A Study on the Structural Analysis and Design Verification of Variable Swash Plate Piston Pump Case for Wheeled Armored Vehicle

차륜형 장갑차용 가변형 사판식 피스톤 펌프 케이스의 구조해석 및 설계검증에 관한 연구

Abstract

The objective of this study was to reverse engineer a swash plate type piston pump mounted on a wheeled armored vehicle and to analyze the structure of the pump case. From the analysis, the weak parts were identified and corrected in the final design. Each element corresponding to the piston pump case was analyzed. The analytical method was given static boundary conditions, load conditions and confirmed displacement, strain, stress, and safety factor. Plastic deformation and damage were also confirmed and the component elements redesigned through structural analysis Structural analysis and vibration analysis were carried out for the components of the piston pump case. The piston pump model was finally modified by structural analysis and vibration analysis results for each component assembly, and a prototype was designed. Durability test and environmental test were carried out and the test results satisfied all of the requirements. Therefore, the analytical method presented in this study can be utilized as a methodology for element component design in the development of various piston pumps.

1. 서론

유압 펌프는 전동기나 엔진 등에 의해 공급되는 기계적 에너지를 유압 에너지로 변환하는 장치로서, 고압, 고성능, 고효율의 유압 시스템에는 가변형 사판식 피스톤 펌프가 널리 적용되고 있다. 그러나 타 펌프형태와 비교하여 구조가 복잡하고 높은 가격이 라는 단점을 가지고 있다. 따라서 유압시스템의 핵심 구성품인 가변형 사판식 피스톤 펌프가 적용되는 차륜형 장갑차의 경우는 현재 장비 특성상 완성품을 해외에서 수입하여 적용하기 때문에 기능저하와 같은 문제가 발생할 경우 대응이 늦다는 어려움이 있 다. 이러한 문제들로 인해 유압시스템에서 핵심 구성품인 가변형 사판식 피스톤의 경우 MIL-SPEC(Military Specification)과 사용 환경 요구 조건을 만족하는 성능과 시험 등의 체계적인 검증이 요구된다. 해외기술력 및 해외 독점 공급품목으로 향후 장비 적용과 유사장비 개발, 시스템 개선 등에 대해 원활한 대응을 위해서는 국산화 개발과 독자적인 기술력 확보가 절실히 요구되고 있다. 국산화 개발을 위해서는 핵심 구성부품에 대한 각 요소별 설계기술과 각 요소별 해석을 통해 발생하는 문제점을 설계에 반영을 할 수 있는 내구성 해석 기술과 같은 독자적인 기술력이 필요하다. 이러한 기술력을 확보를 위해 현재 기존 구성부품들의 수정설계와 해석을 통한 구조개선에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. ^1-5)

본 논문에서는 차륜형 장갑차에 장착되는 가변형 사판식 피스톤 펌프 개발을 위하여 펌프 케이스의 요소부품들에 대하여 구조해석과 진동해석을 실시하였다. 해석결과를 기반으로 가변형 사판식 피스톤 펌프 케이스 설계에 반영하여 시작품 제작과 테스트를 통해 내구성을 검증하였다.

2. 역설계:구조해석 및 분석

2.1 해석모델 역설계

현재 차륜형 장갑차에 적용되고 있는 가변형 사판식 피스톤 펌프인 HAWE의 V60N 모델을 국산화하기 위해 도입품 역설계를 진행하였다. 도입품을 분해하여 각 파트별로 분류를 진행한 후 주요부품에 대한 역설계 방안을 검토하였다. 주요부품으로는 사판 (Swash Plate), 축(Driving Axle), 밸브플레이트(Valve Plate), 펌프 케이스(Pump Case), 실린더블록(Cylinder Block), 피스톤(Piston), 밸브(Valve)로 나눌 수 있다. 총 부품 수는 93종으로 신규설계 77종, 공용품 16종으로 구성된다. 신규설계를 포함한 최종 피스톤 펌프 3D CAD 모델은 Fig. 1과 같이 CATIA를 이용하여 역설계 하였다. 그리고 해석용 코드는 ANSYS Release 18.2를 이용하였다.

Fig. 1 CATIA modeling of variable swash plate piston pump

2.2 구조해석 전처리

구조분석은 구조해석과 진동해석 두 부분으로 나누어 수행되었다. 구조해석은 정적인 경계조건과 하중조건에서 변위, 변형률, 응력, 안전계수 등에 대한 해석적 검토를 통해 소성변형과 파손여부를 판단한다. 진동해석은 구조물에 반복적인 작용으로 인해 피 로, 마모, 소음 등에 영향을 미치는 진동에 대한 해석적 검토를 통해 궁극적으로 파손을 야기하는 공진 영역 회피 여부를 판단한다. 구조분석은 1차, 2차 두번에 나누어 수행하였다. 1차 분석은 펌프 케이스를 구성하는 각 단품들에 대해 구조분석을 수행하여 취약부위를 찾아 설계에 반영하기 위하여 수행하였다. 2차 분석은 1차 분석을 통해 설계 보완된 펌프 케이싱 조립체에 대해 충격하중을 고려한 구조분석과 각 단품에 대한 진동분석을 통해 내구성 검토를 위하여 수행하였다. 구조해석과 진동해석에 요구되는 기계적인 물성 데이터로 구조해석의 경우 탄성계수, 포와송비, 인장강도, 항복강도, 진동해석의 경우 탄성계수, 포와송비, 밀도이다. ⁶⁾ 이에 대해 가변형 사판식 피스 톤 펌프에 적용된 주요 소재들의 기계적 물성 데이터에 대한 내용은 Table 1과 같다. 1차 구조해석은 펌프 케이싱 조립체로부터 Valve Block, Main Housing, Mounting Flange로 각 단품들로 나누어 구조 분석을 실시하였다. 파트별 경계조건과 하중조건에 따라 수행된 해석결과로부터 변형률, 변위, 응력, 안전율 등을 분석하였다.

  Table 1 Material property data^7-9)

특히 최대응력이 발생하는 영역을 기준으로 안전율이 1.5 이하로 나타나는 영역에 대해 재설계 보완 영역으로 제시하였다. 펌프 케이싱 조립체 해석을 위한 전처리 과정의 CAD 모델과 유한요소모델을 각각 Fig. 2에 나타내었다. 펌프 케이싱 조립체의 Mesh 작업을 통한 각 단품에 대한 유한요소모델의 수치적인 데이터는 Table 2와 같다.

 

Fig. 2 (a) CAD model and (b) finite element model of a pump casing part assembly for structure analysis

Table 2 Number of nodes and elements

펌프 케이싱 조립체 해석을 위한 볼트의 체결력은 ISO 898-1에서 규정하고 있는 나사강도 등급별 하중 표를 참조하여 적용하였다. 본 해석에서는 호칭 M12, 나사 강도 등급 3.6을 적용하여 체결 볼트에 27,800N 이 작용하는 것으로 설정하였다.¹⁰⁾ 펌프 케이싱 조립체 해석을 위한 부하조건은 각 파트 내부에 작용하는 압력부하로 정의하였다. 조립체 각 파트에 작용하는 압력부하는 제어압력(1㎫)과 작업압력(30㎫)이 복합적으로 작용하도록 설정하였으며, 각 파트에 작용하는 압력부하는 Table 3과 같다. 펌프 케이싱 조립체에서 파트와 파트 사이 경계면의 접촉조건을 부여하였다. 접촉조건은 실제 부품과 부품의 접촉면에서 진동이나 충격 등으로 미끄러짐이 일어날 수 있는 마찰조건을 고려하여 마찰 접촉 계수를 0.2로 설정하였다. 또한, 펌프 케이스가 마운팅 되어 사용 중에 발생할 수 있는 기계적 충격에 대한 외력조건을 고려하였다. 충격에 의한 외력부하는 20g의 가속도를 고려한 펌프 케이스 중량에 해당하는 부하하중이 펌프 케이싱 조립체 무게중심에 +Y, -Y, -Z 방향으로 각각 3,500N이 작용하는 조건을 부여하였다. 본 펌프 케이싱 조립체에 작용하는 부하조건과 경계조건 설정에 따른 해설모델은 Fig. 3과 같다.

 

Fig. 3 Analysis condition of pump case part (a) Boundary load condition (b) Contact condition

Table 3 Specification of pump case parts for structural analysis

2.3 구조해석 결과분석

Valve Block의 해석결과는 Table 4와 같이 최대 변형률은 0.002mm/mm, 최대 변위는 0.02mm, 최대 응력은 385.3MPa 그리고 최소 안전율은 0.96으로 나타났다. Valve Block의 최대 응력 발생 위치는 볼트가 체결되는 홀의 가장자리의 미소한 영역에서 발생하였다. 취약부위로 나타난 홀의 가장자리부분을 모따기 방식을 적용하여 응력이 집중되는 것을 분산되도록 설계 보완 후 재해석을 실시하였다. 이에 대한 해석조건은 초기 모델과 동일하게 하여 진행하였다. 해석결과 최대 응력은 약 385.3MPa에서 312MPa로 안전율은 0.96에서 1.0으로 개선되어 나타나는 것을 확인하였다. 본 해석결과에서 볼트 체결 홀 부분을 제외한 다른 영역에서는 안전율이 2.0 이상으로 나타나 충분한 강도를 가지는 것을 확인하였다.

 Table 4 Structure analysis result of Valve Block

Main Housing의 해석결과는 Table 5와 같이 최대 변형률은 0.0011mm/mm, 최대 변위는 0.05mm, 최대 응력은 181.43MPa 그리고 최소 안전율은 1.54로 나타났다. Main Housing의 최대 응력 발생 위치는 볼트가 체결되는 홀 자리파기 모서리에서 발생하였다. 하지만, 최대 응력이 발생한 부위의 안전율이 1.54로 나타나고 다른 영역 또한 안전율이 2.0 이상으로 나타남에 따라 Main Housing의 보완설계는 고려하지 않았다.

 Table 5 Structure analysis result of Main Housing

Mounting Flange의 해석결과는 Table 6과 같이 최대 변형률은 0.0028mm/mm, 최대 변위는 0.14mm, 최대 응력은 438.0MPa 그리고 최소 안전율은 0.64로 나타났다. Mounting Flange의 최대 응력 발생 위치는 펌프설치 시 조립이 이루어지는 Flange부와 Body부의 넥(neck) 부분에서 발생하였다. 최대 응력이 발생한 취약영역에 대하여 최소 안전율 1.5를 확보하기 위해 설계보완을 진행하였다. 취약부위로 나타난 Flange부 와 Body부의 넥(neck) 부분에 대하여 볼륨을 키우고 라운딩 처리함으로써 강도를 강화하고 응력이 집중 되는 것을 분산되도록 보완하여 재해석을 실시하였다. 이에 대한 해석조건은 초기 모델과 동일하게 하여 진행하였다.

 Table 6 Structure analysis result of Mounting Flange

재해석 결과 최대 응력은 437MPa에서 213MPa로 안전율은 0.64에서 1.31로 개선되어 나타나는 것을 확인하였다. 그리고 전체적인 안전율은 대부분 1.5 이상으로 나타나는 것을 확인하였다.

3. 진동해석 및 분석

본 진동해석은 펌프 케이스에 반복적으로 작용하는 가압주기로 인하여 충격의 영향으로 나타나는 진동에 대한 해석적 검토를 위해 수행되었다. 각 단품에 대한 진동해석은 모드별 고유 진동수와 공진 주파수 영역에 대한 결과를 제시하였다. 결과를 통해 사판식 피스톤 펌프의 가압주기에 따른 회전수가 실제 사용 회전수 조건인 1,750rpm일 때 안정성 여부에 대해 확인하였다. Valve Block에 대한 진동해석은 1~6차 모드까지 수행하였다. 해석결과는 Table 7과 같이 진동모드의 고유진동수 범위는 약 6,232~11,738Hz 사이로 나타나는 것으로 확인하였다. 또한, Valve Block의 공진영역에서 변형 확인을 위해 Harmonic 응답 해석을 수행하였다. 해석조건은 내부의 펌핑 압력 30MPa과 작동압력 1MPa이 주기적으로 작동하는 조건을 부여하여 진행하였다. Valve Block의 위험 공진 주파수 영역 및 변위는 2차 모드에서 7,245Hz, 1.9mm, 4차 모드에서 7,809Hz, 2.7mm, 5차 모드에서 9,419Hz, 1.88mm, 6차 모드에서 11,750Hz, 5.2mm로 나타나는 것을 확인하였다. 여기서 최초 공진 주파수는 7,245Hz로 나타났고, 유압 펌프의 가압주기 회전수가 434,730rpm일 때 나타나게 됨으로 실제 사용조건인 1,750rpm에서는 안정적임을 확인하였다.

 Table 7 Vibration analysis result of Valve Block

Main Housing에 대한 진동해석은 1~6차 모드까지 수행하였다. 해석결과는 Table 8과 같이 진동모드의 고유진동수 범위는 4,020~6,710Hz 사이로 나타났다. 또한, Main Housing의 공진영역에서 변형을 확인하기 위해 Harmonic 응답 해석을 수행하였다. 해석조건은 내부의 작동압력 1MPa이 주기적으로 작동하는 조건을 부여하여 진행하였다. Main Housing의 위험 공진 주파수 영역 및 변위는 1차 모드에서 4,024Hz, 33.3mm, 6차 모드에서 6,703Hz, 52.7mm로 나타나는 것을 확인하였다. 최초 공진 주파수는 4,027.3Hz로 나타났고, 유압 펌프의 가압주기 회전수가 241,638rpm일 때 나타나게 됨으로 실제 사용조건인 1,750rpm에서는 안정적임을 확인하였다.

 Table 8 Vibration analysis result of Main Housing

Mounting Flange에 대한 진동해석은 1~6차 모드까지 수행하였다. 해석결과는 Table 9와 같이 진동모드의 고유진동수 범위는 2,370~4,840Hz 사이로 나타났다. 또한, Mounting Flange의 공진영역에서 변형을 확인하기 위해 Harmonic 응답 해석을 수행하였다. 해석 조건은 내부의 작동압력 1MPa이 주기적으로 작동하는 조건을 부여하여 진행하였다. Mounting Flange의 위험 공진 주파수 영역 및 변위는 3차 모드에서 4,027Hz, 38.4mm, 5차 모드에서 6,211Hz, 40.1mm로 나타나는 것을 확인하였다. 최초 공진 주파수는 3,210Hz로 나타났고, 유압 펌프의 가압주기 회전수가 192,600rpm일 때 나타나게 됨으로 실제 사용조건인 1,750rpm에서는 안정적임을 확인하였다.

 Table 9 Vibration analysis result of Mounting Flange

4. 시작품 테스트

해석결과를 반영한 피스톤 펌프 설계 모델의 시작품을 제작하여 환경시험과 내구도 시험을 진행하였다. 환경시험에서는 MIL-STD-810F 시험규격에 따라 진동프로파일에 의한 진동시험과 최대 가속도 조건에 의한 충격시험을 진행하였다. 내구도 시험에서는 MIL-M-7997C 시험규격에 따라 내구시험 프로파일에 따라 일정시간 동안 내구성 시험을 진행하였다.

4.1 시험기준 및 시험방법

가변형 사판식 피스톤 펌프의 환경시험 기준으로 시험 후 구성부품에 대한 파손, 변형이 없어야 한다. 또한 외형상 특이사항이 없어야 한다. 중량 및 소음 시험을 제외한 모든 검사 기준을 만족해야만 한다. 진동시험은 MIL-STD-810F 규격의 시험방법 514.5의 514.5C-VII와 514.5C-2에 따라 각각 Table 10과 Fig. 4 에 제시된 복합 이륜 트레일러 진동 노출조건¹¹⁾을 적 용하여 X, Y, Z 각 축당 3시간 40분에 해당하는 진동 프로파일을 가한 후 구성부품의 외형을 검사한다.

 Table 10 Composite wheeled vehicle vibration exposures (514.5C-VII)

Fig. 4 Composite wheeled vehicle vibration exposures (514.5C-2)

충격시험은 MIL-STD-810F 규격의 시험방법 516.5-VII의 Table 11을 참조한 충격 요구조건¹¹⁾에 따라 시험 후 물리적인 유해 손상이 없어야 한다. 시험 은 ± X, Y, Z 축으로 각각 3회 진행하여 총 18회 진행한다. 가변형 사판식 피스톤 펌프의 내구도 시험 기준으로 환경시험과 마찬가지로 시험 후 구성부품에 대한 파손이나 변형이 없어야 한다. 또한 외형상 특이사항도 없어야 한다. 중량 및 소음시험을 제외한 모든 검사 기준을 만족해야만 한다. 내구도 시험은 MIL-STD-7997C 규격의 시험방법¹²⁾에 따라 내구도 시험 장비에 피스톤 펌프를 장착하여 Fig. 5에 제시된 프로파일에 따라 1cycle당 6분의 시험으로 750시간 동안 내구도 시험을 진행한다. 내구도 시험 후 성능시험 장비로 이동하여 시험 수행 후 요구조건 만족여부를 확인한다. 마지막으로 성능시험 후 피스톤펌프를 분해하여 육안검사와 주요 부품에 대하여 비파괴 검사를 실시한다

 Table 11 Terminal peak sawtooth pulse test parameters (516.5-VII)

Fig. 5 Profile of durability test

4.2 시험결과 평가

환경시험은 X, Y, Z축으로 실시한 진동, 충격 시험의 결과로 Fig. 6과 Fig. 7에 각각 나타나는 바와 같이 시험 후 육안검사를 통해 파손이 없음을 확인하였다. 그리고 Fig. 8과 같이 진동, 충격 시험 후 실시한 성능시험의 목표 값을 모두 만족하는 결과를 확인하였다. 내구도 시험으로 Fig. 9와 같이 내구도 시험 장비에 제작된 시작품을 장착하여 내구도 시험 프로파일에 따라 시험을 실시한 후 Fig. 10과 같이 피스톤 펌프를 분해하여 육안검사를 통해 파손이나 변형이 없음을 확인하였다.

Fig. 6 Vibration test of piston pump

Fig. 7 Impact test of piston pump

Fig. 8 Performance test after environmental test of piston pump

Fig. 9 Durability test of piston pump

Fig. 10 Overhaul after durability test of piston pump

그리고 피스톤 펌프의 왕복운동으로 인해 주요 마모되는 부위에 대해서는 내구도 시험 후 실측한 치수를 확인한 결과 Table 12와 같이 모든 설계사양 치수의 허용 공차 범위를 만족하는 것으로 확인하였다.

Table 12 Actual dimensions after durability test

5. 결론

본 논문에서는 차륜형 장갑차에 적용되는 가변형 사판식 피스톤 펌프의 역설계에 따른 3D CAD 모델링과 피스톤 펌프 케이스에 대한 구조해석 및 진동 해석을 실시하였다. 구조해석은 펌프 케이싱 조립체에 대하여 부하조건으로 내부에 작용하는 펌핑 압력과 작동압력 그리고 충격에 의한 외력을 고려하여 수행되었다. 아울러 경계조건으로 부품조립에 따른 볼트 체결력과 부품별 접촉조건이 고려되었다. 진동 해석은 부품형상에 따른 모달해석을 수행하여 공진주파수를 획득하고, 부품내부에 주기적으로 작용하는 가압력을 고려하여 하모닉 해석을 수행하였다. 구조 해석결과로부터 펌프 케이싱 조립체에 대한 안전율 1.5 이상을 확보하기 위하여 시행착오적으로 보완설 계와 재해석을 진행하여 만족하는 결과를 도출하였다. 또한, 이와 같이 보완 설계된 펌프 케이스 부품에 대한 진동해석결과부터 펌프 가동 회전수 주파수 영역에서 안정적임을 확인하였다. 본 해석 결과를 반영한 3D 설계 모델을 기반으로 시작품을 제작하여 진동, 충격, 내구도 시험을 실시하였다. 시작품에 대한 진동 및 충격 시험의 평가는 시험 후 외형에 대한 육안검사를 실시하였고, 성능시험을 통해서는 외형적 변형과 성능지표를 평가하여 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 내구도 시험결과에서도 시험 후 피스톤 펌프를 분해하여 왕복운동에 의한 마모 정도를 평가한 결과 수치적으로 양호한 상태임을 확인하였다. 본 연구에서 제시된 해석기법은 차륜형 장갑차에 적용되는 가변형 사판식 피스톤 펌프뿐만 아니라 다양한 유압식 펌프 개발에 있어서 요소부품 설계의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

후기

본 연구는 중소벤처기업부 구매조건부기술개발사업 [차륜형 장갑차 가변피스톤형 유압펌프 개발(과제 번호:No. S2435981)]과 산업통상자원부 ‘산업전문인 력역량강화사업’의 재원으로 한국산업기술진흥원 (KIAT) [2018년 건설기계R&D전문인력 양성사업(과 제번호:N0001292)]의 지원으로 수행된 연구임.