[논문]저속 WIM 시스템용 과적검지 패드 개발에 관한 연구

이춘만; 최영호; 김은중

doi:10.7736/kspe.2017.34.3.179

저속 WIM 시스템용 과적검지 패드 개발에 관한 연구
A Study on the Development of Overload Detecting Pad for Low Speed WIM System 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.3, 2017년, pp.179 - 184

이춘만 (창원대학교 기계공학부) , 최영호 (창원대학교 기계공학부) , 김은중 (창원대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, traffic accidents and damage on the highway have increased because of overloaded vehicles. The existing overload-detecting system has a low accuracy rate. An overload-detecting system using a weigh-in-motion (WIM) system has been developed to solve this problem. The WIM system can be used to detect overloaded vehicles by measuring the weight of the vehicles. The WIM system is divided into high-speed and low-speed types. The inaccuracy rate in the low-speed WIM system results mainly from the low response rate of the sensor when the velocity is moving at more than 20 km/h. In this study, a low-speed overload-detecting pad with a hydraulic structure using a WIM system was developed to make the system more accurate. The structural and formal analysis was carried out by using a finite element method (FEM) in order to analyze the structural stability and the extrusion velocity of the system. In addition, a static load test was performed to confirm the linearity and accuracy of the pad.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 WIM 센서를 이용한 과적검지 패드의 구조 안정성을 검증하기 위하여 구조 해석을 수행하였으며, 균일한 속도로 브릿지(Bridge)를 압출하기 위한 금형을 제작하기 위해 성형 해석을 수행하였다. 또한 정적 하중 시험을 통해 정적 하중 오차 5% 이내의 검증된 과적검지 패드를 개발하고자 한다.
본 연구에서는 WIM 센서를 이용한 과적검지 패드의 구조 안정성 검증과 압출금형 제작을 위해 구조해석 및 성형해석을 수행하였다. 또한 제작된 과적검지패드의 신뢰성을 확보하기 위해 정적 하중 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 WIM 센서를 이용한 과적검지 패드의 구조 안정성을 검증하기 위하여 구조 해석을 수행하였으며, 균일한 속도로 브릿지(Bridge)를 압출하기 위한 금형을 제작하기 위해 성형 해석을 수행하였다. 또한 정적 하중 시험을 통해 정적 하중 오차 5% 이내의 검증된 과적검지 패드를 개발하고자 한다.

가설 설정

해석을 위한 각각의 경계 조건으로, 구속조건은 하판의 바닥면으로 설정하였다. 하중조건은 폭 0.65 m의 화물차량 바퀴가 과적검지 패드의 상면에 하중을 가하고 있다는 조건으로 가정하여 Fig. 3과 같이 16.5 ton (= 161,700 N)의 하중을 상판의 중앙에 적용하였다.

제안 방법

1차 해석결과에서 나타난 문제점을 해결하기 위해 Fig. 8과 같이 다이랜드(Die Land)의 길이를 조절하였다. 비교적 압출속도가 느린 외측에서의 다이랜드 길이를 5 mm로 수정하고, 중심부 방향으로 다이랜드 길이를 점진적으로 증가시켜 최대 10 mm로 수정 하였다.
2장에서 수행한 성형해석 결과를 바탕으로 압출금형을 Fig. 10과 같이 제작하였으며, 구조해석 결과를 바탕으로 과적검지 패드 시제품 제작을 수행하였다. 각 부품들의 소재는 해석과 동일하게 SUS3034, Al6063 소재를 사용하였으며, 제작된 과적검지 패드는 Fig.
시제품을 제작한 후, 신뢰성 검증을 위한 시제품 특성 평가를 진행하였다. 동일한 양을 동일조건하에서 동일방법으로 측정할 때, 측정값들이 서로 얼마나 일치하는지를 판단하기 위한 정적 하중 오차(Static Load Error)에 관한 시험평가를 진행하였다.
본 연구에서는 WIM 센서를 이용한 과적검지 패드의 구조 안정성 검증과 압출금형 제작을 위해 구조해석 및 성형해석을 수행하였다. 또한 제작된 과적검지패드의 신뢰성을 확보하기 위해 정적 하중 시험을 수행하였다.
12는 과적검지 패드의 정적 하중 오차를 측정하기 위한 정적 하중 시험 장비(Static Load Testing Machine)이다. 본 시험의 방법으로는 정적 하중 시험장비에 과적검지 패드를 유압 잭(Hydraulic Jack)을 이용하여 고정하였다. 정확한 하중을 입력시키기 위하여 과적검지 패드의 하단에 이동식 축중기(Portable Wheel Load Scale)를 설치하였다.
유압 잭을 이용하여 1 - 9 ton의 하중을 과적검지 패드에 가하였을 때, 발생한 전압을 오실로스코프 (Oscilloscope)와 멀티미터(Multimeter)를 이용하여 측정하였다. 본시험은 동일조건하에서 동일방법으로 10회 반복 측정하였다.
8과 같이 다이랜드(Die Land)의 길이를 조절하였다. 비교적 압출속도가 느린 외측에서의 다이랜드 길이를 5 mm로 수정하고, 중심부 방향으로 다이랜드 길이를 점진적으로 증가시켜 최대 10 mm로 수정 하였다.^17,18
시제품을 제작한 후, 신뢰성 검증을 위한 시제품 특성 평가를 진행하였다. 동일한 양을 동일조건하에서 동일방법으로 측정할 때, 측정값들이 서로 얼마나 일치하는지를 판단하기 위한 정적 하중 오차(Static Load Error)에 관한 시험평가를 진행하였다.
정확한 하중을 입력시키기 위하여 과적검지 패드의 하단에 이동식 축중기(Portable Wheel Load Scale)를 설치하였다. 유압 잭을 이용하여 1 - 9 ton의 하중을 과적검지 패드에 가하였을 때, 발생한 전압을 오실로스코프 (Oscilloscope)와 멀티미터(Multimeter)를 이용하여 측정하였다. 본시험은 동일조건하에서 동일방법으로 10회 반복 측정하였다.
본 시험의 방법으로는 정적 하중 시험장비에 과적검지 패드를 유압 잭(Hydraulic Jack)을 이용하여 고정하였다. 정확한 하중을 입력시키기 위하여 과적검지 패드의 하단에 이동식 축중기(Portable Wheel Load Scale)를 설치하였다. 유압 잭을 이용하여 1 - 9 ton의 하중을 과적검지 패드에 가하였을 때, 발생한 전압을 오실로스코프 (Oscilloscope)와 멀티미터(Multimeter)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

Al6063 소재인 과적검지 패드의 압출공정 성형해석을 위한 해석조건으로 소재와 금형의 초기 온도는 460ºC로 설정하였다.
10과 같이 제작하였으며, 구조해석 결과를 바탕으로 과적검지 패드 시제품 제작을 수행하였다. 각 부품들의 소재는 해석과 동일하게 SUS3034, Al6063 소재를 사용하였으며, 제작된 과적검지 패드는 Fig. 11에 나타내었다.
Al6063 소재인 과적검지 패드의 압출공정 성형해석을 위한 해석조건으로 소재와 금형의 초기 온도는 460ºC로 설정하였다. 금형의 소재는 SKD61이고, 펀치의 속도는 3 mm/s이다. 마찰상수(Fiction Factor)는 무윤활 열간 압출 시 일반적으로 적용되는 0.
2는 구조해석을 진행하기 위한 유한요소모델을 나타낸다. 본 해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 본 유한요소모델의 메쉬(Mesh)는 2,677,809개의 절점(Nodes)과 553,947개의 요소(Elements)가 17개의 층으로 이루어져 있다. Table 1은 상·하판의 소재인 SUS304와 브리지의 소재인 Al6063에 대한 물성치 값을 나타낸다.
상·하판은 SUS304 소재로 이루어져 있으며, 판의 두께는 각각 4 mm이다. 브리지는 Al6063 소재로 이루어져 있으며, 판의 두께는 21 mm이다. 브리지에 포함되어 있는 12개의 중공(Hole)에는 열매체유를 주입하기 위한 관이 삽입된다.
상·하판은 SUS304 소재로 이루어져 있으며, 판의 두께는 각각 4 mm이다.

이론/모형

6는 Al6063 소재인 과적검지 패드를 압출하기 위한 유한 요소모델을 나타낸다. 본 연구에서는 과적검지 패드의 압출공정 성형해석을 위하여 상용 해석 프로그램인 DEFORM을 이용하였다. 본 유한요소모델은 좌우 대칭인 형상이므로 대칭면(Symmetry Plane)을 설정하여 1/2의 형상만 나타내었고, 유한요소모델의 메쉬는 123,015 요소로 이루어져 있다.

성능/효과

(1) 구조해석을 수행한 결과, 과적검지 패드의 상·하판의 안전율은 20.8, 브리지의 안전율은 14.0으로 확인되어 하중으로부터 안전하다고 판단된다.
(2) 균일한 속도로 브리지를 압출하기 위한 방법으로 다이랜드의 길이를 조절하였으며, 성형해석을 수행한 결과, 소재가 균일하게 압출되는 것을 확인하였다.
(3) 과적검지 패드의 구조해석 및 압출공정 성형해석 결과를 바탕으로, 압출금형 제작을 완료하였고 SUS304 소재로 이루어진 상·하판과 Al6063 소재로 이루어진 브리지의 결합시켜 과적검지 패드 시제품 제작을 완료하였다.
(4) 과적검지 패드의 정적 하중 시험을 통하여 최대 정적 하중 오차는 3.32%로 확인되었고, 정확도 95% 이상의 측정 신뢰성을 확보하였다.
9(b)는 정면에서 바라보았을 때의 압출속도 분포를 나타내었다. 소재 압출부에서의 압출속도는 6 - 10 mm/s으로 발생 하였으며, 소재 중심부와 외측의 압출속도가 유사하여 균일한 압출이 이루지는 것을 확인하였다.
5(b)는 단면에서 발생하는 응력 분포를 나타내었다. 응력 분포는 하중이 가해지는 패드의 중심부에서 발생하였으며, 최대 응력 (Von-Mises Stress)은 브리지의 중공 상단 부분에서 10.33 MPa로 발생하는 것을 확인하였다. 이는 브리지의 돌기 부분에 하중이 집중적으로 가해져 발생한 것으로 판단된다.
최대 변위는 하중이 가해지는 패드의 중심부에서 발생하였으며, 특히 브리지가 지지하지 않고 있는 상판의 부분에서 2.42 µm로 발생하는 것을 확인하였다.
57%으로 발생하여 개발 목표인 7% 이내에 달성되었다. 최대 정적 하중 오차 값이 과적검지 패드의 개발 목표인 5% 이내로 달성되어, 과적검지 센서의 핵심 요소인 하중 측정에 있어 95% 이상의 측정 신뢰성을 확보할 수 있다고 판단된다.

후속연구

본 연구의 결과는 고속 WIM 시스템용 과적검지 패드 개발의 기초 데이터로 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WIM시스템을 사용하는 이유는 무엇인가?	전세계적으로 과적차량의 단속을 위해 Weigh-in-Motion (WIM) 시스템을 사용하고 있다. 국내의 경우, 주요 간선도로 및 교량에 서는 과적검문소를 운영 중이다.
	과적검지 패드의 정확도 부재로 인해 발생하는 문제는 무엇인가?	국내의 경우, 주요 간선도로 및 교량에 서는 과적검문소를 운영 중이다. 과적검지 패드의 정확도 부재는 정부의 단속의지를 약화시키고, 교량이나 선박에 이차적인 위험 요인이 될 뿐만 아니라 과적 차량의 사고 시 인명피해를 높인다. 현행 과적검문소의 축 하중 센서 정확도는 법적인 요건 10%를 충족하지 못하기 때문에 무인단속 시스템이 지연되고 있다.
	과적검지 패드의 구조는 무엇으로 구성되는가?	1은 과적검지 패드의 구조를 나타낸다. 과적검지 패드는 상판(Upper Pad) 및 하판(Lower Pad)과 브리지로 구성되어 있다. 상·하판은 SUS304 소재로 이루어져 있으며, 판의 두께는 각각 4 mm이다.

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