Analysis Model Development and Sensitivity Analysis of an Independent Driving System for Disaster Response

http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2020.17.4.038

재난 대응용 독립 구동 시스템의 해석모델 개발 및 민감도 분석 Analysis Model Development and Sensitivity Analysis of an

Independent Driving System for Disaster Response

노송연

․장주섭

Song Yeon Noh

and Joo Sup Jang

Received: 30 Oct. 2020, Revised: 11 Nov. 2020, Accepted: 14 Nov. 2020

Key Words：Analysis Model(해석모델), Sensitivity(민감도), Independent Driving Syste(독립구동 시스템), Reliability(신뢰성), Design Variables(설계 변수)

Abstract: The purpose of this study was to analyze the design sensitivity of an independent driving system for disaster response. The research procedure was as follows. First, an analysis model based on the circuit diagram of the driving system was developed. Second, to ensure the reliability of the analytical model, the load-free test results and analysis results were compared. Even if different loads acted on four independent motors, the system was confirmed to be implemented according to the design intent. Finally, the design variables of the analysis model were analyzed to obtain design variables with a significant impact on system performance and stability. The analysis program used simulation X.

* Corresponding author: [email protected]

1 Department of Mechanical Engineering, Gachon University, Seongnam 13120, Korea

Copyright Ⓒ 2020, KSFC

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기호 설명

 : Flow through Main control vale, 





: Flow coefficient

 : Area through which flow rate, 

∆ : Main control vale pressure drop, 

 : Fluid density, 

1. 서 론

태풍, 지진과 같은 재난재해로 인한 붕괴사고가 발 생하면 신고를 받고 출동한 구조대원들의 신속한 초 동대응이 필요하다. 그뿐만 아니라 건물 붕괴 시 매 몰된 요구조자를 구조하기 위해서는 구조장비 투입

및 진입로를 확보해야만 한다. 하지만, 현재 건설장 비는 구조장비로서의 작업을 수행하는 데 어려움이 있어 인명구조가 지연되고 있는 실정이다. 이러한 이 유로 재난재해 발생 초기에 인명구조 및 복구지원에 적합한 전용 특수 목적 기계의 개발이 요구된다. 따 라서 재난 대응용 특수 목적 기계의 장비개발에 필 수적인 주행 시스템에 대한 해석모델 개발뿐만 아니 라 시스템에 미치는 영향이 큰 부품에 대하여 설계 민감도를 분석하여 최적의 시스템을 구성할 필요가 있다.

연구대상은 4개의 모터가 장착된 독립 구동이 가능한 주행 시스템이며, 압력보상 기능을 포함하는 메인 컨트롤 밸브가 존재하기 때문에 4개의 모터에 서로 다른 부하가 작용하더라도 안정적인 주행을 가 능하게 한다. 최근 국내 연구에서 재난 대응용 주행 시스템의 해석모델 개발(Lee et al. 2017)

과 신뢰성 검증(Lee et al. 2018)

을 성공하였으며, 본 연구는 이 러한 선행 연구를 바탕으로 시스템 성능과 안정성을 개선시킬 수 있는 방안을 모색하기 위하여 진행되었다.

본 연구의 진행 방법은 다음과 같다. 재난 대응용

독립 구동 시스템의 해석모델을 개발하고, 시험 결과

와의 비교를 통하여 해석모델의 신뢰성을 검증한 후,

검증된 해석모델을 활용하여 설계 변수에 대한 민감 도를 분석하는 것을 목표로 한다. 해석에 사용될 소 프트웨어는 독일 ITI사에서 개발된 Simulation X이다.

2. 해석 모델 개발

해석모델 개발에 앞서 설계된 유압 주행 시스템을 분석하였다. 본 연구대상의 주행 시스템은 Fig. 1과 같으며, 주행 모터(Travel drive unit), 압력 보상 기능 이 포함된 메인 컨트롤 밸브(MCV), 부하 감응 제어 기(Regulator), 압력 릴리프밸브(PRV)와 파워팩(power pack)으로 구성되어 있다.

주행 모터 장치에는 유압모터뿐만 아니라 카운터 밸런스 밸브(CBV), 브레이크 밸브, 이속 제어 밸브 등 다수의 유압 제어 밸브로 구성되어 있다. 양방향 카운터 밸런스 밸브는 자중 낙하 방지 기능을 가지 며, 브레이크 밸브는 카운터 밸런스 밸브를 통해 브 레이크 피스톤에 압력이 전달되면 그 압력이 스프링 의 힘을 극복하고 모터의 제동을 감소시켜 주행을 하도록 하는 기능을 가지며, 주행하지 않을 경우에는 스프링의 힘에 의하여 모터에 제동력을 가해주는 기 능을 한다. 이속 제어 밸브는 조작자의 의지에 따라 파일럿 압력을 이용해 부하가 높을 때는 모터의 배 제용적을 최대로 하여 모터 출력토크가 최대로 되게 하며, 부하가 작을 때는 반대로 배제용적을 작게 하여

Fig. 1 Entire design schematic of 4-Wheel Independent driving hydraulic system

Fig. 2 MCV Schematic Diagram with Pressure Compensation Function

회전속도를 증가시켜 작동 상의 효율을 높이는 역할 을 한다.

Fig. 2는 압력보상 기능이 포함된 메인 컨트롤 밸 브의 개략도이며, 메인 컨트롤 밸브의 압력 보상 원 리는 다음과 같다. 먼저, 밸브 센터 챔버에 공급압력



가 공급되면 감압 교축부에 의해 

로 강하된다.

압력이 강하된 

는 메인 스풀의 입구 단과 밸브 의 우측 수압면적 

에 작용하게 된다. 이때 메인 스풀의 입구 단에서는 메인 스풀이 절환 될 때 생기 는 랩(lab) 조건을 가변 교축부로 생각하게 된다면



에서 

로 압력강하가 일어나게 되며, 압력이 강 하된 

는 밸브의 좌측 수압면적 

에 작용하게 된다. 부하가 증가하게 되면 액추에이터와 연결된



의 압력은 증가하게 되며, 이에 연결된 

의 수 압면적에 큰 힘이 발생하여 밸브는 우측으로 이동하 게 된다. 그렇게 되면 

와

사이의 감압 교축부의 면적이 증가하므로 

의 압력은 증가하게 된다. 그 로 인해 

에 수압면적이 작용하며 밸브는 다시 좌측으로 이동하며 감압 교축부의 면적이 감소됨으 로써 압력강하를 유지한다. 유량 방정식에 의해 압력 강하의 유지는 곧 일정 유량 송출을 의미하기 때문 에, 압력 보상형 메인 컨트롤 밸브는 부하와 관련 없 이 액추에이터로 일정한 유량을 송출하는 기능을 한 다.

다음으로 부하 감응 제어기는 압력과 유량을 제 어하는 기능을 하며, 압력 릴리프 밸브는 제어기의 압력 제어 밸브가 오작동을 대비하여 추가적으로 설 계하였다.

2.1 단품 해석모델 개발

주행 시스템의 전체 해석모델을 개발하기에 앞서,

시스템을 구성하고 있는 각각의 단품 해석모델에 대

한 개발이 필요하다. 단품 해석모델에 대한 신뢰성 확보는 제작 업체의 카탈로그에 기재된 사양이나 성 능시험 데이터와의 비교를 통해 확보하였다.

2.1.1 파워팩 모델링

파워팩 모델링은 카탈로그의 성능시험 데이터와의 비교를 통해 신뢰성을 확보하였다. 파워팩 펌프의 용 량은 카탈로그에 따라 배제용적을  

 로 설정하였으며, 파워 서플라이와 체크 밸브를 이용하 여  로 압력을 설정하였다. 엔진의 회전속도는 각각  과  으로 설정하였다. 또한, 누설 유량을 고려한 펌프의 체적 효율을   로 펌 프 모델에 적용하였다. Fig. 3과 같이 펌프 모델의 작 동 압력 대비 유량과 동력 그래프와 성능시험 데이 터가 거의 동일하다고 판단하였으며, 이를 통해 펌프 모델의 신뢰성을 확보하였다.

(a) Condition of flow and power catalog

(b) Pump Simulation model

Fig. 3 Comparison between catalog and modeling simulation

2.1.2 메인 컨트롤 밸브 모델링

메인 컨트롤 밸브 모델링은 카탈로그의 성능곡선 을 토대로 면적 비율을 계산하여 미터링 선도 비교 를 통하여 신뢰성을 검증하였다.

Fig. 4의 (a)는 카탈로그에 나타낸 메인 컨트롤 밸 브의 성능곡선이고, 이것은 모터 공급 라인과 연결되 는 것으로 미터링 선도를 나타낸 것이며, (b)는 카탈 로그 C 곡선을 기반으로 면적 비율을 계산하여 해석 모델의 개도 면적에 따른 유량 변화를 적용한 메인 컨트롤 밸브의 유량 곡선이다.

Fig. 5의 (a)는 카탈로그에 나타낸 메인 컨트롤 밸 브 모터 리턴라인과 연결되는 포트의 성능곡선이고, 카탈로그의 C 곡선을 기반으로 개도 면적에 따른 유 량 변화를 알아내기 위하여 식(1)의 오리피스 유량 방정식을 이용해 압력강하에 따른 면적을 계산하여 (b)와 같이 해석모델에 적용하였다.

  



^{ } 

∆ (1)

Fig. 4와 Fig. 5와 같이 카탈로그의 성능곡선을 일 하게 해석모델에 적용하여 메인 컨트롤 밸브의 기능 을 구현함으로써 신뢰성을 확보하였다. 펌프와 메인 컨트롤 밸브를 제외한 나머지 단품 해석모델도 동일 한 방법으로 신뢰성을 확보하여 단품 해석모델을 개 발하였다.

(a) Metering cruve-P of Catalog

(b) MCV-P metering curve of MCV model Fig. 4 Comparison between catalog and modeling

simulation

Fig. 6 Full Analysis model (a) Condition of flow

(b) MCV-T metering curve of MCV model Fig. 5 Compensation between catalog and modeling

simulation

2.2 전체 시스템에 대한 해석모델 개발

전체 시스템에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 각 각의 검증된 단품 해석모델을 Fig. 1의 유압회로와 동일하게 연결하여 Fig. 6의 전체해석모델을 완성하 여 나타내었다.

시험용 제품의 시험 결과와 해석 결과에 대한 신 뢰도를 높이기 위해 관로에 대해서도 고려하였다. 즉 시험용 제품의 경우 배관과 호스 연결로 인한 부차 적 손실이 나타나는데, 이를 해석모델에 표현하기 위 하여 전체해석모델에 시험용 제품에 사용한 관로와 유사한 해석모델 호스를 이용하여 연결하였다.

3. 해석모델의 신뢰성 검증 단계

3.1 무부하 조건 시험 결과 비교 및 분석

전체 해석모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 시험 용 제품을 주행 장치에 장착한 직후 공차 상태에서 의 무부하 주행시험 결과와 해석 결과를 비교하여 신뢰성을 검증하였다. 시험용 제품에 대한 시험 조건 은 엔진의 회전속도는  으로 고정하였으며, 전진 방향 주행으로 진행하였다. 이때, 샘플링 타임 은   으로 설정하였다. 시험은 메인 컨트롤 밸브 를 수동 조작하여 스텝 입력일 때 시험 결과와 비교 하였다.

Fig. 7은 시험용 제품의 시험 결과와 전체 해석모 델에 대한 해석 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.

스텝 입력은 수동 조작으로 진행되었기 때문에, 정확

한 시간 파악이 힘들어 최대한 주행시험과 일치하도

록 설정하였다. (a)펌프 공급압력과 (b)모터 공급압력

의 스텝 입력 시작점을 지나 오버슈트 압력이 발생

되는데, 이는 실제 시스템에서 일어나는 동적 응답

(a) Pump supply pressure

(b) Motor supply pressure

(c) Output rotation speed

Fig. 7 Load-Free condition test results and analysis model results

특성이나 유동력에 의해 발생하는 맥동으로 판단된 다.

(c)는 출력속도를 나타낸다. 결과적으로 무부하 조건에서의 시험 결과와 해석 결과는 오차율   이 내로 거의 일치하다고 판단하여 해석모델의 신뢰성 을 검증하였다.

3.2 부하 조건 적용 시 복합 동작성 확인

전체 시스템의 해석모델이 부하 조건을 적용하였 을 때 설계 의도대로 복합 동작성을 구현할 수 있는 지 검증하기 위하여 Fig. 8의 (a)와 같이 4개의 모터 에 서로 다른 부하를 적용하였다. 이때, 부하 조건은 비정형 지대를 주행한다는 가정으로 적용하였다. 그 결과, 각 모터와 연결된 컴펜세이터가 일정한 압력강

(a) Load acting on each motor

(b) Compensator opening degree

(c) Output rotation speed

Fig. 8 Analysis results when different loads are applied to the motor

하를 유지 시키기 위하여 개도량이 변화하는 것은

(b)를 통해 확인하였다. 이러한 압력강하 유지는 펌

프의 유량송출을 일정하게 유지 시켜주기 때문에 모

터의 출력속도 역시 일정하게 유지되는 것을 (c)를

통해 확인할 수 있다. 컴펜세이터가 없는 경우에는

각 모터의 출력속도가 최대   차이를 가지는

반면, 컴펜세이터가 있는 경우에는 최대   차

이를 가지므로 약   의 제어 성능을 얻을 수

있다. 이를 통해 전체 시스템의 해석모델이 설계 의 도대로 복합 동작성을 구현할 수 있다는 것을 검증 하였다.

4. 설계 민감도 분석

시스템의 성능과 안정성을 향상시키기 위해서는 시스템의 최적화가 필요하다. 하지만, 대부분의 시스 템은 수많은 부품으로 구성되어 있다. 그렇기에 모든 변수에 대한 시스템의 성능과 안정성을 분석하기 위 해서는 많은 시간과 높은 기술의 해석 능력이 필요 하다. 그러므로 현재 해석모델의 상호관계를 파악하 고 시스템의 성능과 안정성에 큰 영향을 미치는 변 수만을 파악하는 것이 중요하다.

그중에서 구동 시 스템을 제어하는데 영향을 미친다고 판단되는 부품 인 메인 컨트롤 밸브와 카운터 밸런스 밸브, 컴펜세 이터에 대해서 설계 민감도를 분석하고자 한다.

4.1 메인 컨트롤 밸브 민감도 분석

메인 컨트롤 밸브는 카탈로그를 기반으로 해석모 델을 개발하였기 때문에 메인 컨트롤 밸브 스풀의 개도량을 변화하기에는 어려움이 있다. 그러므로 메 인 컨트롤 밸브의 압력강하를 변화시켜 펌프의 유량, 모터 공급 단의 압력 그리고 출력속도를 확인하여 시스템의 성능과 안정성에 영향을 끼치는지 분석하 였다. 메인 컨트롤 밸브는 크게 모터와 연결된 공급 라인 P 포트와 탱크와 연결된 리턴라인 T 포트가 있 다. 여기서 리턴라인 T 포트의 압력강하는 시스템에 큰 영향을 끼치지 않아 제외하였다. 공급라인 P포트 의 기존 압력강하는  이다. P포트의 압력강하가 시스템에 끼치는 영향을 거시적으로 확인하기 위하 여 압력강하를 2배, 0.5배의 변화를 적용하여 분석하 였다. 그 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 나타낸 그래프 는 0.3초까지 관로의 영향으로 인해 시스템에 큰 변 화가 없어 0.3~1.0초 사이의 그래프만을 나타내었다.

브레이크로 정지되어 있던 모터에서 관성으로 인해 0.3~0.5초까지 펌프 유량은 맥동이 발생하며, 모터 공 급압력과 출력속도의 변화가 크게 나타났다. Fig. 9의 (a)는 펌프에서 송출되는 유량이다. 압력강하를 낮게 설정할수록, 펌프에서 송출되는 유량이 증가하며, 초 반 0.3~0.45초까지 발생하는 유량의 맥동이 현저히 줄어들어 안정화 상태로 되고 있음을 볼 수 있다. (b) 는 모터 공급라인의 압력으로 펌프 송출 유량과 마 찬가지로 압력강하를 낮게 설정할수록, 공급라인의

(a) Pump Flow

(b) Motor supply pressure

(c) Output rotation speed

Fig. 9 Main Control Valve P port sensitivity analysis result

압력은 크게 증가 하였지만, 반면에 증가하였을 때는 변화가 적게 나타났다. 즉, 모터 공급라인의 압력증 가는 모터 출력 토크의 증가를 의미한다. (c)는 시스 템의 출력속도를 나타낸 것으로 압력강하를 낮게 설 정할수록 출력속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 결 과적으로, 메인 컨트롤 밸브의 압력강하가 시스템 안 정성과 에너지 소비량에 영향을 끼치고 있다는 것을 확인할 수 있다.

4.2 카운터 밸런스 밸브 민감도 분석

카운터 밸런스 밸브 역시 메인 컨트롤 밸브와 동

일한 조건으로 카운터 밸런스 밸브의 압력강하를 변

수로 하여 민감도 분석을 진행하였다. 기존 카운터

밸런스 밸브의 압력강하는   이다. 이때, 브레이

크 밸브와 연결된 포트는 시스템에 영향을 끼치지

않아 제외하였다.

(a) Pump Flow

(b) Motor supply pressure

(c) Output rotation speed

Fig. 10 Main Control Valve P port sensitivity analysis result

Fig. 9의 (a)에서 펌프 유량 변화는 압력강하를 2 배, 0.5배로 설정하여도 기존 유량과 거의동일하였지 만, 초기 유량 맥동은 압력강하를 높게 설정할수록 안정화가 빠르게 되는 것을 확인할 수 있다. (b)는 모 터 공급압력으로 압력강하가 높게 설정되면 공급압 력이 높아진다는 것을 확인할 수 있다. (c)는 모터의 출력속도를 나타낸 것으로 펌프 유량과 마찬가지로 압력강하가 높을수록 출력속도의 안정화가 빠르게 되는 것을 확인할 수 있다.

4.3 컴펜세이터 민감도 분석

컴펜세이터도 앞서 해석한 시스템과 동일한 조건 으로 컴펜세이터의 통과 유량을 변수로 선정하여 민 감도 분석을 진행하였다. 기존 컴펜세이터의 통과 유 량은  min 이다. 컴펜세이터의 통과유량을 0.5 배로 설정할 경우, Fig. 11의 (a)과 같이시스템 작동에

(a) Pump Flow

(b) Motor supply pressure

(c) Output rotation speed

Fig. 11 Compensator sensitivity analysis result according to the set pressure

필요한 충분한 유량을 송출하지 못하여 성능이 크게 떨어지는 것을 알 수 있다. 반면에, 통과 유량이 증 가할 경우는 초기에 유량 맥동이 매우 크고 안정화 시키는데 많은 시간이 소요되기 때문에 시스템 안정 화에 큰 영향을 미친다고 생각된다. (b)는 모터 공급 압력은 펌프 유량과 같이 컴펜세이터의 통과 유량이 증가할수록 모터 공급압력은 증가하였지만, 통과 유 량이 0.5배로 줄어들면 모터에 압력이 발생 되지 않 다가 어느 정도 유량이 공급되었을 때 증가하는 것 을 알 수 있다. (c)는 모터의 출력속도를 나타낸 것으 로 통과 유량이 증가한 만큼 출력속도 또한 증가하 였지만, 통과 유량이 감소하였을 경우 출력속도가 감 소하는 것을 알 수 있다. 특히 컴펜세이터의 통과 유 량은 시스템의 안정성과 성능에 크게 영향을 미치고 있다는 것을 확인할 수 있다.

결과적으로, 작동 조건의 변화와 설계 변수의 민감

도 분석을 통하여 시스템의 안정성과 에너지 소비량, 성능에 영향을 주는 변수를 파악할 수 있었다.

5. 결 론

본 연구는 재난 대응용 독립 구동 주행 시스템 개 발을 위해 설계 의도에 알맞은 주행 시스템을 설계 하고, 이를 해석 소프트웨어상에서 구현하여 해석모 델을 개발하여 주행 성능과 주행 안정성에 영향을 미치는 변수를 파악하기 위해 작동 조건의 변화와 설계 변수에 따른 민감도 분석을 진행하였다. 본 연 구의 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) 재난 대응용 독립 구동 주행 시스템을 분석하 고, 각 부품의 기능을 파악하였다.

2) 주행 시스템에 대한 단품 해석모델의 신뢰성을 확보하여 전체 해석모델을 개발하였다.

3) 무부하 조건의 시험 결과와 해석 결과의 비교를 통하여 전체 해석모델의 신뢰성을 검증하였다.

4) 해석모델에 부하 조건을 적용하여 복합 동작성 구현을 확인하였다.

5) 구동 조건에 따른 민감도를 분석하여 시스템의 안정성, 에너지 소비량과 주행 성능에 미치는 영향을 확인하였다.

향후 이러한 연구결과를 기반으로 민감도가 높은 설계 변수들에 대한 최적화를 통하여 주행 성능과 주행 안정성의 효율을 높이는 연구를 진행할 예정이다.

후 기

본 논문은 2018년도 가천대학교 교내 연구비 (GCU-2018-0691) 지원에 의하여 수행되었음을 밝힙 니다.

이해관계(CONFLICT OF INTEREST)

저자는 이 논문과 관련하여 이해관계 충돌의 여지 가 없음을 명시합니다.

References

1) S. Y. Noh, J. S. Jang, “A Study on the Development of Analytical Model and Analysis of Design Sensitivity of Independent Driving Hydraulic System for Disaster Response” KSFC Spring Conference, pp.125-126, 2020

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3) G. H. Lee et al., “Design feasibility study by analytical approach for a disaster response hydraulic driving system”, Journal of Drive and Control, Vol.15, No.2, pp.22-31, 2018.

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pp.11-21, 2017.