[논문]스프링 조작기의 성능 개선을 위한 코일스프링의 최적 설계

이대우; 손정현; 유완석

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.3.275

스프링 조작기의 성능 개선을 위한 코일스프링의 최적 설계
Optimum Design of a Coil Spring for Improving the Performance of a Spring -Operated Mechanism 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.3, 2016년, pp.275 - 280

이대우 (부경대학교 기계설계공학과) , 손정현 (부경대학교 기계설계공학과) , 유완석 (부산대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 코일스프링의 동적 거동 분석을 위해 스프링 릴리즈 시험기를 설계하고 시험을 실시하였다. 시뮬레이션을 위해 집중 매개변수 스프링모델을 개발하였다. 실험계획법을 이용하여 코일스프링의 설계변수들을 최적화하였다. 2수준의 요인배치법을 사용하여 설계변수들의 민감도와 교호작용을 분석하였다. 민감도와 교호작용 분석결과를 통해 설계변수의 수준을 재배열하였다. 혼합수준 요인배치법을 이용하여 설계변수를 최적화 하였다. 최적설계 결과에 따르면, 스프링 조작기의 성능이 2.90 % 개선되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a release test bed is designed to evaluate the dynamic behaviors of a coil spring. From the release tests, the dynamic behaviors of a coil spring are analyzed. A lumped parameter spring model was established for numerical simulation of a spring. The design variables of a coil spring are optimized by using the design of experiments approach. Two-level factorial designs are used for the design optimization, and the primary effects of the design variables are analyzed. Based on the results of the interaction analysis and design sensitivity analysis, the level of the design variables is rearranged. Finally, the mixed-level factorial design is used for the optimum design process. According to the optimum design of the opening spring, the dynamic performance of the spring-operated mechanism increases by 2.90.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 스프링의 모델을 구성하고 시험과의 비교를 통해 검증하였다. 또한, 스프링의 동적 특성에 영향을 미치는 인자를 선정하고, 실험 계획법 기반의 최적 설계를 통해 고압회로차단기용 코일스프링의 최적 설계를 하고자 한다.
또한, 자유장(Lf)이 초기 압축량에 영향을 미치므로 추가적으로 설계변수로 고려하고자 한다. Table 1에 선정된 설계변수를 나타내었다.
식 (7)에 스프링 최적 설계의 목적함수와 제약조건을 나타내었다. 목적함수는 스프링의 방출속도를 최대화 하는 것이다. 제약조건으로는 최대 전단응력이 허용 전단응력 이하여야 한다는 조건, 유효위치에너지가 기존품의 ±3% 이내여야 한다는 조건 그리고 최대 압축시 스프링의 하중이 120% 이하여야 한다는 조건이 있다.
본 연구에서는 스프링조작기 내에서 스프링이 방출되는 동작을 재현하기 위해 스프링 릴리즈 시험기를 제작하였다. Fig.
본 연구에서는 스프링조작기의 성능을 최대화하는 코일스프링 설계변수의 최적조합을 찾기 위해 집중 매개변수 스프링모델을 이용한 스프링의 동역학 해석과 실험계획법을 이용하여 설계변수의 최적 조합을 도출하는 최적설계 프로세스를 제안하였다.
스프링조작기를 가지는 회로차단기에서는 스프링의 방출속도가 차단속도에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 실험계획법 기반의 최적 설계를 통해 스프링의 설계변수들의 최적조합을 찾고자 한다. 식 (7)에 스프링 최적 설계의 목적함수와 제약조건을 나타내었다.

제안 방법

먼저, 집중 매개변수 스프링모델을 개발하고 시험결과와의 비교를 통해 검증하였다. 2 수준의 요인 배치법을 이용하여 설계변수의 민감도와 교호작용을 분석하였다. 민감도와 교호작용 분석결과를 통해 설계변수의 수준을 재배열하고 혼합수준 요인 배치법을 이용하여 설계변수의 최적조합을 도출하였다.
은 가스회로차단기의 성능평가를 위해 코일스프링의 질량효과를 분석하였다. 결과에 따르면, 질량효과를 포함한 두 가지 스프링모델(절점좌표 모델, 집중 매개변수 모델)을 실험과의 비교를 통해 검증하고, 질량효과가 포함되지 않은 선형 스프링모델과의 운동에너지 비교를 통해 스프링의 질량효과를 추정하였다.
01초 이후에는 차이가 다소 나는데, 이것은 스프링 모델이 집중매개변수 모델로 되어 있어서 유한요소 모델과 차이가 나며, 구조댐핑(structure damping)의 영향도 있기 때문으로 사료된다. 다만, 스프링 조작기에서는 충돌 전까지의 운동이 매우 중요하므로 본 연구에서는 계산시간을 고려하여 집중매개 변수 모델로 시뮬레이션 하였다.
먼저, 집중 매개변수 스프링모델을 개발하고 시험결과와의 비교를 통해 검증하였다. 2 수준의 요인 배치법을 이용하여 설계변수의 민감도와 교호작용을 분석하였다.
2 수준의 요인 배치법을 이용하여 설계변수의 민감도와 교호작용을 분석하였다. 민감도와 교호작용 분석결과를 통해 설계변수의 수준을 재배열하고 혼합수준 요인 배치법을 이용하여 설계변수의 최적조합을 도출하였다. 모든 제약조건을 만족하면서 스프링의 방출속도를 2.
본 연구에서는 2수준의 요인배치법(factorial design)을 이용하여 설계변수의 민감도와 교호작용을 분석하였다. Fig.
일반적으로, 링크와 스프링 등이 결합된 기계장치가 빠른 속도로 움직일 때는 고속카메라(high-speed camera)를 이용하여 동적거동을 분석한다. 본 연구에서는 고속카메라를 이용하여 1000fps로 스프링의 방출 동작을 촬영하였다. Fig.
본 연구에서는 스프링의 모델을 구성하고 시험과의 비교를 통해 검증하였다. 또한, 스프링의 동적 특성에 영향을 미치는 인자를 선정하고, 실험 계획법 기반의 최적 설계를 통해 고압회로차단기용 코일스프링의 최적 설계를 하고자 한다.
앞서 수행한 2수준의 완전 요인 배치법을 이용한 민감도와 교호작용 분석결과를 바탕으로 설계변수의 수준을 재배열하여 Table 2에 나타내었다. 혼합수준 요인 배치법(mixed level factorial design)을 이용해 설계변수의 모든 조합에 대한 제약조건 만족여부를 검사하고, 만족하는 설계변수 조합에 대해 동역학해석을 수행하였다.

대상 데이터

2에 본 연구에서 사용된 집중 매개변수 스프링모델을 나타내었다. 모델은 11개의 집중질량과 10개의 등가강성으로 구성되었고, 전체 질량은 실제스프링과 같다. 각각의 스프링강성은 식 (1)과 (2)에 의해 결정되고, 각 질량은 식 (3)과 (4)에 의해 결정된다.

이론/모형

스프링은 경계조건의 변화와 대변형에 의해 비선형적 특성을 나타낸다. 이러한 스프링의 특성을 자세히 분석하기 위해 유한요소 법이 적용되었다.

성능/효과

결과에 따르면, 코일의 유효직경이 줄어들면서 강성이 증가하고, 스프링의 질량이 감소하였다.
민감도와 교호작용 분석결과를 통해 설계변수의 수준을 재배열하고 혼합수준 요인 배치법을 이용하여 설계변수의 최적조합을 도출하였다. 모든 제약조건을 만족하면서 스프링의 방출속도를 2.9% 개선하였고, 질량을 2.96kg 감소시켰다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력계통에 이상이 있을 시에 사고전류를 그대로 흐르게 하면 어떠한 사고로 이어지는가	즉, 회로에 전류가 흐르고 있는 상태에서 그 회로를 개폐한다든지 차단기 부하 측에서 단락사고 및 지락사고가 발생했을 때 신속히 회로를 차단할 수 있는 능력을 가진 설비이다. 전력계통에 이상이 있을 시에 사고전류를 그대로 흐르게 하면, 전류의 허용치를 훨씬 초과하기 때문에 전로에 존재하는 변압기 권선, 차단기 등이 타거나 녹고, 파열되는 사고로 이어지므로 차단기의 중요성은 높다고 할 수 있다.
	스프링 타입의 조작기가 사용된 회로 차단기에서 스프링의 동특성을 분석하고 최적화하는 것이 중요한 이유는 무엇인가	회로차단기는 스프링의 힘을 구동동력으로 하는 스프링 타입의 조작기가 주로 이용되는데 이것은 구조가 간단하면서 매우 짧은 시간에 큰 부하를 가진 종동절을 높은 가속도로 움직이게 할 수 있기 때문이다. 스프링조작기를 가지는 회로차단기에서는 스프링의 동적성능이 차단기의 차단성능을 좌우하므로 스프링의 동특성을 분석하고 최적화하는 것이 매우 중요하다.
	회로차단기는 무엇인가	회로차단기는 전력의 송신, 수신, 전환과 정지등을 계획적으로 행하는 이외에도 만일 전력계통에 고장이 발생했을 때에는 신속하게 자동 차단하는 매우 중요한 장치이다. 즉, 회로에 전류가 흐르고 있는 상태에서 그 회로를 개폐한다든지 차단기 부하 측에서 단락사고 및 지락사고가 발생했을 때 신속히 회로를 차단할 수 있는 능력을 가진 설비이다. 전력계통에 이상이 있을 시에 사고전류를 그대로 흐르게 하면, 전류의 허용치를 훨씬 초과하기 때문에 전로에 존재하는 변압기 권선, 차단기 등이 타거나 녹고, 파열되는 사고로 이어지므로 차단기의 중요성은 높다고 할 수 있다.

참고문헌 (8)

Paranjpe, R. S., 1990, "Dynamic Analysis of a Valve Spring with a Coulomb-friction Damper," ASME J. Mechanical Design, 115, pp. 412-422.
Sakai, H. and Kosaki, H., 1976, "Analysis of Valve Motion in Overhear Valve Linkage-roles of Valve Spring Surge in Valve Motion," J. Faculty Eng. Uni. Tokyo (B) XXXIII(4), pp. 441-446.
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원문보기 상세보기
Sohn, J. H., Lee, S. K., Kim, S. O. and Yoo, W. S., 2008, "Comparison of Spring Models for Dynamic Analysis of a High Voltage Circuit Breaker with a Spring Operating Mechanism," Mechanics Based Design of Structures and Machines: An International Journal, 36:2, pp. 107-128.

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상세보기
Eriksson, L., Johansson, E., Kettaneh-Wold, N., Wikstrom, C. and Wold, S., 2008, Design of Experiments: Principles and Applications. 3rd ed., Umetrics Academy.
Box, G. E. P., Hunter, W. G. and Hunter, J. S., 1978, Statistics for Experimenters. John Wiley & Sons: New York.
Lundstedt, T., Seifert, E., Abramo, L., Thelin, B., Nystrom, A., Pettersen, J. and Bergman, R., 1998, Experimental design and optimization, Chemom. Intell. Lab. Syst., Vol. 42, No. 1-2, pp. 3-40.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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