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그루브가 가공된 스풀밸브의 윤활특성 연구 = A study on the lubrication characteristics of spool-type valve with groove
서명 / 저자 그루브가 가공된 스풀밸브의 윤활특성 연구 = A study on the lubrication characteristics of spool-type valve with groove / 홍성호.
저자명 홍성호 ; Hong, Sung-Ho
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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In this research, lubrication characteristics of spool-type valve with groove are studied. This study is carried out for a laminar, incompressible and isothermal flow between sleeve and spool with groove. Spool valves are used a lot in modern hydraulic system to maintain the movement of various actuators. However, the spool-type directional control valve has particular problem called as hydraulic lock. The problem occurs when uneven pressure distribution surrounding the spool in the clearance between spool and sleeve causes the spool to move sideways out of its centered position. And the contact between spool and sleeve causes to in-crease friction and eventually, the spool is blocked inside the sleeve. To reduce the possibility of the problem, peripheral grooves balancing uneven pressure distribution in the circumferential direction are generally applied to spool lands. In the numerical calculation of spool valve, the Reynolds equation is commonly used to investigate lubrication characteristics of the spool valve. However, the applicability of the Reynolds equation is questionable in spool valve analysis because cavitation often occurs in the grooves and the depth of groove is much higher than the clearance in most cases. Therefore, the validity of the Reynolds equation in spool valve analysis by comparing results obtained from the Reynolds equation and the Navier-Stokes equation is investigated. Results are compared in terms of maximum pressure, lateral force, friction force and volume flow rate (leakage). The cavitation phenomenon is considered by using cavitation model suggested by Singhal in the Navier-Stokes equation and Reynolds cavitation boundary condition in the Reynolds equation. When the cavitation doesn’t occur in the flow, the difference of results from the Reynolds equation and the Navier-Stokes equation is nearly small. But in the case of spool with a lot of grooves, there is a difference more than 10% for lateral force. And there is a big difference more than 20% for lateral force and maximum pressure in cases of occurring cavitation. Through the results, when the cavitation occurs and/or many grooves are applied on spool lands, the Navier-Stokes equation should be used to investigate lubrication characteristics of spool valve. Except those conditions, lubrication characteristics of spool valve can be analyzed efficiently by using only the Reynolds equation. Next, effects of position of groove, number of grooves, tilting angle, eccentricity ratio and groove shape are studied by using the Navier-Stokes equation. The numerical results show that the distance from edge of spool to first groove (l1), distance between groove and next groove (l3), number of grooves(n), tilting angle( ), eccentricity ratio( ), cross sectional shape of groove have a strong influence on the lubrication characteristics of spool valve. When the cross sectional shape of groove is U shape, there is no small eddy current. Therefore, the lateral force and friction force of spool valve with U shape groove are smaller than those of spool valve with other groove shapes. Rectangular grooves are usually used in spool valve but new type grooves (spiral type grooves) are also suggested in the study. And the lubrication characteristics of spiral type grooves are compared with those of typical type grooves in the 4 working conditions. In some conditions, the lateral force and leakage of spool vave with spiral type-1 groove are smaller than those of spool valve with typical type groove. Through this research, the evaluation of the validity of governing equations (Navier-Stokes equation, Reynolds equation) can be helpful to analyze lubrication characteristics of spool valve with groove more properly. In other words, guidelines about which governing equation is more proper to investigate lubrication characteristics of spool valve according to working conditions are suggested. And it is shown that the different groove shape (U shape) unlike typical groove shape (rectangular) prevents the small eddy current from occurring in the groove. Therefore, lubrication characteristics of spool valve with the groove can be improved. Moreover, spool valve with the new type groove (spiral groove) proposed in the study can be helpful to improve the lubrication characteristics.

이 연구는 그루브가 가공된 스풀밸브의 윤활특성에 대해 연구이다. 그루브가 가공된 스풀과 슬리브 사이의 층류, 비압축성, 등온의 유체 유동에 관한 연구이다. 스풀밸브는 각종 액츄에이터의 운동을 제어하기 위해 유압시스템에 많이 사용된다. 그러나 직선 왕복운동을 하는 스풀밸브에서는 유체고착이라는 문제가 있다. 유체고착은 스풀과 슬리브 사이에 형성된 불균일한 압력분포가 스풀을 슬리브 중심에서 벗어나게 할 때 발생한다. 스풀과 슬리브의 접촉은 마찰을 증가시키고 결국에는 스풀이 슬리브 안에서 막히게 된다. 이 문제의 가능성을 감소시키기 위해 스풀의 원주 방향으로 그루브가 가공된다. 스풀밸브의 윤활특성을 파악하는데 레이놀즈 방정식이 주로 사용된다. 그러나 대부분이 그루브에서 캐비테이션이 발생하고 그루브의 깊이가 틈새보다 크므로 스풀밸브 해석에서의 레이놀즈 방정식의 적용이 의문시된다. 그러므로 이 연구에서는 나비에 스톡스 방정식과 레이놀즈 방정식의 결과를 비교함으로써 스풀밸브 해석에서 레이놀즈 방정식의 타당성이 조사되었다. 타당성을 평가하기 위해 최대 압력값, 측력, 마찰력, 누설량을 결과 값들을 비교하였다. 나비에 스톡스 방정식을 이용한 해석에서는 Singhal이 제안한 캐비테이션 모델을 사용하였고 레이놀즈 방정식을 이용한 해석에서는 캐비테이션 압력을 고려한 레이놀즈 조건을 사용하여 캐비테이션 현상을 고려하였다. 그루브 개수가 작고 캐비테이션이 발생하지 않을 때는 두 지배방정식에 의한 결과 값들의 차이는 작다. 그러나 그루브 개수가 많은 경우에는 측력에서 10%이상의 차이가 난다. 캐비테이션이 발생하거나 그루브 개수가 많은 경우에는 반드시 나비에 스톡스 방정식을 이용한 해석을 수행해야 한다는 사실을 해석 결과들을 통해 알 수 있다. 다음으로, 스풀밸브 해석에서 보다 타당하다고 생각되는 나비에 스톡스 방정식을 이용해서 그루브 위치, 그루브 개수, 틸팅 각도, 편심률, 그루브의 단면 형상의 영향에 대해서 살펴보았다. 스풀의 가장자리에서 첫 번째 그루브까지의 거리( ), 그루브와 그루브 사이의 간격( ), 그루브 개수( ), 틸팅각도( ), 편심률( ), 그루브의 단면 형상은 스풀밸브의 윤활 특성에 큰 영향을 준다. 그루브 단면 형상이 U자형일 때는 그루브내에 작은 와류가 발생하지 않는다. 따라서 그루브 형상이 U자형인 스풀밸브의 측력 및 마찰력은 다른 그루브 형상일 때 보다 작다. 전형적인 스풀밸브의 그루브는 직사각형 형태의 단면 형상을 가지고 있다. 이 연구에서는 새로운 타입의 스파이럴 그루브가 가공된 스풀밸브를 제안하였다. 그리고 스파이럴 그루브가 가공된 스풀밸브와 전형적인 그루브가 가공된 스풀밸브에 대해서 4가지 작동조건에 따른 윤활특성을 비교하였다. Spiral type-1 그루브가 가공된 스풀밸브가 전형적인 그루브가 가공된 스풀밸브 보다 측력, 누설량이 작다. 이 연구를 통해서 두 지배방정식의 타당성 평가에 대한 연구결과는 그루브가 가공된 스풀밸브의 윤활특성을 해석하는데 어떤 지배방정식을 사용하는 것이 적합한지에 대한 정보를 주는데 도움이 될 것이라고 생각한다. 그리고 그루브 단면 형상이 U자형인 스풀밸브는 그루브 내에 와류 발생을 억제함으로써 기존의 직사각형 형태의 그루브일 때 보다 윤활특성을 개선한다. 마지막으로 스파이럴 그루브가 가공된 스풀밸브도 윤활 특성을 개선하는데 도움이 될 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 13006
형태사항 xviii, 161 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Sung-Ho Hong
지도교수의 한글표기 : 김경웅
지도교수의 영문표기 : Kyung-Woong Kim
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 학위논문 : p. 156-158
주제 스풀밸브
그루브
나비에 스톡스 방정식
레이놀즈 방정식
타당성
측력
누설량
마찰력
spool valve
groove
Navier-Stokes equation
Reynolds equation
validity
lateral force
volume flow rate
friction force
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