[논문]수직상승형 고소작업차의 개발을 위한 구조해석

이상식; 김준태; 박원엽

doi:10.17661/jkiiect.2017.10.3.225

수직상승형 고소작업차의 개발을 위한 구조해석
Structural analysis for the development of a vertically raise type aerial work machinery 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.10 no.3, 2017년, pp.225 - 231

이상식 (Division of Bio-medical engineering, Catholic Kwangdong University) , 김준태 (Division of Bio-medical engineering, Catholic Kwangdong University) , 박원엽 (Division of Mechanical Engineering, HanKyong National University)

초록
AI-Helper

본 연구는 과수원에서 높은 곳에서의 작업을 진행함에 있어 안정적인 고소작업 기계차의 제작을 위하여 진행하였다. 과수원의 경우 비포장도로 및 경사진 지면이 많아 고소작업 기계차가 과수원에서 작업함에 있어 전복이 되거나 안전성에 관하여 문제가 되고 있는 부분을 해결하기 위함이다. 보다 안정적인 작업을 위하여 Auto leveling system을 설계 하였고 구조해석을 하는 도중 우리가 원하는 기준에 부합하지 않아 수평센서를 추가적으로 설치하였다. INVENTOR를 바탕으로 3D 모델링을 통해 구조해석을 한 결과 작업자가 작업할 수 있는 최대 기울어짐 정도는 좌측 116.49Mpa, 우측 118.26Mpa로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out for the production of aerial work machinery in high place in the orchard. In the case of orchards, there are many unpaved roads and sloping grounds to solve the problem of overturning or safety problems when working in a orchard. For more stable operation, an automatic leveling system was designed. During the structural analysis, the horizontal sensor was installed in addition to the standard that we wanted. Based on the INVENTOR, the structural analysis through 3D modeling showed that the maximum tilt of the worker was 116.49Mpa on the left and 118.26Mpa on the right.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한편, 현재까지 출시된 고소작업차는 경사조절이 있는 제품의 경우 경사지에 도달해서 수동으로 조작해야 하는 불편함이 있었다. 따라서 본 과제에서는 경사각에 따라 자동으로 수평을 유지할 수 있는 auto leveling 시스템을 개발하였다. 경사각 센서에는 여러 가지 종류가 있으나 본 과제에서는 아래 그림과 같이 개발 및 제작하였으며, 현재 제작된 고소작업기계 본체에 부착하여 시험하였다.
이러한 수치들은 우리가 청주의 한 과수원에서 직접 측정하였던 배수량에 따른 지면 경사각을 바탕으로 진행한 구조해석의 결과 값이다. 본 논문에서는 경사각에 따른 작업자가 작업을 할 수 있는 최대 경사각에 대한 구조해석을 진행하였다. 이를 바탕으로 수직상승형 고소작업차의 개발을 위하여 작업대의 유압장치의 제작 및 선행 연구를 통한 모터의 제어시스템, 고소작업차의 Control system에 관하여 연구를 지속적으로 진행할 예정이다.
우리는 이러한 문제점을 바탕으로 전동식 모터형 고소작업차를 제작하기 위하여 선행연구로 고소작업차를 위한 전동 모터를 제작하였다. 본 연구는 안전성이 확보되는 고소작업차의 설계 및 제작을 위하여 선행 연구되었던 모터의 스펙(spec)을 바탕으로 수직상승형의 고소작업차를 제작하기 위해 Auto Leveling 시스템을 설계하였다. 이를 바탕으로 수직상승형 고소작업차의 구조해석을 진행하고 안전성이 검토된 농업에 최적화된 고소작업차의 개발을 하고자 한다[6-8].
본 연구에서는 비포장도로 및 경사가 있는 과수원에서 운용되는 수직상승형 고소작업차 개발과 관련한 기울기에 관한 연구를 진행하였다. Auto leveling system 및 수평센서를 이용하여 고소작업차가 지면의 형태에 따라 기울어 졌을때 작업자가 작업대에서 안전하게 작업을 할 수 있도록 하기 위하여 작업대 기울기의 INVENTOR를 통한 3D 모델링을 통한 구조해석을 진행하였다.
이러한 사고들은 고소작업차에서 발생할 수 있는 확률이 높으며, 예방하기 위해 기존 고소작업차의 안정성 확보가 필수적이다. 우리는 이러한 문제점을 바탕으로 전동식 모터형 고소작업차를 제작하기 위하여 선행연구로 고소작업차를 위한 전동 모터를 제작하였다. 본 연구는 안전성이 확보되는 고소작업차의 설계 및 제작을 위하여 선행 연구되었던 모터의 스펙(spec)을 바탕으로 수직상승형의 고소작업차를 제작하기 위해 Auto Leveling 시스템을 설계하였다.
본 연구는 안전성이 확보되는 고소작업차의 설계 및 제작을 위하여 선행 연구되었던 모터의 스펙(spec)을 바탕으로 수직상승형의 고소작업차를 제작하기 위해 Auto Leveling 시스템을 설계하였다. 이를 바탕으로 수직상승형 고소작업차의 구조해석을 진행하고 안전성이 검토된 농업에 최적화된 고소작업차의 개발을 하고자 한다[6-8].

제안 방법

본 연구에서는 비포장도로 및 경사가 있는 과수원에서 운용되는 수직상승형 고소작업차 개발과 관련한 기울기에 관한 연구를 진행하였다. Auto leveling system 및 수평센서를 이용하여 고소작업차가 지면의 형태에 따라 기울어 졌을때 작업자가 작업대에서 안전하게 작업을 할 수 있도록 하기 위하여 작업대 기울기의 INVENTOR를 통한 3D 모델링을 통한 구조해석을 진행하였다.
따라서 본 과제에서는 경사각에 따라 자동으로 수평을 유지할 수 있는 auto leveling 시스템을 개발하였다. 경사각 센서에는 여러 가지 종류가 있으나 본 과제에서는 아래 그림과 같이 개발 및 제작하였으며, 현재 제작된 고소작업기계 본체에 부착하여 시험하였다.
고소작업기계 최대 기울기로 작업시 발생하는 응력 및 변위에 대하여 아래와 같이 분석하였으며 이 때 하중은 최대 적재량을 적용하였으며 구조해석 결과는 다음 표 3과 같다.
해당 시스템은 안정성 확보를 위해 컨트롤러에서 기능을 켜고 끌 수 있도록 하였다. 고소작업차의 구조해석은 고소작업차가 운영될 때 적재함의 최대 적재량(250Kg)을 고려하여 하중이 적재함을 1/4로 나누어 집중되는 것을 가정하여 적재 하중 위치별로 발생될 수 있는 변위와 은력에 대하여 분석하였다. 또 한, 좌·우 기술이 조절이 가능하여 적재함이 좌·우로 최대 기울기를 가질때의 위치별로 발생될 수 있는 변위와 은력에 대하여 분석하였다(해석에 사용된 재질은 S45C 모델로 기계적 성질은 표2와 같다).
기존 고소작업차의 경우 기본 프레임 구조에 리프트를 조립한 상태로 아웃트리거를 이용해 약간의 경사를 좌우로 조절할 수 있는 구조로 되어 있지만, 본 연구에서는 3단 프레임 구조를 적용하여 좌우 및 전후 기울기를 최대 10°까지 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
먼저 구동프레임과 받침프레임을 힌지결합하고 좌우 구동프레임축에 유압실린더를 이용하여 받침프레임이 전후로 경사조절이 가능하도록 하였다. 또한 받침프레임과 힌지핀으로 결합된 좌우조정프레임은 좌우 2개씩 총 4개의 유압실린더를 부착함으로써 좌우 경사조절이 가능하도록 하였다. 기존 고소작업차의 경우 기본 프레임 구조에 리프트를 조립한 상태로 아웃트리거를 이용해 약간의 경사를 좌우로 조절할 수 있는 구조로 되어 있지만, 본 연구에서는 3단 프레임 구조를 적용하여 좌우 및 전후 기울기를 최대 10°까지 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
Auto leveling는 그림 1과 같이 차량의 프레임을 구동프레임, 받침 프레임, 좌우조정 프레임의 3단으로 구성하여 적용하였다. 먼저 구동프레임과 받침프레임을 힌지결합하고 좌우 구동프레임축에 유압실린더를 이용하여 받침프레임이 전후로 경사조절이 가능하도록 하였다. 또한 받침프레임과 힌지핀으로 결합된 좌우조정프레임은 좌우 2개씩 총 4개의 유압실린더를 부착함으로써 좌우 경사조절이 가능하도록 하였다.
INVENTOR의 경우 3D 모델링의 설계 및 구조해석을 위한 Simulation이 가능한 프로그램이다. 설계한 3D 모델링을 바탕으로 구조해석을 하였다. 다음 그림들은 INVENTOR를 이용하여 3D 모델링으로 좌우측 최대 기울기 위치에 대한 형상 및 최대 기울기에 대한 변위를 해석한 그림들이다.
우리는 과수원에서 경사가 있는 곳에서 원활한 작업을 할 수 있는 수직상승형 고소작업차의 개발을 위하여 Auto leveling system의 제작 및 수평센서의 부착으로 설계된 구조도를 바탕으로 INVENTOR를 이용였다. INVENTOR의 경우 3D 모델링의 설계 및 구조해석을 위한 Simulation이 가능한 프로그램이다.
작동중 수평조절에 한계가 있어 다음 그림의 수평센서를 사용하였으며, 해당 시스템 컨트롤러를 메인 시스템 PCB에 통합으로 제작하였다.

대상 데이터

또 한, 좌·우 기술이 조절이 가능하여 적재함이 좌·우로 최대 기울기를 가질때의 위치별로 발생될 수 있는 변위와 은력에 대하여 분석하였다(해석에 사용된 재질은 S45C 모델로 기계적 성질은 표2와 같다).

성능/효과

구조해석 결과 작업자가 작업할 수 있는 최대 기울어짐 정도는 좌측 116.49Mpa, 우측 118.26Mpa로 나타났다. 이러한 수치들은 우리가 청주의 한 과수원에서 직접 측정하였던 배수량에 따른 지면 경사각을 바탕으로 진행한 구조해석의 결과 값이다.
구조해석 결과 적재물의 편중에 의해 작업대에서 최대 응력은 183.55Mpa이 발생하였으며, Support 부분의 응력은 76.54Mpa이 발생하였다. 작업대의 안전율은 1.
일반적으로 농업의 과수원 작업은 전정, 수분, 적화, 적과, 수확 등으로 분류도힌다. 사과를 예로들면 평균 작업시간 279hr/10a을 기준으로 전정은 13%, 수분 및 적과는 25%, 봉지씌우기 6%, 적엽 등 기타작업에 23%에 해당하여[1] 제초 및 방제작업 이외의 관리작업 시간비율은 67%가 되며, 과실의 적재를 포함한 수확작업은 17%이상에해당한다. 또 한 우리나라 과수의 대부분은 가공용 과실을 생산하는 유럽이나 미국 등과는 달리 생식용 과실의 생산을 목적으로 하고 있어 과실의 당도를 높이기 위해 일교차가 큰 고지대에 과원을 조성하는 것이 일반적이며, 물빠짐을 좋게하기 위해 약간의 경사를 주는 경우가 많다.
1로서 낮운 수준으로 나타나 적재 편중에 대해 고려하였다. 여기서 최대 변위 5.37mm로서 변위에 대한 간섭은 없는 것으로 판단되며, 장비 자중 대비 최대 적재량 (250Kg)에 대한 응력은 33Mpa이 증가하고, 변위는 1.65mm가 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

본 논문에서는 경사각에 따른 작업자가 작업을 할 수 있는 최대 경사각에 대한 구조해석을 진행하였다. 이를 바탕으로 수직상승형 고소작업차의 개발을 위하여 작업대의 유압장치의 제작 및 선행 연구를 통한 모터의 제어시스템, 고소작업차의 Control system에 관하여 연구를 지속적으로 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 안정적인 고소작업 기계차의 제작을 위해 어떻게 하였는가?	과수원의 경우 비포장도로 및 경사진 지면이 많아 고소작업 기계차가 과수원에서 작업함에 있어 전복이 되거나 안전성에 관하여 문제가 되고 있는 부분을 해결하기 위함이다. 보다 안정적인 작업을 위하여 Auto leveling system을 설계 하였고 구조해석을 하는 도중 우리가 원하는 기준에 부합하지 않아 수평센서를 추가적으로 설치하였다. INVENTOR를 바탕으로 3D 모델링을 통해 구조해석을 한 결과 작업자가 작업할 수 있는 최대 기울어짐 정도는 좌측 116.
	과수원에서 고소작업 기계차가 가지는 불안정성은 무엇이 잇는가?	본 연구는 과수원에서 높은 곳에서의 작업을 진행함에 있어 안정적인 고소작업 기계차의 제작을 위하여 진행하였다. 과수원의 경우 비포장도로 및 경사진 지면이 많아 고소작업 기계차가 과수원에서 작업함에 있어 전복이 되거나 안전성에 관하여 문제가 되고 있는 부분을 해결하기 위함이다. 보다 안정적인 작업을 위하여 Auto leveling system을 설계 하였고 구조해석을 하는 도중 우리가 원하는 기준에 부합하지 않아 수평센서를 추가적으로 설치하였다.
	농업의 과수원 작업은 어떻게 분류되는가?	일반적으로 농업의 과수원 작업은 전정, 수분, 적화, 적과, 수확 등으로 분류도힌다. 사과를 예로들면 평균 작업시간 279hr/10a을 기준으로 전정은 13%, 수분 및 적과는 25%, 봉지씌우기 6%, 적엽 등 기타작업에 23%에 해당하여[1] 제초 및 방제작업 이외의 관리작업 시간비율은 67%가 되며, 과실의 적재를 포함한 수확작업은 17%이상에해당한다.

참고문헌 (8)

Jang, Ik-Joo, "Development of a Lifting Utility with Balance-controlled Platform", J. of Biosystems Eng., Vol. 36, No. 3, pp. 171 to 179, 2011

원문보기 상세보기
Hwang, H., "Development of IT Oriented Environment Friendly Cultivation and Mechanization for a Pear Orchard". Sungkyunkwan University Research Report, 2012
The Korean Society For Agricultural Machinery, "2010 AGRICULTURAL MACHINERY YEARBOOK REPUBLIC OF KOREA", 2010
Jae-Hwan Son, Park Ki-jin, Woo Seung-min, Han Chang-woo, "A study on the stability of a vehicle with lifting utility", Proceedings of the KSME Spring Annual Meeting, pp.77-80, 2012
Lee, Kyung - Sook, Hyo - Cheol Kim, Hye Sun Chae, Kyung Ran Kim, Soo Jin Lee, "A Study on Agricultural Safety Technology for Ergonomic Intervention in Farm-work", Journal of Korean Society for Human Engineering, Vol.29, No.2, pp.225-239, 2010
"Design of Motor-driven Traveling System for High Clearance Working Machinery based on Tractive Performance and Hill Climbing Abilit" Journal of Korea Institute of Information and Electroic Communication Technology, Vol. 9, No. 3, 2016
Kim, Byoung-Soo, Jae-Hwan Son, and Park, Ki-Jin, "A study on workspace and dynamics analysis of orchard high place operation car", 27th ICROS Conference, pp.430-431, 2012
Lee, Chang - Min, Yeon - Ju, Yoo, Hyun - Hyun, Shin, Kwang - Hyun, "The Ergonomics Improvement of Convenience Equipment for farm work (about the fruit and field crops)", Proceedings of the 2009 Spring Conference of the Ergonomics Society of Korea, 190-194, 2009

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