고압 축적기 설계 이론

3.3.1 고압 축적기의 역할

이론적으로 모든 유압 암파쇄기는 가변압 축적기가 필요하며, 특히 대형 고압 축적기가 필요하다.

유압 암파쇄기의 시스템 입구에 설치된 고압 축적기는 세 가지 목적을 달성한다:

(1) 시스템 공급량과 유량 소비량 간의 초과 및 부족을 조절하기 위함. 펌프 배출량이 시스템 유량 소비량보다 클 경우, 고압 액큐뮬레이터는 초과 배출량을 흡수하여 유체 저장 장치로 작용한다. 반대로 펌프 배출량이 시스템 유량 소비량보다 작을 경우, 액큐뮬레이터는 유체를 방출하여 부족분을 보충하며 유체 방출 장치로 기능한다. 고압 액큐뮬레이터는 시스템 내 유량의 초과 및 부족을 조절하는 역할을 하며, 안정적인 시스템 운전을 위한 핵심 구성 요소이다.

(2) 시스템 압력 변동을 흡수하고 미세한 압력 피크를 감소시켜 파이프라인 및 유압 부품을 보호하고, 이들의 수명을 연장시킨다.

(3) 추상적 변수 이론을 적용한 유압 충격 메커니즘 설계에서 등가력을 실현하는 데 도움을 준다. 액큐뮬레이터가 적절히 설계된다면 정확한 등가력을 얻을 수 있으며, 이를 통해 시스템이 요구되는 운동학적 및 동역학적 특성을 달성할 수 있다.

고압 액체 축적기(어큐뮬레이터)는 유압식 암석 파쇄기 시스템에서 중요한 역할을 하며, 특히 시스템이 요구되는 운동학적 및 동역학적 특성을 달성하도록 보장하는 특수한 기능을 수행하므로, 정확한 고압 액체 축적기 설계 이론 및 방법을 수립하는 것이 매우 중요하다.

3.3.2 액체 축적기의 유효 배출 용량

유효 배출 용량은 액체 축적기의 중요한 성능 파라미터이자 액체 축적기 설계 계산의 기초이다. 유압식 암석 파쇄기가 정상 상태로 작동할 때, 액체 축적기가 한 사이클 동안 저장하고 방출하는 최대 유체량을 유효 배출 용량이라 하며, Δ로 표기한다. V .

유효 배출 용량 Δ V 은 운동학적 특성과 관련이 있다. 펌프 유량이 고정되어 있고, 유압식 암석 파쇄기의 구조 및 운동학적 특성이 고정되어 있을 때, 충격 에너지 W _H , 주파수 연료 분사 압력 테스트 게이지 키트 _H , 그리고 유효 배출 용량 Δ V 모두 반드시 고정된 것은 아니다. 따라서 축적기(어큐뮬레이터)를 설계할 때는 이미 유효 방전 용량이 알려져 있다. Δ를 계산하는 방법은 V 나중 장에서 소개될 것이다.

3.3.3 축적기의 유효 용량(충전 용량) Vₐ 계산

축적기 유효 용량을 계산하는 근거는 V _a 그 실제 유효 방전 용량 Δ에 있다. V δ가 V 축적기 내부에서 작동할 경우, 이는 필연적으로 시스템 유압의 변화를 유발하며, 등가 힘 연료 분사 압력 테스트 게이지 키트 _g 은 반드시 유지되어야 한다. 따라서 위 요구사항을 만족시키는 축적기 설계 계산 방법을 연구해야 한다. 작동 중인 축적기의 압력(힘)–용량 도표는 그림 3-2에 나타나 있다.

유압식 암석 파쇄기의 작동 주파수는 매우 높지 않으나, 내부 질소의 압축 및 팽창 과정은 상당히 빠르며 주변 환경과의 열 교환이 충분히 이루어지지 않기 때문에 단열 과정으로 간주할 수 있다. 기체 상태 방정식에 따르면:

p ₁V ^k ₁ = p ₂V ^k ₂ = p _a V ^k _a                                                              (3.12)

여기서: p _a — 충전 압력, 즉 밀봉된 기체의 압력;

       V _a — 충전 용적, 즉 피스톤이 충격점에 있을 때의 어큐뮬레이터 용적(일반적으로 최대 작동 용적) V _amax );

       p ₂— 최대 작동 압력;

       V ₂— 다음에 대응하는 용적: p ₂(일반적으로 최소 작동 용적) V _2분 );

       p ₁— 최소 작동 압력;

       V ₁— 다음에 대응하는 용적: p ₁, V ₁ < V _a .

식 (3.12)에서, k γ = 1.4는 단열 지수이다. 명백히:

δ V = V ₁ − V ₂                                                                      (3.13)

식 (3.12)으로부터:

V ₁ = V _a (p _a / p ₁)^1/K                                                                 (3.14)

V ₂ = V ₁ (p ₁ / p ₂)^1/K                                                                 (3.15)

식 (3.13)에 대입하면 다음과 같다:

δ V = V _a (p _a / p ₁)^1/K [1 − 1 / ( p ₂ / p ₁)^1/K ] (3.16)

식 (3.16)에서 p _a / p ₁ = a = 0.8에서 1까지로 설정하고, 가스 작동 압력비 γ = p ₂ / p ₁는 일반적으로 γ = 1.2에서 1.45까지로 설정되며, 이 값은 유압식 암석 파쇄기의 작동 특성에 따라 선택된다. a = 1일 경우, 피스톤의 최소 작동 압력은 충전 압력( p _a = p ₁)과 동일해진다; V ₁ = V _a 이 상태에서는 유압식 암석 파쇄기의 최소 작동 압력에서 축적기 막이 바닥에 접촉하는 것을 방지해야 한다. 이러한 접촉은 수명을 단축시킨다. a 1보다 작게 설정되어야 한다.

선택 시 고려해야 할 두 가지 사항이 있다 γ : γ 가 크면, 축적기(어큐뮬레이터)가 단열 상태에서 작동하기 때문에 온도가 급격히 상승하여 축적기 막의 조기 열화 또는 심지어 소실을 유발할 수 있다; 그러나 γ 를 증가시키면 유효 용적을 효과적으로 감소시킬 수 있으며 V _a 이는 축적기의 구조적 크기를 줄이는 데 매우 유리하다. 설계자는 장단점을 신중히 검토하고 적용 조건에 따라 결정해야 하므로:

δ V = V _a a ^1/K (1 − 1 / γ ^1/K ) (3.17)

식 (3.17)으로부터 축적기의 유효 용적을 구할 수 있다:

V _a = Δ Vγ ^1/K \/ [ a ^1/K (γ ^1/K − 1)] (3.18)

식 (3.18)은 유효 배출 용적 Δ V 으로부터 설계된 운동학 특성과 Δ V 를 달성하기 위해 필요한 대응 충전 용적을 구할 수 있음을 보여준다. 실무적으로 유효 배출 용적 Δ V 는 동력 작동 과정에서 액추에이터가 피스톤에 공급하는 오일로, 펌프의 공급 부족분을 보완하기 위한 것이다.

유효 배출 용적 Δ V 의 설계 계산에 대해서는 7.5절을 참조하라. 최적 설계 요구사항을 만족시키기 위해 다양한 설계 목표에 따라 유효 배출 용적 Δ V 의 계산은 선택된 α _u (7.2.5항 및 7.27a항 참조).

3.3.4 최소 작동 압력 p₁ 및 충전 압력 pₐ 계산

이 시점에서 V _a 는 이미 산출되었으며, 액큐뮬레이터의 구조적 파라미터 설계에 사용할 수 있으나, 액큐뮬레이터에 대한 설계 계산 작업은 아직 완료되지 않았다. 가장 핵심적인 문제는 등가력을 달성하기 위해 유압을 어떻게 제어할 것인가 하는 것이다. 그리고 등가력이 달성되어야만 설계된 운동학이 보장되며, 이로 인해 Δ V 도 보장된다. 즉, Δ V 및 연료 분사 압력 테스트 게이지 키트 _g .

는 반드시 지적해야 할 점은, V _a 가 고정값일 때, p ₁, p ₂, 그리고 p _a 는 여러 가지 조합을 가질 수 있으며, 이는 다수의 등가력, 다수의 동역학, 다수의 운동학—즉, 다수의 Δ V 값을 실현한다는 것이다. 다음 과제는 고정된 V _a 에 대해, 해당 조합을 찾는 것이다. p ₁, p ₂, 그리고 p _a 요구되는 등가력을 달성할 수 있는 연료 분사 압력 테스트 게이지 키트 _g 그리고 Δ V 이므로, p _a 가 변화하면, W _H , 연료 분사 압력 테스트 게이지 키트 _H , Δ V , p ₁, 그리고 p ₂모두 이에 따라 변화한다. 즉, 등가압을 확보할 수 있는 충전 압력이 반드시 존재해야 한다. p _a 등가압을 달성할 수 있는 p _g 를 찾는 기준은 p _a is p ₁및 p ₂즉, 등가압 p _g 이 파악되면, 이를 구하는 방법도 명확해진다. p ₁, p ₂, 그리고 p _a 동등한 압력으로부터 p _g 연구할 수 있다.

그림 3-2는 작동 중인 고압 축적기의 p –V 도식을 나타낸다. 이 도식을 바탕으로 등가 힘 원리(즉, 변하는 힘이 한 일은 등가 힘이 한 일과 같다)를 적용하면 다음 식을 얻는다:

p _g δ V = ∫ _V₂ ^V₁ p d V                                                                  (3.19)

식 (3.19)에서:

p = C / V ^k

식 (3.19)에 대입하여 적분하면:

p _g δ V = C ∫_V₂ ^V₁ d V / V ^k = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ^k ₁V ^1−k ₁ − p ₂V ^k ₂V ^1−k ₂) (3.20)

따라서:

p _g δ V = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ₁ − p ₂V ₂) (3.21)

제거 V ₁및 V ₂대입하고, 식 (3.17)을 대신하여 대입하면 다음을 얻는다:

p _g = p ₁\/ ( k − 1) · ( γ − γ ^1/K ) / ( γ ^1/K − 1) (3.22)

정리한 후:

p ₁ = p _g (k − 1) ( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.23)

식 (3.23)에서 p _g 는 피스톤의 압력 받는 면에 작용하는 등가 압력을 의미한다. 시스템의 압력 손실을 고려할 때, 이 값은 시스템 정격 압력으로 표현되어야 한다. p _g = p _H / K - 그래요 이 p ₁및 p ₂이와 같이 구한 값은 실제 값에 더 가까울 것이다. 따라서:

p ₁ = ( p _H / K )(k − 1)( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.24)

p ₂ = γp ₁                                                                             (3.25)

p _a = ap ₁                                                                             (3.26)

식 (3.24)에서, 시스템 압력 손실을 고려한 저항 계수는 K = 1.1 ~ 1.2이다.

유압식 암반 파쇄기의 고압 축적기(어큐물레이터)가 이러한 매개변수로 작동할 때, 동등한 힘의 운동 효과가 달성되며, 설계된 기구학이 실현되고, 요구되는 충격 에너지 및 충격 주파수가 제공됨을 보장한다. 이를 통해 복잡한 계산 문제를 단순화하고 비선형 문제를 선형화할 수 있다.

위에서 설명한 바에 따라, 유압 충격 장치(유압식 암반 드릴 및 유압식 암반 파쇄기) — 즉 비선형 시스템 — 을 선형 시스템으로 변환한다. 이론적으로 보면, 피스톤은 스트로크 전체를 따라 S 어떠한 패턴으로도 이동할 수 있으나, 제어 가능해야 하며, 충격 지점에서 요구되는 최대 속도에 도달해야 한다. v _m — 이러한 모든 것이 가능합니다. 모든 피스톤 운동 패턴에 대해서는 이에 상응하는 힘 변화 패턴이 반드시 존재해야 하며, 이 둘은 원인과 결과의 관계로 연결됩니다. 즉, 피스톤이 어떤 운동 패턴을 가지든 간에, 그에 상응하는 힘 변화 패턴을 반드시 적용해야 합니다. 여기서 힘은 원인이며, 운동은 결과입니다.

물론, 최적의 운동 패턴을 설계한 후에는 이에 상응하는 힘 변화 패턴도 도출할 수 있으므로, 유압 암쇄기 연구를 위한 두 가지 이론적 주제가 제기됩니다: 유압 암쇄기의 운동학과 동역학입니다.