연안 소형 어선의 조업 효율을 향상시키기 위한 연구의 일환으로 소형 유압식 어로윈치시스템을 설계하고, auto tension 기능을 내장시켜 이 시스템의 개루프 상태에 대한 동적 응답 특성을 분석, 고찰한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 본 연구에서 설계, 제작한 소형 윈치시스템은 갑판상 어느 장소에서도 조작이 가능하도록 원격조작방식을 채용하고 있기 때문에 어로 작업시의 인력 감소와 작업의 효율성을 높일수 있다고 생각된다. 2. 솔레노이드 밸브를 ou/off 조작하여 윈치를 구동할 때, 정전 및 역전 구동 조작에 대한 윈치 드럼의 회전 지연시간(dead time)은 각각 0.09 sec, 0.04 sec이었다. 또한 on/off 레버의 조작을 행한 직후 응답 특성은 약간 불안정하였지만, 짧은 경과 시간을 거쳐 안정되는 추종성능을 나타내었다. 3. 윈치를 auto tension mode로서 구동하는 경우, 윈치의 회전축에 55.9 kgf$.$m 이상의 토오크가 작용하면 윈치는 5.1 rpm의 회전속도로서 줄을 풀어내고, 그 이하의 토오크가 작용하면 11.1 rpm의 회전속도로서 줄을 감아들이는 자동 권양 윈치의 기능을 발휘한다. 4. 윈치의 auto tension mode에 대한 과도 응답에서 부하가 급격히 증가할 때와 감소할 때의 정정 시간은 0.12 sec, 0.2sec이었고, 그 때의 회전속도는 각각 11 rpm, 5.3 rpm이었다. 5. 원격제어조작에 따른 윈치의 토오크 및 회전속도에 대한 추종성능은 정전 구동에 있어서는 0.23 sec, 역전 구동의 경우에 있어서는 0.37 sec 이내로서 비교적 안정된 응답 특성을 나타내었다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 설계한 소형 어선용 자동 권양 윈치 시스템은 인력을 절감하고, 부하의 급속한 변화에 대한 추종 성능이 현용 어로시스템에 비하여 매우 우수하기 때문에 해상에서 어로작업시 과부하에 대한 어구의 손상 방지 및 조업 효율의 향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.
연안 소형 어선의 조업 효율을 향상시키기 위한 연구의 일환으로 소형 유압식 어로윈치시스템을 설계하고, auto tension 기능을 내장시켜 이 시스템의 개루프 상태에 대한 동적 응답 특성을 분석, 고찰한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 본 연구에서 설계, 제작한 소형 윈치시스템은 갑판상 어느 장소에서도 조작이 가능하도록 원격조작방식을 채용하고 있기 때문에 어로 작업시의 인력 감소와 작업의 효율성을 높일수 있다고 생각된다. 2. 솔레노이드 밸브를 ou/off 조작하여 윈치를 구동할 때, 정전 및 역전 구동 조작에 대한 윈치 드럼의 회전 지연시간(dead time)은 각각 0.09 sec, 0.04 sec이었다. 또한 on/off 레버의 조작을 행한 직후 응답 특성은 약간 불안정하였지만, 짧은 경과 시간을 거쳐 안정되는 추종성능을 나타내었다. 3. 윈치를 auto tension mode로서 구동하는 경우, 윈치의 회전축에 55.9 kgf$.$m 이상의 토오크가 작용하면 윈치는 5.1 rpm의 회전속도로서 줄을 풀어내고, 그 이하의 토오크가 작용하면 11.1 rpm의 회전속도로서 줄을 감아들이는 자동 권양 윈치의 기능을 발휘한다. 4. 윈치의 auto tension mode에 대한 과도 응답에서 부하가 급격히 증가할 때와 감소할 때의 정정 시간은 0.12 sec, 0.2sec이었고, 그 때의 회전속도는 각각 11 rpm, 5.3 rpm이었다. 5. 원격제어조작에 따른 윈치의 토오크 및 회전속도에 대한 추종성능은 정전 구동에 있어서는 0.23 sec, 역전 구동의 경우에 있어서는 0.37 sec 이내로서 비교적 안정된 응답 특성을 나타내었다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 설계한 소형 어선용 자동 권양 윈치 시스템은 인력을 절감하고, 부하의 급속한 변화에 대한 추종 성능이 현용 어로시스템에 비하여 매우 우수하기 때문에 해상에서 어로작업시 과부하에 대한 어구의 손상 방지 및 조업 효율의 향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.
A small hydraulic winch system with an automatic tension control unit was designed to improve the work efficiency of coastal small vessels and the dynamic response characteristics of the winch system operated in the open loop condition was investigated. The inlet and the outlet pressures in hydrauli...
A small hydraulic winch system with an automatic tension control unit was designed to improve the work efficiency of coastal small vessels and the dynamic response characteristics of the winch system operated in the open loop condition was investigated. The inlet and the outlet pressures in hydraulic motor, the torque and the rotating speed of winch drum were measured as a function of time, and the behaviour in autotension mode for stepped load changes was analyzed. The results obtained are summarized as follows : 1. The developed winch system for coastal small vessels will result in better fishing with improved efficiency and lower manpower consumption by remote control of winch system. 2. The rotating delay times of winch drum for on/off operations of solenoid valve were 0.09 see at CW mode and 0.04 sec at CCW mode, respectively. After the solenoid valve was controlled, response characteristics were unstable slightly but showed good tracking behaviour over short time. 3. The driving torque of winch system in autotension mode was kept almost constant of 55.9 kgf·m, and 11.1 then the rotating speed of winch drum was kept almost constant of 5.1 rpm in the larger torque than 55.9 kgf·m and 11.1 rpm in the lower torque than that. 4. The 5% settling times in the transient response characteristics of autotension mode under rapid increasing and decreasing conditions of load were 0.12 sec and 0.2 sec, respectively, and then the rotating speeds were 11 rpm and 5.3 rpm, respectively. 5. The tracking behaviour of torque and rotating speed by remote control operation were stable within 0.23 sec at CW mode and 0.37 sec at CCW mode, respectively.
A small hydraulic winch system with an automatic tension control unit was designed to improve the work efficiency of coastal small vessels and the dynamic response characteristics of the winch system operated in the open loop condition was investigated. The inlet and the outlet pressures in hydraulic motor, the torque and the rotating speed of winch drum were measured as a function of time, and the behaviour in autotension mode for stepped load changes was analyzed. The results obtained are summarized as follows : 1. The developed winch system for coastal small vessels will result in better fishing with improved efficiency and lower manpower consumption by remote control of winch system. 2. The rotating delay times of winch drum for on/off operations of solenoid valve were 0.09 see at CW mode and 0.04 sec at CCW mode, respectively. After the solenoid valve was controlled, response characteristics were unstable slightly but showed good tracking behaviour over short time. 3. The driving torque of winch system in autotension mode was kept almost constant of 55.9 kgf·m, and 11.1 then the rotating speed of winch drum was kept almost constant of 5.1 rpm in the larger torque than 55.9 kgf·m and 11.1 rpm in the lower torque than that. 4. The 5% settling times in the transient response characteristics of autotension mode under rapid increasing and decreasing conditions of load were 0.12 sec and 0.2 sec, respectively, and then the rotating speeds were 11 rpm and 5.3 rpm, respectively. 5. The tracking behaviour of torque and rotating speed by remote control operation were stable within 0.23 sec at CW mode and 0.37 sec at CCW mode, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 연안 소형 어선의 1인 조업형 어로 시스템을 개발하기 위한 연구의 하나로서 소형유압식 어로 윈치시스템을 개발하고, 여기에 auto tension 기능을 부가한 후, 이 시스템의 개루프 (open loop) 상태 에 대한 동적 응답 특성 의 분석을 통해 소형 어선의 조업시스템을 개선하기 위한 실험적 연구를 행하였다.
본 연구에서는 원격조작식 자동 권양 윈치 시스템을 대상으로 유압 펌프에서 토출되는 유압유가 전자 비례 제어 밸브를 통과할 때, 그 유량을 개 루프 상태에서 제어하는 경우에 대한 응답 특성에 대해서만 분석, 고찰하였다.
제안 방법
auto tension 장치는 on/off 솔레노이드 밸브,압력 가변형 릴리프 밸브, 드로틀 체크 밸브로서 구성되고, 이 장치에는 솔레노이드 밸브를 통과하는 기름의 역류를 방지하기 위한 체크 밸브가 부가되어 있다. 또한, 윈치 드럼 구동장치는 유압 모터, 감속장치, 윈치 드럼으로 구성하였다.
5 V의 범위의 비례 제어 밸브에 대한 입력전압을 램프(ramp)상으로 증가 및 감소시키는 제어조작을 반복하면서 실시하였다. 또한, 윈치시스템의 동특성을 정량적으로 분석하기 위해 압력 신호 변환기 및 토오크 메터에서 검출된 전기신호를 각각 변형증폭기 (HD2000, Green sensor)와 디 지 털 지 시 기 (FS - 10, Fine mechatronics)를 통해 표시, 증폭한 후, 이 출력 전압과 부하 윈치 드럼의 회전축에 설치한 속도계에서 출력되는 전압을 파형해석장치 (HT-600, HI- Tech)에 입력하여 분석하였다.
또한, 토오크 메터(TQS1, 대성산업)를 부하 윈치의 유압 모터 회전축에 설치하여 줄의 장력 변동에 따른 윈치의 구동 토오크의 변동 특성을 측정하였다.
본 연구에서는 8 톤 미만의 연안 소형 어선에 대한 각종 어로작업을 고려하여 윈치시스템의 적정권양 능력을 권양 하중(W) 0.5 ton, 권양 속도(V) 20 mlmin, 또한 와이어 로프의 직경을 15 mm로하여 유압구동장치를 설계하였다.
본 연구에서는 어로윈치의 원격조작 및 수동조작이 모두 가능하고, 또한 방향제어밸브의 조작량에 비례하는 윈치의 희전속도를 얻기 위해 원격조작식 비례제어밸브를 선택하여 사용하였다.
본 연구에서는 유효작동압력 P = 90kgf/cm\ 유압 모터의 기계 효율과 용적 효율을 각각 rjm = ηvm= 0.85로 하여 유압 모터의 배제 용적을 계산하였는데, 이 설계 자료를 이용할 때, 유압 모터의 배제 용적은 31.1 cm3/revQ] 된다. 여기서는 시스템의 구성에 대한 편의성을 고려하여 이 조건을 만족시키면서 특히 감속비가 큰 감속장치와 윈치 드럼이 함께 결합된 드럼 구동장치( 內田油壓 )를선택하여 사용하였다.
실험은 원격조작레버의 상하 경사각을 조정하여 +5.5 V~+ 18.5 V의 범위의 비례 제어 밸브에 대한 입력전압을 램프(ramp)상으로 증가 및 감소시키는 제어조작을 반복하면서 실시하였다. 또한, 윈치시스템의 동특성을 정량적으로 분석하기 위해 압력 신호 변환기 및 토오크 메터에서 검출된 전기신호를 각각 변형증폭기 (HD2000, Green sensor)와 디 지 털 지 시 기 (FS - 10, Fine mechatronics)를 통해 표시, 증폭한 후, 이 출력 전압과 부하 윈치 드럼의 회전축에 설치한 속도계에서 출력되는 전압을 파형해석장치 (HT-600, HI- Tech)에 입력하여 분석하였다.
에 의해 90.9 kgf/cm2 이 지 만, 보통 선박 배 관이 나각종 유압장치에서의 압력 손실이 있는 점을 고려하여 릴리프 밸브(RD103S35, Parker)의 최고압력 은 W) kgf/cm2으로 설 정 하였다.
에 의해 Pm = 1.89 kW가 되지만, 본 연구에서는 3.7 kW, 6 극, 1, 150 rpm의 삼상 유도 전동기 를 이용하여 유압 펌프를 구동하였다.
1 cm3/revQ] 된다. 여기서는 시스템의 구성에 대한 편의성을 고려하여 이 조건을 만족시키면서 특히 감속비가 큰 감속장치와 윈치 드럼이 함께 결합된 드럼 구동장치( 內田油壓 )를선택하여 사용하였다. 이 구동장치에는 가변용량형 피스톤식 유압 모터(A6V107, 內田油壓)가 장착되어 있는데, 이 모터의 최소 사축 경사각 7°에대 한 게! 제 용적은 30.
우선, 윈치시스템의 구동에 따른 각부의 동적 응답 특성을 실시간으로 계측하기 위해 압력 신호변환기(P350, Green sensor)를 사용하여 릴리프 밸브의 압력, 유압 모터에서의 공급 및 배출압력을 계측하였고, 속도계(tachogenerator, 60 V/1000 rpm, Sanyo 전기)를 부하윈치의 드럼 회전축에 설치하여 권양 및 조출 속도를 계측하였다. 또한, 토오크 메터(TQS1, 대성산업)를 부하 윈치의 유압 모터 회전축에 설치하여 줄의 장력 변동에 따른 윈치의 구동 토오크의 변동 특성을 측정하였다.
이 응답 특성은 먼저 부하윈치를 auto tension mode로 절환하여 와이 어 로프에 강한 초기 장력 이 유지되도록 설정한 상태에서 원격 자동 윈치의 sol-b를 0.85 sec 동안 통전(CW 구동)시 켜 와이 어 로프를 감아들인 후, 0.5 sec 동안에는 윈치를 일시적으로 정지시켰다가 그 후에는 원격 자동 윈치의 sol-a를 1 sec 동안 통전 (CCW 구동) 시켜 와이어 로프를 풀어내는 조작을 반복하면서 측정한 결과인 더), 이 실험에서 솔레노이드의 on/off 조작 시간은 4.0sec이었고, 샘플링 주기는 2ms이었다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 비례제어밸브는 유압 모터에 대한 공급 유량과 유효작동압력을 고려하여 덴마크 Danfoss의 PVG32를 사용하였는 데, 이 비 례 밸브에는 수동조작용 기 계식 액츄에 이터와 전기식 액츄에 이 터(PVEM 157B4128)가 밸브의 본체 좌우측에 장착되어 있다. 이 밸브의 최대작동압력은 300 kgf/cm2, 유 량(rated oil flow)은 140 l/min 이고, 또한, 전기입력전압(&c)은 DC 24 V이고, 비례제어신호의 입력전압(Vs) 범위는 +5.
이 실험에서 사용된 파형해석장치는 8 채널로서 분해능 및 샘플링 주파수는 각각 12 bit, 1 MHz 이다.
에 의해 Qp - 18-9 cms/revQ] 된다. 이 조건을 만족하는 유압 펌프로서 본 연구에서는 Commercial intertech사의 P11 유압 펌프를 선택하였는데, 이 유압 펌프의 배제 용적은 qp = 33 cm3/rev, 정격압력 은 185 kgf/cm2이다.
이론/모형
본 연구에서 설계한 윈치시스템에 부하를 인가하기 위해 본 연구에서는 李 등6)이 개발한 모의 부하 발생 장치를 이용하여 실험을 행하였다. 이 부하 발생 장치는 부하발생용 유압 모터의 토출측에 압력제어 밸브를 삽입하고, 이 제어밸브의 설정 압력을 임의로 조정함으로서 줄의 장력을 무단으로 가변시킬 수 있도록 설계한 auto tension 방식 전기 유압서보 윈치시스템이다.
성능/효과
9 rpm의 일 정 한 회 전수로 안정되는 응답 특성을 나타내었다. 또한, 이 상태에서 윈치의 on/off 레버를 중립 상태로 하면 윈치 드럼이 순간적으로 역전되는 현상이 나타났다.
본 연구에서 설계, 제작한 소형 윈치시스템은 수동레버를 사용하여 정전 및 역전 구동이 가능할 뿐만 아니라 갑판상 어느 장소에서 나 조작이 가능하도록 원격조작방식을 채용하고 있기 때문에 어로작업 시의 인력 감소와 작업의 효율성을 높일 수 있는 장점이 있다고 생각된다.
실험은 원격 자동 윈치의 줄에 초기 장력이 걸려 있는 상태에서 비례제어밸브의 제어전압을 12 V에서 5.5 V까지 변화시켜 드럼을 정전 구동시킬 때, 릴리프 밸브 및 유압 모터의 고압측에서는 압력이 각각 10.4%, 27.1%의 오버슈트를 나타낸 후, 58.0 kgf/cm2 , 50 kgflcmee 수렴해 가는 것을 나타내었으나, 저압측에서는 큰 압력의 변화가 없었다.
이 실험에서 원격제어조작에 따른 토오크 및 회전 특성에 대한 추종성은 정전 구동에 있어서는 0.23 sec, 역전 구동의 경우에 있어서는 0.37 sec 이내로서 비교적 안정된 응답 특성을 나타내었다.
이 실험에서 윈치시스템의 회전 및 토오크는 레버 의 on/off 조작을 행 한 직후에는 약간의 불안정한 경향을 나타내고 있지만, 짧은 시간에 거쳐 안정되는 추종 성능을 나타내었다.
이 응답 특성은 조사대상 윈치의 와이어 로프에 임의의 장력이 걸리도록 부하윈치를 스텝 상으로 정전 및 역전 구동하여 와이어 로프를 당기거나 풀어 주는 조작을 반복하면서 측정한 결과인데, 이 실험에서 비례제어밸브의 조작시간은 4.0 sec 이 었고, 샘플링 주기는 2 ms이 었다.
후속연구
Fig. 5의 실험을 통하여 본 연구에서 제작한 원격 자동 윈치는 부하의 급속한 변화에 대한 추종 성능이 매우 우수하였고, 특히, Fig. 5(B)에서와같이 줄에 급장력이 걸렸을 때, 매우 빠른 응답 특성을 나타내어 해상에서 어로작업시 과부하에 대한 어구의 손상 방지에 크게 기여할 것으로 판단된다.
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