전산유체역학(CFD)을 이용한 공압 스로틀 체크 밸브의 수치 시뮬레이션

Feb 13, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2475(2023) 이 기사 인용

1662 액세스

측정항목 세부정보

이 기사에서는 두 개의 공압 드라이브용 혁신적인 제어 시스템에 사용되는 스로틀 체크 밸브의 수치 CFD 시뮬레이션을 제시합니다. 이러한 유형의 제어는 하지를 위한 혁신적인 재활 장치에 사용됩니다. 경계조건을 결정하기 위해 실험적 테스트를 수행하였다. 테스트 스탠드의 스로틀 밸브의 크기를 조정하고 다양한 밸브 개방 높이에 대한 공기 유량 값을 읽었습니다. 이 기사의 목적은 사전 조정된 체크 밸브 스로틀의 CFD 시뮬레이션을 제시하는 것입니다. 수치 시뮬레이션(CFD)을 사용하면 다양한 크기의 유동 간격이 있는 공압 스로틀 체크 밸브 내부의 유동 현상을 연구할 수 있습니다. 얻은 결과를 통해 정압의 물리량 분포, 밸브를 통과하는 매체의 속도 또는 벡터 속도 분포를 결정할 수 있었습니다. 스로틀 밸브 어셈블리는 각각에 작용하는 다양한 외부 하중과 관계없이 피스톤 액추에이터의 움직임을 적절하게 동기화하도록 조정되었습니다. 저자는 다양한 밸브 개방 높이에 대한 기류 현상을 조사했습니다. 시뮬레이션은 특정 밸브 개방 높이에서 초음속 및 아음속 흐름 속도의 발생에 대한 정보를 제공했습니다.

공압 드라이브가 사용되는 시스템에서는 피스톤 로드의 동시 이동이 필요합니다. 다른 외부 하중이 있는 경우 구동 피스톤 로드의 고르지 않은 움직임이 관찰됩니다. 주로 압축 공기가 압축 가능하고3,4,5 구동 피스톤의 자체 마찰로 인한 이동 저항이 있기 때문에 서로 다른 하중1,2에서 동일한 구동 피스톤 로드의 변위를 얻는 것이 어렵습니다6,7, 8,9,10.

공압 시스템은 공기 흐름5,14을 조절하는 비례 밸브11 및 온/오프 솔레노이드 밸브12,13를 사용합니다. 온/오프 솔레노이드 밸브는 비례 밸브보다 저렴한 공압 부품이기 때문에 업계에서 일반적으로 사용됩니다.

예를 들어 공압 드라이브의 동시 움직임을 얻으려면 모션 싱크로나이저17,18 스로틀 또는 스로틀 체크 밸브7,19가 사용됩니다. 스로틀 체크 밸브는 공압 분야에서 많은 산업 분야의 유량 제어 요소로 널리 사용됩니다.

작동 매체의 흐름을 조절하는 데 사용되는 가장 일반적인 공압 요소는 스로틀 밸브와 스로틀 체크 밸브입니다. 그러나 이 밸브의 단점은 피스톤 로드 구동 장치의 부하력 변화에 민감하다는 것입니다. 밸브 갭을 통한 작동 매체의 흐름은 부하 힘에 따라 증가합니다20.

스로틀 체크 밸브는 공압 실린더의 피스톤 로드 확장 또는 수축 속도를 조절하는 데 사용됩니다. 스로틀과 역류 방지 밸브의 병렬 연결입니다. 이 밸브에서는 공기 흐름이 한 방향으로만 조절됩니다. 공기는 스로틀 밸브의 조정 가능한 감소된 단면을 통해 흐르고 작동 매체의 흐름은 체크 밸브를 닫습니다. 반대 방향으로 움직일 때, 열린 체크 밸브7로 공기가 자유롭게 흐릅니다.

유압 시스템에서는 모션 싱크로나이저가 사용됩니다. 유압 드라이브의 동기화 동작은 일반적으로 비례 밸브 또는 서보 밸브21에 의해 수행됩니다. 고속 온오프 밸브(HSV)22도 만날 수 있습니다. HSV는 예를 들어 압력 제어23 및 위치 제어24에 사용됩니다. 논문25,26의 저자는 고속 온오프 밸브를 통한 유압 구동 요소의 제어를 제시했습니다. 저자는 협력적 동기화 제어 알고리즘인 PWM-PFM(펄스 폭 변조-펄스 주파수 변조)을 사용했습니다. 문헌27,28에서 저자는 드라이브 피스톤 로드의 속도 궤적을 추적하여 제어를 구현하는 컨트롤러를 설계했습니다.