[논문]수평방향 하중이 트랙롤러의 특성에 미치는 영향

강보식; 이충성; 김용래

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.8.743

문제 정의

본 논문에서는 건설기계 차량의 실제 주행조건인 선회 구동시 받는 수평 및 수직하중조건을 분석하여 시험 및 해석조건을 정립하였으며, 수명 방향 인가하중에 따른 트랙롤러 특성해석과 수직 및 수평하중을 재현할 수 있는 시험 장비를 구성하여 하중 인가 방향에 따른 시험결과를 비교하였다. 본 연구결과는 트랙롤러의 성능 및 수명평가시 재현되고 있지 않는 하중 인가방향의 중요성과 트랙롤러 수명에 미칠 수 있는 영향을 고려하여 수평하중을 복합한 시험조건 정립의 필요성을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 건설기계 장비인 굴삭기에 장착된 트랙롤러의 실제 주행조건에서 가해지는 수평 방향으로의 인가 하중이 트랙롤러 수명에 미치는 영향과 원인을 해석 및 시험을 통하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
현재 트랙롤러 산업현장에서 적용하고 있는 수직하중에 의한 내구 및 성능시험은 롤러의 고장모드 유발 및 수명시험을 정확히 할 수 없으므로, 수평하중을 고려한 시험조건 정립이 필요함을 제시하고자 한다.

가설 설정

굴삭기가 우측으로 90° 선회하는 것을 가정하고, 각 트랙롤러에 인가되는 하중에 대하여 동역학 시뮬레이션을 수행한 결과 Fig. 6과 같은 결과가 도출되었다
4와 같이 굴삭기의 무한궤도 시스템 모델링은 실제 굴삭기 모델을 기반으로 구성하였다. 굴삭기의 주행 특성에 따라 트랙롤러에 작용하는 하중 조건을 구현하기 위하여, 무한궤도 시스템의 궤도 파트는 강체 조건으로 설정하였으며, 각 요소에 작용하는 궤도 힘은 일정하게 분포하는 것으로 가정하였다.^(5,6)
트랙롤러에 작용하는 수평 방향 하중 조건을 확인하기 위하여, 굴삭기의 동역학 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션 조건은 좌/우측 선회하는 것을 기준으로 이동 속도는 2.4 km/h, 최대 선회각도는 90° 로 가정하였다.

제안 방법

굴삭기 주행시 인가되는 하중방향에 따른 트랙롤러 내부 씰의 응력을 확인하기 위해, 롤러에 하중 인가방향 조건에 따라 시뮬레이션 하였으며, 이때 하중에 따른 오링 및 플로팅 씰 등 각부에 대한 분포된 응력을 확인하였다. 트랙롤러의 하중조건은 Table 6과 같이 정립하였다.
굴삭기의 주행 상태에 따라 트랙롤러에 작용하는 하중 조건을 도출하기 위하여, 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 굴삭기 모델링은 3D 전문 모델링 프로그램인 Solidworks를 사용하였고, 동역학 시뮬레이션은 Recurdyn 프로그램을 활용하였다.
따라서, 트랙롤러 시뮬레이션 및 시험간 인가되는 수평 하중의 조건은 150kg 및 300kg, 450kg, 900kg으로 결정하였다.
산출된 결과를 확인한 결과 1번 트랙롤러를 제외한 2~5번 트랙롤러에 적용되는 수평하중은 198~300 kg의 하중 분포를 나타내고 있으며, 이에 대해 트랙롤러 시험에 적용될 수평하중에 대하여 150 kg, 300 kg을 선정하였다. 또한, 전체적인 경향성 확인을 위하여 450 kg을 추가적으로 선정하였으며, 최고 수평 하중인 1,082 kg의 하중에 대해서는 시험 장치의 사양을 고려하여 900 kg을 인가하는 것으로 하였다.
또한, 주행 노면 조건은 기존 논문⁽⁷⁾에 나타나 있는 일반 평지 조건이 아닌, 실제 굴삭기의 작업환경을 고려하여, Table 2와 같이 Heavy clay를 적용하였다.⁽⁸⁾
본 논문에서는 건설기계 차량의 실제 주행조건인 선회 구동시 받는 수평 및 수직하중조건을 분석하여 시험 및 해석조건을 정립하였으며, 수명 방향 인가하중에 따른 트랙롤러 특성해석과 수직 및 수평하중을 재현할 수 있는 시험 장비를 구성하여 하중 인가 방향에 따른 시험결과를 비교하였다. 본 연구결과는 트랙롤러의 성능 및 수명평가시 재현되고 있지 않는 하중 인가방향의 중요성과 트랙롤러 수명에 미칠 수 있는 영향을 고려하여 수평하중을 복합한 시험조건 정립의 필요성을 제시하고자 한다.
시험 장비는 크게 트랙롤러에 수직방향으로 하중을 가하는 기구부(vertical load device)와 수평방향으로의 인가하중을 가변시킬 수 있는 기구부(horizontal load device), 구동속도를 가변시킬 수 있는 기구부로 구성하였다. 하중 및 속도 가변에 의한 트랙롤러 특성 변동요인인 온도 및 압력을 측정할 수 있는 센서를 부착하여 롤러 내부의 윤활유 온도 및 압력을 확인할 수 있도록 하였다.
13에 나타내었다. 시험은 수평방향 하중을 인가하지 않은 상태에서 트랙롤러 정격하중인 1,300 kg을 기준으로 시험장비에서 가할 수 있는 최대하중인 2,200 kg까지 300 kg씩 증가시키면서 트랙롤러 내부의 윤활유 온도 변화를 측정하였다. 인가하중 1,300 kg과 1,600 kg까지는 50 ℃ 이내로 완만한 온도상승을 하고 있으나, 최대하중인 2,200 kg에서는 82 ℃까지 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다.
위의 모델링을 바탕으로 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며, 동역학 시뮬레이션에 적용된 굴삭기의 무게 중심 및 관성 모멘트는 앞선 3D 모델링 프로그램에서 측정된 결과를 적용하였다.
트랙롤러 시뮬레이션 하중조건은 앞서 결정된 150kg 및 300kg, 450kg, 900kg의 수평 하중을 트랙롤러에 인가한 상태에서 수직으로 트랙롤러의 정격 하중인 1,300kg을 인가하는 것으로 하였다.
트랙롤러에 수평하중을 인가할 경우, 트랙롤러 내부구조 및 주행상태에 의하여 플로팅 씰부에 수평 및 수직방향 변위가 복합적으로 나타나게 되며, 이의 영향을 확인하기 위하여 각 하중에 따른 시뮬레이션을 수행하였다.
시험 장비는 크게 트랙롤러에 수직방향으로 하중을 가하는 기구부(vertical load device)와 수평방향으로의 인가하중을 가변시킬 수 있는 기구부(horizontal load device), 구동속도를 가변시킬 수 있는 기구부로 구성하였다. 하중 및 속도 가변에 의한 트랙롤러 특성 변동요인인 온도 및 압력을 측정할 수 있는 센서를 부착하여 롤러 내부의 윤활유 온도 및 압력을 확인할 수 있도록 하였다.
하중 방향에 따른 씰부의 접촉 변형을 확인하기 위하여 수직하중과 수평하중에 대한 변형 해석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 하중 방향에 따른 내부 씰 변화를 확인하기 위하여 수직하중과 수평하중을 가한 결과, 수직하중을 받고 있는 씰부는 한쪽 부분의 O-ring에 응력 집중이 일어나고 있으나 O-ring과 Seal-ring과 접촉하고 있는 2개의 O-ring이 일정한 간격을 유지하고 부분적인 접촉을 하고 있는 반면, 수평하중을 받는 씰부는 2개의 O-ring 모든 면이 Seal-ring가 접촉되어 트랙롤러 주행시 마찰증가에 의한 온도 상승과 이로 인한 씰 열화와 누유, 파손이 일어 날 수 있음을 확인할 수 있다.

대상 데이터

산출된 결과를 확인한 결과 1번 트랙롤러를 제외한 2~5번 트랙롤러에 적용되는 수평하중은 198~300 kg의 하중 분포를 나타내고 있으며, 이에 대해 트랙롤러 시험에 적용될 수평하중에 대하여 150 kg, 300 kg을 선정하였다. 또한, 전체적인 경향성 확인을 위하여 450 kg을 추가적으로 선정하였으며, 최고 수평 하중인 1,082 kg의 하중에 대해서는 시험 장치의 사양을 고려하여 900 kg을 인가하는 것으로 하였다.
8에 해석을 위한 유한요소 모델을 나타내었으며, 격자형상은 테트라로 구성하였다. 해석모델은 8,592,085개의 노드(nodes)와 5,544,560개의 요소수(elements)를 가진다.

데이터처리

시뮬레이션 결과 굴삭기가 우측으로 선회 구동시 굴삭기 좌측 무한궤도의 첫 번째 트랙롤러에 순간적으로 4,000kg 이상의 높은 하중이 순간적으로 발생함을 확인하였다. 하지만, 위의 결과는 순간적으로 발생되는 하중을 표현하고 있어, 트랙롤러에 지속적으로 적용되는 수평 하중으로 보기 어려우며, 이에 대해 평균 하중을 산출하였다. 이에 대한 결과는 아래 Table 3과 같다.

이론/모형

굴삭기의 주행 상태에 따라 트랙롤러에 작용하는 하중 조건을 도출하기 위하여, 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 굴삭기 모델링은 3D 전문 모델링 프로그램인 Solidworks를 사용하였고, 동역학 시뮬레이션은 Recurdyn 프로그램을 활용하였다.⁽⁴⁾

성능/효과

Fig. 15(a)는 수직하중에 의한 트랙롤러 내부 압력특성 측정결과로 2,200 kg의 수직하중을 가하였을 때 압력은 20 kPa로 필드에서 관리하고있는 내부압력 30 kPa 이내 기준을 만족하고 있음을 확인할 수 있으며, 수직방향 인가하중은 씰내부압력 상승으로 인한 씰 파손에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. Fig.
11에 나타내었다. 결과에서 알 수 있는 바와 같이 수직하중보다 수평방향의 하중이 인가되었을 때 온도상승이 높게 나타냄을 알 수 있다.
굴삭기가 90° 좌측으로 선회하는 조건을 가정하여, 시뮬레이션한 결과 우측 무한궤도 시스템의 첫 번째 트랙롤러에 일시적으로 5,000 kg 이상의 높은 수평 하중이 인가되는 것을 확인하였다.
Table 6에서 도출된 수평 하중 중 각 하중 방향으로 가해질 때, 씰 접촉부의 응력 해석 결과를 Table 7에 나타내었다. 동일하중을 가하였을 때 수직보다 수평방향으로 하중이 가하여졌을 때, 접촉부의 응력이 크게 작용하며 롤러의 씰메카니즘에 큰 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다.
선회 조건에 따라 트랙 롤러에 인가되는 수평 하중 분포를 비교한 결과, 굴삭기에 무한궤도 시스템이 좌우 대칭으로 구성되어 있어, 선회 주행 조건에 따라 수평 하중이 집중되는 위치만 바뀔 뿐, 인가되는 하중 차이가 크지 않음을 확인할 수 있다
14에 나타내었다. 수직하중은 1300 kg로 고정하고, 굴삭기 동역학 시뮬레이션 결과인 Table 5를 반영하여 트랙롤러에 150 kg 및 300 kg, 450 kg, 900 kg의 수평 하중을 인가하여 시험을 수행하였고, 시험 결과, 수평 하중이 없을 때의 윤활유 온도상승 42℃보다 수평하중 300 kg을 가하였을 때의 온도는 약 69℃로 상승한 후 안정화 되는 특성을 보이고 있으며, 수직하중만을 가하였을 때보다는 약 20 ℃ 이상 상승함을 알 수 있다.
수평 방향으로의 인가 하중을 900 kg 가하였을 때의 윤활유 온도상승을 시험한 결과 200 ℃ 이상으로 매우 크게 상승함을 확인할 수 있다. 이는 수평하중이 인가된 조건하에서 트랙롤러가 구동하게 되면 씰의 온도허용 범위인 130 ℃를 초과하여 사용되게 되며, 이로 인하여 씰의 열화 및 파손을 유발시켜 트랙롤러의 수명에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.
수평하중에 의한 트랙롤러 내 윤활유 온도상승을 변화를 시험한 결과, 수평하중이 없는 수직 하중조건에서의 윤활유 온도상승 42 ℃보다 굴삭기의 선회 주행 조건에 따라 수평방향으로 가해지는 하중을 가하였을 때의 온도 상승은 최대 200℃로 수직보다 수평하중이 인가될 때 씰 열화에 큰 영향을 미침을 확인하였다. 이는 수평하중이 인가된 조건하에서 트랙롤러가 구동하게 되면 씰의 온도허용 범위인 130 ℃를 초과하여 사용되게됨으로 씰의 열화 및 파손을 유발시켜 트랙롤러의 수명에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과 굴삭기가 우측으로 선회 구동시 굴삭기 좌측 무한궤도의 첫 번째 트랙롤러에 순간적으로 4,000kg 이상의 높은 하중이 순간적으로 발생함을 확인하였다. 하지만, 위의 결과는 순간적으로 발생되는 하중을 표현하고 있어, 트랙롤러에 지속적으로 적용되는 수평 하중으로 보기 어려우며, 이에 대해 평균 하중을 산출하였다.
시뮬레이션 결과, 트랙롤러 구동 특성상 씰링 메카니즘에 접촉응력이 집중되며, 이로 인하여 씰부에 열이 발생할 수 있음을 확인하였다. 실제 트랙롤러 구동 상에서 하중 인가방향에 따른 온도 상승 확인을 위해 열화상 카메라를 이용하여 수직하중 및 수평하중 인가시에 트랙롤러 씰링 메카니즘에 발생되는 온도 발생의 차이를 확인하였으며, 열화상 측정결과, 해석에서 추론된 플로팅 씰부의 접촉 마찰에 의한 온도 상승을 확인할 수 있었다.
시뮬레이션 결과, 트랙롤러 구동 특성상 씰링 메카니즘에 접촉응력이 집중되며, 이로 인하여 씰부에 열이 발생할 수 있음을 확인하였다. 실제 트랙롤러 구동 상에서 하중 인가방향에 따른 온도 상승 확인을 위해 열화상 카메라를 이용하여 수직하중 및 수평하중 인가시에 트랙롤러 씰링 메카니즘에 발생되는 온도 발생의 차이를 확인하였으며, 열화상 측정결과, 해석에서 추론된 플로팅 씰부의 접촉 마찰에 의한 온도 상승을 확인할 수 있었다.
시험은 수평방향 하중을 인가하지 않은 상태에서 트랙롤러 정격하중인 1,300 kg을 기준으로 시험장비에서 가할 수 있는 최대하중인 2,200 kg까지 300 kg씩 증가시키면서 트랙롤러 내부의 윤활유 온도 변화를 측정하였다. 인가하중 1,300 kg과 1,600 kg까지는 50 ℃ 이내로 완만한 온도상승을 하고 있으나, 최대하중인 2,200 kg에서는 82 ℃까지 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 트랙롤러에 사용되는 플로팅 씰의 허용 온도범위는 130 ℃로 수직하중에 의한 온도상승은 롤러내의 윤활유에 노출된 씰 열화 특성에 큰 영향을 미칠 수 없음을 확인할 수 있다.
트랙롤러 내부 압력특성 분석결과, 수직방향 최대 인가하중 2,200 kg을 가하였을 때의 압력은 20 kPa로 확인되었으며, 굴삭기 선회 주행시 트랙 롤러에 인가되는 수평 방향 하중 900 kg이 가해졌을 때의 트랙롤러 내부 압력 특성은 120 kPa이상으로 크게 상승함을 확인할 수 있다. 이는 필드에서 관리하고 있는 내부압력 30 kPa 이내 기준을 훨씬 초과하며, 수평방향 인가하중이 높은 상태에서 연속주행하면 트랙롤러 내부압력 상승으로 인한 씰 파손에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있다.
트랙롤러 윤활유의 누유방지를 위해 설치된씰 수명은 가해지는 하중의 크기보다 인가되는 방향에 영향을 받고, 수직방향 인가 하중에 의한 영향보다 수평 하중에 대한 영향이 더 큰 것으로 확인되었다.
트랙롤러의 발열은 응력이 집중되는 씰부에서 발생되며, 이러한 온도 상승은 트랙롤러 내부의 윤활유와 바디 전체로 전달되는 것으로 확인되었다.
10에 나타내었다. 하중 방향에 따른 내부 씰 변화를 확인하기 위하여 수직하중과 수평하중을 가한 결과, 수직하중을 받고 있는 씰부는 한쪽 부분의 O-ring에 응력 집중이 일어나고 있으나 O-ring과 Seal-ring과 접촉하고 있는 2개의 O-ring이 일정한 간격을 유지하고 부분적인 접촉을 하고 있는 반면, 수평하중을 받는 씰부는 2개의 O-ring 모든 면이 Seal-ring가 접촉되어 트랙롤러 주행시 마찰증가에 의한 온도 상승과 이로 인한 씰 열화와 누유, 파손이 일어 날 수 있음을 확인할 수 있다.
하중 방향에 따른 트랙롤러 플로팅 씰부의접촉 변형을 확인하기 위한 해석을 수행하였고, 하중을 받는 씰부는 2개의 O-ring 모든 면이 Seal-ring부와 접촉되어 트랙롤러 주행시 마찰증가에 의한 온도 상승과 이로 인한 씰 열화와 누유,파손을 일으킬 수 있음을 확인하였다.
인가하중 1,300 kg과 1,600 kg까지는 50 ℃ 이내로 완만한 온도상승을 하고 있으나, 최대하중인 2,200 kg에서는 82 ℃까지 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 트랙롤러에 사용되는 플로팅 씰의 허용 온도범위는 130 ℃로 수직하중에 의한 온도상승은 롤러내의 윤활유에 노출된 씰 열화 특성에 큰 영향을 미칠 수 없음을 확인할 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트랙롤러의 역할은 무엇인가?	트랙롤러는 건설중장비인 굴삭기, 불도저 등에 장착된 하부주행체중, 슈링크를 가이드 하는 전동 메카니즘을 구성하는 주요 부품으로 차량무게를 포함한 주행 장치에 가해지는 하중을 지지하는 역할을 수행한다. 트랙롤러는 건설기계의 작업환경 특성상 고르지 못한 노면의 굴곡과 슈링크와의 접촉 등으로 인하여 지속적인 충격을 받고 있으며, 건설기계의 하중이 가해진 상태에서 이러한 주행 반복충격은 트랙롤러 누유 및 파손 등의 고장을 유발하게 되고 건설 중장비의 주행과 수명에 영향을 미치게 된다.
	트랙롤러의 주행 반복충격은 무엇에 영향을 미치는가?	트랙롤러는 건설중장비인 굴삭기, 불도저 등에 장착된 하부주행체중, 슈링크를 가이드 하는 전동 메카니즘을 구성하는 주요 부품으로 차량무게를 포함한 주행 장치에 가해지는 하중을 지지하는 역할을 수행한다. 트랙롤러는 건설기계의 작업환경 특성상 고르지 못한 노면의 굴곡과 슈링크와의 접촉 등으로 인하여 지속적인 충격을 받고 있으며, 건설기계의 하중이 가해진 상태에서 이러한 주행 반복충격은 트랙롤러 누유 및 파손 등의 고장을 유발하게 되고 건설 중장비의 주행과 수명에 영향을 미치게 된다.
	트랙롤러에 가해지는 주행 반복충격의 문제점을 해결하기 위해 어떠한 노력이 진행되고 있는가?	이와 연관하여 각 제조사의 트랙롤러 개발에서는 피로설계와 형상개선, 고경도 및 내마모성 재료 적용, 가공방법 향상 등의 관점에서 트랙롤러 고장 및 수명을 개선하는 방향으로의 노력이 주로 진행되어 왔다. (1)

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