[논문]전동 유압 슬라이딩 데크 시스템 최적화를 위한 기구학 및 구조해석

문혁주; 유범상; 오영섭; 김만중; 이정훈

doi:10.5762/kais.2017.18.6.21

전동 유압 슬라이딩 데크 시스템 최적화를 위한 기구학 및 구조해석
Kinematics and Structural Analysis for Optimization of an Electro-Hydraulic Sliding Deck Systems 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.6, 2017년, pp.21 - 28

문혁주 (전북대학교 기계시스템공학부) , 유범상 (전북대학교 기계시스템공학부&전북대학교 자동차신기술센터) , 오영섭 (전북대학교 기계시스템공학부) , 김만중 (전북대학교 기계시스템공학부) , 이정훈 (전북대학교 기계시스템공학부)

초록
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농기계 상하차를 위한 전동 유압 슬라이딩 데크 시스템을 개발하는데 있어 경량화가 필수적이며, 이를 해결하기 위해 덤프 각도에 따른 슬라이딩 데크의 진출길이를 계산하고, 허용가능 각도 중 가강 큰 하중 받는 각도에서 재질과 두께를 변경하며 구조해석을 진행, 최적 두께와 재질을 선정하였다. 먼저 슬라이딩 데크 진출길이 계산식을 도출하기 위해 전체 시스템의 구성을 파악하고, 시스템을 단순화 하는 작업을 시행하였다. 또한 시스템의 입 출력 관계를 파악하기 위해 자유도 계산을 수행 하였고, 단순화한 모델을 이용하여 덤프각도에 따른 슬라이딩 데크의 진출길이 계산식을 도출하였다. 도출한 계산식을 수치해석 프로그램을 이용하여 덤프각도에 따른 슬라이딩 데크 진출길이 계산을 수행하였고, 시스템의 최대 최소 각도에서의 진출길이를 파악 하였다. 신뢰성 확보를 위해 시스템의 축소모형을 제작하여 실험을 통해 계산식을 검증하였다. 슬라이딩 데크 재질과 두께를 결정하기 위해 데크를 단순화 하였고, 데크 제작에 쓰이는 대표적인 재질 두 가지를 선정하였다. 단순화한 모델을 해석 프로그램을 사용하여 최대 하중을 받는 조건에서 두께와 재질에 따른 변형량과 응력을 비교하였다. 해석결과 ATOS80을 이용할 경우 두께를 줄이면서 더 적은 변형량을 가지게 되어 경량화를 이룰 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electro-hydraulic sliding deck systems have been developed to reduce the weight for the loading of an agricultural machine. The extension length of the sliding deck was calculated according to the bed's dump angle. The optimum thickness and material were determined using a large and heavy load at acceptable angles. In addition, the degrees of freedom were calculated to obtain the input/output relationship of the system. An equation was derived using a simplified model formula for the extended length of the sliding deck according to the bed's dump angle. Also, the advance length at the maximum and minimum angles of the system was determined using numerical analysis. A down-scaled model of the system was constructed and verified by experiments. The deck was simplified to determine the material and thickness of the sliding deck and for the selection of the two representative materials. The simplified model was tested in deformation tests and stress tests with different thicknesses and materials using a structure analysis program. The analysis results show that ATOS80 is the best among the two materials for reducing the weight of the system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

농기계 상·하차 중 사다리가 이탈하거나 농기계의 무게를 이기지 못하고 파손되어 농기계가 전복되거나 심하면 인명피해까지도 발생한다. 따라서 사다리를 대체하여 농기계를 안전하게 적재할 수 있는 전동 유압 슬라이딩 데크 시스템을 개발하고자 한다.
본 연구는 1ton 트럭에 적용할 수 있는 전동 유압 슬라이딩 데크 시스템을 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 기본 적재량 1ton 중 슬라이딩 데크 시스템의 무게를 최소화했을 때, 최대적재량을 증가시킬 수 있다.
이번 연구에서 슬라이딩 데크 시스템의 최적화를 위한 기구학해석과 구조해석을 진행하였다.

가설 설정

13°에서 최대 진출거리 3848mm를 가지며, 이 값을 슬라이딩 데크 길이 값으로 가정하였다.
농기계의 중량은 1ton 트럭의 최대적재 무게인 1ton 으로 선정하고, 농기계 상하차시 가장 큰 하중을 가지는 13°의 9549N을 적용하였다. 슬라이딩 데크의 1/2지점에 농기계가 위치해 있다고 가정하였고 두 가지 재료에서 두께를 6mm~4mm로 두께를 감소해가며 해석을 진행하였다.

제안 방법

4를 통해 25°, 30°, 농기계가 자력으로 움직이지 못할 경우를 대비하여 15°, 20° 에서의 실험을 수행 하였다.
Fig. 2.와 같이 슬라이딩 데크 시스템의 Input과 Output의 관계를 파악하기 위하여 기구학적 다이어그램을 구성하고 자유도를 계산하였다.
경량화를 위한 변형량과 응력을 알아보기 위한 구조해석을 진행하기 위해 슬라이딩 데크를 단순화시켰다. 등판각도와 슬라이딩 데크가 받는 하중에 대해 살펴 볼 수 있다.
해석은 범용 해석 프로그램인 Ansys를 이용하여 진행하였다. 구조해석을 진행하기 위해 적용 재료를 선정하고 외부조건을 결정하였다.
그에 따라 첫 번째로 단순화 모델을 통해 작동원리와 기구학 특성을 파악하여 덤프 각도에 따른 슬라이딩 데크의 진출길이를 해석하기 위한 수학적 모델링을 수행하였다. 도출한 수학적 모델은 Matlab을 사용하여 계산을 수행하고 수학적 모델을 검증하기 위하여 축소모형을 제작하여 실험을 수행하였다.
기구학 해석 결과를 축소모형을 제작하여, 실험을 통해 검증하는 작업을 수행하였다. 축소모형은 1/10의 크기로 제작하였고, 덤프 각도는 Table.
농기계 승하차시 가장 큰 하중을 받는 등판각도 13°에서 SS400, ATOS80 두 가지 재질을 이용하여 4mm, 5mm, 6mm로 두께를 변경하면 변형량과 응력을 비교하였다.
다음으로 슬라이딩 데크의 두께와 재질 선정을 위한 구조해석을 진행하였다. 농기계 승하차시 가장 큰 하중을 받는 등판각도 13°에서 SS400, ATOS80 두 가지 재질을 이용하여 4mm, 5mm, 6mm로 두께를 변경하면 변형량과 응력을 비교하였다.
도출한 수학적 모델은 Matlab을 사용하여 계산을 수행하고 수학적 모델을 검증하기 위하여 축소모형을 제작하여 실험을 수행하였다. 두 번째로 슬라이딩 데크의 단순화 모델을 통해 재질과 두께에 따른 변형량과 응력을 비교하는 구조해석을 진행하였다. 재질과 두께에 따른 변형량과 응력을 비교하여 경량화 할 수 있는 재질을 선택하였다.
따라서 1ton트럭 허용 상차 능력1ton과 최소 덤프 각도인 13° 조건에서 실험을 진행하기로 하였다.
먼저 슬라이딩 데크 진출길이를 구하기 위해 자유도를 계산하고 수학적 모델링을 실시하였다. 구해진 식을 Matlab을 이용하여 각 덤프 각도에 따른 슬라이딩데크 진출길이를 구하였다.
슬라이딩 데크 시스템의 작동원리와 기구학 특성을 파악하기 위하여 전체 시스템을 기하학적으로 단순화하였다. Fig.
덤프각도 13°∼30°를 등판적정 각도로 선정하였다. 추가로 기구학 해석을 검증하기 위하여 축소모형을 제작하고 실험을 수행하였다. Matlab 결과 값과 실험값을 비교하여 수학적 모델링이 신뢰할 만한 수준으로 판단하였다.
축소모형에 고정되어 있는 Linear guide를 이송시켜 각도에 따른 슬라이딩 데크 진출 길이를 측정 하였다. 실험 결과는 Table 5로 나타내었다.
축소모형에서 Linear guide의 이송거리를 결정하기 위한 계산을 수행하였다. 적재함 회전축으로부터 덤프 가이드까지의 거리는 118mm∼388mm의 범위를 가지며, 적재함 각도가 30°를 이루면서 가이드의 이송이 원활한 거리는 150mm, 이때 덤프 가이드 높이는 98mm이다.

대상 데이터

두 번째로 슬라이딩 데크의 단순화 모델을 통해 재질과 두께에 따른 변형량과 응력을 비교하는 구조해석을 진행하였다. 재질과 두께에 따른 변형량과 응력을 비교하여 경량화 할 수 있는 재질을 선택하였다.
기존 트럭 덤핑 배드는 주로 구조용 강인 SS400을 이용하여 제작해왔다. 초기 제작은 SS400 6mm 판재를 이용하였다. 또 최근 많이 이용되는 재료로서 자동차구조용 고강도강(ATOS) 중 ATOS80이 있다.

데이터처리

도출한 덤프각도에 따른 슬라이딩 데크의 진출길이 계산식을 Matlab프로그램을 이용하여 계산을 수행하였다. h_{F-sliding deck}, #, L_{F-cargobox end}의 크기는 Table 2.
총 10회의 실험을 진행하였으며, 실험의 신뢰성을 확인하기 위해 표준편차를 계산하였다. 계산값은 Table.
해석은 범용 해석 프로그램인 Ansys를 이용하여 진행하였다. 구조해석을 진행하기 위해 적용 재료를 선정하고 외부조건을 결정하였다.

이론/모형

먼저 슬라이딩 데크 진출길이를 구하기 위해 자유도를 계산하고 수학적 모델링을 실시하였다. 구해진 식을 Matlab을 이용하여 각 덤프 각도에 따른 슬라이딩데크 진출길이를 구하였다. 덤프각도 13°∼30°를 등판적정 각도로 선정하였다.
그에 따라 첫 번째로 단순화 모델을 통해 작동원리와 기구학 특성을 파악하여 덤프 각도에 따른 슬라이딩 데크의 진출길이를 해석하기 위한 수학적 모델링을 수행하였다. 도출한 수학적 모델은 Matlab을 사용하여 계산을 수행하고 수학적 모델을 검증하기 위하여 축소모형을 제작하여 실험을 수행하였다. 두 번째로 슬라이딩 데크의 단순화 모델을 통해 재질과 두께에 따른 변형량과 응력을 비교하는 구조해석을 진행하였다.

성능/효과

농기계 승하차시 가장 큰 하중을 받는 등판각도 13°에서 SS400, ATOS80 두 가지 재질을 이용하여 4mm, 5mm, 6mm로 두께를 변경하면 변형량과 응력을 비교하였다. (Table. 8) 해석 결과, SS400, ATOS80 모두 5mm일 때 가장 작은 최대 변형량을 가졌고, 5mm일 때 두 가지 재질을 비교하여ATOS80의 변형량과 응력이 작은 것을 알 수 있었다. 결론적으로 ATOS80-5mm일 때, 기존 사양보다 적은 변형량을 가지면서 경량의 무게를 가지게 된다.
과 같이 나왔다. SS400과 ATOS80모두에서 5mm에서 최대 변형량이 가장 적었고, 4mm부터 항복강도를 넘어서 급격하게 변형되는 것을 알 수 있었다. 가장변형량이 작았던 5mm의 경우 ATOS80의 변형량은 SS400의 변형량보다 약 10% 적었으며, 응력도 57.
8) 해석 결과, SS400, ATOS80 모두 5mm일 때 가장 작은 최대 변형량을 가졌고, 5mm일 때 두 가지 재질을 비교하여ATOS80의 변형량과 응력이 작은 것을 알 수 있었다. 결론적으로 ATOS80-5mm일 때, 기존 사양보다 적은 변형량을 가지면서 경량의 무게를 가지게 된다. 기존 설계 사양인 SS400-6mm에 비해 무게는 약16%, 변형량은 26%, 응력은 62MPa 감소하였다.
따라서 가장 작은 최대 변형량을 가지면서 동시에 최소응력을 갖는 5mm로 선택하였다. 기존 SS4006mm로 하였을 때보다 무게는 약16%, 변형량은 26%, 응력은 62MPa 감소하였다.
결론적으로 ATOS80-5mm일 때, 기존 사양보다 적은 변형량을 가지면서 경량의 무게를 가지게 된다. 기존 설계 사양인 SS400-6mm에 비해 무게는 약16%, 변형량은 26%, 응력은 62MPa 감소하였다.
따라서 ATOS80-5mm로 데크의 재질과 두께를 선정하여, 기존 슬라이딩 데크보다 경량화 시킬 수 있다.
자유도 계산과 기구학적 다이어그램을 통해 슬라이딩데크 시스템이 덤프각도의 변화에 대한 슬라이딩 데크의 길이 변화만 갖는다는 것을 알았다

후속연구

이번 연구 결과와 추후 진행할 동하중 해석을 통해 전동 유압 슬라이딩 데크 시스템의 최적화를 이룰 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	농기계 상하차를 위한 전동 유압 슬라이딩 데크 시스템을 개발할 때 필수적인 것은?	농기계 상하차를 위한 전동 유압 슬라이딩 데크 시스템을 개발하는데 있어 경량화가 필수적이며, 이를 해결하기 위해 덤프 각도에 따른 슬라이딩 데크의 진출길이를 계산하고, 허용가능 각도 중 가강 큰 하중 받는 각도에서 재질과 두께를 변경하며 구조해석을 진행, 최적 두께와 재질을 선정하였다. 먼저 슬라이딩 데크 진출길이 계산식을 도출하기 위해 전체 시스템의 구성을 파악하고, 시스템을 단순화 하는 작업을 시행하였다.
	농업 인구의 감소와 고령화로 인하여 노동력이 부족한데, 이를 해결하기 위한 방법은?	농업 인구의 감소와 고령화로 인하여 노동력이 부족하다. 이를 해결하기 위한 방법으로 많은 농가에서 농기계를 이용하고 있다.[1]대농을 제외한 대부분의 일반 농가에서는 농기계를 구입하기 보다는 농협이나 협동조합 등 농기계임대소를 통해 임대하여 필요할 때만 사용한다.
	농기계의 단점은?	[1]대농을 제외한 대부분의 일반 농가에서는 농기계를 구입하기 보다는 농협이나 협동조합 등 농기계임대소를 통해 임대하여 필요할 때만 사용한다.[2]이 경우 농기계는 도로운전에 적합하지 않기 때문에 보관 장소부터 작업 장소까지 자력으로 이동하기 쉽지 않다. 때문에 트럭 등 운송수단을 이용해서 운반 후 작업에 이용되고 있다.

참고문헌 (5)

Kyoung-Chul Kim, Min-Hyuc Ko, Beom-Sahng Ryuh, "Development of Agriculture Auto Hose Reel by using Wheeled Mobile Robot", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 15, no. 3 pp. 1299-1304, 2014. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.3.1299

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Sun-hee um, Myeong-Hwa Jeong, Kyeong-Hee Lim, "Introduction of Finance for Fishing Boat Building - with focus on the lease", p. 64, Korea Maritime Institute, 2012.
Robert L. Norton, "Kinematics of Norton", pp. 38-39, McGrow-Hill Education, 2014.
Posco, "Automobile Structural Steel", 4p, Posco Global Technical Center, 2014.
Dong-Pyo Hong, Chan-Gon Park, Byoung-Kuk Lee, Yong-Hong, Seung-Ho Hwang. "Stress analysis for 46kV insulated boom design of 20m-class high place operation car", Conference of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, pp. 528-529, 2012.

저자의 다른 논문 :

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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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