The objective of this application study was to model and simulate the nonlinear lubrication performance of the sliding parts in a hydrostatic swash-plate type piston pump, which consequently predicts the power loss of the pump. The sliding parts comprise the following three: 1. cylinder barrel / valve plate, 2. piston / cylinder, and 3. slipper / swash-plate. A developed numerical algorithm facilitated the simultaneous calculation of time-varying cylinder pressure, rotating body motion, and fluid film pressure to observe fluid film geometry and power loss. In order to increase applicability more than the existing studies in the literature, actual surface geometry and boundary lubrication condition were considered in the nonlinear simulation.
In the cylinder barrel/valve plate, it was shown that an ideally flat surface might not form full fluid lubrication film properly, and that small-scale machining error, such as surface waviness, increased the film thickness to some degree. The shape model of surface waviness considered waviness unit shape as well as its surface lay. However the results demonstrated that surface non-flatness of such small scale did not form the desirable fluid film geometry which minimized the power loss yet. Providing some surface design tips, two particular curved surfaces whose pressure-generating mechanisms differ were selected and analyzed in variation with their shapes and operating conditions. This study asserted that a circumferentially wavy surface would make better performance of motion stability and power efficiency than a radially wedged land surface, and finally that the non-flatness design strategy should be applied with re-considering the clamping ability. In the piston/cylinder, it was assumed that boundary lubrication contact invariably occurred in a swash-plate type piston pump which produces high lateral force inside the rotating group. The contact patch shapes, the reactive forces, and virtual local elastic deformation in the boundary lubrication area were obtained with a simplified Hertz model. The effects of average clearance, edge profiling, operating conditions, and etc. were analyzed using the developed tool. In the slipper/swash-plate which is similar to the cylinder barrel/valve plate, force and moment balance was never accomplished when the surfaces were flat. The calculation result showed that even flat surface could form full fluid lubrication film due to slipper motion and periodic motion between high pressure port and low pressure port. Among various surface shapes, radial waviness showed better lubrication performance. Solid-to-solid contact invariable occurred in both convex surface and concave surface.
For the ultimate purpose of this study, predicting the power loss of a pump product, secondary losses besides the losses of the sliding parts were also calculated with simple analytic solutions. Loss (efficiency) test using hydraulic test apparatus was conducted to compare the volume/torque/overall efficiencies with each other. The predicted loss fit well with the tested one.
본 논문의 목적은 사판식 유압 피스톤 펌프의 미끄럼 부에서의 비선형 윤활성능을 모델링 및 시뮬레이션 하는 것이다. 미끄럼 부는 다음 3종으로 구성된다: 1. 실린더배럴 / 밸브판, 2. 피스톤 / 실린더, 3. 슬리퍼 / 사판. 개발된 수치해석 알고리즘을 사용하면 시간에 따라 변화하는 실린더압력, 회전체의 운동, 유막압력을 동시에 계산할 수 있게하여 유막의 형상과 동력손실의 시간변화를 예측할 수 있다. 기존연구들보다 더 적용성을 높이기 위해 실제 가공표면의 표면형상과 경계윤활상태를 해석에 고려하였다.
실린더/밸브판 미끄럼 부에서는 기하학적으로 완전한 평면을 가정할 경우에는 완전유체윤활로 동작하는 것이 어렵다는 것을 보이고, 가공 비정밀도에 의한 표면파형굴곡과 같은 작은 스케일의 형상오차도 유막의 형상에 지대한 영향을 줌을 보인다. 이 표면파형굴곡 오차의 다양한 형상과 무늬를 모형화하여 윤활성능을 파라미터 연구를 수행하였다. 그리고 유막에서의 최소동력손실을 달성하기 위해 표면설계를 해야함을 역설하고, 2종의 표면을 대상으로 윤활성능 비교연구를 수행하였다. 이 두 표면은 반경방향으로만 진폭의 변화가 있는 반경방향 굴곡과 각도방향으로만 진폭의 변화가 있는 각도방향 굴곡으로서, 유막압력발생 메커니즘이 상이하다. 실린더배럴/밸브판 부에서는 회전체의 안정성이나 동력손실 면에서 각도방향 굴곡의 표면설계를 추천하다. 두 번째로 피스톤/실린더 미끄럼 부에서는 피스톤에 큰 횡력이 작용하는 사판식 펌프에서는 경계윤활접촉이 빈번하게 발생함을 가정하였다. 접촉표면형상, 반력, 가상의 국부탄성변형 등을 구할 때 헤리츠 모형을 적용하여 근사값을 계산하였다. 개발된 해석툴을 사용하여 피스톤/실린더의 평균틈새, 모서리 프로파일링, 작동조건 등의 영향을 연구하였다. 마지막 미끄럼 부인 슬리퍼/사판 부는 실린더배럴/밸브판 부와 동일하게 표면이 평면일 경우에는 힘과 모멘트의 균형을 이룰 수가 없는 특징이 있지만, 슬리퍼의 운동과 고압포트와 저압포트의 주기적인 작용에 의해서 평면일 경우에도 유체윤활상태를 유지함을 보인다. 슬리퍼 표면의 다양한 형상을 고려하였을 때, 반경방향 파형굴곡의 윤활성능이 좋게 나타났다. 볼록형상 혹은 오목형상의 슬리퍼에서는 경계윤활접촉이 모두 발생하였다.
본 연구의 궁극적 목적인 펌프의 전체 동력손실의 예측을 위해서는 미끄럼 부에서의 손실을 제외하고 부차적인 손실을 단순 해석식을 수립하여 계산하였다. 유압장비를 구축하여 효율시험을 수행하여 나온 용적/토크/전체 효율 결과와 해석을 통해 구한 효율을 비교하였다. 예측된 손실은 실험값을 잘 모사하였다.
