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문제 정의
- 본 연구에서는 스크류 디캔터의 진동특성 및 강도를 고려한 회전체 및 베이스 프레임의 구조를 최적으로 설계함으로써 중량과 크기를 최소화하여 준설 현장에 특화된 이동이 용이한 소형으로 설계하고자 하였다.
- 본 연구에서는 준설현장에 특화된 소형의 스크류 디캔터을 제안하였다. 제안한 스크류 디캔터는 일반적인 실린더(cylinder) 및 콘(cone) 부분으로 구성된 보울 구조에서 단순 콘만으로 구성된 콘 타입의 보울 구조로 개선하여 설계함으로써 크기와 중량을 상당부분 줄일 수 있게 되었다.
- (1) 본 연구에서는 준설현장에 특화된 이동을 고려한 소형의 스크류 디캔터를 제안하였다.
제안 방법
- 이론적인 기하학적인 구조 사양을 바탕으로 형상설계 및 3차원으로 CAD 모델링을 수행하게 된다. 모듈별(bowl, screw conveyor), base frame) 3D CAD모델을 대상으로 회전체는 원심력을 고려한 진동해석 및 강도해석을 수행하고, 베이스는 상시 하중을 고려한 강도해석과 처짐 그리고 모달(Modal)해석을 수행하여 구조의 개선을 통하여 최적화 한다. 모듈별로의 최적화가 이루진 후 유닛화하여 검토한다.
- 모듈별(bowl, screw conveyor), base frame) 3D CAD모델을 대상으로 회전체는 원심력을 고려한 진동해석 및 강도해석을 수행하고, 베이스는 상시 하중을 고려한 강도해석과 처짐 그리고 모달(Modal)해석을 수행하여 구조의 개선을 통하여 최적화 한다. 모듈별로의 최적화가 이루진 후 유닛화하여 검토한다. 상기 과정에서 피 분리물이 회전체 내부에 유입되었을 때 회전체 불균형이 발생할 것을 고려하여 불균형력(CFD해석 수행)을 산출하여 반영한다.
- 전체적인 시스템이 고속 회전체의 원심력으로부터 안정성을 가지기 위해서는 시스템을 바닥으로부터 지지하는 진동흡수기의 기능이 매우 중요하다. 따라서 통합된 시스템을 강체로 정의하고 고속 원심력에 의해 발생하는 진동과 자중을 동시에 안정되게 지지할 수 있는 스프링 상수에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 본 스프링 상수를 기반으로 진동흡수기의 스프링을 설계하고, 설계한 스프링을 3D CAD로 모델링하여 해석시스템에 적용하여 검토한다.
- 따라서 통합된 시스템을 강체로 정의하고 고속 원심력에 의해 발생하는 진동과 자중을 동시에 안정되게 지지할 수 있는 스프링 상수에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 본 스프링 상수를 기반으로 진동흡수기의 스프링을 설계하고, 설계한 스프링을 3D CAD로 모델링하여 해석시스템에 적용하여 검토한다. 전술한 바와 같이 회전체 및 베이스의 최적과정을 나타내면 Fig.
- 본 연구에서는 준설현장에 특화된 소형의 스크류 디캔터로 일반적인 실린더(cylinder) 및 콘(cone) 부분으로 구성된 보울 구조에서 단순 콘만으로 구성된 콘 타입의 보울 구조로 설계하였다. 또한 기 제시한 최적설계 프로세서에 따라 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 준설현장에 특화된 소형의 스크류 디캔터로 일반적인 실린더(cylinder) 및 콘(cone) 부분으로 구성된 보울 구조에서 단순 콘만으로 구성된 콘 타입의 보울 구조로 설계하였다. 또한 기 제시한 최적설계 프로세서에 따라 해석을 수행하였다. 3D CAD 모델링은 CATIA V5 R17로 하였고, 상용해석 툴은 Ansys R14.
- 5을 활용하였다7-8). 본 콘 타입 스크류 디캔터의 사용회전수 조건은 기 선정된 상대원심 가속도를 고려하여 보울과 스크류 컨베이어의 회전 수를 각각 2000rpm, 1980rpm으로 하였다. 최적화해석에 적용한 재료의 기계적 물성은 Table 1과 같다.
- 5에서와 같이 회전속도에는 무관하다. 다만 회전체에 대한 모달 해석이므로 회전속도 조건을 부여하여 수행하였다. 해석은 10차 모드(mode)까지 수행하였고 해석수행 결과는 Fig.
- 하모닉 해석 응답은 보통 가진 주파수가 고유진동수에 근접하게 될 때의 공진을 체크하는 것이 중요한 의미를 갖는다. 본 보울의 해석에서는 가진력으로 보울의 내부에서 0.1㎫(약1atm)의 압력(불균형력 무시)이 작용하는 것으로 하여 수행하였다. 해석 주파수 영역은 모달 해석에서 도출된 감쇠 공진주파수 500㎐~1100㎐범위로 설정하여 수행하였다.
- 1㎫(약1atm)의 압력(불균형력 무시)이 작용하는 것으로 하여 수행하였다. 해석 주파수 영역은 모달 해석에서 도출된 감쇠 공진주파수 500㎐~1100㎐범위로 설정하여 수행하였다. 보울의 하모닉 응답 해석결과는 Fig.
- 공진현상이 발생할 가능성이 높은 감쇠 공진주파수를 살펴보면 2차 모드에서는 288㎐, 3차 모드에서는 656㎐, Max는 6차 모드에서는 868㎐로 나타나고 있다. 본 감쇠 주파수를 참고하여 하모닉 응답 해석 시 0㎐~868㎐ 범위 내에서 해석을 수행할 것이 스크류 컨베이어의 하모닉 해석에서는 가진력으로 스크류 컨베이어의 측면에 슬러지 제거력이 300N(불균형력 무시)이 작용하는 것으로 하여 수행하였다. 그리고 해석 주파수 영역은 모달 해석에서 도출된 감쇠 공진주파수 0㎐~890㎐범위로 설정하였다.
- 일방의 처짐은 베어링에 무리한 하중을 가하게 됨을 나타낸다. 따라서 본 설계에서는 베이스 프레임 구조해석 및 형상의 개선을 통해 베어링 조립공차 범위 이내의 대칭적인 처짐 경향을 보이도록 설계하였다. 이와 같이 회전체의 베어링을 지지하는 베이스 프레임의 설계는 지지하중에 대한 응력의 안전성보다는 회전체 회전중심축이 얼마나 안정된 범위 내에 있는 가가 중요한 의미를 갖는다.
- 이와 같이 회전체의 베어링을 지지하는 베이스 프레임의 설계는 지지하중에 대한 응력의 안전성보다는 회전체 회전중심축이 얼마나 안정된 범위 내에 있는 가가 중요한 의미를 갖는다. 본 설계에서 메인 베어링에 가해지는 각 베어링 하중은 3,920N(보울, 스크류 컨베이어의 자중)를 고려하였고, 구동모터에 의해 가해지는 각 하중은 294N(모터자중)으로 설정하였다. 베이스 프레임의 설계는 구조 및 형상을 6차례에 걸쳐 개선하면서 Case 별 강도해석 및 진동해석을 수행하였다.
- 본 설계에서 메인 베어링에 가해지는 각 베어링 하중은 3,920N(보울, 스크류 컨베이어의 자중)를 고려하였고, 구동모터에 의해 가해지는 각 하중은 294N(모터자중)으로 설정하였다. 베이스 프레임의 설계는 구조 및 형상을 6차례에 걸쳐 개선하면서 Case 별 강도해석 및 진동해석을 수행하였다. 이에 따른 베이스 프레임의 최종적인 구조는 Fig.
- 따라서 본 설계에서 베이스 프레임의 최종적인 구조는 Case 7로 결정하였다. 상기와 같이 본 연구에서는 스크류 디캔터의 회전체인 보올과 스크류 컨베이어 그리고 회전체를 지지하는 메인 베어링이 조립되는 베이스 프레임의 해석을 통해 구조를 최적으로 설계하였다. 향후, 본 연구와 연계하여 스크류 디캔터 베이스 프레임을 지지하고, 고속회전에 의해 발생하는 불균형 진동을 흡수하여 안정화시키는 진동흡수기의 메커니즘을 제안하고 최적으로 설계할 것이다.
- 본 연구에서는 준설현장에 특화된 소형의 스크류 디캔터을 제안하였다. 제안한 스크류 디캔터는 일반적인 실린더(cylinder) 및 콘(cone) 부분으로 구성된 보울 구조에서 단순 콘만으로 구성된 콘 타입의 보울 구조로 개선하여 설계함으로써 크기와 중량을 상당부분 줄일 수 있게 되었다. 또한 상용해석 툴을 이용한 디캔터 설계 프로세스를 제시함으로써 다양한 타입의 설계와 미숙련자도 보다 용이하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- (2) 본 연구에서 제안한 스크류 디캔터는 콘 타입으로 설계하여 크기와 중량을 상당부분 감소시켰다.
- (3) 본 연구에서는 상용해석 툴을 이용한 디캔터 설계 프로세스를 제시함으로써 디캔터 설계가 보다 용이하도록 하였다.
대상 데이터
- 일반적으로 인분뇨나 양돈폐수의 고액분리에는 1,500～2,500G, 하수 슬러지 오니제거에는 2,500～4,000G정도이며, 바다 뻘의 경우는 1,292~1,527G에서 고액분리가 이루어지지만 그 이상과 그 이하에서는 재현탁 현상이 발생하는 것으로 제시하고 있다6). 따라서 본 연구에서 대상물인 진흙이 포함된 토사 슬러지의 고액분리을 위한 상대 원심가속도는 1,600G로 선정하여 설계에 적용하였다. 이와 같이 스크류 디캔터의 최적의 설계는 피 분리물의 물성으로부터 이론적인 보울 및 스크류 컨베이어의 기하학적인 구조(보울 내외직경, 분리단의 길이, 압축단의 길이, 스크류 컨베이어 피치 수, 압축단의 경사도)를 결정하는 단계에서부터 시작하게 된다.
이론/모형
- 또한 기 제시한 최적설계 프로세서에 따라 해석을 수행하였다. 3D CAD 모델링은 CATIA V5 R17로 하였고, 상용해석 툴은 Ansys R14.5을 활용하였다7-8). 본 콘 타입 스크류 디캔터의 사용회전수 조건은 기 선정된 상대원심 가속도를 고려하여 보울과 스크류 컨베이어의 회전 수를 각각 2000rpm, 1980rpm으로 하였다.
성능/효과
- 반복적인 설계변경을 통해 최종적인 Case 7 구조에서는 0.03mm로 일반적인 기계의 정밀조립공차 범위(±0.02mm) 이내에 있음을 확인할 수 있다.
- 특히 감쇠 공진주파수는 변형이 가장 일어나기 쉬운 1차 모드에서의 값이 클수록 동일한 구조에서는 유리하다. 상기 해석 결과로부터 베이스 프레임에 가진 요소로 작용할 확률이 높은 1차 모드의 감쇠 공진주파수를 살펴보면, 보울의 경우 507㎐, 스크류 컨베이어는 208㎐ 그리고 하모닉 해석의 경우 보울은 1063㎐, 스크류 컨베이어는 625.5㎐로 베이스 프레임 감쇠 공진주파수 112㎐와는 벗어난 범위에 존재하여 공진발생의 위험도는 낮은 것으로 판단할 수 있다. 따라서 본 설계에서 베이스 프레임의 최종적인 구조는 Case 7로 결정하였다.
- (4) 본 연구에서 제시한 디캔터 설계 프로세서는 진동특성을 고려한 설계가 이루지게 되어 필요이상의 크기나 중량의 상승을 억제할 수 있게 되었다.
후속연구
- 10과 같다. 스크류 컨베이어의 사용회전수 범위에서 등가응력은 약60㎫로 안전한 범위에 있으나 본 해석은 정적인 것만을 고려한 것으로 실사용 상태에서의 예측이 불가하므로 안전한 범위에서 설계할 필요가 있다. 본 해석결과에서 나타난 안전계수는 Fig.
- 상기와 같이 본 연구에서는 스크류 디캔터의 회전체인 보올과 스크류 컨베이어 그리고 회전체를 지지하는 메인 베어링이 조립되는 베이스 프레임의 해석을 통해 구조를 최적으로 설계하였다. 향후, 본 연구와 연계하여 스크류 디캔터 베이스 프레임을 지지하고, 고속회전에 의해 발생하는 불균형 진동을 흡수하여 안정화시키는 진동흡수기의 메커니즘을 제안하고 최적으로 설계할 것이다.
- 제안한 스크류 디캔터는 일반적인 실린더(cylinder) 및 콘(cone) 부분으로 구성된 보울 구조에서 단순 콘만으로 구성된 콘 타입의 보울 구조로 개선하여 설계함으로써 크기와 중량을 상당부분 줄일 수 있게 되었다. 또한 상용해석 툴을 이용한 디캔터 설계 프로세스를 제시함으로써 다양한 타입의 설계와 미숙련자도 보다 용이하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구결과는 다음과 같다.
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