본 연구에서는 해상에서 빈번하게 발생하는 추진기 로프 감김 사고를 예방하기 위해 개발된 로프절단장치의 안전성 및 효용성에 대한 연구를 시도하였다. 먼저 이론식과 유한요소 해석을 통하여 실선 실험에 사용될 세 종류의 로프절단장치의 볼트의 강도 및 장치가 축계에 미치는 비틀림응력을 계산하였다. 그 결과 로프절단장치에 사용된 볼트는 안전수명설계 및 손상허용설계의 관점에서 적절하게 설계된 것으로 확인되었으며, locking-up 발생 시 축계에 미치는 영향도 미미하여 안전성 또한 만족할 수 있는 수준인 것으로 나타났다. 안전성 검증을 마친 세 종류의 절단장치가 설치된 선박을 활용하여 실제로 해상에서 로프 및 어망을 절단하는 실험을 진행하였으며, 그 결과 대체적으로 실험에 사용된 20~50 mm 굵기의 로프를 잘 절단하였으나, 소형 축계에 장착된 절단장치의 경우 굵은 로프를 절단할 때는 효용성이 저하함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 해상에서 빈번하게 발생하는 추진기 로프 감김 사고를 예방하기 위해 개발된 로프절단장치의 안전성 및 효용성에 대한 연구를 시도하였다. 먼저 이론식과 유한요소 해석을 통하여 실선 실험에 사용될 세 종류의 로프절단장치의 볼트의 강도 및 장치가 축계에 미치는 비틀림응력을 계산하였다. 그 결과 로프절단장치에 사용된 볼트는 안전수명설계 및 손상허용설계의 관점에서 적절하게 설계된 것으로 확인되었으며, locking-up 발생 시 축계에 미치는 영향도 미미하여 안전성 또한 만족할 수 있는 수준인 것으로 나타났다. 안전성 검증을 마친 세 종류의 절단장치가 설치된 선박을 활용하여 실제로 해상에서 로프 및 어망을 절단하는 실험을 진행하였으며, 그 결과 대체적으로 실험에 사용된 20~50 mm 굵기의 로프를 잘 절단하였으나, 소형 축계에 장착된 절단장치의 경우 굵은 로프를 절단할 때는 효용성이 저하함을 알 수 있었다.
In this study, the safety and effectiveness of ope cutter, developed to prevent frequent accident propeller windingness at sea. First, we calculated the bolt strength of the three types of rope cutting devices used in the experiment and the torsional stresses on the shafting system theoretical equat...
In this study, the safety and effectiveness of ope cutter, developed to prevent frequent accident propeller windingness at sea. First, we calculated the bolt strength of the three types of rope cutting devices used in the experiment and the torsional stresses on the shafting system theoretical equation and the finite element method. As a result, the bolts used in the rope cutter confirmed from the viewpoint of safety life design and fail safe design. Also, safety satisfactory because of the small effect on the shaft system when locking up. Experiments were carried out to cut ropes and fishing nets from the sea using the ships equipped with three types of rope cutters verified to be safe. As a result, ropes of 20 to 50 mm in thickness were generally cut. It was found that the cutting efficiency of a rope cutter attached to shafting decreased when cutting thick ropes.
In this study, the safety and effectiveness of ope cutter, developed to prevent frequent accident propeller windingness at sea. First, we calculated the bolt strength of the three types of rope cutting devices used in the experiment and the torsional stresses on the shafting system theoretical equation and the finite element method. As a result, the bolts used in the rope cutter confirmed from the viewpoint of safety life design and fail safe design. Also, safety satisfactory because of the small effect on the shaft system when locking up. Experiments were carried out to cut ropes and fishing nets from the sea using the ships equipped with three types of rope cutters verified to be safe. As a result, ropes of 20 to 50 mm in thickness were generally cut. It was found that the cutting efficiency of a rope cutter attached to shafting decreased when cutting thick ropes.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
현재 선박 추진기 감김 사고를 예방하기 위한 일환으로 국외의 민간분야에서 개발된 로프절단장치(Rope cutter)를 수입하여 국내 일부 소형 선박 및 관공선에 장착하여 사용하고 있으나, 그 안전성과 효용성에 대한 검증은 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내에 도입된 로프절단장치 중에 가장 많이 사용되고 있는 type을 대상으로 이론식과 유한요소법을 사용하여 장치의 안전성을 평가하였다. 또한 장치의 효용성 검증을 위해 각기 다른 크기의 세 대의 로프절단장치가 장착된 실제 선박 3척을 활용하여 운항 중 로프 및 어망이 추진기에 감겼을 때 절단이 가능한지 여부를 수중 카메라로 확인하는 실선 실험을 진행하였다.
절삭 날, 날 강성, 블레이드 간의 간경에 따라서 성능이 좌우되며 주요한 설계 인자로 볼 수 있다. 본 연구에서는 가장 널리 사용되고 있는 상기의 Scissor type 로프절단장치를 실험 대상으로 선정하였으며, 선박 크기에 따른 로프절단장치의 안전성과 효용성을 확인하기 위하여 각기 사이즈가 다른 세 종류의 절단장치(F2, F3, F4)가 장착된 선박을 활용하여 로프절단 실선 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 로프절단장치의 종류별 제원은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 선박 추진기 감김 사고를 예방하기 위한 장비인 로프절단장치를 대상으로 이론식과 유한요소해석을 적용하여 안전성을 검토하였으며, 장치가 설치된 실제 선박 3척을 활용하여 절단장치의 효용성을 실증하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 국내에 도입된 로프절단장치 중에 가장 많이 사용되고 있는 type을 대상으로 이론식과 유한요소법을 사용하여 장치의 안전성을 평가하였다. 또한 장치의 효용성 검증을 위해 각기 다른 크기의 세 대의 로프절단장치가 장착된 실제 선박 3척을 활용하여 운항 중 로프 및 어망이 추진기에 감겼을 때 절단이 가능한지 여부를 수중 카메라로 확인하는 실선 실험을 진행하였다.
따라서 실제 선박을 활용한 절단 실험을 시행하기에 앞서 실험의 안전성을 평가하기 위하여, 상기 M10 볼트의 설계와 관련하여 이론식과 유한요소법에 의한 볼트의 강도 계산, 프로펠러축의 허용 비틀림응력과 Locking up에 의해서 프로펠러축에 발생할 수 있는 비틀림응력의 계산 등을 수행하였다.
각 해역에서 Fig. 2와 같이 로프 및 어망이 연결된 부이(bouy)를 설치하고 실험 대상 선박이 그 위를 통과하여 장치의 절단 성능을 평가하는 방법으로 실험을 기획하였으며, 절단 영상을 촬영하기 위해 프로펠러 인근에 수중 카메라(Fig. 3)를 용접 설치하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 Scissor type 로프절단장치의 효용성을 평가하기 위하여 각기 다른 사이즈의 절단장치를 실험할 수 있는 세 척의 선박을 대상으로 하였으며, 실선 실험의 선박의 제원은 Table 2와 같다.
세 척의 선박 중 2, 3차 실험 선박은 로프절단장치가 기설치된 선박이나, 1차 선박인 창명3호는 절단장치가 미 설치된 선박이어서 실험 전 조선소에 입거하여 로프절단장치 F4 모델을 장착하였으며, 장착 전·후의 사진은 Fig. 1과 같다.
프로펠러축의 직경은 본 연구에서 실선실험 대상으로 선정한 로프절단장치(F2, F3, F4)가 적용될 수 있는 최소직경(120 mm)과 최대직경(230 mm)으로 선정하면, Ki = 0.9, 항복강도 Ys = 450 MPa인 경우에 대하여 아래와 같이 계산할 수 있다.
인천 해역에서 창명3호를 대상으로 1차 실증 실험을 진행하였으며, 수중 카메라를 활용하여 절단 영상을 확인한 결과 전·후진 모든 상황에서 50 mm 굵기의 로프 및 나일론 어망을 문제없이 절단하였다.
2차 실증 실험은 Fig. 7과 같이 부산 해역에서 항만정화1호를 대상으로 진행하였으며, 실험결과 선박의 선형 및 추진기 하부 구조물로 인하여 로프 및 어망이 프로펠러 쪽으로 유입이 잘 되지 않는 상황이 발생하였으나, 원활하게 유입이 되는 경우에는 절단이 가능하였다. 또한, 간혹 프로펠러캡 쪽에 로프가 감기는 현상이 발생하였으나, 선박의 자력 이동에는 무리가 없었으며 절단장치로 인하여 선미관(stern tube) 쪽으로의 감김 진행은 억제되는 효과가 나타났다.
실험에 사용한 로프는 Fig. 4에서 보는 바와 같이 선박에서 주로 사용되는 20 mm, 40 mm, 50 mm 굵기의 PP(Poly Propylene), PE(Poly Ethylene) 로프이며, 어망은 5 mm의 나일론 어망을 사용하였다. 선박 추진 시스템에 미치는 영향을 고려하여 실험은 20 mm의 얇은 로프부터 40 mm, 50 mm 순으로 진행하였다.
성능/효과
3차 실증 실험은 군산 해역에서 해양1호를 대상으로 진행하였으며, 그 결과 시험 대상선박이 소형(38톤)으로 추진축의 직경 및 절단장치 날의 크기가 작아서 40 mm 이상의 굵은 로프의 절단에는 어려움이 있었으나, 20 mm 로프 및 5 mm 나일론 어망의 절단에는 문제가 없음을 확인하였다. Fig.
(1) Holding bolt 체결용 M10 볼트의 강도를 이론식과 유한요소해석 등을 통하여 고찰한 결과, 이 볼트는 BS_EN_ISO_3506-1에 규정된 A2 70등급의 오스테나이트계열의 스테인리스강으로 제작되는 항복강도 450 MPa의 고강도 나사로서 안전수명설계의 관점에서 사용목적에 적합한 것으로 판단된다.
(4) 실선실험에 사용된 모든 굵기의 로프 및 어망을 대체적으로 잘 절단하였으나, 소형선(38톤)의 경우 추진축의 직경 및 절단장치 날의 크기가 작아서 그보다 굵은 로프의 절단에는 효용성이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 일부 로프의 감김 현상이 발생함에도 자력 항해에는 큰 무리가 없는 것으로 확인되었다.
(5) 실선실험 결과 선형 및 추진기 주변 형상과 구조물에 따라 로프 걸림의 정도차가 발생하고 로프의 유입 형태가 달라지며, 이로 인하여 로프절단장치의 효용성에도 차이가 발생하는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 추진기 감김 사고 방지를 위해 선형 개발에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
후속연구
(5) 실선실험 결과 선형 및 추진기 주변 형상과 구조물에 따라 로프 걸림의 정도차가 발생하고 로프의 유입 형태가 달라지며, 이로 인하여 로프절단장치의 효용성에도 차이가 발생하는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 추진기 감김 사고 방지를 위해 선형 개발에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
로프절단장치의 역할은 무엇인가?
로프절단장치는 선박이 운항 중 프로펠러에 로프, 어망, 부유성 폐기물 등이 감겼을 때 프로펠러축과 함께 회전하는 날카로운 날을 이용하여 감긴 이물질을 잘라내어 심각한 감김으로 인한 기관 및 축계 손상을 방지하는 역할을 한다. 현재 상용화 된 로프절단장치의 종류로는 Scissor type, Disc Type, Shaver type이 있으며, 국내의 로프절단장치를 장착한 선박 대부분이 Scissor type을 사용하고 있다.
선박 추진기 감김 사고로 인한 유사사고를 예방하기 위해 관련 부처에서는 어떤 조치를 취하고 있는가?
관련 부처에서는 유사사고를 예방하기 위한 조치로써 폐어망, 폐로프 등의 원인물질 발생을 억제하고 수거를 강화하고 있으나 많은 현실적 어려움이 있으며 보다 효과적인 사고 방지를 위해서는 다양한 예방책이 필요하다(Lee and Lee, 2017a; Lee and Lee, 2017b). 현재 선박 추진기 감김 사고를 예방하기 위한 일환으로 국외의 민간분야에서 개발된 로프절단장치(Rope cutter)를 수입하여 국내 일부 소형 선박 및 관공선에 장착하여 사용하고 있으나, 그 안전성과 효용성에 대한 검증은 거의 이루어지지 않고 있다.
Scissor type의 작동 원리는 무엇인가?
현재 상용화 된 로프절단장치의 종류로는 Scissor type, Disc Type, Shaver type이 있으며, 국내의 로프절단장치를 장착한 선박 대부분이 Scissor type을 사용하고 있다. Scissor type의 장치는 고정블레이드(Stationary blade)와 회전블레이드(Rotating blade)로 구성되어 있으며, 회전블레이드가 프로펠러축과 함께 회전하면서 고정블레이드에 전단력을 가하여 가위처럼 로프를 자르는 원리로 작동된다. 절삭 날, 날 강성, 블레이드 간의 간경에 따라서 성능이 좌우되며 주요한 설계 인자로 볼 수 있다.
참고문헌 (6)
Han, S. H.(2017), A Study on the Improvement for a Safety Training Course of the Commercial Fishing Vessel's Crew, Jounal of Fisheries and Marine Sciences Education, Vol. 29, No. 6, pp. 1657-1669.
Lee, H. C. and H. J. Lee(2017a), Coastal Wastes Management System and Policy Trends in Japan, Jeonnam Law Review, Vol. 37, No. 3, pp. 267-292.
Lee, H. C. and H. J. Lee(2017b), Study on legal regulation and improvement plan of waste from coastal ships, Chonbuk Law Review, Vol. 53, pp. 185-211.
Park, C. H.(2008), A Study on the Resistance Performance of 39feet-class Leisure Boat with Propulsion Type of In.Out Board Engine, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 32, No. 8, pp. 1208-1214.
Suh, S. B.(2007), Study on tunnel geometry protecting a propeller using potential based panel method, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 31, No. 5, pp. 614-621.
Yang, Y. J. and S. Y. Kwon(2017), Rolling Motion Simulation in the Time Domain and Ship Motion Experiment for Algorithm Verification for Fishing Vessel Capsizing Alarm Systems, Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety, Vol. 23, No. 7, pp. 956-964.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.