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문제 정의
- 본 연구에서는 유압식 리프트 시스템의 개발 및 이를 바탕으로 한 작업대의 안전성에대한 구조해석을 진행하였다. 선행 연구로 진행된 경사면에서 안전하게 사용할 수 있는 수평 센서 및 Auto leveling system을 제작하여 배수 및 평평하지 않은 지면에서의 움직임을 안전하게 할 수 있도록 하였고 이를 바탕으로 유압시스템을 접목, 작업대의 안전성 구조 해석을 완료하였다.
가설 설정
- 고소작업기계의 구조해석은 고소작업차가 운영될 때 적재함의 최대 적재량을 고려하여 하중이 적재함을 1/4로 나누어 집중되는 것을 가정하여 아래 그림 21과 같이 적재하중 위치별로 발생될 수 있는 변위와 응력에 대하여 분석하였다. 또한 좌·우 기울기 조절이 가능하여 적재함이 좌·우로 최대 기울기를 가질 때의 위치별로 발생될 수 있는 변위와 응력에 대해여 분석하였다.
제안 방법
- 또한, 작업자 편의를 위한 원격 조작 시스템을 추가로 적용하였다. 1차적으로 작업대 승하강 제어 리모트 컨트롤 및 확장 작업대의 슬라이딩 조작용 페달형 조작시스템을 적용하여 시험하였다. 주행장치에 대한 원격 조작 시스템은 작업자 위험성으로 인해 보류하였으나 필요에 의해 간단하게 추가할 수 있도록 구성하였다.
- 다음 그림의 기본 구성 회로도와 같이 릴리프밸브 및 체크밸브 등 기본 유압회로를 구성하였으며 고소작업이므로 자중에 의한 낙하방지 및 작동범위 조절을 위해 리미트 스위치를 배치하였다. Auto leveling system의 도입으로 유압회로 구성을 일부 변경하고 수평센서에 따라 좌우상하 조작 실린더가 자동으로 작동하도록 하였다.
- 고소작업기계의 조립 및 설계오류는 3차원 모델링을 통해 검토가 완료 되었으며, 설계결과에 대한 타당성 검토를 위해 유한요소를 생성하여 정적구조해석을 수행하였다. 유한 요소 생성은 ANSYS 프로그램에서 제공하는 요소생성기를 이용하여 하였으며, 유한요소는 Automatic Method를 이용하였으며, Relevance를 20으로 설정하였다.
- 2kW DC모터를 적용하여 구동하도록 하였다. 다음 그림의 기본 구성 회로도와 같이 릴리프밸브 및 체크밸브 등 기본 유압회로를 구성하였으며 고소작업이므로 자중에 의한 낙하방지 및 작동범위 조절을 위해 리미트 스위치를 배치하였다. Auto leveling system의 도입으로 유압회로 구성을 일부 변경하고 수평센서에 따라 좌우상하 조작 실린더가 자동으로 작동하도록 하였다.
- 이는 체크밸브붙이 유량조절밸브를 통해 기본적인 속도를 조절할 수 있도록 할 수는 있지만 작업 상황에 따라 작업자가 작업을 수행하면서 조절이 힘든 것이 사실이다. 따라서 본 과제에서는 유압펌프 구동원이 DC모터이기 때문에 DC모터의 제어에 의해서 유압펌프의 토출량을 제어할 수 있는 장점이 있으므로 다음 그림과 같은 유압장치 컨트롤러를 적용함으로서 이를 해결하였다.
- 작업발판에 부착된 T형 슬라이드 레일(체인구조)의 상부 양측이 안내롤러에 맞대어짐으로서 마찰을 줄이며 안정적으로 인입 및 인출되어지는 구조로 되어 있으며 스프라켓 휠은 DC모터에 의해서 구동되게 된다. 또한 인장스프링에 의해 2단 확장판을 부착하여 좀 더 넓은 작업폭이 가능하도록 하였다.
- 또한 좌·우 기울기 조절이 가능하여 적재함이 좌·우로 최대 기울기를 가질 때의 위치별로 발생될 수 있는 변위와 응력에 대해여 분석하였다.
- 또한, 작업자 편의를 위한 원격 조작 시스템을 추가로 적용하였다. 1차적으로 작업대 승하강 제어 리모트 컨트롤 및 확장 작업대의 슬라이딩 조작용 페달형 조작시스템을 적용하여 시험하였다.
- 또한, 작업자의 여러 가지 작업 편의성 확보를 위해 에어 컴프레셔를 설치하였다. 여기에 부가작업장치로 에어 전정가위나 에어 공구, 에어건을 이용할 수 있도록 DC 에어 컴프레셔를 작업자 조작패널 부근에 설치하여 활용할 수 있도록 하였다.
- 선행 연구로 진행된 경사면에서 안전하게 사용할 수 있는 수평 센서 및 Auto leveling system을 제작하여 배수 및 평평하지 않은 지면에서의 움직임을 안전하게 할 수 있도록 하였고 이를 바탕으로 유압시스템을 접목, 작업대의 안전성 구조 해석을 완료하였다. 리프트의 경우 별도의 제어 시스템을 기반으로 작업대에서도 제어를 할 수 있도록 설계 하였고,이를 바탕으로 현장에서 시험 운행도 하였다.
- 고소작업기계의 특성상 작업자는 높은 곳에서 작업을 하게 되므로 배선의 유동성 등을 고려하여 조작패널부만 상부에 위치하고 모터제어장치 및 부가장치는 하부 프레임에 배치하였다. 모터 드라이브는 아래 그림과 같이 하부 프레임의 모터 부근에 설치하였으며 부하에 따른 토크 및 속도제어 등을 담당하게 되며 제어박스 안에 파워서플라이 및 모터 드라이브, 조향신호 출력부가 유압 컨트롤러와 출력부와 함께 배치하도록 구성하였다.
- DC 모터와 감속기를 이용하여 이송 작업대 네 곳을 와이어로 연결하여 승하강 시키는 구조로 되어 있으며, 상하부에 근접센서를 이용하여 정지하도록 구성하였다. 모터 정역회전을 위해 간단한 제어회로를 구성하여 적용하였다. 다음에 상하차 장치의 외관 및 컨트롤러 구성을 나타내었다.
- 모터 제어 드라이브는 curtis사의 AC모터 전용 드라이브인 1232E 모델을 적용하였으며 시스템은 그림 9와 같이 구성되어 있고 프로그래밍을 통해 두 개의 드라이버를 각각 마스터와 슬레이브로 구분지어 듀얼 구동할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서 고소작업기계는 전동형으로 구성되었으므로 컨트롤러는 모터 드라이브와 작업자 조작 패널로 구성되어진다. 고소작업기계의 특성상 작업자는 높은 곳에서 작업을 하게 되므로 배선의 유동성 등을 고려하여 조작패널부만 상부에 위치하고 모터제어장치 및 부가장치는 하부 프레임에 배치하였다.
- 작업자 편의성 확보를 위해 수확한 과실의 상하차 장치를 추가적으로 개발하였다. 상하차 장치는 작업대의 위치가 자주 변동되기 때문에 가변성을 갖추고 있는 것이 가장 중점인 요소가 되어 크레인 형태의 승하차 작업대를 구성하여 어느 위치에든 적정 높이까지 적절히 내리고 올릴 수 있도록 설계하여 구성하였다. 그림 15는 상하차 장치의 설계 도면이다.
- 본 연구에서는 유압식 리프트 시스템의 개발 및 이를 바탕으로 한 작업대의 안전성에대한 구조해석을 진행하였다. 선행 연구로 진행된 경사면에서 안전하게 사용할 수 있는 수평 센서 및 Auto leveling system을 제작하여 배수 및 평평하지 않은 지면에서의 움직임을 안전하게 할 수 있도록 하였고 이를 바탕으로 유압시스템을 접목, 작업대의 안전성 구조 해석을 완료하였다. 리프트의 경우 별도의 제어 시스템을 기반으로 작업대에서도 제어를 할 수 있도록 설계 하였고,이를 바탕으로 현장에서 시험 운행도 하였다.
- 시스템에서 발생하였던 좌우 조향제어 불안정성 등을 개선하고 따로 구성되었던 Auto leveling system을 묶어 한 개의 메인 PCB를 제작함으로써 효율성을 제고하였다.
- 또한, 작업자의 여러 가지 작업 편의성 확보를 위해 에어 컴프레셔를 설치하였다. 여기에 부가작업장치로 에어 전정가위나 에어 공구, 에어건을 이용할 수 있도록 DC 에어 컴프레셔를 작업자 조작패널 부근에 설치하여 활용할 수 있도록 하였다. 다음 그림은 장착 모습이며 표에 그 사양을 나타내었다.
- 최근 경북 지역에서 노용 고소작업차의 전복 사고로 중상을 입는 등 사고가 끊이지 않고 있다[5]. 우리는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 경사지에서 안전하게 사용할 수 있는 센서를 개발[6]하였고 이를 바탕으로 유압식 리프트시스템 및 작업대를 설계[7, 8], 제작을 하였으며 작업대에서 안전하게 작업을 할 수 있는지에 대한 작업대의 구조해석을 진행하였다.
- 고소작업기계의 조립 및 설계오류는 3차원 모델링을 통해 검토가 완료 되었으며, 설계결과에 대한 타당성 검토를 위해 유한요소를 생성하여 정적구조해석을 수행하였다. 유한 요소 생성은 ANSYS 프로그램에서 제공하는 요소생성기를 이용하여 하였으며, 유한요소는 Automatic Method를 이용하였으며, Relevance를 20으로 설정하였다. 유한요소 생성은 각각의 부품별로 생성하여 조립되는 연결부분의 Node가 일치되는지 확인하였다.
- 유한 요소 생성은 ANSYS 프로그램에서 제공하는 요소생성기를 이용하여 하였으며, 유한요소는 Automatic Method를 이용하였으며, Relevance를 20으로 설정하였다. 유한요소 생성은 각각의 부품별로 생성하여 조립되는 연결부분의 Node가 일치되는지 확인하였다. 아래 그림 18은 전동 고소작업차의 형상을 ANSYS 프로그램을 이용하여 유한요소를 생성한 결과이다.
- 특히 작업 편의성 확보 및 안전장치의 추가구성으로 확장 작업대를 4분할로 슬라이딩할 수 있는 기능이 추가되었다. 이를 위해 개별적 슬라이딩 모터 구동을 위한 PCB를 별도로 구성하였다. 그림 13은 모터 구동을 위한 PCB의 회로도이다.
- 주행조작 및 작업대 리프트 작동은 1개의 조작레버(우측 레버)를 이용해 레버의 위치에 따라 제어 드라이브로 신호를 보내 원하는 방향으로 조절할 수 있도록 하였으며,주행속도는 우측 상단 조절노브에 의해 간편하게 조작할 수 있도록 하였다. 작업대의 상승 및 하강 경사조절은 좌측 조작레버를 이용하여 모든 기능을 수행할 수 있도록 하였으며, Auto leveling system을 선택할 수 있도록 하였다. 전원 ON/OFF는 시동키 시스템을 적용하였으며 배터리의 메인전원차단 버튼과 비상정지 버튼을 적용하여 안전사고에 대비하였고 배터리 잔량 및 작업대의 수평을 확인할 수 있도록 하는 등 편의 기능도 첨부하였다.
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2.4 부가 작업기 제작
작업자 편의성 확보를 위해 수확한 과실의 상하차 장치를 추가적으로 개발하였다. 상하차 장치는 작업대의 위치가 자주 변동되기 때문에 가변성을 갖추고 있는 것이 가장 중점인 요소가 되어 크레인 형태의 승하차 작업대를 구성하여 어느 위치에든 적정 높이까지 적절히 내리고 올릴 수 있도록 설계하여 구성하였다.
- 작업대의 상승 및 하강 경사조절은 좌측 조작레버를 이용하여 모든 기능을 수행할 수 있도록 하였으며, Auto leveling system을 선택할 수 있도록 하였다. 전원 ON/OFF는 시동키 시스템을 적용하였으며 배터리의 메인전원차단 버튼과 비상정지 버튼을 적용하여 안전사고에 대비하였고 배터리 잔량 및 작업대의 수평을 확인할 수 있도록 하는 등 편의 기능도 첨부하였다. 또한 작업대 상승 상태에서 기기의 고장으로 다른 작업이 불가할 때 리프트 시스템을 자동으로 하강시키는 안전장치도 추가하였다.
- 1차적으로 작업대 승하강 제어 리모트 컨트롤 및 확장 작업대의 슬라이딩 조작용 페달형 조작시스템을 적용하여 시험하였다. 주행장치에 대한 원격 조작 시스템은 작업자 위험성으로 인해 보류하였으나 필요에 의해 간단하게 추가할 수 있도록 구성하였다. 그림 14는 작업자 편의를 위한 리모트 컨트롤의 결과물이다.
- 작업자 조작패널은 작업대 상부에 위치하며 작업자가 모든 상황을 인지하고 손쉽게 조작할 수 있도록 구성하였다. 주행조작 및 작업대 리프트 작동은 1개의 조작레버(우측 레버)를 이용해 레버의 위치에 따라 제어 드라이브로 신호를 보내 원하는 방향으로 조절할 수 있도록 하였으며,주행속도는 우측 상단 조절노브에 의해 간편하게 조작할 수 있도록 하였다. 작업대의 상승 및 하강 경사조절은 좌측 조작레버를 이용하여 모든 기능을 수행할 수 있도록 하였으며, Auto leveling system을 선택할 수 있도록 하였다.
- 하중 및 경계조건은 실제 고소작업기계에서 발생하는 하중과 경계조건을 고려하여 적용하였다. 하중은 고소작업기계의 자중과 적재 하중을 고려하였으며, 경계조건은 실제 부품과 부품이 체결되는 부분을 일치시켜 고정하였으며, 고소작업기계 지지부분을 Fixed Suport를 이용하여 경계조건을 주었다. 아래 그림은 하중 및 경계조건을 나타내었다.
- 해석결과 각각의 집중하중에 대한 최대 응력은 185MPa 이하로서 S45C의 허용응력 205MPa에 만족하지만, 안전율은 1.1로서 낮은 수준으로 나타나 적재 편중에 대해 고려하였다. 여기서 최대 변위는 5.
- 확장 작업대는 직접 작업자가 탑승하여 안전하게 작업을 하는 공간이기 때문에 안전을 위한 방호장치를 추가적으로 설계 적용하였으며, 슬라이딩 장치는 한 측면에서 두 부분으로 분할되어 총 4분할된 작업대를 이용할 수 있도록 변경 적용하였다. 슬라이딩 작업대 또한 1차 시작기에서 모터와 체인만을 이용하였으나 변형이 발견되어 베어링 및 사각틀을 이용하여 보강하였다.
대상 데이터
- 또한 좌·우 기울기 조절이 가능하여 적재함이 좌·우로 최대 기울기를 가질 때의 위치별로 발생될 수 있는 변위와 응력에 대해여 분석하였다. 해석에 사용된 재질은 철강(S45C)로 기계적 성질은 아래 표 3에서 보는 것과 같다.
성능/효과
- 전원 ON/OFF는 시동키 시스템을 적용하였으며 배터리의 메인전원차단 버튼과 비상정지 버튼을 적용하여 안전사고에 대비하였고 배터리 잔량 및 작업대의 수평을 확인할 수 있도록 하는 등 편의 기능도 첨부하였다. 또한 작업대 상승 상태에서 기기의 고장으로 다른 작업이 불가할 때 리프트 시스템을 자동으로 하강시키는 안전장치도 추가하였다.
- 1로서 낮은 수준으로 나타나 적재 편중에 대해 고려하였다. 여기서 최대 변위는 5.37mm로서 변위에 대한 간섭은 없는 것으로 판단되며, 장비 자중 대비 최대 적재량(250kg)에 대한 응력은 3MPa이 증가하고, 변위는 1.65mm가 증가하는 것으로 나타났다.
- 특히 작업 편의성 확보 및 안전장치의 추가구성으로 확장 작업대를 4분할로 슬라이딩할 수 있는 기능이 추가되었다. 이를 위해 개별적 슬라이딩 모터 구동을 위한 PCB를 별도로 구성하였다.
후속연구
- 하지만 아직 작업대의 몇 가지 부분에서 수정이 필요할 것으로 보여 향 후 작업대의 구조해석에 관한 연구를 진행 및 보완해야 할 것으로 보인다. 본 연구를 통하여 과수원 및 농경 작업 현장에서의 고소 작업차가 조금 더 안전하게 사용 될 수 있도록 더욱 많은 연구가 진행되어야 될 것으로 보인다.
- 현장 시운행을 해본 결과 예상과는 비슷한 작업조건 및 환경이 이루어졌다. 하지만 아직 작업대의 몇 가지 부분에서 수정이 필요할 것으로 보여 향 후 작업대의 구조해석에 관한 연구를 진행 및 보완해야 할 것으로 보인다. 본 연구를 통하여 과수원 및 농경 작업 현장에서의 고소 작업차가 조금 더 안전하게 사용 될 수 있도록 더욱 많은 연구가 진행되어야 될 것으로 보인다.
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