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문제 정의
- 본 연구에서는 고하중용 버킷 엘리베이터 체인의 안전성을 평가하고, 체인 핀에 고분자 재료를 삽입하여 경량화를 확인하고, 이에 따른 충격 감쇠효과에 대한 연구를 수행하였다
제안 방법
- 이를 감소 시키고자 경량화 설계한 핀 내부에 이종재료를 적용하여 충격 감쇠효과를 확인하였다. 기존 핀과 핀 내부직경을 25, 30, 34 mm로 제작을 하여 이종재료를 넣어서 충격에의한 감쇠를 실험 및 유한요소해석을 통해 확인하였다.
- 롤러체인에 최대하중 작용 시 부품 별 응력 분포를 확인하고, 해석 결과를 이용하여 경량화 설계를 하였다. 최대 하중(30.
- 본 연구에서는 버킷 엘리베이터 롤러체인 시스템의 롤러체인의 정적 구조해석 및 경량화 설계를 수행하여 핀에 대한 동 특성평가를 수행하였다. 버킷 엘리베이터 롤러체인 시스템의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- BE 시스템의 사양은 수직 높이 약 40 m로 피치 350 mm 롤러체인 268 링크로 구성되어 있으며, 체인 링크 4개 마다 버킷을 장착하여 화물을 운반하고 있는 시스템이다. 롤러체인 하나 무게는 약 47.
- 롤러체인 구성 부품의 소재는 SCM440과 SUS410으로 Table1에 기계적 물성을 나타내었다. 소재의 기계적 물성은 롤러체인에서 시험 편을 재취하여 인장시험을 통해 물성을 확보하였다.
- 2에 나타내었다. 본 연구에서는 석탄이나 이물질을 방지하기 위해 설계된 실시트, 오링 등을 제외하고, 350 mm 롤러체인을 대상으로 연구를 수행하였다.
- 롤러체인 구성 부품의 소재는 SCM440과 SUS410으로 Table1에 기계적 물성을 나타내었다. 소재의 기계적 물성은 롤러체인에서 시험 편을 재취하여 인장시험을 통해 물성을 확보하였다.
데이터처리
- 롤러체인의 경량화 설계는 정적 구조해석 결과를 이용하여 핀으로 수행하였다. 롤러체인 1링크의 무게는 47.
- 10과 같이 실험 장치를 구성하여 실험을 하였으며, 핀의 수직방향으로 고정시키고 충격 해머(ImpactHammer)로 충격력을 가진 하고, 가속도 센서를 이용하여 신호를 측정하였다. 충격 해머에 의한 가속도의 시간 이력 데이터를 이용하여 감쇠가 어떻게 일어나는지에 대해 평가하였으며, 유한요소해석은 동 특성 실험과 동일한 경계조건을 적용하여 과도 응답(Transient Response)해석을 수행하여 실험과 유한요소 해석 결과를 비교 분석하였다.
이론/모형
- 롤러체인의 모델링은 Solid Edge ST4를 이용하여 파트 별 생성 후 어셈블리 방식으로 모델링을 진행하였으며, 해석에는 대칭조건을 적용하여 1/2 모델을 이용하여 해석을 하였다.
성능/효과
- (1) 고하중용 버킷 엘리베이터 롤러체인 시스템 롤러체인에 대한 최대 하중을 적용하여 정적 구조해석을 결과 안전성을 확인하였으며 결과를 경량화 설계에 반영하였다.
- (2) 롤러체인 핀에 대한 경량화 설계에서 핀의 내부 직경이 커짐에 따라서 무게가 감소(18.1%)하고, 플레이트(3.4%), 핀(102.8%)에 응력은 증가하였다. 핀의 최적 설계 안은 DP3(34.
- (3) 롤러체인 핀의 동 특성 평가는 실험과 유한요소해석 결과에서 충격에 의한 감쇠 효과가 0.4초 이후에는 동일하게 감소하는 것을 볼 수 있으며, 초기 감소효과가 크게 나타나는 것은 34,40 mm에서 실험과 해석을 통해 확인하였다.
- 8과 9에 나타내었다. 기존 설계와 비교하였을 때, 최대 등가 응력은 플레이트는 3.4%, 핀은 102.8% 증가하는 것을 확인하였다. 핀의 최대 응력 발생은 기존에 비해 많이 증가하였으나, 항복 강도기준 대비 안전계수 4으로 안전함으로 경량화 설계의 DP3이 최적 설계 안으로 판단된다.
- 분석 결과 내부 핀의 소재 및 크기에 따라 진동 감쇠에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만, 핀 내부 크기의 변화가 크지 않아 해석에서는 큰 차이를 확인할 수 없으나, 실험 결과에서는 내부 핀의 두께의 변화에 따라 진동 특성을 개선 시킬 수 있으며, 이때 강도 부분도 함께 고려 되어야 한다.
- 8% 증가하는 것을 확인하였다. 핀의 최대 응력 발생은 기존에 비해 많이 증가하였으나, 항복 강도기준 대비 안전계수 4으로 안전함으로 경량화 설계의 DP3이 최적 설계 안으로 판단된다.
- 핀 내부 직경에 따른 해석 결과를 Table 3에 나타내었다. 해석결과 내부 직경이 커짐에 따라 무게 감소와 플레이트, 핀에 나타나는 응력 분포가 점점 커지는 것을 볼 수 있으며 핀의 응력이DP3 지점을 지나면서 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 롤러체인 핀의 내부를 고분자재료로 대체하여 제작하여 평가결과 경량화 및 감쇠효과를 보였으며, 소음과 진동저감 설계 및 롤러체인 경량화 설계가 가능할 것으로 사료된다.
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