에서 다루는 드리프터는 대표적 건설장비중 하 나인 천공기의 핵심부품이며 반복타격과 회전으로 암반 을 파쇄하게 도와주는 역할을 한다(Oh et al., 2013). 외 관은 Fig. 1과 같으며 셔틀밸브와 타격피스톤, 댐퍼로 구 성되어 있다. 이와 유사한 반복타격 메커니즘을 가진 유 압 브레이커에 비해 타격주파수가 높기 때문에 이러한 움 직임을 구현하기가 쉽지 않아 국산화 개발에 많은 어려움 을 겪어왔다(Noh et al., 2014b). 이러한 어려움을 겪다보 니 친환경적 연구(Kim et al., 2006)까지 진행되고 있는

Fig. 1. Drifter’s structure and main components

Fig. 2. Simulation model of drifter

드리프터는 연구가 미진한 실정이다(Shin et al., 2011b).

고주파영역에서 타격이 가능한 드리프터를 개발하기 위 해서는 신뢰성이 확보된 동역학 해석모델로 고주파 타격 이 가능한 이유를 밝혀내야한다.

본 연구에서는 외국 선진사의 드리프터를 모방한 시제 품을 제작하여 시험과 시뮬레이션을 병행하며 성능격차 를 유발하는 인자들을 규명할 것이다. 연구의 진행절차는 다음과 같다.

1) 시제품을 제작하여 타격시험을 수행한다.

2) 시험결과와 해석결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성 을 확보한다.

3) 신뢰성이 확보된 외국 선진사의 해석모델과 시제품의 해석모델을 동일한 조건에서 해석하여 성능비교 그래 프를 도출한다.

4) 해석모델의 변수 특성을 분석하여 성능격차를 유발하 는 인자를 규명한다.

해석에 사용된 해석도구는 독일 ITI사에서 개발된 상 용소프트웨어인 SimulationX이다.

2. 타격시험 및 해석모델의 신뢰성 검토

본 연구에 사용된 해석모델은 Fig. 2에 나타내었으며, 셔틀밸브와 타격피스톤을 실제 가공도면을 기준으로 하 여 모델링하였다. 작동유의 유동에 의한 물리적인 변화를 다각도로 확인 할 수 있는 동역학 해석모델이다.

셔틀밸브는 스풀 양단의 압력 차이를 감응하여 작동유 가 흘러가는 방향을 변환시켜주는 역할을 한다. 타격피스 톤의 수압면적과 유로를 공유하기 때문에 결국 셔틀밸브 와 타격피스톤은 종속되어 움직인다. 셔틀밸브가 우측으 로 이동하면 타격피스톤을 상승시키는 방향(우측)의 수압 면적으로 유로가 개방되어 타격을 준비하게 된다. 타격피 스톤의 상승이 완료되면 셔틀밸브 스풀의 우측에 작동유 가 흘러들어가서 스풀을 좌측으로 밀어주며 유로를 전환 시킨다. 전환된 유로는 타격피스톤의 하강방향(좌측)의 수압면적과 연결되어 있기 때문에 타격동작을 수행하게 된다. 작동유가 공급되는 조건에서 이러한 사이클은 끊임

Fig. 3. Test bench setup

(a) Impact frequency

(b) Impact energy/blow

(c) Power

Fig. 4. Comparing test result with analysis result

댐퍼는 타격동작 직후 드리프터의 하우징으로 전달되 는 반발력을 감쇠하여 내구도의 하락을 방지시켜준다고 알려져 있다(Oh et al., 2011). 하지만 내구성 이외의 부 분(동역학적 성능)에는 어떤 영향을 미치는지는 정확히 알려진 바가 없다. 댐퍼의 유무에 따른 동적성능의 변화 를 확실하게 알아보기 위해 외국 선진사의 제품을 모방하 여 제작한 시제품에는 댐퍼는 적용하지 않았다.

2.1 타격시험장치의 구성

기 개발된 해석모델의 신뢰성을 판별하기 위해 타격시 험을 수행하였으며 장치의 구성은 Fig. 3과 같다. 제어반 (Control Unit)에서 공급압력을 가감시켜가며 드리프터의 동적거동을 확인하였다.

드리프터의 성능평가 기준이자 해석모델의 신뢰성 판 별 기준은 타격주파수, 타격에너지, 총 출력이다(Shin et al., 2011a). 타격에너지와 타격주파수는 압력센서를 통해 감지되는 공급압력이 안정화가 되었을 때 각각 25사이클 과 5사이클의 평균값으로 산출했다(Choi et al., 2009; Park et al., 2007). 공급압력의 안정화 기준은 드리프터가 거동 할 때 실제 계측되는 압력맥동의 변동 폭이 5%이내에 들 어오는 구간을 기준으로 삼았다. 공급압력이 안정화되었 다는 것은 드리프터의 동적거동에 있어서 일정한 입력조 건을 부여한 다는 의미가 된다. 이러한 조건에서 드리프 터의 로드를 타격판(Plate)에 완전히 밀착시킨 상태를 유 지하게 된다면 타격에너지의 손실까지 최소화할 수 있다. 즉, 공급압력의 안정화와 타격판과 로드의 완전한 밀착상 태만 유지된다면 다수의 반복시험을 수행하지 않아도 시 험결과의 신뢰성 확보가 가능하다는 장점을 갖는다.

2.2 해석모델의 신뢰성 검증

기존 연구에서 이미 외국 선진사의 드리프터 해석모델에 대한 신뢰성 확보를 해 놓은 상태이다(Noh et al., 2014a).

그러므로 국내 시제품의 해석모델에 대해서만 신뢰성을 확 보해야 하며, 신뢰성 평가기준인 타격주파수, 타격에너지, 총 출력에 대한 시험과 해석 결과의 비교를 Fig. 4에 나타 냈었다. 여기서 타격주파수는 타격피스톤의 변위를 FFT

Table 1. Relative tolerance table

[bar]

190.3 [bar]

228.7 [bar]

Impact frequency 2.63 % 1.07 % 2.80 % Impact energy/blow 0.48 % 8.54 % 6.20 % Power 2.12 % 9.71 % 8.85 %

(a) Kinetic energy

(b) Impact frequency

Fig. 5. Comparative simulation results between models of

(Fast Fourier Transform)하여 얻은 결과이다.

Table 1은 시험결과와 해석결과의 상대오차를 나타낸 것이다. 타격주파수에 비해 타격에너지의 상대오차가 큰 모습을 보여준다. 이는 타격시험에서는 타격피스톤이 타 격판을 가격해야 스트레인게이지(strain gage)를 통해 타 격에너지를 측정 할 수 있지만, 해석도구 상에서는 타격 피스톤의 운동에너지의 최곳값을 타격에너지로 취하기 때문이다. 즉, 시험결과의 타격에너지는 위상차를 동반하 기 때문에 타격주파수에 비해 오차가 큰 편이다. 총 출력 은 타격에너지와 타격주파수의 곱셈의 형태이기에 상대 적으로 오차가 큰 타격에너지에 영향을 받은 모습을 보여 준다.

본 연구에 사용된 시제품 해석모델의 평균상대오차는 타격주파수가 2.17 %, 타격에너지는 5.07 %, 총 출력이 6.89 %이다. 과거 국내 유사연구사례(Shin et al., 2011a) 에서 제안되었던 타격기와 해석모델의 타격주파수와 타 격에너지에 관한 상대오차는 각각 6.2 %와 8.7 %였었다.

이는 한 개의 공급 조건에서만 측정된 오차이나 본 연구 에서는 그보다 확장된 3개의 공급조건에 비교를 수행하였 다. 본 해석모델의 상대오차는 3개의 공급조건 모두 제안 된 상대오차 범위 내에 있으므로 높은 신뢰성을 갖는다.

3. 성능격차 유발 인자 분석

외국선진사의 드리프터와 자체 제작한 시제품은 타격 시험조건이 다르다. 그렇기 때문에 명확한 성능의 비교를 위해서는 신뢰성이 확보된 해석모델로 동일한 조건에서 해석하는 절차가 반드시 필요하다. 해석조건은 드리프터 의 사용압력 범위인 180 bar부터 260 bar까지 20 bar간격 으로 진행하였다.

3.1 성능비교해석

Fig. 5는 공급압력별 타격주파수와 타격에너지에 대한 해석 결과이고, 이것을 취합하면 Fig. 6으로 나타낼 수 있 다. 시제품의 타격주파수는 외국선진사 제품에 비해 공급

압력이 180 bar 조건일 때 19.67 %의 성능차이가 나고 260 bar 조건일 때 19.73 %의 성능차이가 난다. 즉, 타격 주파수는 공급압력이 증가할수록 성능격차가 약간 심화 된다고 할 수 있다.

반면 타격에너지는 180 bar 조건일 때 5.81 %의 성능 차이가 나고 260 bar 조건일 때 5.03 %의 성능차이가 난 다. 결국 총 출력은 타격에너지와 타격주파수의 곱셈의

(a) Impact frequency

(b) Impact energy/blow

(c) Power

Fig. 6. Comparative simulation results between models of

Fig. 7. Parameters to affect the impact energy

Fig. 8. Spool diameter parameter in shuttle valve model

고압조건에서 성능격차가 좁혀지는 경향을 보인다.

3.2 성능격차를 유발하는 주요 변수 도출

외국선진사 제품과 시제품의 구조적인 차이는 댐퍼의 유무이다. 그럼에도 불구하고 타격주파수와 타격에너지에 큰 차이가 나타나는 것을 시험과 해석을 통해 확인하였다. 이러한 성능격차를 나타내는 이유는 두 해석모델의 변수 를 비교해보면 알 수 있다.

Fig. 7은 타격에너지에서 차이를 유발하는 변수이다.

두 드리프터는 셔틀밸브의 치수와 타격피스톤의 치수, 유 로 형상과 체적 등이 모두 동일함에도 타격에너지에서 차 이가 난다. 이는 유량계수(Flow Coefficient)에 차이가 난 다는 것을 말하며, 실제 물리계에서는 가공품의 표면조도 에서 차이가 난다는 것을 의미한다. 즉, 외국선진사의 제 품은 셔틀밸브의 스풀과 타격방향의 유로가 매끄럽게 잘 가공되었으나 시제품은 그렇지 못하다는 것이다. 외국과 국내는 보유한 가공장비에서부터 차이가 나기 때문에 동 일한 표면조도를 확보하는 것은 불가능에 가깝다. 그렇기 때문에 Fig. 8과 같이 셔틀밸브 스풀의 크기를 확장하는

Fig. 9. Variation of impact energy per blow with respect

Fig. 10. Parameters to affect the impact frequency

Fig. 11. Force transmission in drifter during drilling

것이 바람직하다고 판단된다. Fig. 9는 셔틀밸브 스풀의 크기를 확장하였을 때 해석도구 상 타격에너지의 변화이 다. 스풀의 확대로 타격에너지의 상승이 가능함을 증명해 준다.

Fig. 10은 타격주파수에서 차이를 유발하는 변수이다.

타격주파수는 유량계수에 영향을 많이 받을 것이라고 생 각하고 접근하였으나 외국선진사 해석모델의 유량계수를 1로 설정해도 시험의 타격주파수를 따라가지 못하는 것을 확인하였다. 유량계수가 1이라는 것은 형상과 표면조도에 의해 유량손실이 일어나지 않음을 얘기한다. 현실적으로

불가능한 이상적인 조건임에도 해석의 타격주파수가 실 제 시험의 타격주파수를 못 따라오는 것은 유량계수가 아 닌 다른 요소에 절대적인 영향을 받는다는 것이다. 그래 서 고려된 변수가 반발계수이다. 반발계수는 타격피스톤 이 타격동작을 수행한 직후 타격피스톤의 복귀 방향으로 작 용하는 힘과 밀접한 관련이 있다. 댐퍼가 존재하지 않 는 시제품은 타격 직후 섕크어답터(Shank adapter)로부터 전달되는 반발력이 타격피스톤에 잠깐 머물다가 하우징 과 재 충돌이 일어나 반발력의 작용이 끊어지게 된다. 하 지만 댐퍼가 존재하면 하우징에 받는 반발력은 댐퍼의 감 쇠작용에 의하여 흡수되고 타격피스톤에 반발력이 집중 된다. 이러한 반발력의 작용을 나타낸 것이 Fig. 11이며 타격피스톤에 반발력이 집중되면 타격 후 복귀시간이 단 축되기 때문에 고주파타격이 가능해지는 것이다. 이러한 댐퍼로 인한 타격주파수 상승효과는 실제 천공작업 시 연 암(soft rock)을 타격할 때보다 강암(hard rock)을 타격할 때 도드라질 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 논문에서는 드리프터의 동적성능을 지배하는 요소 를 시험과 해석을 병행하여 도출하였다. 그 성과를 요약 하면 다음과 같다.

1) 타격에너지는 유로와 스풀의 표면조도에 영향을 받으 며, 외국선진사 제품과 동일한 표면조도의 확보가 어 려우면 셔틀밸브 스풀 크기의 확장을 통해 타격에너지 상승이 가능하다.

2) 드리프터에 댐퍼가 존재하면 하우징에서의 반발력은

흡수시키고, 타격피스톤에 반발력을 집중시킬 수 있 다. 이를 통해 타격피스톤의 복귀시간을 단축시켜 고 주파영역에서의 타격을 가능하게 한다.

References

1. J. Y. Oh, J. Y. Park, J. W. Cho, H. S. Kang and G. H.

Lee “Influence of Design Parameters on the Percussion Performance of a Hydraulic Percussion Drifter”, Spring Conference of Korean Society of Precision Engineering KSPE, pp. 981-982, 2013.

2. J. Y. Oh, G. H. Lee and C. S. Song “A Study on the Analysis of Hydraulic Circuit of a Rockdrill Drifter”, Spring Conference of Korea Society of Fluid Power &

Construction Equipments, KSFC, pp. 70-75, 2011.

3. D. Y. Shin and K. B. Kwon “A Study on Performance Optimization of a Hydraulic Breaker”, journal of Korea Society of Mechanical Engineers, KSME, A Vol. 35, No.

6, pp. 677-682, 2011a.

4. S. Choi and H. W. Chang “Performance Improvement of an Integrated-type Fully-Hydraulic Breaker by Sensitivity Analysis”, journal of Korea Society of Fluid Power &

Construction Equipments, KSFC, Vol. 6, No. 1, pp. 17-24, 2009.

5. J. W. Park, K. W. Lee and H. E. Kim “A Study On the Analysis Of Impact Strain for Hydraulic Breaker Chisel”, journal of Korea Society of Fluid Power & Construction Equipments, KSFC, Vol. 4, No. 4, pp. 21-27, 2007.

6. D. K. Noh, J. S. Jang, S. H. Park, J. S. Park, H. S. Kim

and J. H. Seo “Developing drifter hydraulic system analysis model”, Spring Conference of Korea Society of Fluid Power & Construction Equipments, KSFC, pp.

119-123, 2014a.

7. D. K. Noh, J. S. Jang, J. H. Seo, H. S. Kim and S. H.

Park “Development of drifter’s hydraulic system model and its validation ”, journal of Korea Society of Fluid Power & Construction Equipments, KSFC, Vol. 11, No. 3, pp. 14-21, 2014b.

8. B. S. Kim, M. G. Kim, D. W. Byun, S. M. Lee and S.

H. Lee “A Study on the Structure Improvement of Bracket Housing for Structural Noise and Vibration Reduction in Hydraulic Breaker”, journal of Korean Society of Precision Engineering KSPE, Vol. 23, No. 11, pp. 108-115, 2006.

9. D. Y. Shin, K. B. Kwon, K. W. Lee and H. S. Choi

“Summary of Recent Developments of Hydraulic Brea- kers”, journal of Korea Society of Fluid Power &

Construction Equipments, KSFC, Vol. 8, No. 2, pp. 49-53, 2011b.

부 록(용어풀이)

1. 수압면적: 유체에 의한 압력이 작용할 수 있는 면적 2. 유로: 작동유가 흐를 수 있는 통로

3. 셔틀밸브: 밸브 양단의 압력 차이를 감응하여 기름의 유동방향을 정해주는 기능을 가진 밸브

4. 스풀: 밸브에서 움직이는 요소

5. 유량계수: 유량의 손실을 나타내는 계수

노 대 경 (nointown@hanmail.net) 2012 가천대학교 기계자동차공학과 공학사 2014 가천대학교 기계공학과 공학석사 2014~현재 가천대학교 기계공학과 박사과정

관심분야 : 건설기계 및 산업기계의 유압계통 동역학 모델링&시뮬레이션

서 자 호 (seojaho@kimm.re.kr) 1999 서울대학교 농공학과 공학사

2006 University of Quebec (Ecole de Technologie Superieure), Canada 기계공학과 공학석사 2011 University of Waterloo, Canada 기계공학과 공학박사

2011 University of Waterloo, Canada 기계공학과 박사후 연구원 2012~현재 한국기계연구원 시스템신뢰성연구실 선임연구원 관심분야 : 건설 및 산업기계 유압시스템 제어기술

박 진 선 (jspark@kimm.re.kr) 2008 한밭대학교 제어계측공학과 공학사 2010 한국기계연구원 자기부상연구실 위촉연구원 2012 (주)에스엠인스트루먼트 주임연구원

2014~ 현재 한국기계연구원 시스템신뢰성연구실 위촉연구원 현재 충남대학교 전기공학과 석사과정

관심분야 : 건설 및 산업기계 전기·유압 제어기술

박 승 현 (attachpia@msn.com) 1991 유한대학교 기계공학 전문학사 2004 숭실대학교 국제무역학과 2002~현재 ㈜필엔지니어링 대표이사 2010~현재 한국건설기기계산업협회 이사 2014~현재 건설기계부품연구원 감사

관심분야 : 유압 어태치멘트 (Attachment of Excavators)의 제조

장 주 섭 (jjs1@gachon.ac.kr) 1987 경희대학교 기계공학과 공학사 1989 경희대학교 기계공학과 공학석사 2000 경희대학교 기계공학과 공학박사 1988～1996 만도기계 중앙연구소 선임연구원 1996～현재 가천대학교 기계공학과 교수

관심분야 : 자동차 및 건설기계 부분의 유압장치의 액추에이터 설계와 모델링&시뮬레이션