KR20000051577A - 유공압회로의 소음진동 감쇠장치 - Google Patents

유공압회로의 소음진동 감쇠장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유공압회로에 발생되는 맥동현상에 의한 소음 및 진동을 감쇠시키는 감쇠장치에 관한 것으로서, 종래의 감쇠장치는 유공압회로에 축적기만이 적용됨으로써, 맥동현상이 회로의 작동상태에 따라 변화되는 소음 및 진동을 충분히 감소시키지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명의 소음진동 감쇠장치는 유체의 유동상태를 감지하는 온도센서(31)와 압력센서(32)로 형성된 감지수단(30)과, 상기 감지수단(30)에서 측정된 감지신호를 변환,분석하는 제어용컴퓨터(41)와 밸브제어기(42)로 형성된 제어수단(40)과, 상기 제어수단(40)의 제어신호에 의해 서보밸브장치(51)를 구동시켜 축적기의 입구면적을 조절하는 조절수단(50)으로 구성되어, 유체의 동적특성을 감지 및 제어하고, 서보장치에 의하여 각 축적기의 입구면적을 순차적으로 조절함으로써, 각 주요주파수에서의 진폭을 최소화하여 유공압회로에서의 소음 및 진동을 감쇠시킬 수 있다.

Description

유공압회로의 소음진동 감쇠장치{APPARATUS FOR DAMPING NOISE AND VIBRATION OF HYDRO-AIR CIRCUIT}
본 발명은 유공압회로의 소음 및 진동을 감쇠시키는 감쇠장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유공압회로에 발생되는 맥동현상과 관계되는 유체특성을 감지및 제어하고 서보밸브장치에 의하여 축적기의 입구면적을 조절하여 유공압회로의 소음 및 진동을 감쇠시킬 수 있도록 한 감쇠장치에 관한 것이다.
일반적으로 유공압회로에는 압력맥동현상이 발생되는 바, 이는 펌프의 회전에 의한 유량변화와 유공압 발생 메카니즘의 진동특성에 관계되며, 과도한 맥동현상은 제어장치의 정밀제어성능을 저하시키고 소음발생의 원인이 된다. 유공압맥동의 주파수 변화특성을 발생시키는 원인으로는 펌프회전속도, 플런저개수, 실린더블럭의 고유주파수, 베어링 동적특성과 펌프형태에 따른 구조물 및 작동기의 동적특성, 유공압라인 및 장착구조물특성 등이 있다.
특히 일정마력용 유공압펌프는 압력궤환을 위하여 필요한 기구부의 저주파 진동특성으로 유압라인에 공급유량의 저주파수 특성을 발생시켜 소음 및 서보밸브의 성능에 영향을 주고 있음이 발견되었다.
유압맥동현상을 감소시키는 방법으로는 압력조절밸브, 유압축적기(Hydraulic Accumulator)와 T형(또는 H형) 유공압필터를 유공압 펌프와 연결된 유공압라인에 설치하는 방법 등이 알려져있다.
종래의 유공압회로에서는 에너지저장 및 맥동감쇠용으로 축적기를 주로 사용하고 있으며, 이를 도 1에 참고적으로 나타내었다.
도 1에서, 유공압회로는 유공압 발생장치(11)와 필터/밸브 매니폴드(12), 축적기(13), 유압휴즈(14), 서보제어기(15), 서보장치(16), 구동기구(기어박스/실린더)(17) 및 관성부하(18)로 구성되어 있다.
상기 회로를 형성하는 구성요소에 대한 작용을 살펴보면 다음과 같다.
유공압 발생장치(11)는 유공압펌프(11a)와 펌프구동용 전기모터(11b) 및 저유기(11c)로 구성되며 회로의 요구성능 및 설치상태에 따라서 적절하게 설계된다. 필터/밸브 매니폴드(12)는 유공압유를 청정하게 유지시키며, 그 일측에는 감쇠기 역할을 하는 축적기(20)가 연결된다. 축적기(13)는 유공압회로의 구동용량에 적합한 에너지를 저장하도록 설계되고, 입구면적은 유공압 배선과의 조립특성에 적합하도록 형성되어 있다. 유압휴즈(14)는 유압라인 파열과 같이 급격한 압력강하나 과다유량이 통과할 때 유로를 차단시키는 안전장치 역할을 하며, 서보장치(16)는 유량제어밸브가 장착되어 구동기구(기어박스/실린더)(17)를 작동시켜 연결된 부하의 위치 및 속도를 서보제어기(15)에 의하여 제어한다. 상기와 같이 생성, 제어된 구동압력에 의하여 관성부하(18)를 구동시킨다.
그런데 유공압회로의 맥동을 감쇠시키기 위한 축적기(13)는 좁은 목과 큰 부피를 갖는 공동(Cavity)으로 이루어져 있으며, 특정주파수의 에너지 밀도를 감쇠시키는 일종의 필터로서, 감쇠시키고자 하는 특정주파수를 중심으로 하는 매우 작은 주파수영역에서 좋은 감쇠현상을 나타내고 있으나 그에 따른 정확한 필터링 주파수결정이 곤란하며, 축적기의 경계조건에 의한 이론적 해석, 예를 들면 그린함수(Green Function)해석 등에 의한 이론적 압력계산에 어려움을 나타내고 있다.
따라서 유공압 맥동현상은 회로의 제어체적 및 온도, 배관, 유공압 발생장치 등에 따라 변화되므로 정밀제어용 유공압회로에서는 제어장치의 정밀제어기능이 저하되고 소음 및 진동을 충분히 감소시키지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 유공압회로의 맥동현상과 관계되는 유체의 동적특성을 감지하고, 주파수 특성이 변화할 경우 주요주파수를 제어하여, 서보장치로 축적기를 조절함으로써, 각 주요주파수에서의 진폭을 최소화하여 유공압회로에서의 소음 및 진동을 감쇠시킬 수 있는 감쇠장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 유공압회로의 구성도,
도 2는 유공압 배관 및 축적기의 해석용모델,
도 3은 본 발명이 적용된 유공압회로의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 감쇠장치의 작용흐름도,
도 5a는 축적기가 적용되지 않은 경우의 압력변화 및 파워스펙트럼선도, 도 5b는 한개의 축적기가 적용되었을 경우의 압력변화 및 파워스펙트럼선도이다.
〈 도면의 주요부분에 대한 부호설명〉
11: 유공압 발생장치12: 필터/밸브 매니폴드
13: 축적기14: 유압휴즈
15: 서보제어기16: 서보장치
17: 구동기구18: 관성부하
19: 유공압배관30: 감지수단
31: 온도센서32: 압력센서
40: 제어수단41: 제어용 컴퓨터
42: 밸브제어기50: 조절수단
51: 입구면적 조절용 서보밸브장치
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 필터/밸브 매니폴드의 일측에 축적기가 구비된 유공압회로에 있어서, 상기 필터/밸브 매니폴드에 여러개의 감쇠용 축적기를 설치하고 그 필터/밸브 매니폴드의 타측에 마련되어 유체의 유동상태를 감지하는 감지수단과, 상기 감지수단에 연결되어 감지신호를 제어하는 제어용컴퓨터와 밸브제어기로 형성된 제어수단과, 상기 제어수단에 연결되어 제어신호에 의해 상기 각 축적기의 입구면적을 순차적으로 조절하는 조절수단이 포함된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부도면에 의거하여 설명토록 한다.
도 3은 본 발명이 적용된 유공압회로의 구성도로서, 상기 감쇠장치는 필터/밸브 매니폴드(12)의 일측에 3개의 축적기(13)가 구비되고, 상기 필터/밸브 매니폴드(12)의 타측에 온도센서(31)와 압력센서(32)로 형성된 감지수단(30)이 구성되고, 상기 감지수단(30)에 순차로 제어용컴퓨터(41)와 밸브제어기(42)가 연결되어 감지신호를 제어하는 제어수단(40)이 구성되고, 상기 제어수단(40)과 연결되어 서보밸브장치(51)에 의하여 상기 축적기의 입구면적을 조절하는 조절수단(50)으로 구성된다.
상기의 구성을 갖는 본 발명의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
감지수단(30)을 구성하는 온도센서(31)는 유체의 온도를 측정하고 압력센서(32)는 유체의 동적압력을 측정하여 효과적인 감쇠에 활용된다.
제어수단(40)을 구성하는 제어컴퓨터(41)는 상기 감지수단(30)으로 부터 측정된 신호를 내장된 신호처리 보드 및 프로그램에 의하여 시간영역에서의 획득자료를 주파수영역으로 변환하여 분석하고, 제어컴퓨터(41)에서 주요 지배주파수를 판별하여 감쇠시키고자 하는 진폭크기별 주파수 순서에 따라 밸브제어기(42)에 의하여 조절수단(50)을 구동시킨다.
조절수단(50)은 축적기의 입구면적을 제어하는 서보밸브장치(51)로서 상기 밸브제어기(42)에 의하여 구동되어, 축적기의 입구단면적을 증감 제어함으로서 주요주파수를 단계적으로 제거시켜 소음 및 진동을 감쇠시킨다.
상기 구성과 작용을 갖는 유공압회로에 대한 이론적 해석은 다음과 같다.
본 발명과 관련하여 구성된 유공압 구동시스템의 경우 일정 마력형 유압펌프를 적용한 유공압 발생장치를 이용하였으며, 유공압회로내의 압력맥동현상은 펌프의 유량변화와 회로특성에 원인이 있으며, 유압펌프의 경우 플런저의 갯수에 따른 주파수특성이 변화한다. 감쇠기는 유공압라인에 축적기를 장착하여 공급압력의 특정 맥동주파수의 파워를 감소시켜 유압장치의 소음을 감소시키고 서보장치에 작용하는 저주파수 대역의 제어특성을 향상시키는 역할을 한다. 유공압라인의 동적특성을 분석하기 위하여 도 2와 같이 해석용 모델을 생각하면, 축적기의 전달함수 Ga는 식(1)과 같이 표시된다.
(1)
T3= L3/a
L3: 입구 목부분 길이
a : 파동 전달속도
Ca : 축적기 용량계수
Pm : 입구 목부분 압력
Qm : 입구 목부분 유량
Zc : 파동전달 임피던스
유압라인과 축적기의 주파수별 감쇠율, 즉 입력유압에 대한 출력부의 유압비를 고려하여 특성을 구하면 식(2)와 같다.
(2)
T1= L1/a, T2= L2/a, TL= L/a,
L = L1+ L2, s=jω
L1: 축적기 이전의 관로길이
L2: 축적기 이후의 관로길이
R0: 유체저항계수
유체저항계수 RO가 파동전달 임피던스 Zc보다 매우 크고, L3의 길이가 L1,L2보다 매우 작으면 식(3)과 같이 간략화된다.
(3)
P1, P2: 축전기 전후의 압력
Q1, Q2 :축전기 전후의 유량
단, ωT3≪1, RO≫Zc이다.
식(3)의 전달함수로 부터 공진이 발생될 수 있는 조건(P2→∞), 즉 cosωT1·cosωT2→0일 때의 조건을 만족하는 축적기 설치위치는 식(4)와 같다.
(4)
축적기가 포함된 유압라인의 주파수 특성은 축적기의 연결부의 오리피스 단면적, 펌프와의 길이 및 연결부의 길이 변화에 따라 결정될 수 있으며 대상 시스템의 주파수 특성에 따라 조절된다. 시뮬레이션을 통하여 축적기의 설치위치가 펌프와 가까울수록, 또한 축적기의 연결부의 길이가 작을수록 (ωT3→0) 효과적인 필터특성을 갖는 것이 판명되었으며, 시스템의 공간적인 장착성을 고려하여 축적기의 유압라인에의 장착위치를 설정하여야 한다.
축적기는 공명주파수로 표현되는 특정주파수의 에너지 밀도를 감쇠시키고, 공명주파수의 정확한 결정은 상기 특정주파수를 감쇠시키는 데 중요한 역할을 한다. 공명축적기는 도 2와 같이 질량과 스프링으로 연결된 기계시스템으로 해석될 수 있으며, 입력파에 의해 움직이는 축적기 내의 모든 유체입자는 목에 집중되어 있고, 공동은 스프링 역할을 한다는 가정을 포함하고 있다. 축적기 목의 유체질량과 목의 단면적을 고려한 스프링 상수를 적용하고, 목과 공동의 경계선 근처의 유체입자의 운동을 고려한 오차를 보정하여 공명진동수를 계산하면 식(5)와 같다.
(5)
c : 음속
Ao : 축적기 목의 단면적
V : 축적기 체적
L3: 입구 목부분 길이
ΔL: 보정길이
축적기 내의 유체운동을 연속방정식과 운동방정식으로 부터 임피던스를 계산하면 식(6)과 같으며, 임피던스가 최소가 될 때 공명현상이 일어난다.
(6)
R' : 축적기 저항
식(6)의 축적기저항은 목의 벽면에 대한 유체의 점성마찰, 유체요동에 의한 음향학적 에너지손실 등으로 설명될 수 있으며, 오차보정(ΔL)과 축적기 저항의 영향은 이론적인 산출이 어렵고, 축적기의 고유주파수 결정에 어려움이 있으므로 실험적인 보완이 필요하다.
그리고 본 발명에 따른 감쇠장치의 작용흐름도를 도 4에서 도시하였다.
압력센서(32)에서 측정된 동적압력을 제어용컴퓨터(41)에서 주파수 영역으로 변환한 후 감쇠시키고자 하는 주요주파수(f1,f2,...,fn)를 선정한다. 이때, 온도측정센서로 부터의 온도정보를 획득하여 감쇠주파수와의 상관관계를 규명하여 온도조건에 따른 입구면적 보정자료로 활용한다. 진폭이 큰 주파수부터 차례로 감쇠시키기 위하여 식(4)에 따라 입구면적 제어명령(c1,c2,...,cn)을 발생시켜 밸브제어기(43)로 부터 축적기의 입구면적 조절용 서보밸브장치(51)를 조정한다. 서보밸브장치(51)를 조정하면서 지속적으로 동적압력을 주파수영역에서 분석하여 입구면적을 증감시켜 진폭을 최소화 함으로서 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다. 주요주파수를 최적으로 감쇠시키기 위하여 정밀주파수 보정제어를 식(7)에서J/A0=0 가 되도록 하는 입구면적 Ao를 구하여 수행한다.
J= ∫(P-Pa)2dt(7)
P : 순간압력
Pa: 평균압력
t0: 측정시간
상기와 같은 감쇠기법을 감쇠시키고자 하는 주파수에 순차적으로 적용하여 축적기(R1,R2,...,Rn)에 따라 각각의 입구면적(A1,A2,...,An)을 제어한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 감쇠장치는 유공압회로에 발생되는 맥동현상과 관계되는 유체의 동적특성을 감지 및 제어하고, 서보밸브장치에 의하여 각 축적기의 입구면적을 조절함으로써, 각 주요주파수에서의 진폭을 최소화하여 유공압회로에서의 소음 및 진동을 감쇠시킬 수 있는 특유의 효과를 가져다 준다.
도 5는 압력변화 및 파워스펙트럼선도를 도시하여 본 발명의 효과를 비교하여 도시한 것으로서, 도 5a는 축적기가 적용되지 않은 경우의 맥동현상을 시간영역과 주파수영역에서 도시한 것으로 진폭은 100psi수준이며, 주요주파수는 10.5Hz이다. 도 5b는 한개의 축적기 만을 적용했을 경우로서 유압맥동 진폭은 15psi로 감소되었다. 상기 시험결과와 같이 본 발명에 의한 감쇠장치는 맥동현상을 효과적으로 감소시키고, 주요주파수가 여러개 나타나는 경우에도 다수개의 축적기를 사용함으로서 소음 및 진동을 획기적으로 감소시키는 효과를 나타내고 있다.

Claims (3)

  1. 필터/밸브 매니폴드(12)의 일측에 축적기(13)가 구비된 유공압회로에 있어서, 상기 필터/밸브 매니폴드(12)의 타측에 마련되어 유체의 유동상태를 감지하는 감지수단(30)과, 상기 감지수단(30)에 연결되어 감지신호를 제어하는 제어용컴퓨터(41)와 밸브제어기(42)로 형성된 제어수단(40)과, 상기 제어수단(40)에 연결되어 제어신호에 의해 상기 축적기의 입구면적을 조절하는 조절수단(50)이 포함된 것을 특징으로 하는 유공압회로의 소음진동 감쇠장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감지수단(30)은 유체의 온도를 측정하는 온도센서(31)와 유체의 동적압력을 측정하는 압력센서(32)로 구성된 것을 특징으로 하는 유공압회로의 소음진동 감쇠장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조절수단(50)은 입구면적 조절용 서보밸브장치(51)로 구성된 것을 특징으로 하는 유공압회로의 소음진동 감쇠장치.
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