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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.9 pp.64-71
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.9.064

Pipe Design for Hydraulic System in Construction Heavy Equipment by Numerical Analysis

Yoo In Shin*, Chung Seob Yi**, Sung Gil Han***, Ho Seong Lee****#
*Industry-academy Convergence District Development Agency, GNU.
**Korea Lift Collage, School of Lift Engineering
***Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School, GNU.
****Department of Mechanical Convergence Engineering, GNU.
Corresponding Author : hoslee@gnu.ac.kr Tel: +82-55-250-7301, Fax: +82-55-250-7399
12/06/2019 25/06/2019 02/07/2019

Abstract


We herein propose a systematic design method of hydraulic pipes used in heavy construction equipment. We found that even though many design studies have been conducted regarding major hydraulic components such as pumps, cylinders, and control valves, studies regarding the optimal design of hydraulic pipes are scarce. In this study, the design of four types of pipes is considered: two high-pressure and two low-pressure pipes. First, fluid flow analysis was conducted based on oil flow and pressure for various radii of curvature. For a check-valve pipe, we considered the location of an inlet pipe. We could visualize fluid flow inside the pipe according to the flow velocity and pressure distribution. Based on fluid flow analysis, we conducted a structural analysis that revealed the stress distribution and concentration for each pipe design. We selected the best design parameters for each pipe design, fabricated the pipes, and subsequently tested them for validity.



수치해석을 통한 건설중장비 유압시스템용 파이프설계에 대한 연구

신 유인*, 이 중섭**, 한 성길***, 이 호성****#
*경상대학교 산학융합지구조성사업단
**한국승강기대학교 승강기공학부
***경상대학교 대학원 기계항공공학부
****경상대학교 기계융합공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    건설장비란 일반적으로 건설, 토목에 활용되는 전반적인 기계장치를 의미하며, 공사종별로 각각의 특성에 따라 기계구조 및 성능을 보유한다. 건설장 비는 주로 큰 동력을 요구함에 따라 유압시스템을 활용한 동력전달 구조를 가지고 있다.

    산업용플랜트, 발전설비에 사용되는 파이프는 유 한요소해석을 이용하여 성형 해석[1], 생산 공정 개 선[2], 덕트 유동 해석 분야 등[3-7]에 연구가 진행되 어 왔다.

    본 연구에서는 수치해석을 통해 건설중장비 유압시 스템에 적용되는 4종의 파이프(hydraulic pipe)에 대한 각각의 설계안을 도출하고자 한다. 파이프의 종류는 Table 1과 같으며, 체크밸브 파이프(Check valve pipe) 를 제외한 나머지 3 종류의 파이프는 곡면의 크기를 변수로 선정하였으며, 체크밸프 파이프는 밸프의 위 치를 변수로 설정하여 연구를 진행하였다.

    2. 수치해석 개요

    2.1 수치해석 방법

    수치해석 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 해석 모델의 적절한 모델링과 함께 적절한 난류모델의 선정, 계산 격자의 신뢰성 확보가 필요하다. 이와 더불어 Solver의 선택 또한 계산 정확도에 미치는 영향이 크기 때문에 상용 S/W는 CD-adapco사의 STAR-CCM+를 사용하여 해석을 수행하였다.

    2.2 지배방적식

    본 연구에서는 파이프 내부의 유동을 3차원 비정 상상태의 난류유동으로 가정하여 유동해석을 수행 하였다. 덕트에서 속도분포 및 압력을 산출하기 위 해서 사용된 지배방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식이며, 난류모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 k-ε모델을 사용하고자 한다.

    2.3 수치알고리즘

    본 연구에서는 SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)에 따른 Segregate Flow 알 고리즘을 사용하였으며, 정상상태에서 반복 계산 시 파이프의 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값 으로 고정된 계산결과가 나타날 때와 잔차 값이 10-3이하에 도달하면 수렴 판정의 기준으로 삼았다.

    2.4 계산격자 선정

    수치해석을 위한 중요한 요소 중 하나는 검사체 적(Control Volume)을 적절하게 구성하는 것이며, 이는 계산의 정밀도와 직접적인 관계를 가진다. 사 면체 격자(Tetrahedral mesh)의 경우 해석의 수렴성 과 계산결과의 부정확성 때문에 기피되는 결자 형 태이며, 육면체의 격자(Hexahedral mesh)의 경우 높 은 수렴성과 계산결과의 정확성을 가지고 있는 반 면 격자수를 6배 증가시켜야 하는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서 는 사면체 비정렬 격자의 격자생성 용이성과, 육면 체 격자가 가지는 신뢰성을 모두 결합시킨 다면체 격자(Hexahedral+Trim mesh)를 선택하였다.

    3. 파이프 유동해석

    3.1 해석방법

    Fig. 1에서와 같이 각각의 파이프에 대한 연구를 수행하였으며, 파이프 외부에 설치된 밸브류의 경 우 모두 닫혀있는 상태로 가정하여 파이프 자체에 대한 유동장을 우선파악하고, 유동장과 관련 없는 부분은 삭제하여 최종 CFD 모델을 생성하였다.

    3.2 경계조건

    유압시스템용 파이프 유동해석을 위한 경계조건 은 해당 건설 중장비의 제원을 근거로 파이프 내부 유속을 아래 식을 적용하여 계산하였다.

    m ˙ = ρ Q = 850 ( k g / m ˙ 3 ) × 0.00423 ( m 3 / s ) = 3.5955 ( k g / s ) 3.6 ( k g / s )

    유압펌프 유량을은 Q=253.6 (l/min)=0.00423 (m3/s), 따라서 파이프를 통과하는 유체의 질량유량 은 3.6 kg/s로 가정하였으며, 이때 유압펌프의 작업 압력은 350 kg/cm3 이며, 343.23 bar의 환경에서 유 동해석을 수행하였다.

    3.3 해석모델

    각각의 파이프는 해당 유압시스템 기존 설계상 정해진 배치지점을 벗어나지 않도록 Fig. 2 ~Fig. 5 와 같이 설계 변수를 모델링 하였다. Fig. 3, 4

    3.4 해석결과 및 고찰

    각각의 파이프에 대한 유동해석을 수행한 결과 Fig. 6 ~ Fig. 9와 같다. Fig. 7, 8

    Return pipe의 경우 3지점의 굴절부위 반경이 증 가할수록 유속이 매끄럽게 빠져나가며, 속도차가 작게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히 r=85 mm부터는 Fig. 10에서와 같이 모든 곡면에서 유동 박리현상이 사라지는 사실을 확인할 수 있었다.

    Attachment hi-pressure pipe의 경우 2지점의 굴절 부위 반경이 증가함에 따른 속도변화는 크지 않음 을 확인 할 수 있다. 반면 Fig. 12에서와 같이 두 섹션에서의 유선분포를 확인한 결과, 섹션 1의 경 우 반경이 증가할수록 유동의 회전 폭이 점차 감소 함을 확인 할 수 있으며, 섹션 2의 경우 굴절부 반 경 r=95 mm 까지는 4개의 회전영역이 발생하고, 반경 r=105 mm 이후 단면 상하부에만 회전영역이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 11

    MCV boom pipe의 경우 1지점의 굴절부위 반경 변화에 따른 속도변화는 크지 않음을 확인할 수 있 다. 다만 Fig. 8에서와 같이 출구 쪽 2지점에서 직 각으로 꺾여 유체가 토출되기 때문에 속도차가 크 게 발생됨을 확인 할 수 있다.

    Check valve pipe의 경우 Fig. 9에서와 같이 밸브 위치에 따른 속도변화가 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 13과 같이 각각 모델의 유선분포를 살펴 보면 토출구로 나누어지기 전 유동장은 모델-1이 가 장 복잡하게 나타남을 확인 할 수 있으며, 모델-2가 가장 안정적인 유동장을 형성하고 있는 것을 확인 할 수 있다. 반면 두 토출구로 나누어진 유체의 유 동장은 모델-3이 다른 두 모델에 비해 안정적인 것 을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 14에서 각각의 모델에 대한 출구에서의 질량유량을 나타내었다.

    4. 제작 및 성능평가

    해석결과를 바탕으로 Fig. 15와 같이 파이프를 제 작하였다. 또한 공기 누출 시험을 Table 2와 같이 수행하였으며, 자분탐상 검사를 Table 3과 같이 진 행하였다.

    5. 결 론

    중장비용 유압시스템 4종의 파이프에 대한 수치 해석을 수행한 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    1. Return pipe에 대한 해석결과 굴절부 반경 r=85 mm 일 때 유동장이 매끄럽게 빠져나가고 압력 강하도 낮게 나타남으로 설계반영 시 가장 유리 한 것으로 나타났다.

    2. Attachment hi-pressure pipe에 대한 해석결과 굴절 부 반경 r=115 mm 일 때 유동장이 매끄럽게 빠 져나가고 압력강하도 낮게 나타남으로 설계반영 에 가장 유리한 것으로 나타났다.

    3. MCV boom pipe에 대한 해석결과 굴절부 반경 r=70 mm 일 때 유동장이 매끄럽게 빠져나가고 압력강하도 낮게 나타남으로 설계반영에 가장 유리한 것으로 나타났다.

    4. Check valve pipe에 대한 해석결과 모델-3이 유 동적인 측면에서 가장 유리한 조건을 가지고 있 는 것으로 판단되며, 압력강하 역시 가장 낮게 나타났다.

    후 기

    “이 논문은 2019년도 산업단지 스마트공장 전문 인 력 양성사업 및 경남창원 산학융합지구 조성사업 연 구비 지원에 의하여 연구되었음.”

    Figure

    KSMPE-18-9-64_F1.gif
    Modeling of pipe
    KSMPE-18-9-64_F2.gif
    Boundary conditions of the return pipe
    KSMPE-18-9-64_F3.gif
    Boundary conditions of the attachment hi-pressure pipe
    KSMPE-18-9-64_F4.gif
    Boundary conditions of the MCV boom pipe
    KSMPE-18-9-64_F5.gif
    Boundary conditions of the Check valve pipe
    KSMPE-18-9-64_F6.gif
    Analysis result of return pipe
    KSMPE-18-9-64_F7.gif
    Analysis result of attachment hi-pressure pipe
    KSMPE-18-9-64_F8.gif
    Analysis result of MCV boom pipe
    KSMPE-18-9-64_F9.gif
    Analysis result of check valve pipe
    KSMPE-18-9-64_F10.gif
    Velocity and streamline distribution of return pipe (r=85 mm)
    KSMPE-18-9-64_F11.gif
    Location of two section of attachment hi-pressure pipe
    KSMPE-18-9-64_F12.gif
    Streamline distribution of attachment hi-pressure pipe
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    Streamline distribution of check valve pipe
    KSMPE-18-9-64_F14.gif
    Mass flow of check valve pipe outlet
    KSMPE-18-9-64_F15.gif
    Prototype of pipe

    Table

    Pipe types and design variables
    Air leakage test result
    Magnetic particle test result

    Reference

    1. Yun, J. H., Yi, C. S., Suh, J. S. and Song, C. K., “A Study on Flow Characteristics in Lubrication System of Manual Transmission in a Commercial Vehicle,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 2, pp. 40-46, 2012.
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