채굴이나 유사한 산업에서 버킷 회전형 소형 굴삭기가 협소한 공간 작업에 흔히 사용된다. 이러한 소형 굴삭기가 많이 개발이 되고 있지만 버킷회전부의 응력 해석 연구가 없었다. 본 연구에서 유한요소법과 Spare solver를 이용하여 소형 굴삭기의 버킷 회전부와 그 인접부의 응력 해석을 다양한 위상에서 수행하였다. 결론적으로 회전부의 연결부분에서 응력집중으로 인해 다른 부분의 평균 응력 1MPa보다 조금 높은 응력을 확인하였다. 특히 상대운동이 있는 버킷 핀과 회전 피니언 기어에서 각각 7.7MPa과 40MPa 응력을 보였다.
채굴이나 유사한 산업에서 버킷 회전형 소형 굴삭기가 협소한 공간 작업에 흔히 사용된다. 이러한 소형 굴삭기가 많이 개발이 되고 있지만 버킷회전부의 응력 해석 연구가 없었다. 본 연구에서 유한요소법과 Spare solver를 이용하여 소형 굴삭기의 버킷 회전부와 그 인접부의 응력 해석을 다양한 위상에서 수행하였다. 결론적으로 회전부의 연결부분에서 응력집중으로 인해 다른 부분의 평균 응력 1MPa보다 조금 높은 응력을 확인하였다. 특히 상대운동이 있는 버킷 핀과 회전 피니언 기어에서 각각 7.7MPa과 40MPa 응력을 보였다.
In mining and its similar industries, compact excavators are used commonly in narrow working spaces, of which bucket must be rotated essentially. Considering of those applications, many kinds of the compact excavators have been developed, but any stress evaluation of bucket rotating part had not bee...
In mining and its similar industries, compact excavators are used commonly in narrow working spaces, of which bucket must be rotated essentially. Considering of those applications, many kinds of the compact excavators have been developed, but any stress evaluation of bucket rotating part had not been attempted. In this study, using of the finite element method and Spare solver, stress analysis has been performed on the bucket rotating parts and its adjacent parts of compact excavator, with using an excavation stress model, in various directions and positions. Resultantly, it has been defined that stress of connector in the rotating part is a little higher, due to its shape, than those remained parts of which stress are shown equally as 1 MPa. Especially in the moving parts, the stress of bucket pin and rotating pinion gear has been calculated as 7.7 MPa and 40 MPa respectively.
In mining and its similar industries, compact excavators are used commonly in narrow working spaces, of which bucket must be rotated essentially. Considering of those applications, many kinds of the compact excavators have been developed, but any stress evaluation of bucket rotating part had not been attempted. In this study, using of the finite element method and Spare solver, stress analysis has been performed on the bucket rotating parts and its adjacent parts of compact excavator, with using an excavation stress model, in various directions and positions. Resultantly, it has been defined that stress of connector in the rotating part is a little higher, due to its shape, than those remained parts of which stress are shown equally as 1 MPa. Especially in the moving parts, the stress of bucket pin and rotating pinion gear has been calculated as 7.7 MPa and 40 MPa respectively.
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문제 정의
이때, 굴삭기 착·탈형 부착기구인 버킷을 자유롭게 좌우 360도 이상 회전할 수 있다면 굴삭기 전체를 움직여야하는 복잡한 작업도 원하는 각도만큼 버킷을 회전시켜 좁은 공간에서 신속하게 정교한 작업을 수행할 수 있어 생산성 향상과 에너지 절약에도 큰 도움을 줄 수 있다. 회전형 버킷을 소형 굴삭기에 적용하기 위해서는 버킷을 좌우 360도 이상 회전시킬 수 있는 유압장치와 작업하중을 견딜 수 있는 프레임 설계를 수행하여야 하는데, 본 논문에서는 암, 버킷 그리고 회전형 부착기구의 구조적 안전성을 CAE를 활용하여 확인하고자 하였다[3][5].
가설 설정
k : foundation stiffness in units of force per length per unit area
를 기준으로 하여 산출한 응력 값을 경계조건으로 사용하였다. 암을 고정시키고 비선형 요소를 축소하기 위하여 각 위상별로 부품을 모두 조립하였다고 가정하여 하나의 강체구조로 모델링하였다. 유압계통에서는 열 특성이 중요할 수 있으나, 회전형 부착기구를 제외한 부품에서는 열 발생이 크지 않으며 열로 인한 응력특성의 변화가 없는 것으로 가정하였다.
암을 고정시키고 비선형 요소를 축소하기 위하여 각 위상별로 부품을 모두 조립하였다고 가정하여 하나의 강체구조로 모델링하였다. 유압계통에서는 열 특성이 중요할 수 있으나, 회전형 부착기구를 제외한 부품에서는 열 발생이 크지 않으며 열로 인한 응력특성의 변화가 없는 것으로 가정하였다.
이산화한 식 (2)를 풀기 위하여 부품 간 연결은 모두 완전체결된 것으로 가정하여 Block Spare solver를 적용하였다.
전체를 하나의 강체구조로 가정할 수 없기 때문에 간소화 해석의 정확도의 향상을 위해 외접형 휠 기어의 지지베어링 축은 해석에서 제외하였다. 회전부품에서는 다소 열이 발생하지만 건설기계의 특성상 대기와의 열교환이 활발하며 냉각계통이 존재하기 때문에 열적영향은 크지 않을 것으로 가정할 수 있다.
단, 이 경우에도 열에 의한 영향은 고려하지 않았다. 회전형 부착기구의 해석에 있어서 비선형 요소를 최소화하기 위하여 유압모터의 회전속도(rpm)가 일정하다고 가정하였으며, 이때의 회전수를 경계조건으로 두고 해석을 수행하였다. 이 경우에도 축계 진동해석은 생략하였는데 이는 추후에 이루어질 예정이다.
제안 방법
그러나 버킷의 회전은 붐, 암, 버킷의 기구학적 모델과는 완전 독립이고, 버킷 회전에 따른 변화가 붐, 암, 버킷의 기구학적 모델의 정적 및 동적 해석에 미치는 영향은, 무게중심의 변화가 대단하지 않기 때문에 물리적으로 무시 할만하다[1]-[3][5]. 따라서 본 연구에서는 붐, 암, 회전형 어태치먼트 및 버킷의 4요소의 자유도 전부를 고려하지 않고, 암과 회전형 부착기구 그리고 버킷의 상관관계만을 고려하여 해석을 수행하였다.
또한 시간과 메모리의 문제를 최소화하기 위하여 전체 조립체에 대한 응력해석의 경우 각 부품을 모두 조립하여 하나의 구조물로 대체함으로써 간소화 모델을 구축하였다.
수렴 속도가 비교적 빠르고 수렴이 될 경우 이론값과 유사한 해석 값을 구할 수 있다는 장점이 있으나, 경계조건에 따라서는 사용하기 어려운 모델이 존재한다는 단점이 있다[6]. 본 연구에서는 탄성 진동체 해석을 수행하기 전 과정으로서 단순화한 모델에 대한 응력수준을 예측하기 위해 해당 solver를 이용하였다. 해석모델 내에 운동부품이 없다고 가정하였으므로 열적해석은 수행하지 않았다[1].
상대운동이 활발한 회전형 부착기구의 경우에는 부품 간 연결조건이 일체화 되었다고 가정할 수 없으므로, 단일부품에 대한 추가해석을 진행하였다. 단, 이 경우에도 열에 의한 영향은 고려하지 않았다.
암과 버킷, 회전형 부착기구를 모두 포함한 응력 해석에는 개발된 회전형 부착기구가 장착된 소형 굴삭기의 상용 작동압력인 120 kg/cm2를 기준으로 하여 산출한 응력 값을 경계조건으로 사용하였다. 암을 고정시키고 비선형 요소를 축소하기 위하여 각 위상별로 부품을 모두 조립하였다고 가정하여 하나의 강체구조로 모델링하였다.
이론/모형
Lanczos 방법은 1949년 헝가리의 Cornelius Lanczos에 의해 개발된 반복방법(Iteration method)으로 정사각 행렬의 고유치와 고유벡터를 찾는, 발전된 형태의 Power 방법의 일종이다. Lanczos 방법은 필요한 고유치 혹은 고유벡터를 찾기 위해 저차 행렬방정식으로 고유치 행렬방정식을 축소하여 계산하는 방법으로 축소하고, Guess 소거법을 이용하여 고유치와 고유벡터를 구하였다. 수렴 속도가 비교적 빠르고 수렴이 될 경우 이론값과 유사한 해석 값을 구할 수 있다는 장점이 있으나, 경계조건에 따라서는 사용하기 어려운 모델이 존재한다는 단점이 있다[6].
Figure 1은 생성된 격자를 나타낸 것으로 (a)는 버킷, 회전형 부착기구 및 암 전부를 격자구성한 모습을 나타내었으며, (b)는 회전형 부착기구만을 분리하여 따로 격자구성을 한 모습이다. 격자구성에는 Patch conforming/sweeping 기법을 사용하였으며, (a)는 총 Node 수 113,225 (b)는 총 Node 수 61,941로 구성하였다.
성능/효과
유한요소법을 통한 해석결과 대부분의 부분에서는 85 Pa의 낮은 응력수준을 유지하였으나, 조립 및 유지보수를 위한 공동이 있는 회전형 부착기구와 버킷 간의 연결부품 및 체결부위에서 응력집중으로 인해 비교적 높은 하중에 노출되는 것으로 나타났다. 가장 높은 응력이 나타난 곳은 상대운동이 있는 핀 체결부위로 다른 부분에 비해서 100,000배 정도 높은 7.7 MPa 정도의 응력이 나타났다.
건설기계는 기계의 정도에 대한 요구 값은 상대적으로 낮은 반면 안전율에 있어서는 상당한 수준을 요구하는 경향이 있다. 굴삭기의 경우 토질에 포함된 석괴 등으로 인하여 높은 하중을 받을 우려가 충분하다. 하지만 재료의 항복강도를 고려하면 최고치를 고려하더라도 응력해석 결과에서 보이는 응력 수준은 크지 않은 것으로 나타났다.
유한요소법을 통한 해석결과 대부분의 부분에서는 85 Pa의 낮은 응력수준을 유지하였으나, 조립 및 유지보수를 위한 공동이 있는 회전형 부착기구와 버킷 간의 연결부품 및 체결부위에서 응력집중으로 인해 비교적 높은 하중에 노출되는 것으로 나타났다. 가장 높은 응력이 나타난 곳은 상대운동이 있는 핀 체결부위로 다른 부분에 비해서 100,000배 정도 높은 7.
굴삭기의 경우 토질에 포함된 석괴 등으로 인하여 높은 하중을 받을 우려가 충분하다. 하지만 재료의 항복강도를 고려하면 최고치를 고려하더라도 응력해석 결과에서 보이는 응력 수준은 크지 않은 것으로 나타났다.
회전형 부착기구의 개별 해석에 있어서는 기어의 접점에서 국부적으로 40 MPa 정도의 높은 응력이 나타나며 이는 해석 부품 전체를 통틀어 가장 높은 값이지만 주어진 안전율에서 사용이 가능함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본문에서 암과 회전형 부착기구 그리고 버킷의 상관관계만을 고려하여 해석을 수행한 이유는?
본 연구 대상인 버킷 회전부를 가진 소형 굴삭기는 암과 버킷 사이에 회전형 부착기구가 추가되기 때문에 기존의 굴삭기 해석 모델에 자유도가 하나 더 추가되게 된다. 그러나 버킷의 회전은 붐, 암, 버킷의 기구학적 모델과는 완전 독립이고, 버킷 회전에 따른 변화가 붐, 암, 버킷의 기구학적 모델의 정적 및 동적 해석에 미치는 영향은, 무게중심의 변화가 대단하지 않기 때문에 물리적으로 무시 할만하다[1]-[3][5]. 따라서 본 연구에서는 붐, 암, 회전형 어태치먼트 및 버킷의 4요소의 자유도 전부를 고려하지 않고, 암과 회전형 부착기구 그리고 버킷의 상관관계만을 고려하여 해석을 수행하였다.
소형 굴삭기는 어떻게 정의되는가?
소형 굴삭기는 정격하중 3톤 미만의 굴삭기로 버킷 적제용량은 0.02 ~ 0.
소형 굴삭기의 적제용량은?
소형 굴삭기는 정격하중 3톤 미만의 굴삭기로 버킷 적제용량은 0.02 ~ 0.1m3 범위가 일반적이다. 우리나라에서는 일본을 통해 기술이전을 받아 현재는 많은 굴삭기 제작업체가 생산 중에 있으며, 특히 최근에 급격히 증가되는 중국수요 때문에 소형 굴삭기는 주요 수출 종목 중의 하나로 평가되는 건설 장비이다.
참고문헌 (6)
ANSYS Inc. ANSYS User's Guide. Ver. 12, 2010.
D.-H. Han, H.-G. Kim and B.-J. Lee , "Load handling and dynamic performance analysis for the excavator", Proceedings of The Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 2, no. 1, pp. 585-590, 1995.
J.-M. Choung, G.-S. Kim, Y.-S. Jang, I.-H. Choe and M.-S. Heo, "Study on the static and dynamic structural analysis procedure of excavators", Proceedings of The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 537- 543, 2003.
S.-K. Kwon, "Dynamic model development and simulation of crawler type excavator", The Korean Society of Machine Tool Engineers, vol. 18, no. 6, pp. 642- 651, 2009.
S.-Y. Kim, J.-O. Lee, B.-J. Kim and S.-J. Baek, "Working simulation of a shovel-typed excavator using flexible multi-body dynamics", The Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 33; no. 5. pp. 60-64 (in Korean).
Carlos, "Lanczos-Lovelock and f(R) gravity from clifford space geometry", International Journal of Theoretical Physics, vol. 52, no. 1, pp. 28-41, 2012.
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