[논문]직교배열표 실험계획법에 의한 심해저 점착성 연약지반용 무한궤도차량의 선회성능에 대한 실험 연구

최종수; 홍섭; 김형우

직교배열표 실험계획법에 의한 심해저 점착성 연약지반용 무한궤도차량의 선회성능에 대한 실험 연구
An Experimental Study on Steering Performance of Tracked Vehicle on Deep-sea Cohesive Soft Soil by DOE using Orthogonal Arrays 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.20 no.4 = no.71, 2006년, pp.37 - 42

최종수 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소 해양시스템기술연구본부) , 홍섭 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소 해양시스템기술연구본부) , 김형우 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소 해양시스템기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is concerned with experimental investigation of steering performance of a tracked vehicle on extremely soft soil. A tracked vehicle model with principal dimensions of 0.9 m(L)x0.75 m(B)x0.4 m(H) and weight of 167 kg was constructed with a pair of driving chain links, driven by two AC-servo motors. The tracks were configured with detachable grousers with variable span. A deep seabed was simulated by means of a bentonite-water mixture in a soil bin of 6.0 m(L)x3.7 m(B)x0.7 m(H). The turning radii of vehicle and driving torques of motors were measured with respect to experiment variables: steering ratio, driving speed, grouser chevron angle, grouser span, and grouser height. L8 orthogonal table is adopted for DOE (Design of experiment). The effects of experiment variables on steering performance are evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 심해저 망간단괴 채광시스템의 주행차량을 개발할 목적으로 수행되었다. 본 채광시스템은 해저면 연약지반 위에서 주행하면서 망간단괴를 채집하여 일정한 위치로 전달하는 집광시스템, 집광 된 단괴를 수면으로 전달하는 양광시스템, 집광시스템과 거동 제어를 수행하면서 양광시스템에서 올려진 단괴를 처리하는 수 상선 시스템 등으로 구성되어 있다.
본 연구는 심해저면 주행 차량의 설계에 기초. 정보를 주기 위해 수행되었다.
또한 연약지반용 주행차량에 대한시간 영역 전산 해석프로그램인 TRACSIM을 개발하고 이것에 대한 검증연구를 수행하였다 (김형우 등, 2004). 본 연구는 이러한 사전 연구를 바탕으로 수행되었음을 알려둔다.
(Dorfler, 1992; 최종수 등, 2004). 본 연구에서는 이러한 무한궤도차량의 견인 주행성능에 대한 연구를 바탕으로 선회 주행성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다.
본 연구는 심해저면 주행 차량의 설계에 기초. 정보를 주기 위해 수행되었다. 벤토나이트 혼합물로 만들어진 초연약 점착성 지반에서 무한궤도차량의 1/3~1/5 정도 축소모델에 대한 선회성능 실험을 수행하였다.

제안 방법

Table 2에는 L8 직교배열표에 의한 각 실험조건이 제시되어 있다. 8회 부분조합법에 추가적으로 한 번의 확인실험이 수행되어 결과의 유용성을 검정하였다.
있다. Fukagawa 등(1998)은 테프론 코팅 표면이 심해저와 같은 점착성 지반에서 부착을 감소시키는데 아주 효과적이라는 것을 발표하였고, 본 연구에서는 지반 부착을 최소화하기 위해 그라우저의 표면을 50pm 두께의 테프론으로 코팅하였다.
실험이 수행되어야 한다. 동일한 실험변수와 그 수준에 대해 L8 직교 배열표가 적용용 가능하며, 모두 8회의 부분조합 (Fractional factorial combination) 실험으로 64회의 전 조합실험과 유사한 결과를 얻도록 하였다. Table 2에는 L8 직교배열표에 의한 각 실험조건이 제시되어 있다.
이와 같은 차이는 혼합물을 장시간 고화시켜서 심해저 연약지반과 같은 조건을 만들기가 실험실의 토조에서는 현실적으로 어렵기 때문이다. 따라서 혼합물의 최대전단 강도와 잔류전단 강도 중 잔류전단 강도를 심해저 연약지반의 잔류전단 강도와 동일하게 맞추어 실험을 수행하였다. 이와 같은 실험조건에서의 실험결과를 이용하여 주행차량을 개발할 경우, 심해저 연약지반 주행에서 더 우수한 성능이 기대된다.
정보를 주기 위해 수행되었다. 벤토나이트 혼합물로 만들어진 초연약 점착성 지반에서 무한궤도차량의 1/3~1/5 정도 축소모델에 대한 선회성능 실험을 수행하였다. 선회성능에 대한 각종 실험변수들의 응답특성을 계측하였다.
실험이 수행될 토조내 벤토나이트 혼합물로 모사된 연약지반에 대한 특성을 사전 조사하였다 (최종수 등, 2002). 본 선회성능실험연구에 앞서 본 연구에 사용된 동일한토조에서 동일한 무한궤도차량 모델의 견인성능 실험연구를 수행하였다 (최종수 등, 2004). 또한 연약지반용 주행차량에 대한시간 영역 전산 해석프로그램인 TRACSIM을 개발하고 이것에 대한 검증연구를 수행하였다 (김형우 등, 2004).
효과적인 실험을 위해 L8 직교배열표를 이용한 실험계획법이 제시되었다. 본 실험결과를 이용한최적설계점 추정치를 검증하기 위해 추가적인 확인실험도 수행되었다.
목적으로 수행되었다. 본 채광시스템은 해저면 연약지반 위에서 주행하면서 망간단괴를 채집하여 일정한 위치로 전달하는 집광시스템, 집광 된 단괴를 수면으로 전달하는 양광시스템, 집광시스템과 거동 제어를 수행하면서 양광시스템에서 올려진 단괴를 처리하는 수 상선 시스템 등으로 구성되어 있다. 집광 시스템은 해저면의 연약지반 위를 운행하는 주행 차량, 해저 면의 광물자원을 모으는 채집 장치, 채집된 단괴를 이송시키는 송출 장치 등으로 세분화된다.
벤토나이트 혼합물로 만들어진 초연약 점착성 지반에서 무한궤도차량의 1/3~1/5 정도 축소모델에 대한 선회성능 실험을 수행하였다. 선회성능에 대한 각종 실험변수들의 응답특성을 계측하였다. 이러한 실험 결과를 이용하여 초연 약지 반상의 무한궤도차량의 선회성능을 향상하기 위한 설계 방향과 지침들이 제안되었다.
성능치에 대해 선회 비의 영향을 심도 있게 분석하기 위해선 회비의 수준은 4수준으로 두었다. 나머지 실험변수는 2수준으로 정하였다.
선정되었다. 양쪽 무한궤도의 속도비(寸; Steering ratio) 와 안쪽 트랙 구동 속도(匸; Driving speed of inner track) 의 구동 조건이 실험변수로 선정되었다. 조향 비 富는 식 (1)과 같이 안쪽 트랙 속도에 대한 바깥쪽 트랙 속도의 비로 정의된다.
기초를 두고 토조에서 수행되었다. 추가적인 확인실험을 통해 직교배열표를 이용한 무한궤도차량의 성능 예측의 신뢰성을 검증하였다.

대상 데이터

Fig. 3과 Fig. 4에서 소개된 그라우저 꺽임각(Grouser chevron angle), 그라우저 간격 (Grouser span), 그라우저 높이 (Grouser height) 등의 설계조건이 실험변수로 선정되었다. 선회 반경과 구동토오크가 성능치로 선택되었다.
본 실험은 6.0m(길이)X 3.7m(폭)X 0.7m(높이)의 토조에서 수행되었다 (Fig. 1 참조). 토조내에 벤토나이트 혼합물(이하, 혼합물)을 이용한 연약지반이 형성되어 있다.
본 실험을 위하여 심해저면 주행 차량의 약 1/3T/5 규모의 모델이 Fig. 2와 같이 설계. 제작되었다.

이론/모형

2003). 본 연구에서는 L8 직교배열표를 적용하여 실험을 계획하였다.
평균 분석법 (ANOM; Analysis of means) 을 이용하여 본 실험 결과가 분석되었다 (박경진과 강병수, 2003). 직교 배열표의 특성으로부터, 성능치에 대한 실험변수 각 수준의 효과는 실험변수의 수준이 포함된 성능 치들의 평균을 취함으로서 얻어진다.

성능/효과

(2) 선회 반경에 대한 가장 주된 인자는 선회비이며 비선형적인 특성을 나타낸다. 차량의 속도는 낮은 속도범위에서는 선회 반경에 거의 영향을 주지 않는다.
(3) 동일한 선회성능에서 구동토오크를 최소화하기 위해, 예각의 꺽임각을 가진 폭이 넓고 높이가 낮은 그라우저가 유리하다.
(4) 구동 동력소비량 예측 시에는 1.2보다 큰 선회비에 대해서는 선회비에 비례하여 구동 동력이 증가하는 경향을 보인다는 점을 주목해야 한다.
낮은 조향비반경과 낮은 트랙 속도, 예리한 꺽임각, 높은 간격, 낮은 그라우저 높이 등의 조건에서 구동 토오크 성능치가우수했다. 여기서 조향 비와 그라우저 높이가 구동토오크에 가장 많은 영향력을 주는 변수임을 알 수 있었다.
본 실험에서 조성된 혼합물의 최대전단 강도는 평균 2.778 kPa (표준편차 0.074kPa)이고 잔류전단 강도는 평균 2.001kPa (표준편차 0.115kPa)로 계측되었다. 최대전단강도와 잔류전단 강도의 비인 민감도는 1386으로 계측되었다.
선회 반경의 경우 계측값이 예측값보다 6.1% 정도 크게 구해졌고, 구동토오크의 경우 3.9% 적게 계측되었다. 따라서 공학적인 견지에서 L8 직교배열표를 이용한 8회의 실험 결과를 이용하여 임의의 실험조합에 대한 예측이 큰 무리가 없는 것으로 판단된다.
여기서 조향 비와 그라우저 높이가 구동토오크에 가장 많은 영향력을 주는 변수임을 알 수 있었다.

후속연구

따라서 혼합물의 최대전단 강도와 잔류전단 강도 중 잔류전단 강도를 심해저 연약지반의 잔류전단 강도와 동일하게 맞추어 실험을 수행하였다. 이와 같은 실험조건에서의 실험결과를 이용하여 주행차량을 개발할 경우, 심해저 연약지반 주행에서 더 우수한 성능이 기대된다.

참고문헌 (13)

박경진, 강병수 (2003). '기계 설계론', pp 198-200
지상범, 정회수, 김현섭, 문재운 (1999). 북동태평양 KODOS지역 심해 퇴적물의 베인 전단강도 측정 방법에 따른 결과 비교, 한국해양연구소 심해저 자원연구센터, ${\ulcorner}The Sea{\lrcorner}$ Journal of the Korean Society of Oceanography, Vol 4, No 4, pp 390-399
최종수, 홍섭, 김형우 (2002). '해저 연약지반 주행성능 실험기법 연구(I) : 주행실험토조', 한국해양공학회 2002년도 추계학술대회 논문집, pp 224-228
최종수, 홍섭, 김형우, 이태희 (2004). '직교배열표를 실험계획법에 의한 심해 연약지반용 무한궤도차량의 견인성능에 대한 실험적 연구', Ocean and Polar Research, 26권, 2호, pp 231-243

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홍섭 등 (1997). '심해저 광물자원 개발기술 및 환경보존 연구 - 심해저 망간단괴 집광 및 채광운용시스템 개발연구', 과학기술부, pp 24-26
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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