FEM해석 기반 중압급 기어펌프 성능 개선 및 최적 설계에 관한 연구

Abstract

A machine tool is a technology belonging to the field of intelligent robotics, and is a stationary, power-driven equipment used to shape or form parts made of metals, alloys, and composite materials through cutting, grinding, boring, shearing, etc. It applies to all industries such as medical, automotive, construction, semiconductor, aerospace, etc., and can process different types of materials such as cast iron, cast alloy, carbon steel, metal oxide, etc. With the growth and development of the machine tool industry, a cutting oil system for machine tools has become essential for high-speed, precision machining, and product uniformity, precision, and quality improvement. High-pressure coolant injection is essential in order to increase the machining speed and prevent the rapid wear and loss of precision of the tool. In response to this, the High pressure Coolant System consists of a compact and durable pump and a filtering device that is easy to maintain. The precision and production efficiency of the workpiece can be expected only when high heat generation due to high-speed rotation is eliminated and the cutting chips are discharged smoothly. In the high pressure coolant system, the maximum effect can be obtained by installing the high-pressure jet nozzle close to the cutting part, and the maximum flow rate, pressure, and flow rate of the coolant supplied through the high-pressure pump can be obtained when an appropriate orifice is used. Currently, China, the United States, Germany, Japan, and Italy are key countries accounting for about 61% of machine tool consumption worldwide, and the country's trade blockade due to the Corona virus (COVID-19) is disrupting manufacturers' supply chain industries. The widespread spread of COVID-19 has slowed industries around the world, including machine tool manufacturers, and lockdown measures in many countries are adversely affecting the entire supply chain of machine tool manufacturers. Accordingly, it is an indispensable part for all hydraulic equipment and devices, and the technology development is urgent because it is used in almost all industries or is highly dependent on imports. In addition, problems such as environmental regulations, destruction, and lack of energy support are emerging around the world, and it is necessary to develop equipment to reduce energy resources and improve efficiency throughout the industry. ANSYS Workbench, a general-purpose software intended to be used in this research configuration, is a specialized analysis program that is composed of various analyses so that you can easily obtain an analysis solution. In this study, FEM numerical analysis is performed by selecting a standard turbulence model of quadratic equations through the continuity equation and the incompressible Navier-Stokes momentum equation. By changing the dimensions of the gear tooth width based on the theoretical equation, we conduct a study to improve the performance and analyze the visual impact on the inside of the gear. As a result, it can be seen that at 30 (Bar), a difference of approximately 12.8 (L/min) occurs in the discharge flow rate relatively rapidly depending on the tooth widths (21T and 26T) of the gear. When the width of the gear tooth is changed to 26T according to the theoretical equation, it is possible to predict and confirm the results of effective improvement such as the performance according to the countercurrent and vortex and the noise reduction due to the friction between the internal gear and the housing. Spur and Helical gear designs are applied to derive the optimal gear design as a medium-pressure pump, and the optimal performance of each pump (Pressure, Flux, Velocity) is studied. Analysis was conducted to compare Helical and Spur, and in the case of discharge flow rate, Helical gear was about 28.7(L/min), which improved performance by 1.03(L/min) than Spur gear. The maximum pressure on the upper part of the helical gear is 3.935e+05(Pa), and the maximum pressure on the upper part of the spur gear is 3.284e+05(Pa). It can be seen that higher pressure is formed in the helical. By taking a differential approach to the design theory method that the discharge volume will decrease when the internal quantitative volume increases, the reverse engineering method is used to improve the pump performance according to the volume change and to study the optimal design. From 0 to 30 (Bar), it can be seen that the discharge flow rate is relatively different by about 2.7 (L/min) depending on each case according to the shape of the grooves on the upper and lower parts of the housing. As a result, in the case where the shape of the groove is applied to the inlet and outlet, if the change is made based on the computational flow analysis, it is possible to predict and confirm the results of effective improvement such as the performance according to the reverse flow and the vortex and the friction between the internal gear and the housing.|공작기계는 지능형 로봇공학 분야에 속하는 기술로, 금속, 합금, 복합재료 등으로 이루어진 부품을 절단, 연마, 천공, 전단 등의 방법으로 성형하거나 성형하는 데 사용되는 고정식 동력구동 장비이다. 의료, 자동차, 건설, 반도체, 우주항공 등 모든 산업에 적용되며 주철, 주합금, 탄소강, 금속산화물 등 다양한 종류의 소재를 가공할 수 있습니다. 기계의 성장과 발전에 따라 공구산업에서 공작기계용 절삭유 시스템은 고속, 정밀가공, 제품의 균일성, 정밀도, 품질향상을 위한 필수품이 되었습니다. 가공 속도를 높이고 공구의 급격한 마모 및 정밀도 손실을 방지하기 위해서는 고압 절삭유 주입이 필수적입니다. 이에 대응하여 고압 냉각수 시스템은 콤팩트하고 내구성이 뛰어난 펌프와 유지 보수가 용이한 여과 장치로 구성됩니다. 고속회전으로 인한 고발열이 제거되고 절삭칩이 원활하게 배출되어야 피삭재의 정밀도와 생산효율을 기대할 수 있습니다. 고압냉각수 계통에서는 절단부 가까이에 고압분사노즐을 설치함으로써 최대의 효과를 얻을 수 있으며, 고압펌프를 통해 공급되는 냉각수의 최대유량과 압력, 유량을 적절한 오리피스를 사용할 때 얻을 수 있습니다. 현재 중국, 미국, 독일, 일본, 이탈리아는 전 세계 공작기계 소비의 약 61%를 차지하는 핵심 국가로, 코로나 바이러스(COVID-19)로 인한 국가의 무역 봉쇄로 제조업체의 공급망 산업이 교란되고 있다. . COVID-19의 광범위한 확산으로 공작 기계 제조업체를 포함한 전 세계 산업이 둔화되었으며 많은 국가의 잠금 조치가 공작 기계 제조업체의 전체 공급망에 악영향을 미치고 있습니다.

따라서 모든 유압기기 및 장치에 없어서는 안 될 부품이며, 거의 모든 산업분야에서 사용되고 있거나 수입의존도가 높아 기술개발이 시급한 실정이다. 또한 전 세계적으로 환경규제, 파괴, 에너지 지원 부족 등의 문제가 대두되고 있어 산업 전반에 걸쳐 에너지 자원을 절감하고 효율성을 높일 수 있는 장비 개발이 필요하다. 이러한 연구 구성에 사용하기 위한 범용 소프트웨어인 ANSYS Workbench는 다양한 분석으로 구성되어 분석 솔루션을 쉽게 얻을 수 있도록 구성한 전문 분석 프로그램입니다. 본 연구에서는 연속방정식과 비압축성 Navier-Stokes 운동량 방정식을 통해 2차방정식의 표준난류모델을 선정하여 FEM 수치해석을 수행하였다. 이론적 방정식을 바탕으로 기어 치폭의 치수를 변경하여 성능을 향상시키고 기어 내부에 미치는 시각적 영향을 분석하기 위한 연구를 수행합니다. 그 결과, 30(Bar)에서는 기어의 이폭(21T와 26T)에 따라 비교적 빠르게 토출유량에 약 12.8(L/min)의 차이가 발생함을 알 수 있다. 이론식에 따라 기어 이의 폭을 26T로 변경하면 역류와 와류에 따른 성능, 내부와의 마찰에 의한 소음 감소 등 효과적인 개선 결과를 예측하고 확인할 수 있다. 기어와 하우징. 중압 펌프로서 최적의 기어 설계를 도출하기 위해 스퍼 및 헬리컬 기어 설계를 적용하고 각 펌프의 최적 성능(압력, 플럭스, 속도)을 연구합니다.

Helical과 Spur를 비교 분석한 결과 토출유량의 경우 Helical Gear가 약 28.7(L/min)로 Spur Gear보다 1.03(L/min) 성능이 향상되었다. 헬리컬 기어 상부의 최대 압력은 3.935e+05(Pa)이고 평기어 상부의 최대 압력은 3.284e+05(Pa)입니다. 헬리컬에 더 높은 압력이 형성되는 것을 볼 수 있습니다. 내부 정량적 부피가 증가하면 토출량이 감소한다는 설계이론적 방법에 차등적 접근을 하여 역설계 방법을 이용하여 부피 변화에 따른 펌프 성능을 향상시키고 최적의 설계를 연구한다. 0에서 30(Bar)까지 토출유량은 하우징 상하부 홈의 형상에 따라 경우에 따라 약 2.7(L/min)정도 상대적으로 차이가 있음을 알 수 있다. 결과적으로 그루브 형상을 입출구에 적용한 경우 내부 기어와 하우징 사이의 역류 및 와류 및 마찰에 전산유동해석을 바탕으로 변화를 주면 그에 따른 성능 등 효과적인 개선 결과를 예측하고 확인할 수 있다.