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문제 정의
- 따라서 굴삭기의 선회소음을 저감하기 위해 가진주파수의 증폭되는 구조를 파악하기 위한 모드실험을 수행하였다.
제안 방법
- 굴삭기 선회실험의 신호분석 결과 나타나는 소음 증폭 현상을 규명하고 유한요소 모델을 구축하기 위해 모드실험을 수행하였다. 모드실험은 Fig.
- 굴삭기가 선회하지 않고 엔진만 작동시킨 구간을 공회전(A), 회전속도를 증가시키는 구간을 가속 구간(B), 최대 선회속도로 일정하게 회전하는 구간을 정속구간(C), 회전속도를 줄여 정지하는 구간을 감속 구간(D)이라 하였다.
- 그리고 운전실 지붕 위에 자이로센서를 부착하여 굴삭기 상부체의 선회속도를 측정하였다.
- 도식의 Y축은 선회소음의 음압레벨이며 직관적인 비교를 위해 기성품과 개선품의 선회소음 시간응답을 가로배열로 나열하였다. 두 신호에서 각 구간의 선회소음 피크 값을 비교하여 dB(A)로 환산한 결과, 가속구간 (B) 와감속구간 (D)에서 개선품의 소음 수준이 1.
- 것을 확인하였다. 따라서 선회소음을 저감하기 위해 Fig.17과 같이 센터프레임 앞면에 부재를 보강하여 굽힘모드에 대한 강성을 부여하는 방법으로 구조개선 방안을 도출하였다.
- 모드실험은 모드 형상을 확인할 수 있도록 여러지점을 선정하여 Fig.12와 같이 가속도계를 부착하고 한 점을 선정하여 충격 해머로 가진하여 주파수 응답 함수를 획득하였다.
- 선회구간에 따른 주파수 특성을 확인하기 위해굴삭기가 선회하는 동안 일정한 시간 간격으로 소음 /진동 신호에 대한 주파수 분석을 수행하였다. Fig.
- 선회소음을 저감할 수 있는 구조개선안을 도출하기 위해 굴삭기 상부체의 유한요소 모델을 구축하였다. 상부체 모델링은 선회장치가 부착되어 있는 센터프레임을 대상으로 하였다.
- 선회소음의 현 수준을 평가하고 발생 원인을 규명하기 위해 굴삭기가 선회할 때 발생하는 소음/진동 신호를 Fig.2와 같이 측정하였다.
- 선회장치와 선회장치 근방의 센터프레임에서 측정한 진동신호도 소음신호와 마찬가지로 일정한 시간 간격에 대한 주파수응답의 waterfall plot을 도시하여 각 신호를 비교분석하였다. 그 결과 소음 신호와 유사한 형태의 진동신호가 센터프레임 앞면과 옆면에서 Fig.
- 신호 측정 시 굴삭기가 선회하는 운전모드를 선정하기 위해 엔진 출력과 선회 가감속도를 제어하여 운전실에서 측정되는 소음 특성을 확인하였다. 그 결과 엔진 출력과 선회 가감속도가 최대일 때 운전실에서의 소음 피크가 가장 크게 나타났고, 선회 가감속도를 천천히 조작하였을 때 소음 크기는 상대적으로 줄어들었지만 충분한 샘플링을 통해 주파수 특성을 비교적 뚜렷하게 확인할 수 있었다.
- 상부체 모델링은 선회장치가 부착되어 있는 센터프레임을 대상으로 하였다. 실제 센터프레임을 단순화하여 CAD모델을 생성하였으며 ANSYS를 이용하여 이차사면체(quadratic tetrahedral)의 요소 형상으로 이산화하여 센터프레임의 유한요소 모델을 Fig.15와 같이 생성하였다.
- 앞서 3장과 4장에서 소개하였듯이 굴삭기의 선회소음은 앞면과 옆면의 굽힘모드 진동으로 일부 발생하기 때문에, 유한요소 해석 시뮬레이션을 통해 앞면의 굽힘모드에 대한 강성을 증가시킬 수 있는 방안을 도출하였고 이를 실제 굴삭기에 반영하여 실제로 선회소음이 저감되는지를 평가하였다. 이때 굴삭기의 개선품은 기존의 실차 상태에서 Fig.
- 운전모드 1은 굴삭기의 선회소음 수준을 평가하고 선회소음의 주파수 성분을 확인하기 위한 것으로 선회소음 피크가 가장 크게 나타났던 엔진 출력과 선회 가감속도를 최대로 하여 360˚ 선회하였다.
- 운전모드 2는 선회소음의 가진원 분석을 하기 위한 것으로 주파수 특성이 비교적 뚜렷하게 나타났던 선회 가감속도를 천천히 조작하여 굴삭기를 정지상태부터 최대 선회속도까지 운전하였다. 이러한 선회조작을 sweep이라 하였다.
- 운전실 운전자 오른쪽 귀 위치에 마이크로폰을 설치하고, 엔진 출력이 최대인 상태에서 선회 가감속도를 최대로 하여 굴삭기의 상부체를 360˚ 회전시키면서 선회소음을 측정하였다. 이때 굴삭기가 선회하기 이전에 운전실에서 측정된 공회전 소음(엔진 및 펌프 소음 등)은 기성품과 개선품이 모두 동일한 수준이었다.
- 운전실의 운전자 오른쪽 귀 위치에 마이크로폰을 설치하여 소음 신호를 측정하였고 동시에 센터프레임의 앞면과 옆면에 가속도계를 부착하여 진동신호를 측정하였다. 그리고 운전실 지붕 위에 자이로센서를 부착하여 굴삭기 상부체의 선회속도를 측정하였다.
대상 데이터
- 모드실험을 수행하였다. 모드실험은 Fig.11과 같이 굴삭기의 실차 상태에서 진행되었으며, 소음 신호와 유사한 형태의 진동신호가 측정되었던 센터프레임의 앞면과 옆면을 대상으로 하였다.
- 모드해석 결과와 모드실험 결과의 비교는 센터프레임 앞면과 옆면의 1차~3차 굽힘모드를 대상으로 이루어졌으며, 앞면과 옆면의 고유진동수와 모드형상의 유사성을 각각 Tables2, 3과 같이 비교하였고 실험이 가능했던 영역 내에서 만족할만한 결과를 획득하였다.
- 상부체 모델링은 선회장치가 부착되어 있는 센터프레임을 대상으로 하였다. 실제 센터프레임을 단순화하여 CAD모델을 생성하였으며 ANSYS를 이용하여 이차사면체(quadratic tetrahedral)의 요소 형상으로 이산화하여 센터프레임의 유한요소 모델을 Fig.
- 이 연구의 대상이 되는 중형 굴삭기의 구조는 Fig.1과 같이 굴삭작업을 수행하는 프론트 작업 장치, 장비 전체를 지지하며 장비를 이동시키는 하부주행체, 하부 주행체를 중심으로 360˚ 회전하는 상부 선회체이다.
데이터처리
- 유한요소 모델의 검증을 위해 ANSYS 시뮬레이션을 통해 센터프레임에 대한 모드해석 결과를 획득한 후, 앞서 실차 상태에서 수행한 센터프레임 앞면과 옆면의 모드실험결과와 비교하였다. 모드해석 결과와 모드실험 결과의 비교는 센터프레임 앞면과 옆면의 1차~3차 굽힘모드를 대상으로 이루어졌으며, 앞면과 옆면의 고유진동수와 모드형상의 유사성을 각각 Tables2, 3과 같이 비교하였고 실험이 가능했던 영역 내에서 만족할만한 결과를 획득하였다.
이론/모형
- 모드실험을 통해 획득된 각 지점의 주파수응답함수는 고유진동수와 고유모드를확인하기 위해 아래 식을 이용하여 모드지시함수(power mode indicator function)로 변환되었다.
성능/효과
- 그 결과 엔진 출력과 선회 가감속도가 최대일 때 운전실에서의 소음 피크가 가장 크게 나타났고, 선회 가감속도를 천천히 조작하였을 때 소음 크기는 상대적으로 줄어들었지만 충분한 샘플링을 통해 주파수 특성을 비교적 뚜렷하게 확인할 수 있었다. 따라서 선회소음/진동 신호 측정 시 기준이 되는 굴삭기의 운전 모드를 목적에 따라 Table1과 같이 정의하였다.
- 두 신호에서 각 구간의 선회소음 피크 값을 비교하여 dB(A)로 환산한 결과, 가속구간 (B) 와감속구간 (D)에서 개선품의 소음 수준이 1.3dB(A) 씩 감소하였으며, 공회전 구간 (A)와 정속구간 (C) 에서는 기성품과 개선품의 소음 수준이 동일한 수준으로 측정되었다.
- 것을 규명하였다. 따라서 굴삭기 선회소음저감을 위해 센터프레임 앞면에 부재를 3열 용접하여 구조개선을 수행하였으며, 개선품과 기성품의 소음 수준 비교를 통해 운전실에서 측정되는 소음 수준이 선회의 가속구간과 감속구간에서 1.3dB(A)씩 감소하는 것을 확인하였다.
- 따라서 굴삭기의 선회소음은 선회모터와 감속기의 가진에 의해 센터프레임 앞면과 옆면에서 해당 모드의 구조 공진으로 발생하는 것을 확인하였다. 소음발생주파수에 해당하는 고유모드형상은 Fig.
- 선회소음/진동 신호 측정 실험 및 모드실험과 모드해석 결과를 바탕으로 센터프레임의 앞면과 옆면에서 굽힘모드의 진동으로 인한 선회소음이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 선회소음을 저감하기 위해 Fig.
- 소음수준이 큰 가속구간(B)과 감속구간(D)에서 선회소음 피크를 유발하는 주파수 성분 ①, ②, ③, ④가 나타나는 것을 확인하였다.
- 실험 결과 Fig.13과 같이 가진주파수 범위 내에서 센터프레임 앞면의 굽힘형상 고유진동수가 선회소음 발생 주파수 ①, ③, ④와 일치하였으며 센터프레임 옆면의 굽힘형상 고유진동수는 ①, ②, ④와일 치하였다.
- 여러 번 측정 후 소음피크 값을 평균한 결과 감속구간, 가속 구간, 정속구간, 공회전순으로 크게 나타났다.
- 이 연구에서는 굴삭기가 선회할 때 선회모터의 회전주파수와 감속기의 기어물림주파수가 가진 원으로 작용하여 소음을 유발하는 것을 확인하였으며, 선회속도가 변화할 때 센터프레임 앞면과 옆면의 굽힘 형상에 대하여 구조 공진이 발생하고 소음이 증폭되는 것을 규명하였다. 따라서 굴삭기 선회소음저감을 위해 센터프레임 앞면에 부재를 3열 용접하여 구조개선을 수행하였으며, 개선품과 기성품의 소음 수준 비교를 통해 운전실에서 측정되는 소음 수준이 선회의 가속구간과 감속구간에서 1.
- 이 연구에서는 신호분석과 시스템분석을 통해 선회소음 발생 원인을 규명하였고, 시뮬레이션을 수행하여 구조 개선안을 도출하였으며, 이를 실제 굴삭기에 반영한 후 선회소음이 저감됨을 확인하였다.
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