[논문]형상 및 치수 변화에 따른 고속 회전 벨 컵의 진동 특성 해석

박정민; 최승복; 손정우

doi:10.5050/ksnve.2016.26.7.857

형상 및 치수 변화에 따른 고속 회전 벨 컵의 진동 특성 해석
Vibration Characteristics Analysis of High Speed Rotary Bell Cup with Different Shapes and Dimensions 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.26 no.7, 2016년, pp.857 - 864

박정민 (Department of Mechanical Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 최승복 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 손정우 (Department of Mechanical Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present work, vibration analysis of high speed rotary bell cup model for paint atomizer application is carried out through numerical simulation. At first, eight bell cup models, considering four different cup shapes and two different cup diameters, are proposed and corresponding dynamic characteristics are investigated. To evaluate the operating stability, critical speed analysis is conducted using Campbell diagram and separation margin between operating speed and critical speed is identified. Unbalance vibration responses are also studied according to operating speed and balancing quality grade of G. Finally, the stability and adequacy of the proposed bell cup models are discussed for field application.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구에서는 도장 로봇에 사용되는 고속 회전 벨 컵에 대하여 운전 속도에 대한 안정성과 불평형 진동 특성을 고찰하였다. 기존 연구에서 제안된 벨 컵 모델을 기본으로 3가지 수정된 형상을 갖는 벨 컵 모델들을 제안하고, 각 모델에 대하여 두 가지 크기의 지름을 고려하여 전체 8가지 모델에 대하여 진동 특성과 안정성의 변화를 비교하고 확인한다.

제안 방법

이 연구에서는 도장 로봇에 사용되는 고속 회전 벨 컵에 대하여 운전 속도에 대한 안정성과 불평형 진동 특성을 고찰하였다. 기존 연구에서 제안된 벨 컵 모델을 기본으로 3가지 수정된 형상을 갖는 벨 컵 모델들을 제안하고, 각 모델에 대하여 두 가지 크기의 지름을 고려하여 전체 8가지 모델에 대하여 진동 특성과 안정성의 변화를 비교하고 확인한다. 첫 번째 단계로 제안된 모델들의 고유 진동수와 모드 형상의 변화를 확인하였다.

대상 데이터

1(d)는 안쪽과 바깥쪽 모두 두께를 증가시킨 형태이다. 또한 이 연구에서는 각 모델에 대하여 가장 넓은 부분의 지름이 50 mm인 경우도 함께 고려하여 전체 8개의 모델에 대한 해석을 수행하고 결과를 비교하였다.

데이터처리

설계된 8개의 모델에 대하여 0 r/min에서 200 000 r/min까지의 회전 속도에 대하여 캠벨 선도를 작성 하여 위험 속도 해석을 수행하였다. API Standard 611에서는, 회전체의 운전 속도와 위험 속도와 사이에 20 % 이상의 분리 여유가 확보되어야 한다고 규정하고 있다⁽¹⁴⁾.

이론/모형

첫 번째 단계로 제안된 모델들의 고유 진동수와 모드 형상의 변화를 확인하였다. 두 번째 단계에서는 캠벨 선도를 이용하여 운전 속도에 대한 위험 속도를 분석하였다. 세 번째 단계에서는 불평형 진동 특성을 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 관찰하였다.

성능/효과

제안된 벨 컵 모델들에 대한 캠벨 선도를 통하여 위험 속도를 확인하였고, 목표 운전 속도와 위험 속도 사이의 분리 여유를 확인하여 목표 운전 속도에서 안정한 운전이 가능한 것을 확인하였다. 또한 불평형 질량에 의해 발생하는 불평형 진동의 크기를 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 확인하여, 요구 운전 속도에서 기준을 초과하는 진동은 발생하지 않는 것을 확인하였고, 불평형 진동이 발생하는 속도도 요구 운전 속도와 충분히 분리되어 있으므로, 제안된 벨 컵 모델들이 적용 가능한 것을 확인하였다. 따라서 실제 밸런싱 작업의 용이성을 확보하기 위하여 초기 모델의 형상을 변경한 세 모델 모두 실제 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.
이 연구에서는 두 개의 다른 지름과 서로 다른 네 가지 형상을 갖는 8개의 고속 회전 벨 컵 모델에 대하여 동적 특성과 위험 속도, 불평형 진동 해석을 수행하고, 특성의 변화를 고찰하였다. 제안된 벨 컵 모델들에 대한 캠벨 선도를 통하여 위험 속도를 확인하였고, 목표 운전 속도와 위험 속도 사이의 분리 여유를 확인하여 목표 운전 속도에서 안정한 운전이 가능한 것을 확인하였다. 또한 불평형 질량에 의해 발생하는 불평형 진동의 크기를 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 확인하여, 요구 운전 속도에서 기준을 초과하는 진동은 발생하지 않는 것을 확인하였고, 불평형 진동이 발생하는 속도도 요구 운전 속도와 충분히 분리되어 있으므로, 제안된 벨 컵 모델들이 적용 가능한 것을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과는 목표로 하는 고속의 운전 속도에서도 안정된 운전을 할 수 있는 벨 컵을 설계하는데 중요한 자료로 사용될 수 있으며, 설계의 기본 가이드라인으로 제시될 수 있을 것으로 판단된다. 다음 단계 연구에서는 실제 제작된 벨 컵을 이용하여 실험을 진행하고, 안정성을 확인할 계획이다.
따라서 실제 밸런싱 작업의 용이성을 확보하기 위하여 초기 모델의 형상을 변경한 세 모델 모두 실제 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다. 이러한 결과는 목표로 하는 고속의 운전 속도에서도 안정된 운전을 할 수 있는 벨 컵을 설계하는데 중요한 자료로 사용될 수 있으며, 설계의 기본 가이드라인으로 제시될 수 있을 것으로 판단된다. 다음 단계 연구에서는 실제 제작된 벨 컵을 이용하여 실험을 진행하고, 안정성을 확인할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도장 공정이란 무엇입니까?	도장 공정은 제품의 디자인적 특성을 향상시킬 수 있는 중요한 공정으로, 자동차, 전제 제품 등 다양한 산업 분야에서 적용되고 있다. 화학 도료가 많이 사용되는 공정의 특성으로 인해 사람에게 유해한 작업 환경이 형성될 수 있으며, 갑작스러운 폭발 등의 위험이 있어, 최근에는 로봇을 이용한 도장 시스템이 많이 활용되고 있다.
	최근 로봇을 이용한 도장 시스템이 많이 활용되는 이유는 무엇입니까?	도장 공정은 제품의 디자인적 특성을 향상시킬 수 있는 중요한 공정으로, 자동차, 전제 제품 등 다양한 산업 분야에서 적용되고 있다. 화학 도료가 많이 사용되는 공정의 특성으로 인해 사람에게 유해한 작업 환경이 형성될 수 있으며, 갑작스러운 폭발 등의 위험이 있어, 최근에는 로봇을 이용한 도장 시스템이 많이 활용되고 있다. 벨 컵은 회전 무화기의 기계 부품으로 터빈과 직접 연결되어 고속으로 회전하면서 도료를 미립화하여 분사시키게 된다.
	최근 하나의 벨 컵을 다양한 운전 속도에서 사용하고자 하는 연구가 진행되는 이유는 무엇입니까?	현장에서 사용되고 있는 도장 로봇에 적용되는 회전 속도는 30 000 r/min에서 50 000 r/min으로 알려져 있으며, 도장 시스템의 터빈과 벨 컵은 이러한 요구 운전 속도에서 안전하게 사용될 수 있도록 설계되어야 한다. 또한, 현재는 사용하는 도료나 광택제의 점도에 따라 운전 속도를 달리하게 되고, 그에 따라 형상 또는 크기가 다른 벨 컵을 교체하여 사용하여야 하므로, 불필요한 작업 시간의 증가가 발생하게 된다. 따라서, 최근에는 하나의 벨 컵을 30 000 r/min에서 80 000 r/min까지 다양한 운전 속도에서 사용하고자 하는 연구가 진행 되고 있다.

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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