A Study on Design of Notches in Valve Plate of Swash Plate Type Axial Piston Pumps Operated Bi-directionally

http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2016.13.3.039

양방향 구동 사판식 액시얼 피스톤 펌프의 밸브 플레이트 노치 설계에 관한 연구

A Study on Design of Notches in Valve Plate of Swash Plate Type Axial Piston Pumps Operated Bi-directionally

최세령

․이일영

․한성민

․신정우

Sae Ryung Choi, Ill Yeong Lee, Sung Min Han and Jung Woo Shin

Received: 25 Aug, 2016, Accepted: 30 Aug, 2016

Key Words：Notch in Valve Plate(밸브 플레이트 노치), Flow and Pressure Ripple(유압/압력 맥동), Axial Piston Pump Operated Bi-directionally(양방향 구동 액시얼 피스톤 펌프)

Abstract: Flow and pressure ripple in swash plate type piston pumps is largely dependent on the design of notches(silencing grooves) in the valve plate. In uni-directional pumps, the basic design concept for notches in the valve plate could be said to be established. It is easily deduced that the design concept for notches in uni-directional pumps can not be simply applied to bi-directional pumps requested for EHA(electric hydrostatic actuators). To carry out systematic research on technological issues regarding notch applications to bi-directional piston pumps, five notch designs are devised. The effects of the notch designs on the characteristics of the pump are investigated by numerical simulations and experiments. Through this study, basic concepts about notch design for bi-directional piston pumps are suggested.

* Corresponding author: [email protected]

1 Department of Mechanical Design Engineering, Pukyung National University, Namgu, Busan, 48547 Korea

2 Sewon Cellontech, 44-1 Woongnam-Dong, Changwon Kyeongnam, korea

Copyright Ⓒ 2016, KSFC

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기호 설명



: marginal suction pressure



: aeration pressure

 : revolutional speed

 : length of notch

 : notch angle depicted in Fig. 5

 : notch angle depicted in Fig. 5



: volumetric displacement



: leakage from suction port to cylinder



: pressure in cylinder



: pressure in suction port



: flow coefficient in suction port

1. 서 론

유압 시스템에서 근래에 에너지 효율 향상 및 소 음 저감을 달성하기 위한 방안으로 전기-정유압 액추 에이터(electric-hydostatic actuator, EHA)

의 사용이 확대되고 있다. EHA에서 사용하는 유압 펌프는 종래 의 일반적인 유압 시스템과는 달리 양방향 회전형 펌프를 사용해야 한다. 이 논문에서는 굴삭기와 같은 건설기계에서 사용할 EHA를 염두에 두고, 비교적 대 용량의 사판식 피스톤 펌프가 양방향 회전형으로 사 용될 때의 밸브 플레이트에 두는 노치(notch or silencing groove)의 설계 기술에 관한 연구 성과를 보 고한다.

지난 수십년 동안에 사판식 피스톤 펌프의 정·동특

성에 관한 다양한 양상의 연구 성과가 보고되었다.

실린더 블록이 회전할 때에 실린더 내부의 압력 변 화, 그리고 펌프의 송출 유량 및 송출 압력은 펌프의 흡입 및 송출 포트의 끝부분에 존재하는 노치(또는 각종 형상의 가변 교축 기구)의 기하학적 설계

에 따라서 크게 영향을 받음이 보고되었다. 그러나, 이러한 기존의 노치 설계에 관한 연구 성과는 양방 향형 펌프에는 곧 바로 적용하는 것이 불가능하다.

따라서, 본 연구자들은 양방향형 사판식 액시얼 피스 톤 펌프에 노치를 적용할 때의 기술적 문제점들을 체계적으로 조사할 목적으로, 5가지의 기본적인 노치 설계안을 제시하고, 각각의 노치 설계안이 펌프의 특 성에 미치는 영향을 수치 시뮬레이션 및 실험을 통 하여 확인한다. 이 연구를 통하여 양방향형 피스톤 펌프에 적용할 노치 설계에 관한 기본적인 방향을 제시하고자 한다.

2. 피스톤 펌프의 구조적 특성

2.1 피스톤 펌프의 흡입/송출 행정

(a) uni-directional pump

(b) bi-directional pump

Fig. 1 Schematic diagram of piston pump

Fig. 1은 사판식 피스톤 펌프의 실린더 블록과 밸 브 플레이트 상의 노치 설계를 나타낸다. Fig. 1(a)는 종래의 단방향 회전형 피스톤 펌프, Fig. 1(b)는 양방 향 회전형 피스톤 펌프를 예시한 것이다. 단방향 회 전형에서는 맥동을 저감하기 위하여 송출 포트와 흡

입 포트 시작 위치 부근에 노치를 두는 것이 일반적 이다

. 양방향형에서는 회전 방향이 변하기 때문에 밸브 플레이트를 실린더의 상사점(top dead center, TDC)과 하사점(bottom dead center, BDC) 사이를 연 결하는 수직선에 대하여 대칭적으로 설계해야 한다.

양방향 피스톤 펌프에서는 상사점(TDC)과 하사점 (BDC)의 위치는 사판의 각도에 따라 결정되며 회전 방향과 무관하다. 따라서 펌프가 어느 방향으로 회전 하더라도 송출 행정의 시작 시점에서 송출포트로부 터 고압의 기름이 실린더 내부로 역류하는 현상이 하사점(BDC)에서만 발생하며, 펌프 흡입 행정시 실 린더 내부 고압의 기름이 팽창하며 발생하는 유량 맥동은 상사점(TDC)에서만 발생한다. 따라서 하사점 부근에는 노치 적절히 설계하여 유량 맥동을 저감시 키고, 상사점 부근에는 노치를 최소화하여 펌프 흡입 성능이 향상 되도록 밸브 플레이트를 설계할 수 있다.

2.2 개발 대상 펌프의 특성

Fig. 2는 본 연구에서 대상으로 하는 양방향 피스 톤 펌프(신규 개발품)의 사진이며, Fig. 3은 펌프 종 합시험 장치이다. 개발대상 펌프는 건설기계용 60

Fig. 2 Photo. of the test pump

Fig. 3 Photo. of the pump experimental system

Table 1 Physical parameters and operating conditions of the pump

number of pistons(  ) 9 piston diameter(

) 27 mm

piston stroke( ) 32 mm volumetric displacement(

) 160 cc/rev

rated speed() 2200 rev/min maximum operating

pressure(

) 380 bar

Fig. 4 Experimental results of suction pressure

~ 80kW급으로 배제 용적 160 cc/rev의 비교적 대용 량 펌프이다. Table 1은 펌프의 물리인자 및 펌프 운 전 조건을 나타낸다.

시험 대상 펌프는 개발도중 흡입측에 별도의 부스 팅 펌프를 설치하지 않으면 1500 rpm 이상에서 펌프 용적 효율이 급격하게 나빠지는 문제점이 발생하였 다. Fig. 4는 Fig. 3의 펌프 시험장치에서 흡입 포트 압력을 측정한 결과이다. 일반적으로 대유량 펌프는 500 rpm 이하에서 흡입 성능이 불안정하며, 800 rpm 이상에서는 펌프 흡입 성능이 부족하여 송출 유량이 줄어든다. 개발 대상펌프는 흡입측에 부스팅 펌프(5 bar)를 사용하여 흡입 성능을 보완하였지만, 양방향 으로 회전하는 액시얼 피스톤 펌프의 경우 흡입 성 능 및 케비테이션 방지 대책을 필요로 한다. 따라서 양방향 피스톤 펌프는 밸브 플레이트의 설계 단계에 서 흡입성능의 향상을 위한 구조적 설계가 고려되어 야만 펌프의 원활한 성능을 기대할 수 있다.

피스톤 펌프의 흡입포트에서 케비테이션 발생을 방지하기 위한 흡입한계압력(

)는 아래 식으로 표 시된다

.



 

  

 

 

 

 



 

 



회전하는 실린더의 포트부의 압력이 

, 

및 손 실계수 의 곱으로, 또 포트로부터 실린더 포트 내부

에 이르는 오리피스, 확대압력손실 

과 손실계수  의 곱으로 나타낸 우변 마지막항은 반경위치의 차이 에 따른 원심 효과이다. 손실계수( , )는 펌프 고유 의 상수이고, 실험으로부터 결정된다. 일예로서 Ichikawa

의 논문에서는 =1.75, =1.08로 제시되었 으며, 실린더 포트부의 형상을 압력손실이 작아지도 록 개량하면 손실계수( , )는 작아진다.

3. 밸브 플레이트 설계 및 시뮬레이션

3.1 밸브 플레이트 설계안

양방향 피스톤 펌프의 흡입 성능을 분석하기 위해 서 5개 밸브 플레이트를 설계하였다. 밸브 플레이트 의 세부 치수는 Table 2와 같다. 밸브 플레이트 상 사점(TDC) 부근의 예팽창 구간, 노치 등의 형상을 설계하여 펌프 흡입 성능에 미치는 영향을 비교 분 석한다. Fig. 6은 밸브 플레이트 형상, 사진 및 개구 면적(실린더 포트가 회전하며 실린더 포트와 밸브 플 레이트 형상에 따라 발생하는 송출/흡입구 면적)을 나타낸다.

Type 0는 노치와 예압축 구간이 모두 없는 기본형 이다. Type 1~ 4는 하사점(BDC) 부근의 노치는 동일 하게 설계하고 상사점(TDC) 부근의 노치 설계만을 변경한 것이다. Type 2는 예팽창 구간이 흡입성능에

Table 2 Design of notches in valve plate

Type 0 - TDC :  = 0, without pre-expantion - BDC :  = 0, without pre-expantion

Type 1 - TDC : =9.7 mm,  =45°, =15.9°

- BDC :  = 0, without pre-expantion

Type 2 - TDC : =9.7 mm,  =45°, =15.9°

- BDC :  = 0, pre-expantion 2°

Type 3 - TDC : =9.7 mm,  =45°, =15.9°

- BDC : =4.5 mm,  =45°, =26°

Type 4 - TDC : =9.7 mm,  =45°, =15.9°

- BDC : =9.7 mm,  =45°, =15.9°

Fig. 5 Schematic diagram of the notch

Type 0

Type 1

Type 2

Type 3

Type 4

Fig. 6 Design of notches in the valve plate and variation of orifice area

Fig. 7 Simulation model for the piston pump

에 미치는 영향을 분석하기 위해서 노치 없이 예압 축 구간을 2°로 설정하였다. Type 3은 흡입 성능 개 선을 위해 상사점(TDC)에서 짧은 형태의 노치를 설 계하였고, Type 4에서는 상사점(TDC)과 하사점 (BDC)에 동일한 노치를 두었다.

3.2 수치 시뮬레이션 방법 및 결과 (1) 시뮬레이션

Fig. 7은 범용 유압 해석 소프트웨어인 AMESim

을 사용하여 유압펌프의 시뮬레이션 모델을 구성한 결과이다. 펌프 내부의 실린더/피스톤 유닛은 HCD (hydraulic component design) 방식으로 구성하였으며, 밸브 플레이트와 실린더 포트 사이의 개구면적은 함 수로 기술하였다. 피스톤에서 발생하는 누설은 평행 평판 사이의 층류 모델(BAF1)을 사용하여 계산한다.

시뮬레이션에 Table 1에 제시된 물리파라미터와 Table 2 및 Fig. 6의 밸브플레이트 형상을 적용하였 다. 개발 대상 펌프가 부스팅 없이 원활히 동작하는 회전 속도 700 rpm, 부하압력 100 bar를 기준으로 시 뮬레이션한다.

(2) 시뮬레이션 결과

Fig. 8은 펌프 흡입 유량을 시뮬레이션한 결과의

예이다. Fig. 8(b)는 상사점(TDC) 부근의 흡입 유량

시뮬레이션 결과를 확대한 그래프이다. 실린더 포

트가 고압 키드니(kidney)에서 저압 키드니로 연결

되면 실린더 내부에 잔류하던 고압유가 저압 키드

니 쪽으로 급격히 역류한 이후에 흡입 행정이 시

작된다. 일반적으로 밸브 플레이트에 예팽창 구간

의 설정(예: Type 2), 노치를 부가(예: Type 1∼4)함

에 따라서 유량 맥동이 크게 감소한다. 그러나 이

러한 설계를 적용함에 따라서 흡입저항의 증대 또

는 흡입단절이 초래되어 흡입성능이 저하될 수 있

다. Type 4의 시뮬레이션 결과에서는 적절히 설계

된 노치의 영향으로 유량 맥동의 진폭을 큰폭으로

줄여주지만 다른 밸브 플레이트 설계에 비해서 실

린더 내부 압력이 천천히 하강하기 때문에 흡입행

정의 단절 구간이 길어진다. Type 0의 경우에는 흡

입행정의 단절 구간이 전체 흡입행정에서 2.2%이

나 Type 4의 경우에는 7.8%의 흡입행정 단절이 발

생한다.

(a) flowrate during one pumping cycle

(b) enlargement of fig. 8(a) at the vicinity of TDC

Fig. 8 Simulation results of suction flow

Fig. 9 Simulation results of suction flow (when boosting pressure is 5 bar)

Fig. 10은 5 bar로 부스팅한 상태에서 송출 유량을 시뮬레이션한 결과이다. 5 bar로 부스팅한 결과 흡입 성능이 다소 개선되었지만, 노치의 구조에서 발생하 는 흡입행정의 단절 구간은 여전히 존재하며, Type 4의 밸브플레이트 설계에서는 전체 흡입행정에 5.6%의 단절 구간이 발생한다.

Fig. 10은 실린더 내부 압력에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 양방향 회전 펌프의 경우 반드시

(a) pressure during one pumping cycle

(b) enlargement of fig. 10(a) at the vicinity of TDC Fig. 10 Simulation results of cylinder pressure

수직 대칭으로 밸브플레이트가 설계되어야 하며(Fig.

6 참조), 상사점(TDC) 부근에 밸브 플레이트 노치를 두면 피스톤이 송출 행정중이 끝나기 전에 출구측 개구면적이 줄어들게 되어 실린더 내부 압력이 상승 한다 . 또한 상사점(TDC) 부근에서 실린더 압력을 Fig. 10 (b)에 나타내었다. 실린더 내부 압력이 진공 으로 내려가면 케비테이션이 급격하게 발생한다. 흡 입 행정을 시작하여 실린더 내부 압력이 진공상태로 떨어진다.

Fig. 10 (b)의 결과에서 밸브 플레이트 Type 0 ~ 3 은 실린더 내부 압력이 진공압 이하로 크게 내려가 지 않지만 Type 4는 일정구간 진공압 상태가 유지된 다. 이러한 현상은 피스톤이 상사점(TDC)를 지나면 서 기름을 흡입되어야 하지만 Fig. 8의 시뮬레이션 결과와 같이 유량 맥동이 발생하여 내부의 고압유가 팽창하고 기름의 유입을 방해한다 . 따라서 기름은 유입되지 않는 상황에서 피스톤은 상사점에서 하사 점으로 이동하며, 실린더 포트의 체적이 증가함에 따라서 실린더 내부의 압력을 진공상태로 내려간다.

따라서 Type 4의 밸브플레이트 형상은 시뮬레이션

프로그램에서는 잘 나타나지 않는 케비테이션 발생

과 그에 따른 흡입성능 저하가 추가적으로 발생할 것으로 판단된다.

Fig. 11은 Fig. 7의 시뮬레이션 모델( 9개의 피스톤 으로 구성)을 사용하여 전체 피스톤 펌프에서 발생 하는 유량 맥동을 계산한 결과이다. Type 0에서는 하사점 부근에 노치가 없기 때문에 설계하여 유량 맥동의 진폭이 크게 나타나며, Type 1 ~ 4는 밸브 플레이트 하사점 부근에 동일한 노치를 설계하여 유 사한 크기의 진폭으로 유량 맥동이 생성된다. 하지 만 상사점(TDC) 부근의 밸브 플레이트 설계에

Fig. 11 Simulation results of the flow ripple

Table 3 Simulation results of volumetric efficiency

type 0 99.46 %

type 1 98.53 %

type 2 98.50 %

type 3 98.44 %

type 4 98.36 %

Fig. 12 Simulation results of suction pressure

따라서 흡입성능에서 차이가 발생하며 펌프의 유 량 맥동 및 용적 효율에도 차이가 발생한다. 펌프 용적 효율은 Table 3에 나타낸다. Type 0 ~ 4의 밸브 플레이트 설계안에 따라서 용적효율이 1% 이상 차

이가 발생하며, 실제 펌프의 가동 조건에서는 흡입 성능 저하로 인하여 용적 효율의 감소가 심해질 것 으로 판단된다.

Fig. 12는 흡입 포트의 압력을 시뮬레이션한 결과 이며 (식 (1) 참조), 계산된 압력값이 높을수록 케비 테이션에 유리하다. 즉, Type 4의 밸브플레이트 형태 가 케비테이션에 가장 취약함을 알 수 있다.

Fig. 13 Experimental results of pressure pulsation (700 rpm, mean load pressure is 100 bar)

Fig. 13은 Fig. 2의 개발대상 펌프를 Fig. 3의 펌프 시험장치로 회전속도 700 rev/min, 부하압력 100 bar 에서 압력 맥동을 측정한 결과이다. Type 0 = 11.82 bar, Type 1 = 11.63 bar, Type 2 = 11.32 bar, Type 3

= 11.18 bar 및 Type 4 = 11.77 bar로 압력 맥동의 평 균 진폭이 계산된다. Type 3이 압력 맥동의 크기가 가장 작음을 확인하였다.

4. 결 론

이 논문에서는 비교적 대용량의 사판식 피스톤 펌 프가 양방향 회전형으로 사용될 때의 밸브 플레이트 에 두는 노치(notch or silencing groove)의 설계 에 관 한 연구를 수행하였다.

양방향형 사판식 액시얼 피스톤 펌프에 노치를 적 용할 때의 기술적 문제점들을 체계적으로 조사할 목 적으로, 5가지의 기본적인 노치 설계안을 제시하고, 각각의 노치 설계안이 펌프의 특성에 미치는 영향을 수치 시뮬레이션 및 실험을 통하여 확인하였다.

(1) 밸브 플레이트의 상사점(TDC) 부근에 두는 노

치 및 예팽창 구간은 흡입행정 초기에 발생하는 유

량의 역류를 줄일 수 있지만, 펌프 흡입행정에서의

유동저항을 증가시켜서 흡입 성능을 저하시키는 원

인이 된다.

(2) 밸브 플레이트의 상사점 부근에 두는 노치 및 예팽창 구간은 송출행정 말기에 실린더 내부 압력을 과도하게 상승시키는 원인이 된다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원 이 지원하는 “차세대 건설기계부품 특화단지 조성사 업(과제번호 : A0061-00041-1)”으로 수행된 연구 결 과입니다.

References

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