[논문]소형 수문용 랙-피니언의 접촉 피로수명

권순만

doi:10.7735/ksmte.2017.26.3.299

소형 수문용 랙-피니언의 접촉 피로수명
Contact Fatigue Life of Rack-Pinion for Small-Sized Sluice Gate 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.26 no.3, 2017년, pp.299 - 305

권순만 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Gate-lifting devices in small- to mid-sized sluice gates mostly employ the mechanical roller rack pinion (RRP) system. This RRP system, which consists of a rack-bar and a pinion, transforms a rotation motion into a linear one. The rack-bar has a series of roller trains that mesh with the pinion. In this study, we adopt an exact involute-trochoid tooth profile of the pinion to obtain a higher contact fatigue strength using the profile modification coefficient. Further, we determine the contact forces and investigate Hertz contact stresses to predict the pitting life of the pinion according to varying the shape design parameters. The results indicate that the design fatigue life of an RRP system for sluice gate can be achieved only when the design value of the profile modification coefficient reaches or exceeds a certain level.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 랙 치형을 롤러 또는 핀으로 대체한 RRP 시스템 기반 수문개폐용 랙-피니언의 내구수명을 평가하고자 하였고, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이에 본 논문에서는 RRP 시스템 기반 랙-피니언의 엄밀(exact) 치형 설계 및 접촉 피로수명 평가를 통하여 소형 수문의 내구성 향상 설계에 일조하고자 한다.
이에 본 연구에서는 롤러 기어 메커니즘 기반 랙-피니언 설계를 위해 개발된 “RnP V2”[5] 설계 프로그램을 이용하여 치형설계를 수행하였다.

가설 설정

이다. 본 논문에서는 Brinell 표면경도 H_B =425인 AISI 4340 관통경화강(Grade 2) 피니언을 고려하였으며, 치면피로강도(일방향 하중, 10⁷ 부하 횟수, 99% 신뢰도 가정)^[6]는다음 식으로 산정하였다.

제안 방법

설계 프로그램을 이용하여 치형설계를 수행하였다. 개발된 프로그램(Fig. 3 참조)은 입력부와 출력부가 한 화면에 구성되어 있으며 간단한 메뉴 선택과 버튼 조작으로 설계가 이루어지도록 하여 전문지식이 없는 초보자라도 설계가 가능하도록 하였다. 또 시뮬레이션 기능을 이용하여 설계되어진 랙-피니언의 운동을 확인할 수도 있다.
본 논문의 RRP 시스템은 강도설계에 대한 그 표준이 없기에 일반적인 기어 시스템에 널리 사용되는 다음의 응력-수명(σc-Np) 평가식[6,7,12]을 고려하여 표면 피로수명을 평가하였다.
소형 수문의 경우 보통 0.3 m/min (5 mm/sec)의 권양속도로 운전되므로 이를 수문 개폐속도로, 또 권양하중은 W=2.0 ton(19.62 kN)의 소형 수문을 본 논문에서는 고려하였다. 이 경우 개폐속도를 고려한 피니언 회전 각속도(ω)는 약 0.
이에 한 쌍의 치가 하중을 전담하는 구간을 줄이고자 치형수정계수를 0.2로 고정하고 물림률을 1.4, 1.5, 1.6으로 달리하면서 롤러2에 대한 접촉력의 변화를 Fig. 10에서 검토하였다. 물림률이 증가함에 따라 롤러 1이 이탈되는 시점이 연장되므로 두 쌍의 치가 하중을 분담하는 구간은 증가(Fig.

대상 데이터

RRP 시스템의 접촉응력 특성을 고찰하기 위해 선행 연구되었던 수문용 핀 랙 설계제원^[8-11]을 참고하여 Table 1과 같이 치형수정계수(x ) 변화에 따른 3가지 형상설계제원을 고려하였다. 그리고 유효 물림률( = 3-2/β , 1≤β<2) 1.

성능/효과

특히 이뿌리부 치형의 증대효과가 두드러져 굽힘강도 향상에 효과적임을 알 수 있었다. 또 접촉력의 경우, 치형수정계수 및 물림률 변화에 따른 그 변화는 거의 없었으나 물림률 증가 시 하중 전담구간은 감소되고 하중 분담구간이 증가됨을 확인할 수 있었다. 하지만 Hertz 접촉응력은 치형수정계수의 증가에 따라 큰 폭으로 감소하는 경향을 확인할 수 있었고, 이의 주된 요인은 등가곡률반경의 증가임을 알 수 있었다.
10에서 검토하였다. 물림률이 증가함에 따라 롤러 1이 이탈되는 시점이 연장되므로 두 쌍의 치가 하중을 분담하는 구간은 증가(Fig. 9 참조)되고 한 쌍의 치가 하중을 전담하는 구간이 감소됨을 확인할 수 있다. 그렇지만 근본적으로 최대 접촉력의 크기 변화는 미미하게 나타남을 알 수 있다.
또 시뮬레이션 기능을 이용하여 설계되어진 랙-피니언의 운동을 확인할 수도 있다. 이러한 반복 및 확인 작업을 통해 최종 설계된 피니언 치형은 lisp(list processing) 파일 형태로 저장하여 상용 CAD 프로그램에서 활용 가능도록 하였고, 이 후 CAM을 활용한 정확한 치 가공에도 응용될 수 있도록 하였다.
최종적으로 일정 값 이상의 치형수정계수 설계제원을 갖는 피니언 설계를 통해 소형 수문용 RRP 시스템의 내구수명을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
12는 치형수정계수 변화에 따른 Hertz 접촉응력(σ_c )들의 변화를 보여주고 있다. 치형수정계수가 증가함에 따라 Hertz 접촉 응력은 접촉력의 결과와는 달리 큰 폭으로 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 피니언 치형의 형상 변경에 따른 등가곡률반경의 변화가 그 원인이다.
치형수정계수가 증가함에 따라 α<90° 범위내의 유효 압력각도 증가함을 확인할 수 있다.
치형수정계수의 증가를 통해 디덴덤의 감소, 어덴덤의 증가와 더불어 전 높이에 걸쳐 이 폭이 증가한 피니언 치형을 얻을 수 있었다. 특히 이뿌리부 치형의 증대효과가 두드러져 굽힘강도 향상에 효과적임을 알 수 있었다.
치형수정계수의 증가에 따라 표면 피로수명도 증대되었으며, 치형수정계수가 x >0.2일 경우에만 10,000 사이클의 요구 내구수명을 충족시킬 수 있었다.
치형수정계수의 증가를 통해 디덴덤의 감소, 어덴덤의 증가와 더불어 전 높이에 걸쳐 이 폭이 증가한 피니언 치형을 얻을 수 있었다. 특히 이뿌리부 치형의 증대효과가 두드러져 굽힘강도 향상에 효과적임을 알 수 있었다. 또 접촉력의 경우, 치형수정계수 및 물림률 변화에 따른 그 변화는 거의 없었으나 물림률 증가 시 하중 전담구간은 감소되고 하중 분담구간이 증가됨을 확인할 수 있었다.
6은 치형수정계수(x ) 변화에 따른 피니언 형상들의 차이를 보여주고 있다. 피치원을 기준으로 치형수정계수가 증가함에 따라 디덴덤은 감소하고 어덴덤은 증가하였으며 전체 치에 걸쳐 이 폭이 증가하였다. 특히 이뿌리부의 증가 효과가 두드러져 치 굽힘강도 향상에 크게 기여할 수 있음을 알 수 있다.
또 접촉력의 경우, 치형수정계수 및 물림률 변화에 따른 그 변화는 거의 없었으나 물림률 증가 시 하중 전담구간은 감소되고 하중 분담구간이 증가됨을 확인할 수 있었다. 하지만 Hertz 접촉응력은 치형수정계수의 증가에 따라 큰 폭으로 감소하는 경향을 확인할 수 있었고, 이의 주된 요인은 등가곡률반경의 증가임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통상 하천의 지류에 설치되어 운용되는 소형 수문의 권양기는 랙-피니언을 이용한 어떤 jack type을 주로 사용하는가?	통상 하천의 지류에 설치되어 운용되는 소형 수문은 10톤 이하 의 인양력으로 구동되며 권양기는 랙-피니언을 이용한 핀잭 식(pin jack type) 또는 파워잭 식(power jack type)이 주로 사용되고 있 다. 이들 방식에 사용되는 기어 시스템은 랙 기어를 핀 또는 롤러로 대체한 Fig.
	RRP 시스템의 장점은?	이 RRP 시스템은 다접촉 특성으로 인해 백 래시가 거의 없어 소음과 진동 특성이 개선된 고정밀 제어장치에의 응용 및 원활한 구름 접촉으로 인해 마모에도 강하다는 특징을 갖 고 있다. 특히 치 사이 분진발생이 적어 실외의 가혹한 환경 하에서 유리한 직선이송 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다.
	RRP 시스템은 어떤 특징을 갖고 있는가?	1과 같은 “롤러 랙-피니언”(roller rack pinion, 이하 RRP) 시스템이다[2,3]. 이 RRP 시스템은 다접촉 특성으로 인해 백 래시가 거의 없어 소음과 진동 특성이 개선된 고정밀 제어장치에의 응용 및 원활한 구름 접촉으로 인해 마모에도 강하다는 특징을 갖 고 있다. 특히 치 사이 분진발생이 적어 실외의 가혹한 환경 하에서 유리한 직선이송 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (12)

Kook, J. H., Kim, K. S., 2011, The Development of Small Sluice Gate Systems without Upper Concrete Structure, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 12:11 4738-4744.

원문보기 상세보기
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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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