[논문]선박 추진축계 선미관 베어링의 강제 압입 피팅 방식에 관한 연구

조권회; 이재현; 김양곤

doi:10.5916/jkosme.2010.34.5.653

선박 추진축계 선미관 베어링의 강제 압입 피팅 방식에 관한 연구
A Study on the Forced Fitting Method of Stern Tube Bearing for Propulsion Shafting in Ships 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.5, 2010년, pp.653 - 660

조권회 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 이재현 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 김양곤 (한국해양대학교 대학원)

초록
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선미관 베어링은 프로펠러가 회전할 시 슬립을 방지하기 위하여 충분한 간섭량을 가지고 캐스팅에 강제 압입되어야 한다. 선미관 베어링을 캐스팅에 강제 압입 시에 필요한 힘을 계산할 때 사용되어지는 공식은 업체별로 각각 다르며, 계산 시 사용되어지는 요소들의 값도 상이하다. 이에 따라 조선소에서 선미관 베어링 강제 압입력을 계산할 때에는 업체별로 제시된 공식과 재질에 따라 고려되어지는 요소들의 값을 사용하지만 간섭량은 조선소의 경험에 기반한 값을 표준으로 사용하고 있다. 본 논문은 강제 압입법에 의한 시공시에 선미관 베어링에 사용되어지는 피팅관계식을 검토하여 선미관 베어링 업체별로 제시되어지는 값을 기반으로 한 결과를 실제 값과 비교하였다. 그 결과 업체별로 제시한 식이 두께가 두꺼운 실린더 이론을 이용하였음을 알 수 있었다. 특히 J사 및 B사의 경우에는 K사와는 달리 두께가 두꺼운 실린더 이론을 근간으로 하였지만, 두께가 얇은 실린더의 경우에도 사용할 수 있도록 변형하여 사용하고 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The stern tube bearing is installed to the stern tube and stern boss casting by using the method of the force pressured fitting. The adequate value of the interference between the stern tube bearing and casting should be considered owing to the slip. In this study, to review and compare the fitting force and the contact pressure, the theory of thick walled cylinder is considered to clarify the formula which received from the maker. Also the fitting force and contact pressure are calculated by using the standard value of interference, Young's modulus, Poisson's ratio and friction coefficient.

주제어

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문제 정의

다음은 상기의 컨테이너선을 기반으로 선미관 베어링 업체별로 압입력을 비교 검토해 보고자한다.
본 논문에서는 선미관 베어링이 강제 압입법(Forced fitting method)에 의한 시공일 경우에 사용 되어지는 각 업체별 피팅 관계식을 검토하여 선미관 베어링 업체별로 제시되어지는 값을 기반으로 매트랩(MATLAB)[1]을 이용하여 비교 분석한 결과를 보고한다.
Figures 6∼8은 앞서 살펴본 선미관 베어링 업체별 피팅식을 이용하여 Table 5 의 값을 적용하여 결과를 산출해 보았다. 여기서는 업체별로 제시된 표준값을 적용하도록 하였으며, 특히 간섭량은 업체별로 각각 범위가 다르므로 주어진 표준값에 따라 피팅힘이 어느 정도 차이가 나는지에 대해서 알아보았다. 따라서 매트랩에 적용할 때에는 변수를 마찰 계수와 간섭량으로 하였으며 이에 따라 피팅식에 업체별로 표준값들을 적용하였을 시에 변화되는 압입력을 살펴보았다.

가설 설정

본 논문에서는 선미관 베어링의 압입력을 시뮬레이션 함에 있어서, 베어링 설치시 발생하는 마찰에 의한 온도 변화에 대해서는 고려하지 않았다. 향후 베어링 설치에 대한 개선을 위해서는 마찰에 의한 온도 변화에 대한 것을 고려할 필요가 있다고 사료된다.

제안 방법

여기서는 업체별로 제시된 표준값을 적용하도록 하였으며, 특히 간섭량은 업체별로 각각 범위가 다르므로 주어진 표준값에 따라 피팅힘이 어느 정도 차이가 나는지에 대해서 알아보았다. 따라서 매트랩에 적용할 때에는 변수를 마찰 계수와 간섭량으로 하였으며 이에 따라 피팅식에 업체별로 표준값들을 적용하였을 시에 변화되는 압입력을 살펴보았다.
본 논문에서는 14,000 TEU 컨테이너선을 기반으로 실제 계측된 값과 계산값을 우선 비교하고 동일한 재원에서 선미관 베어링 업체별로 사용되는 피팅관계식과 물성치를 이용하여 계산을 수행하였다.
선미관 베어링이 강제 압입법에 의해 선미관 캐스팅에 설치하는 경우를 고찰하였다. 피팅법에 관계되는 이론식을 검토하여 선미관 베어링 업체별로 제시되어지는 값을 기반으로 매트랩을 이용하여 실제 14,000 TEU 컨테이너선에 선미관 베어링을 설치할 때 작성된 검사 시트와 비교 분석하였다.
선미관 베어링이 강제 압입법에 의해 선미관 캐스팅에 설치하는 경우를 고찰하였다. 피팅법에 관계되는 이론식을 검토하여 선미관 베어링 업체별로 제시되어지는 값을 기반으로 매트랩을 이용하여 실제 14,000 TEU 컨테이너선에 선미관 베어링을 설치할 때 작성된 검사 시트와 비교 분석하였다. 이 결과를 요약하여 정리하면 다음과 같다.

대상 데이터

이 선박의 엔진은 MAN B&W 12K98 MC-C7이며, MCR은 104 rpm에서 72,240 kW이다.
이 선박의 엔진은 MAN B&W 12K98 MC-C7이며, MCR은 104 rpm에서 72,240 kW이다. 프로펠러축의 직경은 990mm, 선미관 베어링 및 밀봉 장치에 사용된 업체는 에어 실 형식의 B사 제품이다. 선미관 베어링의 경우에는 선미측은 4단으로 단이 형성되어 있으며, 선수측은 2단으로 단이 형성되어 있다.

성능/효과

(1) 선미관 베어링 업체가 적용하는 이론은 두꺼운 실린더 이론을 이용하였다는 것이 파악되었다. J사 및 B사의 경우에는 K사와는 달리 두꺼운 실린더 이론을 근간으로 하였지만, 얇은 실린더의 경우에도 사용할 수 있도록 변형하여 적용하고 있음을 알 수 있었다.
(2) 유압 잭의 이동 거리에 따른 압력값으로 실제 피팅 힘을 계산한 결과를 보면 시뮬레이션에 의한 예측했던 결과값의 범위에 있음을 알 수 있었다.
(3) 선미측 및 선수측 선미관 베어링의 압입력을 비교하면, J사 식을 이용한 경우는 압입력을 비교하면 가장 작으며 실제 피팅힘이 시뮬레이션 결과값의 끝에 존재함으로 베어링 가공을 할 때 주의가 필요하지만, B사 식이나 K사 식의 경우에는 실제 피팅힘이 시뮬레이션 결과값의 중간에 존재하므로 베어링 가공시에 다소 여유가 있음을 알 수 있었다.
또한 두꺼운 실린더 이론을 유도해 보았을때 최종적으로 확인되어지는 접촉면 압력식의 접촉 압력을 비교해보면 K사에서 제시한 식과 일치함을 알 수 있었다. 또한 J사의 경우에도 두꺼운 실린더 이론을 기반으로 두꺼운 실린더와 얇은 실린더의 경우에도 사용되어질 수 있도록 식을 변형하였음이 파악된 바, 매트랩의 결과값으로 미루어 볼때, 선미관 베어링 업체 세 곳 모두 두꺼운 실린더 이론을 기반으로 베어링 피팅식이 유래되었지만 시간이 지나면서 나름대로 개선점을 가지고 식을 변형하였다고 결론지을 수 있다.
이처럼 결과 값을 비교해 보아도 알 수 있듯이 J사의 경우 두꺼운 실린더의 이론을 기반으로 식을 만들었지만, 최종적으로는 얇은 실린더의 피팅시에도 사용할 수 있도록 식을 변환하여 적용하였음이 파악되었다. 또한 두꺼운 실린더 이론을 유도해 보았을때 최종적으로 확인되어지는 접촉면 압력식의 접촉 압력을 비교해보면 K사에서 제시한 식과 일치함을 알 수 있었다. 또한 J사의 경우에도 두꺼운 실린더 이론을 기반으로 두꺼운 실린더와 얇은 실린더의 경우에도 사용되어질 수 있도록 식을 변형하였음이 파악된 바, 매트랩의 결과값으로 미루어 볼때, 선미관 베어링 업체 세 곳 모두 두꺼운 실린더 이론을 기반으로 베어링 피팅식이 유래되었지만 시간이 지나면서 나름대로 개선점을 가지고 식을 변형하였다고 결론지을 수 있다.
Figures 6∼8로부터 알 수 있는 바와 같이 선미측 및 선수측 선미관 베어링의 압입력을 비교해 보았을 때, J사식을 이용한 값이 가장 작음을 알 수 있으며, B사, K사 순으로 값이 커짐을 알 수 있다. 또한, 실제 압입력과 시뮬레이션 결과값과 비교해 보았을때 K사와 B사의 경우가 실제 압입력이 시뮬레이션 결과값의 중간 범위에 존재하며 J사의 경우는 실제 압입력이 시뮬레이션 결과값의 끝부분에 존재함을 알 수 있었다. 이처럼 결과 값을 비교해 보아도 알 수 있듯이 J사의 경우 두꺼운 실린더의 이론을 기반으로 식을 만들었지만, 최종적으로는 얇은 실린더의 피팅시에도 사용할 수 있도록 식을 변환하여 적용하였음이 파악되었다.
17 정도로 생각된다. 반면 K사나 J사의 시뮬레이션 결과값과 비교해 보면, 동일한 설계치에서 간섭량, 영계수와 프와송 비등이 다른 상황에서 비교하는 것이 다소 무리는 있어 보이지만, 동일한 선박을 건조한다는 가정하에 현장에서의 작업을 고려해 볼때, 실제 압입력이 시뮬레이션 결과값 범위의 중간에 존재하는 것이 베어링을 가공할 때 여유를 갖을 것으로 사료되어 비교해 보았다 세 곳을 비교해보면, J사 식을 적용한 시뮬레이션 결과값이 동일한 디자인에서 가장 여유가 없어 베어링 가공시에 많은 주의를 기울일 필요가 있음을 알 수 있었다.
보는 바와 같이 간섭량의 범위가 업체에 비해 넓음을 알 수 있는데, 이는 실제 선주와 선급 검사관의 입회하에서 상기의 작업이 이루어지며 승인을 받아야 하는 조선소의 입장에서 베어링 가공 오차 및 기타 요인에 의해 압입력이 업체에서 제시한 값을 벗어날 것을 고려하여 간섭량을 0.01∼0.05mm로 적용하였음을 알 수 있었다.
Table 4 및 Figure 4, Figure 5는 14,000 TEU 컨테이너선에 선미관 베어링을 끼워 넣을 때 실제 현장에서 선주/선급 입회하에서 작성하는 검사 시트이다. 유압 잭의 이동거리(push up distance)에 따른 압력의 변화가 선형성을 갖고 있음을 나타내 주고 있으며, 실제 피팅 힘을 계산한 값을 보면 각각 설계 단계에서 계산된 압입력의 범위 내에 있음을 알 수 있다.
또한, 실제 압입력과 시뮬레이션 결과값과 비교해 보았을때 K사와 B사의 경우가 실제 압입력이 시뮬레이션 결과값의 중간 범위에 존재하며 J사의 경우는 실제 압입력이 시뮬레이션 결과값의 끝부분에 존재함을 알 수 있었다. 이처럼 결과 값을 비교해 보아도 알 수 있듯이 J사의 경우 두꺼운 실린더의 이론을 기반으로 식을 만들었지만, 최종적으로는 얇은 실린더의 피팅시에도 사용할 수 있도록 식을 변환하여 적용하였음이 파악되었다. 또한 두꺼운 실린더 이론을 유도해 보았을때 최종적으로 확인되어지는 접촉면 압력식의 접촉 압력을 비교해보면 K사에서 제시한 식과 일치함을 알 수 있었다.

후속연구

본 논문에서는 선미관 베어링의 압입력을 시뮬레이션 함에 있어서, 베어링 설치시 발생하는 마찰에 의한 온도 변화에 대해서는 고려하지 않았다. 향후 베어링 설치에 대한 개선을 위해서는 마찰에 의한 온도 변화에 대한 것을 고려할 필요가 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선미관 베어링은 어떤 역할을 하는가?	선미관 베어링은 프로펠러와 프로펠러축의 하중을 지지하는 역할을 하며, 최근 선박이 대형화됨에 따라 축계 및 프로펠러의 치수가 점차 크게 되었다. 이러한 선미관 베어링은 프로펠러가 회전할 시, 즉 동적 하중 하에서의 슬립 및 움직임을 방지하기 위하여 충분한 간섭량(interference, 베어링과 캐스팅의 반경방향 변위차)을 가지고 선미관의 후부인 스턴 보스 캐스팅과 선미관의 전부인 스턴튜브 캐스팅(stern boss casting & stern tube casting)에 강제 압입되어야 한다.
	현장에서 베어링을 설치 시 생기는 업무 혼선의 배경은?	선미관 베어링을 캐스팅에 강제 압입 시에 필요한 힘을 계산할 때 사용되어지는 공식은 선미관 베어링 업체별로 각각 다르며, 또한 계산 시 사용되어지는 요소들의 값도 상이하다. 이에 따라 조선소에서 선미관 베어링 강제 압입력을 계산할 때에는 업체별로 제시된 공식과 재질에 따라 고려되어지는 요소들의 값을 사용하지만, 선미관 베어링과 선미부 캐스팅의 간섭량은 조선소의 경험에 기반한 값을 표준으로 사용하고 있다. 따라서, 조선소에서 계산된 값과 베어링 업체에서 계산된 값이 상이하여 업무에 혼선이 발생하고 현장에서 베어링을 설치 시에 사용되어지는 실제 강제 압입력이 조선소 설계에서 제시한 값을 벗어나는 경우가 발생하기도 한다.
	강제 압입법은 어떤 방법인가?	강제 압입법은 일정한 간섭량을 가진 선미관 베어링을 선박 선미부의 캐스팅에 설치하는 방법으로서 피팅 잭과 전동펌프를 이용하여 선미관 베어링을 캐스팅에 20∼50 mm의 단위로 피팅 거리 및 압력을 증가시키면서 강제로 밀어넣는 방법으로서 조선소에서 자주 이용하고 있다.

참고문헌 (9)

김용수, MATLAB 입문과 활용, ver 7.0, 2005.
A. C. Ugural, S. K. Fenster, Advanced Strength and Applied, Elasticity third edition, pp. 1-22, pp. 51-80, pp. 96-120, pp. 327-340, 2001.
木原諄, 彈塑性力學, 丸善株式會社, pp. 51-52, pp. 83-84, 1986.
後藤學 , 塑性學 p. 3, pp. 40-42, pp. 188-193, 1995.
金東垣, , 塑性學, pp. 306-324, 2001.
김영석, 소성역학, pp. 75-76, pp. 185-197, 2003.
KEMEL, Kobelco eagle marine engineering co.,LTD.
JMT Stern tube seals & bearings, Japan marine technologies LTD.
Simplex-Compact shaft components B+V Industritechnik.

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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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