[논문]컨테이너 적재 시스템의 구조 모델링 및 특성 해석

김영상; 맹희영

문제 정의

본 연구는 ISO 2000 규격 컨테이너의 적재, 하적 장치를 국내 트럭 제원에 맞추어 일체화하고, 기존 시스템에 비해 단순화시킨 소형 CHS의 개발을 목적으로 수행되었다. Roll & railguide unit, winding unit, tilting unit, lifting unit(trolley), 유압실린더 및 제어장치 등의 주요 구성 요소를 기구 메커니즘으로 구성하였으며, 이를 바탕으로 3차원 모델링을 통해 각 요소 간의 간섭과 결합 관계를 검증하였다").
이상과 같이 본 연구는 ISO 2000 규격의 컨테이너를 간단한 기구를 통해 적재, 하적 및 수송할 수 있는 일체화된 고유 모델의 자동 적재 시스템을 개발하였다.

제안 방법

트럭 제원에 맞추어 일체화하고, 기존 시스템에 비해 단순화시킨 소형 CHS의 개발을 목적으로 수행되었다. Roll & railguide unit, winding unit, tilting unit, lifting unit(trolley), 유압실린더 및 제어장치 등의 주요 구성 요소를 기구 메커니즘으로 구성하였으며, 이를 바탕으로 3차원 모델링을 통해 각 요소 간의 간섭과 결합 관계를 검증하였다"). 그리고 탑재 트럭의 기본 제원과 개발된 메커니즘을 바탕으로 역학적 해석을 통해 작용력의 안정성과 적합성을 검증하였다(E).
그리고 실린더로 컨테이너를 이송할 때 실린더에 작용하는 하중을 계산하여 실린더의 적정 용량을 구할 수 있었으며, 컨테이너 중량으로 인해 트럭이 들릴 위험이 없는지를 확인하기 위해 시뮬레이션 평가를 실시하였다.
Roll & railguide unit, winding unit, tilting unit, lifting unit(trolley), 유압실린더 및 제어장치 등의 주요 구성 요소를 기구 메커니즘으로 구성하였으며, 이를 바탕으로 3차원 모델링을 통해 각 요소 간의 간섭과 결합 관계를 검증하였다"). 그리고 탑재 트럭의 기본 제원과 개발된 메커니즘을 바탕으로 역학적 해석을 통해 작용력의 안정성과 적합성을 검증하였다(E). 또한 Visual Nastran 4D⑶를 활용하여 동적 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 컨테이너 적재 및 하적 시 시스템의 적절한 동작과 안정성을 확인하였다.
다음으로는 이송프레임과 고정프레임 사이의 실린더 위치에 따라 시스템이 원활하게 작동할 수 있는지를 검토하였다. 이때 컨테이너의 무게는 30ton, 실린더 작용력은 16ton으로 하고 컨테이너 무게중심과 실린더 위치 사이의 거리 L을 지정 변수로 하여 시뮬레이션 하였다.
그리고 탑재 트럭의 기본 제원과 개발된 메커니즘을 바탕으로 역학적 해석을 통해 작용력의 안정성과 적합성을 검증하였다(E). 또한 Visual Nastran 4D⑶를 활용하여 동적 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 컨테이너 적재 및 하적 시 시스템의 적절한 동작과 안정성을 확인하였다.
또한 빈 컨테이너(2.2ton)를 90°로 세울 수 있는지를 검토하였다. 이때 구속조건으로 공차 중량은 15ton, 실린더의 허용 부하는 16ton으로 설정하여 시뮬레이션 하였다.
본 시스템은 트럭의 경량화를 위해 프레임을 단순화하였으며, 쉽게 탑재될 수 있도록 트럭의 제원에 맞추어 모델링하였다. 모델링 과정에서는 트럭 섀시와의 간섭이 발생하지 않으면서 컨테이너의 적재 및 하적을 위한 기구 동작이 원활하게 이루어지도록 하였으며, 메커니즘의 역학적 관계를 통하여 트럭, 컨테이너, 윈치 장력, 트롤리 및 유압실린더 등의 설계 파라미터 간의 특성방정식을 도출할 수 있었다.
시뮬레이션을 통해 우선은 실린더의 위치에 따른 시스템의 작동 여부를 검토하였는데, 이는 컨테이너의 무게 중심과 실린더 위치 사이의 거리(-5m 〜 +5m 사이)를 변수로 하고 실린더허용 부하의 크기에 따라 트럭 앞바퀴에의 작용하중을 검토하였다. 이때 작용하중이 음(-)의 값을 나타내는 경우는 트럭이 동적으로 들리는 현상이 발생하므로 이러한 불안정한 상태를 검토하기 위한 것이다.
앞 절에서 수행한 안정성 평가와 기본 데이터를 기반으로, 실린더의 용량 및 설치 위치 변화에 따른 시스템의 원활한 작동여부를 검토하기 위하여 Visual Nastran 4D(30)를 이용한 동적시뮬레이션을 실시하였다.
위의 관계를 이용하여 Table 2와 같이 5가지의 특성방정식을 구할 수 있었으며, 이들 관계를 통해 컨테이너 하중, 컨테이너 경사 실린더 위치 &에 따른 실린더 작용 하중의 변화 과정을 해석할 수 있었으며, 트럭 앞바퀴에 작용하는 하중 변화도 파악하여 컨테이너 이송시 트럭의 안정성 여부를 평가할 수 있었다.
위의 역학적 관계를 통해 Table 1과 같은 8가지의 특성방정식을 구하였는 바, 이 방정식으로부터 트럭 중량에 따라 컨테이너가 미끄러지지 않기 위한 조건으로서, 컨테이너의 최소 마찰계수, 트럭의 바퀴 마찰력 증가에 따른 컨테이너의 최소 마찰계수 및 컨테이너 경사와 컨테이너 무게에 따른 윈치 장력 간의 관계를 구할 수 있었다.
밑으로 들어가야 한다. 이 조건을 만족시 키기 위해 트럭 중량, 프레임 중량, 바퀴 마찰계수, 컨테이너 마찰계수, 윈치 장력 조건(9)을 평가하고, 적재(하적)중인 컨테이너 하중에 따라 변하는 각각의 하중을 구하기 위하여 역학적 관계를 적용하였다.
3과 같이 모델링하였다. 이는 이송프레임의 규격과 한계치, 구비조건, 간섭여부를 고려하여 이루어졌으며, 이송 프레임과 고정 프레임 사이의 rail guide(그림의 ④⑥)에는 1m 간격으로 롤러를 고정하고 이를 매개로 상호 안내정밀도를 유지하면서 부드럽게 섀시를 따라 이송되는 구조를 채택하여, 컨테이너를 지지하기 위한 winding unit(그림의 ⑱〜㉗번), roll & rail guide unit(그림의 ⑪〜⑰번), 그리고 tilting unit(그림의 ③〜⑩번) 등의 상세 요소를 모델링하였다. 여기서 tilting unit 는 트레일러 적재 및 하적시 틸팅 실린더(그림의 ②③)에 의해 고정프레임과 이송프레임에 경사를 주기 위한 요소이다.
이때 컨테이너의 무게는 30ton, 실린더 작용력은 16ton으로 하고 컨테이너 무게중심과 실린더 위치 사이의 거리 L을 지정 변수로 하여 시뮬레이션 하였다.
이에 따라 실린더 허용부하는 이보다 큰 값인 15QOOON과 160, 000N의 2가지 하중을 기준으로 하였으며, Fig. 9와 같이 앞바퀴와 뒷바퀴에 작용하는 최대 하중을 검토하였다. 이때 실린더 허용부하로 150Q00N이 작용할 때에는 실린더 길이가 1.
한편 컨테이너를 적재 및 하적하는 동안 트럭의 안정성을 평가하기 위하여 Fig. 8과 같이 컨테이너(프레임 포함) 및 트럭에의 작용력 변화를 평가하였다. 이때 컨터)이너(프레임 포함) 의무게중심은 높이 Z3=1.

성능/효과

그 결과 본 CHS 시스템은 벨트식 리프팅이라는 경량화된 기구와 동력으로 컨테이너를 적재 및 하적하는 데에 매우 효율적이면서도 안정적인 작업을 수행할 수 있음을 검증할 수 있었다.
이때 작용하중이 음(-)의 값을 나타내는 경우는 트럭이 동적으로 들리는 현상이 발생하므로 이러한 불안정한 상태를 검토하기 위한 것이다. 그 결과 실린더 허용부하가 140, 000N (약 14ton) 이하인 경우에서는 컨테이너가 지면에서 떨어지면서 후방에서 올려지는 초기 위치에서 동적으로 트럭의 앞바퀴에 0에 가까운 작용하중이 발생하는 현상을 관찰할 수 있었다.
그 결과, Fig. 11에 나타난 바와 같이 앞바퀴가 들리지 않음을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 컨테이너 내부에 일부 화물이 남아있는 경우에도 컨테이너는 안전하게 90°로 세울 수 있음을 평가할 수 있었다.
모델링 과정에서는 트럭 섀시와의 간섭이 발생하지 않으면서 컨테이너의 적재 및 하적을 위한 기구 동작이 원활하게 이루어지도록 하였으며, 메커니즘의 역학적 관계를 통하여 트럭, 컨테이너, 윈치 장력, 트롤리 및 유압실린더 등의 설계 파라미터 간의 특성방정식을 도출할 수 있었다. 그리고 이들 관계를Visual NASTRAN 4D 모듈의 작동 시뮬레이션 과정에 적용함으로써 적재 및 하적 과정에서의 차체 하중조건과 집중하중, 트럭의 들림 현상 등을 방지할 수 있는 최적 파라미터 값들을 얻을 수 있었다.
모델링 과정에서는 트럭 섀시와의 간섭이 발생하지 않으면서 컨테이너의 적재 및 하적을 위한 기구 동작이 원활하게 이루어지도록 하였으며, 메커니즘의 역학적 관계를 통하여 트럭, 컨테이너, 윈치 장력, 트롤리 및 유압실린더 등의 설계 파라미터 간의 특성방정식을 도출할 수 있었다. 그리고 이들 관계를Visual NASTRAN 4D 모듈의 작동 시뮬레이션 과정에 적용함으로써 적재 및 하적 과정에서의 차체 하중조건과 집중하중, 트럭의 들림 현상 등을 방지할 수 있는 최적 파라미터 값들을 얻을 수 있었다.

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