DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle-2013.29.3.186
사판식 유압 피스톤 펌프의 슬리퍼와 사판 간의 윤활 특성
조인성†
전북대학교 기계시스템공학부
Characteristics of Lubrication between Slipper and Swashplate in Swashplate Type Hydraulic Piston Pump
Ihnsung Cho†
Division of Mechanical System Engineering, Chonbuk National University, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju-si, Jeollabuk-do 561-756, Republic of Korea
(Received January 28, 2013 ; Revised April 2, 2013 ; Accepted April 10, 2013)
AbstractHydraulic systems are used to transform mechanical energy into fluid energy and vice versa. They are widely applied in various industries; e.g., they are used in automobiles, public works, rockets, machine tools, heavy construction equipment, and airplanes. Hydraulic pumps are used to transform the energy in these systems.
In this study, with the basic operation principles as a starting point, I attempted to clarify how the shape of a slip- per affects the lubrication characteristics under practical conditions. A swashplate with a tilt angle of zero and capable of rotating motion was used, along with other devices. A slipper was located at 45 mm eccentricity from the center of the swashplate. The results of this experiment indicated that the shape of the bottom surface of a slipper affects the load capacity, leakage flow, and lubrication characteristics and that the slipper is one of the most important parts for improving the pump efficiency.
KeywordsSwash-plate type piston pump(사판식 피스톤 펌프), Lubrication characteristics(윤활 특성), Slipper(슬리퍼)
1. 서 론
유압 펌프는 기계적 에너지를 유체 에너지로 변환시 켜주는 에너지 변환장치로서, 주요 상대 운동부의 윤활 특성은 유압 펌프의 성능과 효율에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 매우 중요하게 생각되어 많은 실험과 이 론 연구가 진행되어 왔다[1]. Sharma는 서로 다른 리 세스 형상을 가지는 정압 베어링부에 대해서 유한요소 법을 이용하여 이론적인 접근을 하였고[2], Koc은 슬리 퍼(slipper) 사판(swash-plate)간의 유막두께에 관한 이론 및 실험적인 연구를 통하여 최적의 설계조건을 찾고자 하였으며[3], 슬리퍼와 사판간의 윤활특성 및 유동 특 성에 관한 이론적인 연구가 진행되어 왔다[4,5]. 그러나
측정 장비의 신뢰성, 내구성의 한계 및 고속고압 조건 에서의 측정의 어려움 때문에 지금까지 이론적인 연구 가 대부분이며, 정적이고 제한된 운전조건에 대해서만 실험적인 연구들이 행해져 왔으나 최근에는 각종 측정 장비의 첨단화로 보다 정확한 데이터를 확보할 수 있 으며 실제의 운전조건에서의 동적인 실험도 가능하게 되었다[6-8]. Iboshi는 실험을 위해 특수 제작한 슬리퍼 및 피스톤을 이용하여 실제 구동 조건에서 슬리퍼와 사 판간의 포켓 압력 및 유막두께를 측정하였고[6], Jung 은 사판과 피스톤을 모사하여 사판의 회전 중심과 슬 리퍼 중심이 같은 상태에서 포켓 압력 및 유막두께 등 을 측정하였으며[7], Jang은 실제 펌프에 센서를 장착 하여 밸브 플레이트에 따른 실린더 내의 압력, 유량 맥 동 및 소음에 관한 실험을 수행하였다[8].
†Corresponding author : [email protected]
그러나, 사판과 슬리퍼 사이의 상대운동 부분은 구 조적 특징에 의한 제한으로 실제 작동시의 거동과 윤 활적 특성에 대한 연구는 많지 않은 실정이며, 특히 슬리퍼 정압 베어링 부의 누설특성에 관해서는 실험적 인 연구가 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 보다 실제적인 조건에 접근하여 동적인 상태에서도 측 정이 가능하도록 사판과 슬리퍼를 모사하여 실험을 수 행하였으며, 기초적인 연구로서 사판의 각도를 0o로 설 정하고 회전이 가능하도록 하였다. 또한, 피스톤 펌프 의 실제 운전조건과 근접하게 수행하기 위하여 슬리퍼 와 사판의 접동부 위치를 실제와 같이 편심을 주어 실 시하였다. 연구의 주 대상이 되는 슬리퍼는 그 기초적 인 특성을 파악하기 위해 가장 일반적인 형태와 현재 많이 사용되고 있지만 이론적인 해석과 설계 수순이 확실히 제시되지 않은 다소 복잡한 형태 등 세 가지 형상을 실험하여 비교 분석하였다. 측정의 항목으로는 동적인 상태에서의 상대 운동부의 누설을 공급되는 압 력과 회전수의 변화 및 작동유의 온도변화 등을 매개 로 하여 측정하고자 하였다.
2. 실험장치 및 측정 방법
1) 사판식 액셜 피스톤 펌프의 구조와 작동원리 Fig. 1은 본 연구의 대상이 되는 사판식 유압 액셜 피스톤 펌프의 단면도를 보여준다. 사판식 피스톤 펌 프의 경우, 일반적으로 피스톤(piston) 단부에 구면베어 링으로 연결되어 있는 슬리퍼(slipper)가 있으며 이 슬 리퍼의 저면은 정압 베어링 형상을 하고 있다. 구동축 (shaft)과 실린더 블록(cylinder block)은 스플라인 등으
로 연결되고, 여러 개의 피스톤은 실린더 블록에 삽입 되어 실린더 블록과 함께 회전하면서 실린더 내를 왕 복 운동한다. 피스톤의 왕복 운동은 슬리퍼 부분이 캠 형상의 사판(swash plate)에 미끄러지듯이 접동함으로 써 이루어진다. 밸브 플레이트(valve plate)에는 작동유 를 흡입토출하는 포트가 설계되어 있다. 따라서 사판 및 밸브 플레이트가 고정된 상태에서 피스톤, 슬리퍼, 실린더 블록 등이 구동축의 회전과 동시에 회전하면서 피스톤의 왕복 운동에 의해 발생하는 실린더 내부의 체적변화를 이용하여 작동유를 흡입토출하게 된다.
2) 실험장치 및 측정방법
Fig. 2는 본 연구의 대상이 되는 피스톤과 슬리퍼의
Fig. 1. Swash-plate type axial piston pump.
Fig. 2. Configuration of the piston and various type slippers.
Table 1. Dimension of each model Model
Dimension A B C
Diameter of piston dk [cm] 1.84 1.84 1.84 Inner radius of land r0 [cm] 0.65 0.65 0.65 Radius of land (1) r1 [cm] 1.3 0.8 0.8 Radius of land (2) r2 [cm] - 0.9 0.9 Radius of land (3) r3 [cm] - 1.05 1.05 Radius of land (4) r4 [cm] - 1.15 1.15 Outer radius of land (5) r5 [cm] - 1.3 1.3 Radius of capillary tube rc [cm] 0.04 0.04 0.04 Length of capillary tube l [cm] 0.322 0.322 0.322
Diameter of slot s [cm] - - 0.3
형상을 보여주고 있으며, Table 1은 피스톤과 슬리퍼 의 기본 제원을 나타내고 있다. 모델 A, B, C 세 가 지 형태에 있어서 내측반경r0와 외측반경(모델 A의 r1
값은 모델 B, C의 r5값과 동일)값은 동일하게 하였고, B와 C의 내부 실 랜드(seal land)의 제원도 동일하며, C의 경우에 있어서만 하나의 슬롯(slot)을 구성하였다.
Fig. 3은 실험에서 구성한 유압 회로도를 보여주고 있다. 테스트 유닛으로의 압력유 공급은 7.5 cc/rev급 펌프를 사용하였다. 펌프의 구동은 AC 서보모터(servo motor)를 사용하였으며 이를 벡터 인버터(vector inverter) 를 사용하는 메인 모터 컨트롤러(motor controller)에서 0~1800 rpm까지 무단 변속 시킬 수 있도록 하였다.
펌프와 모터는 절연 커플링으로 연결하고 펌프의 토출 측에는 압력, 유량, 온도 센서를 장착할 수 있는 하이 드로테크닉 사의 하이드로-터빈(Hydro-turbine)을 연결 하였으며, 테스트 유닛에 공급되는 토출 압력을 제어하 기 위하여 릴리프 밸브(relief valve)를 장착하였고 테스 트 유닛의 압력유 공급을 위한 셧오프 밸브(ball valve)
를 장착하였다. 회로 내 작동유의 청결을 위해 토출과 흡입 라인에 필터를 장착하였고, 작동유의 온도를 일정 하게 유지시키기 위하여 열 교환기를 설치하였다.
Fig. 4는 Fig. 3에서 테스트 유닛을 보여주고 있으며, Fig. 5는 테스트 블록을 보여준다. Fig. 3에서 볼 밸브 를 통과한 작동유는 Fig. 4의 공급 라인(supply line)을 통해 테스트 유닛에 공급되고, 공급 압력은 매니폴드에 설치된 릴리프 밸브를 이용하여 조절하였으며, 온도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 Webtec사의 압력센서를 설치하여 확인하였다. 사판은 AC 모터로 회전시키고, 인버터로 회전속도를 조절하였다. Fig. 6은 테스트 블록 에 삽입된 소형 압력 센서로 PCB에서 제작한 피에조 타입 압력센서이고, 70 MPa까지 측정이 가능하며, 사판 이 회전할 때 슬리퍼 포켓부의 압력을 측정한다. 테스 트 블록의 압력측정 신호는 슬립 링(slip ring)을 거쳐 오실로그래픽 리코더로 저장하여 컴퓨터에서 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
Table 2는 본 연구에서 실시한 실험 항목 및 조건을
Fig. 3. Hydraulic circuit for the test.
Fig. 4. Picture of the test apparatus.
Fig. 5. Picture of the test block.
Fig. 6. Picture of the pressure sensor.
보여주고 있으며, Fig. 7은 모델 A, 온도 30oC, 사판 의 회전수 600 rpm, 슬리퍼의 편심거리 45 mm, 사판 의 경사각 0o를 기준 조건으로 공급압력의 증가에 대 한 슬리퍼 정압 베어링 부의 포켓압력 특성을 보여준 다. 공급압력이 증가함에 따라 포켓압력이 선형적으로 증가하는 경향을 보였고, 공급압력이 증가할수록 포켓 압력이 공급압력에 비해 더 작아지는 경향을 보였다.
이는 슬리퍼와 사판의 간극을 통한 누설량이 증가하기 때문이다.
Figs. 8~11은 모델 A, 공급 압력 9 MPa, 온도 30oC, 사판의 회전수 600 rpm, 슬리퍼의 편심거리 45 mm를 기준 조건으로 설정하고 각 변수의 변화에 따른 누설 유량 특성을 보여주고 있다.
Fig. 8은 공급압력의 변화에 대한 누설 유량을 보여
준다. 공급압력이 증가할수록 사판과 슬리퍼 사이의 누 설 유량이 증가하는 경향을 보인다. 이는 공급압력이 증가할수록 슬리퍼 포켓압력이 증가하고 슬리퍼를 둘 러싸고 있는 주위압력과의 압력차가 커지기 때문에 누
설 유량이 증가하게 된다.
Fig. 9는 사판의 회전속도에 대한 누설 유량을 보여
준다. 회전속도가 증가할수록 누설유량이 급격하게 증 가하고 있음을 보여주고 있다. 이는 회전속도가 증가 할수록 슬리퍼의 회전 선속도가 증가하여 상대 슬라이 딩 부의 동압 효과에 의해서 유막 두께가 증가하고 사 판의 회전으로 인한 작동유에 작용하는 원심력이 증가 하기 때문에 누설유량이 증가하게 된다.
Fig. 10은 온도의 변화에 대한 누설유량을 보여주고 있으며, 온도가 증가할수록 누설유량이 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 작동유의 온도가 증가하면 작동유 의 점도가 감소하기 때문에 누설유량이 증가하게 된다.
Fig. 7. Pocket pressure variation by supply pressure.
Fig. 8. Leakage flow rate variation by supply pressure.
Fig. 9. Leakage flow rate variation by rotation speed.
Fig. 11은 모델에 따른 누설유량을 보여준다. 누설유 량은 모델 C가 가장 많았고 B, A순으로 나왔으며, 이 는 누설 유량이 사판과 슬리퍼 사이의 작동유가 지나 가는 부분의 단면적(유막두께), 길이, 압력차 등의 영 향을 받는데 사판과 슬리퍼간의 유막 두께가 작은 곳 은 랜드부이며, 랜드부의 면적이 넓을수록 누설유량이 적게 발생하기 때문이다.
4. 결 론
본 연구는 유압 피스톤 펌프에 있어 중요 윤활부의
하나인 슬리퍼와 사판 사이의 윤활 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 서로 다른 세 가지의 슬리퍼 모델 을 사용하였으며 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 사판과 슬리퍼 간의 누설유량은 슬리퍼 저면 정 압 베어링부의 형상에 따라 영향을 받았으며 모델 C>B>A순으로 나타났다. 모델 A를 기준으로 모델 B 는 약 7.6%, 모델 C는 약 13.6% 크게 나타났다.
2) 정압 베어링 부의 상대운동 부인 랜드부의 면적 은 A>B>C순 이기 때문에 정압 베어링부의 부하용량 과 마찰 특성은 다르게 나타날 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
3) 공급압력, 온도, 사판의 회전속도가 증가할수록 누 설유량이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 요소들은 펌 프의 효율과 직접적으로 연관이 되기 때문에 체적효율 과 기계효율이 가장 좋은 최적의 조건을 찾아 피스톤 펌프의 최적 설계에 활용될 수 있을 것으로 여겨진다.
따라서 좀 더 정확한 분석과 최적화 조건을 찾기 위 해서 향 후의 연구에서는 실기에 좀 더 가깝도록 사판 의 경사각을 조정할 수 있도록 실험 장치를 재구성하 고, 다양한 조건에서 슬리퍼 포켓부의 압력, 유량 및 유막두께를 측정할 수 있도록 할 계획에 있으며, 이를 통하여 슬리퍼 정압 베어링 부의 윤활특성을 파악하고, 슬리퍼와 사판간의 마찰특성을 파악할 수 있는 실험장 치를 구성하여 슬리퍼 정압 베어링부의 마찰 특성을 파악하여, 이를 누설 특성과 함께 누설 손실과 마찰 손실을 이용한 전체 손실의 최소화 관점으로 접근하여, 최적의 설계 자료를 확보하고자 한다.
기호 및 약어 설명
Rp Rotating radius of piston Rs Rotation speed of swash plate Ps Supply pressure
Ro Pocket pressure Sp Slipper position dk Diameter of piston r0 Inner radius of land r1 Radius of land (1) r2 Radius of land (2) r3 Radius of land (3) r4 Radius of land (4) r5 Outer radius of land (5) Fig. 10. Leakage flow rate variation by temperature.
Fig. 11. Leakage flow rate variation by model.
lary Compensated Circular Thrust Pad Hydrostatic Bearing”, Tribology International, Vol. 35, pp. 347- 356, 2002.
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