Introduction

유압 액추에이터는 여러 가지 동력을 이용하여 밸브를 제어하는 장치이다. 최근 대형 건설기계 및 산업기계용 유압기기의 고압화, 고속화가 요구되고 있다. 고압·고속으로 실린더가 선형 왕복 운동시 관성력에 의해 운동에너지가 과대하게 발생하게 되고 이것이 행정끝단에 기계적으로 충돌하면 충격이 발생하여 유압 액추에이터 수명에 큰 영향을 미친다. 이러한 행정 끝단에서 피스톤과 피스톤 로드를 포함한 운동체의 관성력을 흡수하여 가속도를 완화할 목적으로 유압 액추에이터 내부에 댐핑(damping) 효과를 주는 쿠션장치(cushion device)를 내장시킴으로써 외부하중, 공급압력, 고속구동에 의한 충격력 및 진동을 감소시켜 시스템의 신뢰성 및 제어성 향상을 도모할 수 있다. 쿠션장치의 원리는 유압 액추에이터 운동체가 양 끝단에 도달하기 전 유로를 축소하여 순간적으로 높은 압력을 유발시켜 운동체의 운동에너지를 유체에너지로 변화함으로써 가속도를 감소시켜 충격을 완화시키는 것이다. Kim 등⁽¹⁾은 쿠션슬리브의 오리피스 유․무에 따른 작동 특성 비교와 동일한 오리피스 단면적을 가진 4 종류의 쿠션 슬리브를 제작하여 특성을 고찰하였다. 그 결과 오리피스 유․무에 대한 비교 연구에서 오리피스가 없는 쿠션슬리브보다 오리피스가 있는 쿠션슬리브 효과가 우수하다는 결과를 도출하였다. Lee 등⁽²⁾은 유압서보액추에이터 후단부에 쿠션 기능을 추가하고 쿠션설계 조건에 따른 동특성을 해석할 수 있는 모델링 및 SimulationX을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. Lee 등⁽³⁾은 굴삭기에 사용되는 유압실린더 쿠션 장치의 성능을 실험적으로 고찰하였으며, 쿠션 링과 씰 방식을 변형한 3 종의 유압실린더에 외부 하중을 가한 상태에서 속도 및 압력을 변화시켜 쿠션 시간과 쿠션 압력의 변화를 분석하여 최적의 쿠션 특성을 고찰하였다. Choi 등⁽⁴⁾은 굴삭기 승차감과 실린더 수명에 중요한 영향을 미치는 쿠션 특성을 미리 예측하고, 개발시간 및 비용을 단축시키기 위하여 실제 차량의 실험 데이터와 상용 S/W인 AMESim을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. Lee 등⁽⁵⁾은 건설 중장비에 사용되는 유압실린더의 테이퍼형 쿠션장치의 성능에 대하여 실험적으로 고찰하였으며, 쿠션 성능에 영향을 미치는 인자를 검토하기 위하여 외부하중, 공급유량 및 공급압력을 변화시키면서 쿠션특성에 관하여 고찰하였다. 그 결과 쿠션 최대압력과 쿠션행정시간의 함수는 공급유량, 외부하중 및 쿠션 슬리브 길이이며, 공급압력과는 무관하다는 결과를 도출하였다. Jambhrunkar 등⁽⁶⁾은 부시(bush)와 실린더 내부 채널(channel) 사이 간극 변화에 대한 쿠션성능을 고찰하였으며, CFD를 이용한 수치해석 결과와 실험 데이터를 비교 분석하였다. Abodalla 등⁽⁷⁾은 유압 실린더의 동작 속도를 개선시키기 위해서 기존 유압 실린더에 추가적으로 2개의 포트(port)를 더 장착하였고, 수치해석 결과 기존 2-포트 유압 실린더보다 4-포트 유압 실린더의 성능이 뛰어나다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 유압 밸브 시스템에 사용되는 유압 액추에이터 쿠션 장치의 성능을 수치해석적으로 고찰하였으며, 쿠션 형상을 변형한 3 종의 유압액추에이터에 외부 하중을 가한 상태에서 쿠션 시간과 쿠션 압력의 변화를 분석함으로써 최적의 쿠션 설계인자를 연구하였다.

본 연구에서는 쿠션 형상 변화가 유압 액추에이터 작동 특성에 미치는 영향을 수치적으로 고찰하기 위해 동일 압력 및 외부하중 조건을 고려하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

• (1) 쿠션 장치는 유압 액추에이터 구동 시 발생되는 압력 변동을 감쇠시키고 압력을 완만하게 상승시켜 충격력을 감소시킬 수 있다.
• (2) 쿠션 장치는 행정 끝단 챔버 내 높은 압력을 유발하여 피스톤 속도를 감소시켰고 쿠션 형상이 1단인 case 2와 쿠션 형상이 2단인 case 3을 비교해 보았을 때 case 3의 경우가 쿠션 성능이 뛰어난 것을 확인하였다.
• (3) 쿠션 장치로 인한 행정 끝단 챔버 내 압력 상승은 액추에이터에 충격력으로 전달되어 액추에이터의 진동 및 파손의 원인이 될 수 있다. 향후 이러한 연구결과를 검증하기 위하여 실험적인 연구가 수반되기를 기대한다.