액시얼 피스톤 펌프(피스톤수 짝수형)에서 압력-유량 맥동의 저감에 관한 연구

Abstract

Axial piston pumps are widely used in hydraulic drive systems because they exhibit very high pressures and good volume efficiency. However, it has obvious drawbacks such as high noise emissions. The noise generated by the hydraulic system is caused by three kinds of paths: fluid-borne noise, structure-borne noise and air-borne noise. Among them, fluid-borne noise has the greatest influence on the noise generation. The fluid-borne noise is generated by the flow pulsation in the pump and interacts with components such as piping and valves to induce pressure pulsation and noise. The flow pulsation in the axial piston pump is generated due to the finite number of pistons. More specifically, the reason for the generation of flow pulsation in pumps can be distinguished as : (1) the flow pulsation due to the kinematic motion of the piston, and (2) the flow pulsation due to the backward flow from the delivery port to the inside of the cylinder chamber when the cylinder port passes near the bottom dead center of pump. Therefore, it is very important to reduce the flow pulsation generated in the pump in order to reduce the noise generated in the hydraulic system. In addition, it should be noted that the efficiency of the pump should not be sacrificed in the process of realizing the design to reduce the flow pulsation in the axial piston pump. Numerous researchers have conducted various studies to reduce flow pulsation and noise. Basically, researches have been conducted to reduce the amplitude of flow pulsation through valve plate optimization such as notch shape designs. However, studies that reduce flow pulsation through notch design alone have limited effectiveness and may result in some reduction in volumetric efficiency. Thereafter, studies were conducted to reduce the flow pulsation by directly pressurizing the cylinder internal pressure near the bottom dead center(BDC) using an accumulator or the like. Recently, a method of pressurizing the inside of the cylinder located near the BDC by circulating a high-pressure fluid remaining after the delivery stroke in the cylinder near the top dead center(TDC) through a pulsation reduction line including a check valve to the cylinder near the BDC has been studied. It has been confirmed that the use of such pulsation reduction lines can increase pump efficiency and reduce noise emissions. When the flow pulsations generated from the kinematic reason due to the finite number of pistons are compared, the amplitude of the flow pulsations is small in the case of odd number of pistons (eg 7 or 9) than the case of even number of pistons (eg 10). As a result, most commercial pumps are manufactured with odd number of pistons, and studies on reduction of pulsation of conventional axial piston pumps have also been conducted with pumps having odd number pistons. However, since the even numbered piston type pumps are arranged symmetrically around the axis, the even number structure is advantageous for applying the pulsation reduction line. This paper first shows the comparison of the flow pulsations in an axial piston pump with the odd and even number of pistons through the flow pulsation simulation. As a result, when the pump is unloaded, the amplitude of the flow pulsation is larger by about 2 to 3 times than that when the number of pistons is even. However, when the load pressure is 200 bar, the amplitude of flow ripple in the case of odd number pistons was shown to be only 10% bigger compared to the case of even number. From this result of simulation, it can be seen that the main cause of the flow pulsation generated when the pump operates at the rated load pressure is the backward flow phenomenon due to the compressibility of the fluid. Therefore, it is expected that the amplitude of the overall flow pulsation can be reduced effectively by applying the pulsation reduction line design to pumps with even number of pistons. In this paper, the author proposes a pulsation reduction line without a check valve by arranging a notch in the cylinder block for an even numbered pistons pump. Notches may be disposed in the circumferential direction of the cylinder block to generate a flow path different from the existing flow path and the connection angle with the pulsation reduction line may be adjusted according to the shape of the cylinder block notch. Numerical simulations and experiments were carried out to confirm the effectiveness of the cylinder block notches and a pulsation reduction line applied to a commercial pump with 10 pistons. The flow/pressure pulsation performance of the commercial pump with the newly manufactured valve plate(with the pulsation reduction line), also with the further processed the cylinder notches in the pump cylinder block was investigated. As a result, it was confirmed that the pressure pulsation was reduced by 30% or more in the pump using the cylinder block notches and the pulsation reduction line. Measurement of flow pulsation is necessary to clearly compare the flow pulsation reduction effect of the axial piston pump. The flow pulsation is an intrinsic physical quantity of a pump that can not be directly measured. A previous researcher developed an indirect measurement method (ISO 10767-1) in which the pressure in the pump outlet pipe is measured and the flow pulsation is obtained through a series of calculation processes. The measurement method of the flow pulsation is based on the transfer matrix method, and the accuracy of the measurement may be affected by the distance between the pump pulsation source and the pressure measuring points. However, since the discharge passage from the pump source to the pressure measuring points of the pump is constituted by volume elements with complex internal shape and pipelines, it is very difficult to accurately evaluate the pipeline length in terms of a pipe having a constant cross section. In this paper, the equivalent discharge passage evaluation method developed by the author using a sonic velocity measurement technology was applied to calculate the equivalent discharge passage length and the precise measurement of flow pulsation in the axial piston pump was enabled.

액시얼 피스톤 펌프는 높은 사용 압력 및 우수한 용적효율을 바탕으로 유압 구동 시스템에 널리 사용되고 있다. 그러나 높은 소음 방출과 같은 명백한 단점을 가지고 있다. 유압시스템에서 발생하는 소음은 3가지 경로 즉, 유체 전파 소음, 구조 전파 소음, 공기 전파 소음에 의하여 발생하며, 그 중에서 유체 전파 소음이 전체 소음 발생에 가장 큰 영향을 미친다. 이러한 유체 전파 소음은 펌프에서 발생하는 유량맥동이 기진원이 되어 발생하며, 배관 및 밸브 등의 구성요소와 상호작용하며 압력맥동과 소음을 유발한다. 액시얼 피스톤 펌프의 유량맥동은 피스톤 수가 유한하기 때문에 발생하며, 더욱 구체적으로는 피스톤의 기구학적 운동에 따른 유량 맥동과 실린더 포트가 하사점 근방에 위치할 때, 송출 포트로부터 실린더실로 급격히 역류하는 유량맥동으로 구분할 수 있다. 따라서 유압시스템에서 발생하는 소음을 줄이기 위해서는 펌프에서 발생하는 유량 맥동을 줄이는 것이 매우 중요하다. 덧붙여서 유념해야 할 점은, 액시얼 피스톤 펌프에서 유량 맥동을 줄이기 위한 설계를 실현하는 과정에서 펌프의 효율을 희생시키지 않아야 한다는 점이다. 선행 연구자들에 의해서 유량맥동 및 소음을 저감시키기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 기본적으로 노치 형상설계 등 밸브 플레이트 최적화를 통해서 유량맥동의 진폭을 줄이는 연구가 진행되었다. 하지만 단순히 노치 설계만을 통해서 유량맥동을 저감시키는 연구는 그 효과가 제한적이고 용적효율을 일부 감소시키는 결과를 유발할 수 있다. 이후 어큐뮬레이터 등을 사용하여 하사점 부근에서 실린더 내부 압력을 직접 가압하여 유량맥동을 저감시키는 연구가 진행되었다. 근래에는 상사점(TDC) 부근 실린더에서 송출 행정후에 남는 고압의 유체를 하사점(BDC) 부근의 실린더로 맥동저감라인을 거쳐서 유통시킴으로써 BDC 부근에 위치한 실린더 내부를 가압하는 방법 등이 연구되고 있다. 이러한 맥동저감라인을 사용하면 펌프의 효율성 증대 및 소음 배출량을 줄일 수 있음이 확인되었다. 피스톤수가 유한함에 기인하여 발생하는 기구학적인 유량맥동을 피스톤 수가 홀수개(예: 7 or 9개)인 경우와 짝수개(예: 10개)인 경우를 비교할 때, 일반적으로 홀수개인 경우가 유량 맥동의 진폭이 작다. 이로 인하여 상용펌프는 대부분 피스톤수가 홀수형으로 제작되고 있으며, 기존의 액시얼 피스톤 펌프의 맥동저감에 대한 연구 또한 홀수개 피스톤을 가지는 펌프를 대상으로 수행되었다. 하지만 피스톤수 짝수형 펌프는 실린더들이 축대칭형으로 배치되므로 맥동저감라인을 적용하기에 유리한 구조를 가진다. 이 논문에서는 먼저 액시얼 피스톤 펌프의 유량맥동 시뮬레이션을 통하여, 피스톤수가 홀수와 짝수일 때의 유량맥동의 크기를 비교하였다. 결과로서, 무부하시에는 피스톤수가 짝수인 경우에 유량 맥동의 진폭이 홀수인 경우보다 2~3배 정도로 크지만, 부하압력 200 bar에서는 피스톤수가 짝수인 경우가 홀수인 경우에 비하여 불과 10% 정도 만큼 큰 것으로 나타났다. 즉, 펌프가 정격 부하압력으로 동작시에 발생하는 유량맥동의 주된 원인은 유체의 압축성에 기인한 역류현상임을 알 수 있다. 따라서 펌프의 피스톤수를 짝수로 하고, 여기에 맥동저감라인 설계를 적용함으로써 전체적인 유량맥동의 진폭을 대폭 줄이는 설계가 가능함을 기대할 수 있다. 본 논문에서는 피스톤수가 짝수개인 펌프에 대해서 실린더블록에 노치를 배치하여 체크밸브가 없는 맥동저감라인을 제안한다. 실린더블록의 원주 외각 방향으로 노치를 배치하여 기존 유로와는 별도의 유로가 생성되게 하고, 실린더블록 노치의 형상에 따라서 맥동저감라인의 연결 각도를 조절할 수 있다. 10개 피스톤을 가지는 상용펌프(독일, H社)를 대상으로 실린더블록 노치 및 맥동저감라인의 설계를 적용한 수치 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 상용 펌프 실린더 블록에 실린더 노치를 추가적으로 가공하고, 여기에 새로이 제작한 밸브플레이트(맥동저감라인이 시공됨)를 적용한 펌프의 유량/압력 맥동 성능을 실험적으로 조사하였다. 그 결과 실린더블록 노치 및 맥동저감라인을 적용한 펌프에서 압력맥동이 30% 이상 저감됨을 확인하였다. 액시얼 피스톤 펌프의 유량맥동 저감효과를 명확하게 비교하기 위해서는 유량맥동의 계측이 필요하다. 유량맥동은 직접측정이 불가능한 펌프 고유의 물리량으로, 선행 연구자들에 의해서 펌프 출구배관의 압력을 계측하고 일련의 연산 과정을 통하여 유량 맥동을 구하는 간접 계측법(ISO 10767-1)이 개발되었다. 이러한 유량 맥동의 계측법은 전달 매트릭스법을 기반으로 하며, 펌프의 맥동원으로부터 압력측정점까지의 거리에 따라서 계측의 정밀도가 영향을 받을 수 있다. 그런데, 펌프의 맥동원으로부터 압력측정점까지의 토출통로는 복잡한 형상의 체적요소 및 관로로 구성되기 때문에 일정한 단면을 가지는 관로로 환산했을 때의 관로 길이로 정밀하게 평가하기란 매우 어렵다. 본 논문에서는 저자가 개발한 등가 토출 통로 평가법을 적용하여 음속 계측의 관점에서 의미를 가지는 등가토출통로를 계산하고 이를 활용하여 엑시얼 피스톤 펌프의 정밀한 유량맥동을 계측하였다.