Analysis of Performance Characteristics of Swash-Plate-Type Hydraulic Piston Motor

- 기호설명 -

 : 유막두께 [m]

_ : 리세스부 압력 [MPa]

_ : 피스톤 공급압력 [MPa]

_ : 리세스부 직경 [mm]

_ : 피스톤 슈 직경 [mm]

_ : 오리피스 직경 [mm]

 : 피스톤 직경 [mm]

 : 피스톤 평균 반경 [mm]

 : 점성계수 [Pa ∙ s]

 : 회전속도 [rpm]

1. 서 론

사판식 유압 피스톤 모터는 고압 및 고속화로 출력밀도(kWkg 가 높고 콤팩트하여서 건설기계) 와 산업기계 등에 널리 사용되고 있다 이는 접촉. 하여 회전하는 사판(swash plate)과 피스톤 슈 부분에 정압베어링을 채용하기 때문 (piston shoe)

에 일정한 두께의 유막이 생성되어 고체접촉을 차단함으로서 고압 고속으로 고출력밀도화가 가∙ 능하다 사판식 유압피스톤 모터의 정압베어링은. 일반적인 정압베어링과 그 작동원리에서 다소 차 학술논문

< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2012.36.11.1441 ISSN 1226-4873

사판식 유압 피스톤모터의 성능특성 분석

이 용 범^* · 김 광 민^**

한국기계연구원 우림기계 주

* , ** ( )

Analysis of Performance Characteristics of Swash-Plate-Type Hydraulic Piston Motor

Yong Bum Lee^* and Kwang Min Kim^**

* Korea Institute of Machinery & Materials

** Woorim Machinery Co., Ltd.

(Received May 2, 2012 ; Revised September 11, 2012 ; Accepted September 12, 2012)

Key Words: Piston Assembly(피스톤 조립체), Hydrostatic Bearing Ratio(정압베어링 비), Hydraulic Motor(유 압모터), Volumetric Efficiency(용적효율)

초록 유압피스톤모터는 정압베어링부분의 마찰손실과 용적손실 기구적 운동부분의 마찰손실 오일의: , , 관로저항에 의한 압력저하 압축성에 의한 체적손실 그리고 하우징 오일 처닝, (churning) 손실 등이 있다. 이러한 손실 중에서 일정한 틈새의 유막(oil film, 8 15 m)μ 으로 고속 회전하는 피스톤 슈(piston shoe)와 슈 플레이트(shoe plate) 사이 정압베어링 부분의 마찰 및 용적손실이 유압모터의 전체효율을 좌우 한다. 본 연구에서는 최고압력 35MPa, 최고회전수 2500rpm, 배재용적 320cc/rev급 2속(2-speed) 초대형 굴삭기 의 주행모터용 유압피스톤모터를 대상으로 정압베어링비가 유압모터의 전 효율에 미치는 영향을 실험 적으로 분석하였다.

Abstract: An axial-piston-type hydraulic motor involves friction and leakage losses at the sliding parts, contact loss at the mechanism assembly parts, volumetric loss caused by the pressure drop, housing oil churning loss and compressibility from the hydraulic oil pipe resistance, etc. the friction and volumetric loss at the hydrostatic bearing between the piston shoe and the swash plate rotating at high speed and having an oil film gap of 8 15– μm strongly affects the total efficiency of the hydraulic motor. In this study, a variable swash-plate-type hydraulic piston motor operating under a maximum pressure of 35 MPa, maximum speed of 2,500 rpm, and displacement of 320 cc/rev is tested to verify the optimal ratio of the hydrostatic bearing which is closely related to the hydraulic motor performance.

§ 이 논문은 2012년도 대한기계학회 동역학 및 제어부문 춘계학술대회(2012. 4. 11.-13., 제주KAL호텔 발표논문임) Corresponding Author, [email protected]

2012 The Korean Society of Mechanical Engineers

Ⓒ

이점이 있지만 베어링설계에 따라서 유압모터의, 전체 효율에 영향을 미치는 용적효율과 기계효율 을 좌우하는 누설과 마찰을 조정하는 중요 파라 미터가 된다.⁽¹⁾

피스톤 슈와 사판사이의 섭동 부분에서 상대운 동을 할 때 얇은 유막(8~15m 에서 압력 구배가) 형성되고 이 누유로 인하여 용적손실이 발생하지, 만 이 유막은 윤활을 원활하게 하기 때문에 마찰, 을 저감시켜 기계효율을 증가시킨다.

Jang⁽²⁾은 3개의 피스톤을 사용하여 슈와 사판사 이의 전체손실 메커니즘으로 해석하였으며, Lee 등⁽³⁾은 2개의 피스톤 형상이 유압피스톤 펌프의 윤활특성에 미치는 영향을 연구하였다 또한. Ham 등⁽⁴⁾은 1개의 피스톤 슈 저면 부에서의 포켓압력 또는 유막 두께의 거동에 대한 응답특성을 시뮬 레이션을 통해 연구하였으며, Jung 등⁽⁵⁾은 복잡한 형상의 슬리퍼 등 3가지의 슬리퍼 정압베어링을 설계 및 제작하여 압력 회전수 유막두께등 주요, , 윤활특성을 실험을 통해 연구하였지만 피스톤 수, 량을 3개에서 1개까지 부분적인 연구가 주로 이 루어 졌으며 9개의 피스톤을 대상으로 한 시험은 이루어지지 못하였다.

본 연구에서는 차체중량 85 ton급 초대형 굴삭 기용 사판식 유압모터를 대상으로 정압베어링의 형태를 변화시키면서 유압모터의 고성능화를 위 하여 용적효율과 기계효율 특성을 분석하였다.

이론적 고찰 2.

사판식 유압피스톤 모터의 사판과 피스톤 슈 사이는 고압 고속으로 회전 할 때 발생하는 고체• 마찰이 발생하지 않도록 Fig. 1과 같이 정압베어 링을 사용한다 이는 공급압력. (P_s)이 오리피스를 통해 압력이 저감되어 슈의 리세스(recess) 부분으 로 전달되어 사판과 압력이 형성됨으로 상대운동 부의 랜드 부 유막압력에 의해 부하를 지지하게 된다 슈와 사판사이에서는 유도된 리세스 압력과. 외부와의 압력차로 인하여 필연적인 오일 누설이 발생하게 되며 누설유량과 유막두께는 공급되는, 압력의 변동 및 그에 따른 리세스의 압력차 피스, 톤 구면 부는 슈에 설계된 정압베어링의 구조 작, 동유의 온도에 따른 점도의 변화 회전속도 등에, 따라 복잡하게 변화하게 된다.

슈와 사판사이에는 두 가지 상반된 힘이 존재한

Fig. 1 Simplified geometry of hydrostatic bearing 다 하나는 피스톤으로부터 슈를 사판 쪽으로 누. 르는 힘이고 다른 하나는 슈와 사판사이에서 슈, 에 설계된 정압베어링 리세스 부의 압력과 슈 랜 드 부에서 발생하는 압력의 합으로 나타나는 슈를 사판으로부터 분리시키려는 힘이다 이 두 상반된. 힘이 서로 균형을 이루도록 설계해야 성능이 우수 한 모터를 만들 수 있다.⁽

평평한 형상의 피스톤 슈의 경우 피스톤에 가, 해지는 힘(piston force)에 대한 피스톤 슈 밑면에 서 발생하는 반력(reactive force)의 비 정압 베어링( 비 는) Fr Fpcos의 관계를 가지며 식을 대입하 여 정리하면 다음식과 같다.⁽¹⁾

_

_

 ^ln__

_^ _^cos ∙ 

(1)

유압피스톤 모터의 경우 1회전 당 약 180˚ 회 전구간에서 고압이 된다고 가정하면 누설동력손 실 

_∙_은 다음과 같다.

     

 ∙_^  ^

_∙  ∙ ^sec

(2)

또한 피스톤 슈 밑면과 사판 사이의 점성마찰 에 의한 손실은 다음과 같다.

   

 ∙ 

^∙^∙ _^∙^  ^ (3)

고체접촉에 의한 기계적손실을 고려하지 않은 경우 손실, (loss) _을 식 (2)과 (3)의 합을 한 개 의 피스톤에 대한 동력,



_∙  ∙ ^∙

으로 나눈 것으로 정의 한다.

_ 



sin

_∙^

 tan ∙ ∙^

^ 

 (4)

여기서,

 

  

 _ 

 ∙ ∙ ∙ _^  ^

_

유압모터의 누설 및 마찰에 의한 손실을 최소화 하기위한 유막 두께는 식 (4)에서  에 대해서 미 분하고 미분한 결과를, 0으로 놓으면 구해진다. 따라서 효율손실이 최소가 되는 유막두께는 _{m in} 은 다음과 같다.

_{m in}  ^^{ }_cos



≅ ^



(5)

그러나 실제 유압모터 시험결과를 분석하면 경 사판을 고속 회전할 때 발생되는 동합효과와 피 스톤 관성 및 배압 등으로 일치 하지 않는다.

본 연구에서는 최적의 정압베어링 비를 구하기 위하여 피스톤 슈의 면적비와 피스톤 면적 비를 계산하고 실험을 통하여 유막(oil film)의 두께() 와 슈 외경 및 리세스의 직경 비를 입력하여 최 소 동력 손실을 구한다.

정압베어링 설계 3.

시험용 유압피스톤 모터 3.1

본 연구에서 사용된 유압피스톤 모터의 기술적 사양은 Table 1과 같이 배재용적이 1속에서는 320 [ccrev], 2속에서는 215 [ccrev 이고 최고] , 사용압력은 35 [MPa 이며 사판각도가 속에서] , 1 는 15.23, 2속에서는 10.36 피스톤, 9개를 가 진 유압모터이다 이 모터에는 전진 및 후진 관로. 에 연결되어 굴삭기가 경사진 곳을 주행할 때 자 중에 의해서 급속하게 내려가는 것을 방지하고 안정적인 속도로 운전이 가능하도록 하는 유압카 운터 밸런스 밸브(hydraulic counter balance valve), 정확한 굴삭작업을 위해서는 굴삭기의 주차브레 이크가 작업충격이나 자중을 포함한 굴삭부하가

Table 1 Specification of hydraulic piston motor Specification Value Volumetric Displacement [ccrev] 215/320 Max. Pressure [MPa] 35.0 Max. Flow Rate [lmin] 212 Ration Speed [rpm] 2500/1180 Number of Pistons 9 Tilting Angle [ ] 10.36/15.23

Table 2 Design of hydrostatic bearing ratio Hydrostatic

Bearing Ratio

Recess Diameter

[mm]

Shoe Diameter

[mm]

Film Thickness

[m]

1.024 28.4 44 14.85

1.011 28 44 15.00

1.005 27.8 44 15.08 1.010 28.4 43.5 14.56 0.998 28 43.5 14.72 0.991 27.8 43.5 14.79 0.997 28.4 43 14.27

0.985 28 43 14.43

0.979 27.8 43 14.50

발생했을 때 차체를 지면에 견고하게 고정해주는 습식 다중 마찰판 형식으로 구성된 주차브레이크 와 속 변환메커니즘이 내장되어있다2 .

3.2 정압베어링 설계

효율손실이 최소가 되는 최적의 정압베어링 비 를 구하기 위해 식 (1)을 이용하여 정압베어링 비 를 구하고 식 (5)에 의해 효율손실이 최소가 되는 유막두께 _{m in}이 되는 정압베어링 비 종을 제작3 하였다.

사판각도   이고 오리피스를 통과할 때 압, 력강하가 없는 경우 (_ _)

_

_

 

 × ^×ln 



^ ^

 

_{m in} ≅ ^



  ×  × 

 ^

 ^^{ }^

^

 × ^



_{m in}  

   ×      m

본 연구에서 사용된 피스톤과 피스톤 조립체의 제원을 Table 3에 나타내었다 피스톤의 직경은. 35.5 [mm 오리피스 직경은], 1.3 [mm 로 제작되] 었으며 Case Ⅰ, Case Ⅱ, Case Ⅲ로 나누어 피스 톤 슈의 직경과 리세스부의 직경을 다르게 하여 정압베어링비가 각각 1.024, 0.998, 0.979로 선정하 여 각각 회 성능 시험하였다3 .

Table 3 Specification of piston assembly Specification Value [mm]

Piston Diameter 35.5 Pitch Circle

Diameter 132

Orifice Diameter 1.3

Recess Diameter ^CaseⅠ CaseⅡ CaseⅢ 28.4 28.0 27.8 Shoe Diameter ^CaseⅠ CaseⅡ CaseⅢ

44.0 43.5 43.0

Fig. 3 Photo of piston assembly sample

은 제작한 피스톤 슈의 실제 모습이며

Fig. 3 ,

는 피스톤 슈의 정압베어링 비를 다르게 제 Fig. 4

작하기위해 설계한 도면을 나타냈다.

시험장치 구축 및 시험 방법 4.

시험장치 구축 4.1

굴삭기의 주행모터가 전진 및 후진 그리고 정 지 및 주차 되고 있는 상황 등의 기능을 재현 할 수 있도록 시험체인 유압모터 및 이와 동일한 용, 량의 부하용 유압펌프가 고강성 프레임으로 제작 된 장착브래킷(mounting bracket)에 설치되었다.

(a) Design of piston shoe with case Ⅰ

(b) Design of piston shoe with caseⅡ& caseⅢ Fig. 4 Drawings of the hydrostatic bearing ratio

(a) Schematic diagram of test set-up

(b) Overview of hydraulic motor test mechanism Fig. 5 Feature of test set-up for hydraulic motor

performance test

는 시험장치의 개략도와 이의 실제 모습 Fig. 5

이고 시험 부 유압모터의 유압은 시험사양을 충, 족시킬 수 있는 550(kW)의 고압 대용량(42 MPa, 560 Lmin 유압동력 발생장치를 사용하였으며) , 부하측은 펌프로 작동되는 모터에 캐비테이션이 발생하지 않도록 36(kW)의 저압(5 MPa이하, 400 Lmin 대용량 유압동력 발생장치를 사용하였) 다 시험압력제어는 부하 측의 비례릴리프 밸브를. 사용하였고 속도 제어는 시험부의 비례유량제어, 밸브를 사용하였다.

Table 4 Specifications of rotation speed sensor Sensor Specifications Value Rotation

speed

Measuring range 0 5000 [rpm]

Revolutions 60

Pressure

Measuring range 0 70 [MPa]

Stability 0.2 [ ] FS max.

Linearity 0.1 [ ] FS Hysteresis 0.1 [ ] FS

Torque

Range -2000 2000 [Nm]

Accuracy ±0.5 [ ] Reliability 0.3 [ ] FS Rated output 0 10 [V ]

Hysteresis 0.2 [ ] FS Frequency 16 [kHz]

유압모터의 기능과 성능을 측정하기 위하여 모, 터의 입구 및 출구 측에 각각 압력계 및 유량계 가 장착되었고 외부 누유를 측정하기 위한 소형, 정밀유량계와 2속 절환 특성을 분석하기 위한 파 일롯 압력계 그리고 모터 출력 측에 토크미터와 회전수 측정 센서가 부착되었다 시험장비에 사용. 된 센서사양은 Table 4와 같다.⁽⁶⁾

작동유는 ISO VG 32를 사용 하였으며 작동유, 온도는 50±5℃, 시험 사판각도 15˚, 시험압력은 시험모터의 정격압력인 25 [MPa 로 고정하고] , 회전속도를 300~800 [rpm 까지 단계로 변화하는] 6 조건에서 시험하였다.

먼저 유압모터에 정압베어링 비가 각각 다르게 제작한 슈 (Case Ⅰ: 1.024, Case Ⅱ: 0.998, Case 를 조립하고 시험 장치에 유압모터를 : 0.979)

Ⅲ

장착했다 시험 전. 30분 이상 충분히 시운전을 실 시하고 작동유 온도가 안정되면 시험 속도를 변 화시키면서 회씩 효율을 측정하였다3 .

시험결과분석 3.2

본 연구에서 제작한 서로 다른 정압베어링 비 를 가지는 피스톤 조립체 3종을 각각 3회씩 시험 하여 평균을 나타낸 결과를 Fig. 6에 나타내었다.

정압베어링 비가 1.024인 모델은 저속에서는 비 교적 높은 효율을 보였으나 600 [rpm 을 전후에] 서 급격히 기계효율이 87%까지 떨어지면서 상당 히 불안정한 모습을 보였다.

정압베어링 비가 0.998인 모델은 전반적으로 안 정적인 결과를 보였지만 전 효율이 평균적으로

정도로 낮은 결과를 확인할 수 있었다

90% .

(a) Analysis of efficiency for hydrostatic bearing ratio 1.024

(b) Analysis of efficiency for hydrostatic bearing ratio 0.998

(c) Analysis of efficiency for hydrostatic bearing ratio 0.979

Fig. 6 Test result of hydraulic piston motor for efficiency

정압베어링 비가 0.979로 제작한 피스톤 슈는 전 효율 93%, 용적효율 96%, 기계효율 95% 수준 으로 나타났으며 안정적인 시험결과를 나타냈다, .

4. 결 론

본 연구에서는 차체중량 85ton급 초대형 굴삭 기의 주행용 사판식유압모터를 고성능화하기 위 하여 성능에 가장 영향이 큰 정압베어링의 비를 으로 각각 제작하여 회씩 용 1.024, 0.998, 0.9793 3

적효율과 기계효율 실험 후 데이터를 분석한 결 과 다음과 같은 결론을 얻었다.

정압베어링 비가 1.024를 가지는 모터는 상당히 불안정한 효율을 보이며 정격압력 25[MPa], 600

~700[rpm 구간에서 전 효율이] 87%까지 떨어지는 현상을 보였으며, 0.979의 정압베어링 비를 가지 는 모터는 전반에 걸쳐 안정적인 결과를 확인할 수 있었다. 특히, 정격압력 25[MPa], 회전속도 600~800 [rpm 에서 전 효율] 93%, 용적효율 96%, 기계효율 95%의 고 효율을 구현할 수 있었다.

참고문헌

(1) Lee, Y. B., 2002, “A Study of Efficiency Characteristic of Hydraulic Piston Pump with Variable Hydrostatic Bearing Ratio,” Hanbat National Univ., pp. 9~17.

(2) Jang, D. S., 1997, “A Analysis on the Loss Mechanism,” Daewoo Journal, Vol. 43, pp. 5~17.

(3) Lee, J. O. and Park, T. J., 1994, "Effect of Piston Shape on the Lubrication Characteristics of Hydraulic Piston Pump and Motor," Trans. of KSTLE, Vol. 10, No. 3, pp. 47~53.

(4) Ham, Y. B., Yoon, S. N., Kim, D. S., Choi, B.

O. and Kim, S. D., 2001. “Dynamic Response Characteristics Evaluation of Hydrostatic Bearing in Hydraulic Piston Pump/Motor,” Conf. of the KSME(B), pp. 116~120.

(5) Jung, J. Y., Cho, I. S., Baek, I. H., Song, K. K., Oh, S. H. and Jung, S. H., 2007, “A Study on Lubrication Characteristic of Slipper Hydrostatic Bearing in Hydraulic Piston Pump,” Trans. of the KFPS, Vol. 4 No. 3, pp. 1~6.

(6) Lee, Y. B. and Kim, K. M., 2011, "A Study on Lubrication Characteristic of the Hydrostatic Bearing in Swash Plate Type Piston Motor,"

Trans. of KSPSE, Vol. 15, No. 5, pp. 5~9.