[국내논문]영구자석을 적용한 선박용 곡면 철판 이송용 유압식 마그네틱 클램프 이송장치의 성능평가에 대한 고찰 Performance Evaluation of Hydraulic and Magnetic Clamp Crane for Transporting Curved Steel Plate for Shipbuilding, with Permanent Magnet Applied원문보기
As a new technical approach, a hydraulic and magnetic clamp device was developed to realize a magnetic clamp crane system by simultaneously actuating eight individual hydraulic cylinders. In this approach, an Sr-type of ferritic permanent magnet (SrO· 6Fe2O3), rather than the previous electroma...
As a new technical approach, a hydraulic and magnetic clamp device was developed to realize a magnetic clamp crane system by simultaneously actuating eight individual hydraulic cylinders. In this approach, an Sr-type of ferritic permanent magnet (SrO· 6Fe2O3), rather than the previous electromagnet, was utilized for the purpose of lifting and transporting the large curved steel plates used for manufacturing ships. This study had the goal of developing and manufacturing a hydraulic, magnetic clamp prototype composed of three main parts, including the base frame, cylinder joint, and magnet joint, in order to safely transport curved steel plates. Furthermore, this research included a performance evaluation of the manufactured prototype and acquired the purposed quantity value in the performance test. The most significant item, the magnetic adhesive force (G), was evaluated in a performance test, which utilized a ferritic permanent magnet (Sr type) with 3700~4000 G of residual induction (Br) and 2640/2770 Oe of coercive force (Hc). In particular, relevant items such as the hoist tension (kN), transportation time (s), and applied load (Kgf) on the hydraulic cylinders were also evaluated in order to determine the optimum values.
As a new technical approach, a hydraulic and magnetic clamp device was developed to realize a magnetic clamp crane system by simultaneously actuating eight individual hydraulic cylinders. In this approach, an Sr-type of ferritic permanent magnet (SrO· 6Fe2O3), rather than the previous electromagnet, was utilized for the purpose of lifting and transporting the large curved steel plates used for manufacturing ships. This study had the goal of developing and manufacturing a hydraulic, magnetic clamp prototype composed of three main parts, including the base frame, cylinder joint, and magnet joint, in order to safely transport curved steel plates. Furthermore, this research included a performance evaluation of the manufactured prototype and acquired the purposed quantity value in the performance test. The most significant item, the magnetic adhesive force (G), was evaluated in a performance test, which utilized a ferritic permanent magnet (Sr type) with 3700~4000 G of residual induction (Br) and 2640/2770 Oe of coercive force (Hc). In particular, relevant items such as the hoist tension (kN), transportation time (s), and applied load (Kgf) on the hydraulic cylinders were also evaluated in order to determine the optimum values.
본 기술개발 공정에서는 곡가공 철판이송을 위하여 신개념의 ‘유압식 마그네틱 클램프’를 개발하기 위해 주관기관과 참여기관이 상호 협력하는 기술개발 과정을 통해 시제품을 제작하고자 하였다. 기존의 전자석 마그네틱 크레인과 비교하여 볼 때, 동일한 인장력이 가해지는 유압밸런싱 장치를 적용하면서, 우수한 자기적 특성을 보이는 고성능 영구자석을 연계하여 이송장치용 ‘유압식 마그네틱 클램프’를 제작하는데 본 기술개발 보고 자료의 소개 배경이 있다(Fig.
본 기술개발 공정에서는 곡가공 철판이송을 위하여 신개념의 ‘유압식 마그네틱 클램프’를 개발하기 위해 주관기관과 참여기관이 상호 협력하는 기술개발 과정을 통해 시제품을 제작하고자 하였다. 기존의 전자석 마그네틱 크레인과 비교하여 볼 때, 동일한 인장력이 가해지는 유압밸런싱 장치를 적용하면서, 우수한 자기적 특성을 보이는 고성능 영구자석을 연계하여 이송장치용 ‘유압식 마그네틱 클램프’를 제작하는데 본 기술개발 보고 자료의 소개 배경이 있다(Fig. 3 참조).
본 기술개발 보고 자료의 소개 목적은 선박제조에 적용되는 대형 곡가공 철판을 안전하기 이송하기 위한 장치로서, ‘유압식 마그네틱 클램프’ 이송장치를 제작 및 개발하는데 주안점이 있으며, 이 과정에서 제작된 시제품에 대한 성능평가(Performance evaluation)를 수행하여 제반 평가항목에 대한 정량적 수치 및 개발 목표치를 확보하고자 함에 있다. 특히, 평가항목 중 중요한 항목에 해당되는 마그네틱 접착력(G)과 관련하여 우수한 자기적 특성을 나타낼 수 있는 최적의 영구자석을 선정 및 적용하는데 신중한 검토를 하였으며, 기타 평가항목 중 주요 항목에 해당하는 호이스트 장력(kN), 이송시간(sec) 및 실린더에 걸리는 하중(Kgf) 등에 대해서도 정량적 수치를 획득하는데 그 중요성을 두었다.
본 기술개발에서는 선박제조용 대형 곡가공 철판을 이송하기 위한 장치로서, ‘유압식 마그네틱 클램프 시제품’을 제작하는데 주안점을 두었으며, 이 과정에서 시제품에 대한 안정성을 고려하면서 성능평가를 수행하여 제반 평가항목에 대한 정량적 수치 및 개발 목표치를 확보하고자 하였다. 특히, 선박 곡가공품을 운반시 안전사고를 예방하고 효율적으로 이송하기 위한 장치로서, 기존의 전자석이 아닌, 영구자석을 이용한 시제품을 제작하고자 하였다.
이러한 안정성을 확보하기 위하여 기존 공법에서 탈피하여, 보다 신뢰성 있는 자기적 특성을 가지는 영구자석(Permanent magnet)의 적용과 더불어 유압실린더의 동적 거동을 접목하여 대형 중량물을 이송할 수 있는 ‘유압식 마그네틱 클램프’ 형식의 크레인을 개발하는 방안이 제시된다. 이러한 신개념의 마그네틱 크레인을 도입할 경우, 설비시스템은 베이스프레임 + 마그네틱 연결부 + 유압장치로 구성되며, 곡면 가공된 대형철판을 이동시 유압실린더에 동일한 인장력(Tension)이 가해지게 되면서 신뢰성 있는 자성재료의 자기적 특성에 힘입어, 대형 중량물을 운반 시 낙하하는 불상사를 미연에 예방할 수 있게 된다.
제안 방법
본 기술개발 보고 자료의 소개 목적은 선박제조에 적용되는 대형 곡가공 철판을 안전하기 이송하기 위한 장치로서, ‘유압식 마그네틱 클램프’ 이송장치를 제작 및 개발하는데 주안점이 있으며, 이 과정에서 제작된 시제품에 대한 성능평가(Performance evaluation)를 수행하여 제반 평가항목에 대한 정량적 수치 및 개발 목표치를 확보하고자 함에 있다. 특히, 평가항목 중 중요한 항목에 해당되는 마그네틱 접착력(G)과 관련하여 우수한 자기적 특성을 나타낼 수 있는 최적의 영구자석을 선정 및 적용하는데 신중한 검토를 하였으며, 기타 평가항목 중 주요 항목에 해당하는 호이스트 장력(kN), 이송시간(sec) 및 실린더에 걸리는 하중(Kgf) 등에 대해서도 정량적 수치를 획득하는데 그 중요성을 두었다.
본 기술개발에서는 선박용 대형 곡가공품을 안전하게 이송시키기 위해 마그네틱 클램프 이송장치를 개발하기 위해 기존의 단순한 마그네틱 크레인의 범주를 벗어나, 베이스프레임 + 마그네틱 연결부 + 유압장치로 크게 구성되는 설비시스템을 구축하면서 신개념의 ‘유압식 마그네틱 클램프’ 이송장치를 제작하고자 하였다. 먼저, 8개의 유압실린더에 동일한 인장력이 가해지는 유압밸런싱 장치의 구현에 대한 설계작업을 수행하였으며 초기 개념설계 및 점진적인 상세설계 작업공정을 통해 시제품을 가시화하고자 하였다.
본 기술개발에서는 선박용 대형 곡가공품을 안전하게 이송시키기 위해 마그네틱 클램프 이송장치를 개발하기 위해 기존의 단순한 마그네틱 크레인의 범주를 벗어나, 베이스프레임 + 마그네틱 연결부 + 유압장치로 크게 구성되는 설비시스템을 구축하면서 신개념의 ‘유압식 마그네틱 클램프’ 이송장치를 제작하고자 하였다. 먼저, 8개의 유압실린더에 동일한 인장력이 가해지는 유압밸런싱 장치의 구현에 대한 설계작업을 수행하였으며 초기 개념설계 및 점진적인 상세설계 작업공정을 통해 시제품을 가시화하고자 하였다. Fig.
Fig. 4에 초기 개념설계를 거쳐 수행한 3D 모델링의 개념도를 명시하였으며 1차 시제품 도면을 자체 검토한 결과, 평가목표에 해당하는 14.7ton의 하중이 걸릴 때 실린더가 하중을 견디지 못하고 휘어지는 구조해석 결과를 확보하였기에 구조적 안정성(Structural stability)을 고려하여 2차 시제품 설계를 수행하였다.
이송시간의 경우 기존과 비교 시, 개발목표치에는 큰 변화가 없으며, 호이스트 장력의 경우 기존수치 보다 조금 증가된 147kN(14.7ton)의 수치를 개발 목표로 하였다. 본 연구의 경우에는 사업성과의 신뢰성(Reliability) 확보를 위해 개발목표치(14.
이 과정에서 유압실린더 배관라인의 정상 작동여부, 유압실린더의 밸런싱 동작상태, 영구자석의 흡착력 상태 등 각종변수를 고려하여 내부 점검 및 수정작업을 시행하였다. 이후 본 과제에서 최종 목표로 하는 성능평가를 외부 전문 시험기관(KOLAS 인증기관) 감독관 입회하에 2장에서 언급한 5개의 평가항목에 대해 시행하였다.
호이스트 장력(kN)과 관련하여, 두께 21mm의 15톤 곡가공 철판을 대상으로 유압식 마그네틱 클램프 시제품을 이용하여 리프팅을 시행하면서 목표지점까지 안전이송을 하였으며, 목표치(147kN)와 거의 유사한 150kN의 수치를 확보하였다. 마그네트 접착력과 관련, 영구자석으로 곡가공 철판을 흡착시 가우스미터(Gauss-meter) 계측장비를 이용하여 가장 주요한 물성치인 영구자석의 흡착력을 측정하였으며 목표치 8.2G 대비, 8.7G의 흡착력을 확보하는 시험을 수행함으로써 본 기술개발의 목표인 개발 시제품에 대한 성능평가 목표치를 충족하였다.
5에 본 개발에서 도입된 ‘유압식 마그네틱 클램프’에 대한 2차 시제품에 대한 상세설계 도면을 나타내었다. 설계 후, 시제품의 구조적 안정성을 검증하기 위해 구조해석을 수행하였으며, 검토결과 특이사항은 나타나지 않았다.
7ton)의 수치를 개발 목표로 하였다. 본 연구의 경우에는 사업성과의 신뢰성(Reliability) 확보를 위해 개발목표치(14.7ton)에 거의 근접한 15ton 규모의 ‘유압식 마그네틱 클램프’ 이송장치를 개발하고자 하였다. 유압식 마그네틱 크레인의 안정성을 감안하면서 최종평가 시에는 KOLAS 공인 인증기관 감독관 입회하에 제작된 시제품에 대한 성능평가를 KS, ISO 규격 절차서에 나와 있는 방식에 준해 시행하였다.
대상 데이터
Table 1에 있는 평가항목의 정량수치를 검토해 보면, 마그네트 접착력이 가장 많은 비중(40%)을 차지하면서 가장 중요한 평가항목에 해당된다는 것을 알 수가 있다. 이를 위해 마그네트 흡착력에 대한 성능해석을 외부 전문기관 위탁하에 수행하여 성능시험 시 필요한 기초자료로 활용하였다. 특히, 기존 6G에서 8.
본 개발에서 ‘유압식 마그네틱 클램프 시제품’은 실린더 연결부 + 베이스 프레임 + 마그네트 연결부로 크게 구성되어 있으며, 유압실린더와 영구자석이 주요 구성품에 해당된다. 영구자석은 원소재를 해외에서 수입하여 가공 제조하는 방법으로 준비를 하였으며, 유압실린더(8개에 해당)는 상세설계에 준해 국내 유압실린더 전문업체를 통해 구매하는 경로를 통해 준비하였다.
본 개발에서 ‘유압식 마그네틱 클램프 시제품’은 실린더 연결부 + 베이스 프레임 + 마그네트 연결부로 크게 구성되어 있으며, 유압실린더와 영구자석이 주요 구성품에 해당된다. 영구자석은 원소재를 해외에서 수입하여 가공 제조하는 방법으로 준비를 하였으며, 유압실린더(8개에 해당)는 상세설계에 준해 국내 유압실린더 전문업체를 통해 구매하는 경로를 통해 준비하였다.
유압식 마그네틱 클램프 시제품의 핵심 구성품에 해당하는 영구자석은 Sr(스트론티움) 페라이트계 영구자석을 이용하였으며, 해당 영구자석의 물성치는 Table 2에서 보는 바와 같다. 잔류 자속밀도(Br) 및 보자력(Hc)과 관련하여, Sr 페라이트계(SrO·6Fe2O3)영구자석은 3700~4000 Gauss의 Br(G) 및 2640/ 2770 Oersted의 Hc(Oe)를 함유하고 있다.
원통형 페라이트 영구자석 층간에는 SS400(일반 구조용 압연강재)이 강자성체로서 영구자석과 연계하여 Partition 역할을 하고 있다. 영구자석 몸체의 side판의 경우에도 동일한 SS400을 적용하였다. 영구자석 몸체의 프레임 하단부는 오스테나이트계 비자성체 스테인레스강인 SUS304를 이용 해 하단부를 구성하였다.
영구자석 몸체의 side판의 경우에도 동일한 SS400을 적용하였다. 영구자석 몸체의 프레임 하단부는 오스테나이트계 비자성체 스테인레스강인 SUS304를 이용 해 하단부를 구성하였다.
상기 베이스 프레임, 영구자석 및 유압실린더를 연결 및 조립하여 본 개발에서 목표로 하는 ‘유압식 마그네틱 클램프 시제품’을 제조하였으며 Fig. 12에 시제품의 전경이 보여진다.
12에 시제품의 전경이 보여진다. 시제품을 제작한 후에는 정상적으로 작동되는 여부를 확인하고자 곡가공 철판을 시험 대상으로 하여 시운전을 수행하였다. 이 과정에서 유압실린더 배관라인의 정상 작동여부, 유압실린더의 밸런싱 동작상태, 영구자석의 흡착력 상태 등 각종변수를 고려하여 내부 점검 및 수정작업을 시행하였다.
성능평가 시 목표로 하는 5개의 평가항목에 대해 개별적으로 시험평가를 시행하였다. 우선, 이송곡판 곡률(mm) 경우 평가하고자 하는 곡가공 철판에 대해 목표치(131mm)를 초과하는 160mm의 곡률반경을 획득하였다. 곡률반경 측정시 지그설비를 이용하여 곡가공 철판의 한쪽 부위를 고정한 후 다른 부위를 정밀 계측하는 방법으로 곡반경을 측정하였다.
호이스트 장력(kN)과 관련하여, 두께 21mm의 15톤 곡가공 철판을 대상으로 유압식 마그네틱 클램프 시제품을 이용하여 리프팅을 시행하면서 목표지점까지 안전이송을 하였으며, 목표치(147kN)와 거의 유사한 150kN의 수치를 확보하였다. 마그네트 접착력과 관련, 영구자석으로 곡가공 철판을 흡착시 가우스미터(Gauss-meter) 계측장비를 이용하여 가장 주요한 물성치인 영구자석의 흡착력을 측정하였으며 목표치 8.
본 기술개발에서는 핵심 항목에 해당되는 마그네틱 접착력(G)과 관련하여 정량적 목표수행을 위해 Sr 페라이트계 영구자석을 이용하였다. 특히, 우수한 보자력을 유지하면서 곡가공 철판을 안전하게 이동시킬 수 있는 영구자석의 흡착력에 대한 검토를 하였다.
이론/모형
3차원 모델링의 경우 3D-Modelling tool(3D-MAX)를 활용하여, 8개의 유압실린더에 동일한 인장력이 가해지는 유압밸런싱 장치의 가시화 및 구현에 대한 모델링 작업을 하였다. 개발하고자 하는 신개념의 마그네틱 크레인 이송장치의 경우, 설비시스템은 베이스프레임(청색) + 마그네틱 연결부(황색) + 유압장치(녹색)로 크게 구성이 되며, Fig.
7ton)에 거의 근접한 15ton 규모의 ‘유압식 마그네틱 클램프’ 이송장치를 개발하고자 하였다. 유압식 마그네틱 크레인의 안정성을 감안하면서 최종평가 시에는 KOLAS 공인 인증기관 감독관 입회하에 제작된 시제품에 대한 성능평가를 KS, ISO 규격 절차서에 나와 있는 방식에 준해 시행하였다.
성능/효과
(1) 본 유압식 마그네틱 클램프 시제품의 성능평가시 3700 ~ 4000G의 잔류 자속밀도(Br), 2500 ~ 2640Oe의 평균보자력(bHc) 및 2600 ~ 2770Oe의 원보자력(iHc)를 보여주는 Sr계 페라이트 영구자석(SrO·6Fe2O3)이 핵심 주요 구성품인 영구자석으로 이용되었으며 성능평가에 크게 적용되었다.
(2) Base frame + 실린더 연결부 + 마그네트 연결부로 크게 구성되어 있는 유압식 마그네틱 클램프 시제품에 대해 성능평가를 수행시 마그네트 접착력의 경우 8.7G의 마그네틱 접착력(G)을 보여주었으며, 연구개발전 국내수준인 6G의 수치보다 상대적으로 높은 정량수치를 보여 주었다.
(3) 시제품을 이용하여 대형 곡가공품을 흡착하여 이송하는 성능시험과 관련하여, 150kN의 호이스트 장력(kN), 81sec의 이송시간(sec) 및 1,250Kgf의 실린더 하중(Kgf) 등의 정량적 수치를 보여 주었으며 개발 목표치의 성능수치를 충족하였다.
후속연구
본 ‘유압식 마그네틱 클램프’의 핵심 구성품에 해당되는 영구자석 구매시 재료비 측면을 감안하면서 자기적 성질을 고려하여 개별 소재의 유형, 물성, 용도, 가격 등에 대해 사전에 신중한 검토를 할 필요성이 있었다.
향후, 국내 50여개의 블록 제작업체에서 본 개발품을 도입할 경우 제품의 생산 공정을 감안하여 생산성 향상을 가져오며, 작업환경 개선에도 기여할 것으로 예상된다. 본 ‘유압식 마그네틱 클램프 이송장치’는 마그네트 설비를 사용하는 업체의 안정성에 크게 기여하면서 국내 중소조선소 블록업체에서 곡면철재를 이송하는 크레인으로 다양하게 사용될 전망이다.
(4) 본 시제품의 경우 Sr계 페라이트 영구자석과 연계하여 8개의 유압실린더가 밸런싱을 유지하면서 압축 및 인장과정을 동시에 수행하였으며, 선박제조시 적용되는 곡가공품을 안전하게 이송하기 위한 장치로서 적합한 것으로 판정되었으며, 향후 관련 분야에 다양하게 적용 가능할 것으로 사료되었다.
Schaffer, J.P., Saxena, A., Antolovich, S.D., Sanders, T.H., Warner, S.B., 1995. The Science and Design of Engineering Materials. Richard D. Irwin, Inc.
Smith, W.F., 1990. Princiles of Materials Science and Engineering. Mcgraw-Hill.
Strnat, K.J., 2008. Rare-earth magnets in present production and development. Journal of Magnetism and Magnetic Material, 7(1), 351-360.
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