[논문]굴삭기 작업장치의 설계 하중을 고려한 강도 개선에 대한 연구

남광식; 최진규; 최호민; 김재기; 염상훈; 이석순

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.1.122

굴삭기 작업장치의 설계 하중을 고려한 강도 개선에 대한 연구
Study on the Improvement of Strength of Excavator Attachments Considering the Field Environment 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.1, 2016년, pp.122 - 128

남광식 (경상대학교 기계공학과) , 최진규 (경상대학교 기계공학과) , 최호민 (경상대학교 기계공학과) , 김재기 (경상대학교 기계공학과) , 염상훈 , 이석순 (경상대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to develop improved strength of an arm and a boom on over-load environment, which causes damage in the initial design statement. To develop improved strength of an excavator front group, we calculated load conditions using the MATLAB program, and using these conditions, we performed a structural analysis of an excavator front group for the maximum digging force condition. Finally we performed a topology optimization to reduce weights of an arm and a boom, and we re-modeled an arm and a boom based on the topology design results and re-performed the structural analysis. The strength of the re-design is higher than the initial design but its weight is almost the same as the initial design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 1톤 굴삭기 작업장치의 설계 하중을 고려한 강도 개선에 대한 연구를 목표로 하였다.

대상 데이터

굴삭기의 작업장치는 여러 종류의 작업을 다양한 자세로 수행할 수 있도록 붐, 암 그리고 버켓이 서로 핀 조인트로 연결된 구조로 되어 있다. 따라서 실제 작업장치의 각 조인트에 작용하는 하중의 크기와 방향이 다양하게 나타나 설계하중을 특정하는 것은 쉽지 않다.

데이터처리

설계 하중 계산은 기구학을 이용하여 MATLAB으로 작업장치의 성능을 파악하였다. 그리고 CATIA V5 R19를 이용하여 작업부를 모델링 하였고 ABAQUS 6.13을 이용하여 구조해석 및 최적설계를 진행하였다^[6~8].

이론/모형

3과 같은 프로세스에 따라 진행하였다. 설계 하중 계산은 기구학을 이용하여 MATLAB으로 작업장치의 성능을 파악하였다. 그리고 CATIA V5 R19를 이용하여 작업부를 모델링 하였고 ABAQUS 6.

성능/효과

1. 암과 붐의 상·하부 플레이트에 응력이 집중되어 기존 플레이트 두께 4.5mm 보다 최대 9mm및최소 6mm로 두께를 증가시켜 강도 개선을하여야 한다.
2. 해석 모델의 암과 붐의 중량은 각각 19kg 및 32.4kg으로 위상 최적화를 적용하여 10%~30%경량화를 보였지만 강도 측면에서는 기존보다20~40MPa 응력이 더 발생하였다.
3. 기존 설계에 위상 최적화를 적용하여 경량화를한 만큼 상 하부 플레이트 두께를 최대·9mm및최소 6mm로 설정하여 Fig. 15와 같이 30~70MPa 강도 개선을 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴삭기에 구조적인 결함이 빈번히 발생하는 이유는 무엇인가	따라서실제 작업장치의 각 조인트에 작용하는 하중의 크기와 방향이 다양하게 나타나 설계하중을 특정하는 것은 쉽지 않다. 그리고 작업 능률을 높이기 위해 무리한 작업을 수행하며 이로 인하여 굴삭기 작업장치 및 부품에는 설계하중보다 과도한 하중이 작용하게 되어 구조적인 결함이 빈번히 발생하고 있는 실정이다. 하지만 메이저 건설 기계회사의 굴삭기 무상 서비스 기간이 운용 시간에 한정적이고 굴삭기는 고가로 인해 새 제품을 구입하지 않고 중고로 많이 구입한다.
	굴삭기의 붐, 암, 버켓이 서로 핀 조인트로 연결된 구조인 이유는 무엇인가	굴삭기의 작업장치는 여러 종류의 작업을 다양한 자세로수행할수있도록붐, 암 그리고버켓이서로 핀 조인트로 연결된 구조로 되어 있다. 따라서실제 작업장치의 각 조인트에 작용하는 하중의 크기와 방향이 다양하게 나타나 설계하중을 특정하는 것은 쉽지 않다.
	굴삭기를 중고로 구입할 경우 어떠한 문제가 있는가	하지만 메이저 건설 기계회사의 굴삭기 무상 서비스 기간이 운용 시간에 한정적이고 굴삭기는 고가로 인해 새 제품을 구입하지 않고 중고로 많이 구입한다. 중고로 구입할 경우 부품 교체및 수리 비용을 부담해야 하는데 Fig. 1과 같이 붐과 암이 찢어질 경우 전문가의 용접이 필요로 하고 Fig. 2와 같이 작업부에 비틀림으로 인해 링크와 실린더 그리고 핀에 교체 비용이 발생한다. 이러한파손을 막기 위해서 굴삭기를 작동하기 전에 안전점검은 필수이고 설계하중보다 과도한 하중에 견딜수 있도록 붐과 암에 강도 개선 방향으로 설계를 진행할 필요가 있다고 생각한다 정준모 외.

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