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문제 정의
- 본 논문에서는 다양한 해양사고 중에서 소형 어선 및 낚시선 등의 프로펠러 부유물 감김 사고로 인한 2차사고 등의 문제를 해결하기 위한 수중 로프 절단기를 제안한다. 제안하는 수중 로프 절단기는 선박에 탑재되어있는 DC24V 배터리를 연결하여 사용할 수 있도록 하여 별도의 추가 장비 없이 사용할 수 있도록 하였으며, 비전문가가 안전하고 편리하게 사용할 수 있도록 수중 로프 절단기의 속도제어시스템 및 역전류방지 회로를 적용하였다.
- 본 연구에서 소형선박에 비치된 동일한 사양의 배터리를 이용하여 선외기의 프로펠러 및 샤프트에 감긴 이물질을 제거하기 위한 수중절단기 기구 설계 및 제어기를 개발하였다. 설계 및 개발한 수중절단기는 이물질 제거 작업에 있어 작업자의 편의를 위해 1.
제안 방법
- 2장에서 기술한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 전통적인 기계톱 원리를 이용하여 간단한 구조를 가지면서 수중 절단작업이 용이한 수중절단기를 제안한다. 수중절단기의 기계적 구조는 절단기의 모터로부터 발생하는 회전력을 톱날의 직선왕복운동으로 바꿔주는 유성피니언과 크랭크핀을 사용하였다.
- 3.1절에 설계 및 제작한 수중절단기를 선원이 보다 편리하고 안전하게 사용하기 위해 속도제어 및 역전류제어 회로를 설계하여 적용하였다. 제어회로를 통해 수중절단기의 구동모터의 속도를 제어함으로써 프로펠러에 감긴 이물질의 크기, 재질 및 특성에 따라 적절한 속도를 제공하여 원활하고 효율적인 절단작업이 이루어질 수 있도록 하였다.
- Fig. 6 회로에서 C2값이 10,000pF인 세라믹콘덴서를 적용하였으며, CN1(VR)단자에 10kOhm의 가변저항을 적용하여 사용자가 노브를 이용해 모터의 속도조절을 위한 펄스폭을 변조할 수 있도록 하였다. Fig.
- 개발한 수중절단기의 경우 선내에 탑재되어 있는 배터리(DC24V)를 사용하여 수중절단기의 전원을 공급하여 사용할 수 있도록 하였다. 3.
- 8은 노브 움직임에 따른 스위칭 소자(전계효과트랜지스터)의 Gate단자에 입력되는 파형을 나타낸다. 고전류의 도통을 위해 다수의 스위칭 소자를 적용하여 발열을 줄이고자 하였으며, 다이오드 및 저항 소자를 이용하여 파형의 왜곡이 발생하지 않도록 하였다. 또한 듀티비 0 %에서 누설전류가 흐르지 않게 하여 대기전력을 최소화 하였으며, 듀티비를 25 %씩 증가시킬 때의 스위칭 소자 Gate단 파형 왜곡의 개선을 확인하였다.
- 2 m의 하우징 파이프를 적용함으로써, 사용자가 물속에 들어가지 않은 외부에서도 원활히 진행할 수 있도록 하였다. 그리고 사용자의 안전 및 편의를 위하여 선내 배터리의 극성에 무관하게 동작할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 작업 환경에 맞추어 속도를 원활히 제어할 수 있도록 하였다. 제품 상용화를 위하여 주요부품(손잡이, 하우징, 크랭크 핀 등)의 금형을 제작하여 대량생산 할 수 있도록 하였으며, 제품의 단가를 낮추기 위해 아날로그 소자를 활용하여 제어기를 제작하였다.
- 8에서 제시한 PCB(Printed Circuit Board)기반의 제어기는 수중절단기 모터 정격 전력인 저전압 , 고전류 사용 환경에 안정적으로 동작할 수 있어야 한다. 따라서 PCB 내 전력소자(다이오드, 전계효과트랜지스터 등)를 병렬로 연결하여 전력소자에 흐르는 전류를 나눠 모터 속도 제어를 할 수 있도록 구성하였다. 또한 제어 기판의 높은 전류의 흐름은 열에 약한 PCB 기판의 열화 또는 손상을 유발할 수 있으므로 전류가 많이 흐르는 전력부의 랜드(패턴)를 유리 에폭시 위로 동판이 노출될 수 있도록 하였다.
- 1절에서 나타낸 것과 같이 수중절단기의 동작모터의 회전운동을 직선왕복운동으로 변환하기 위해 유성기어 및 웜기어 등을 적용하였으나, 기계적 구조의 특성상 모터가 설계된 반대방향으로 회전하게 되면 기어가 반대로 풀려 사고 및 고장을 유발할 수 있다. 따라서 본 논문에서 개발한 제어회로는 배터리의 극성에 상관없이 결선할 수 있도록 전원부 앞에 다이오드를 적용하여 역전류가 흐르지 못하도록 하였다.
- 해상에서 소형 선박에 탑재된 배터리의 용량 관계상 수중절단기 사용시간은 20분 이내로 사용하는 것을 권장한다. 따라서 본 연구에서 개발한 드라이버의 안정성 확인을 위하여 연속 20분 사용에 따른 보드의 온도를 측정하였다. 보드 온도 측정을 위한 시험환경 및 실험결과는 Table 4와 Fig.
- 또한 제어 기판의 높은 전류의 흐름은 열에 약한 PCB 기판의 열화 또는 손상을 유발할 수 있으므로 전류가 많이 흐르는 전력부의 랜드(패턴)를 유리 에폭시 위로 동판이 노출될 수 있도록 하였다. 따라서 추가적인 납땜 작업으로 기판 패턴의 저항을 낮춰 보다 높은 전류를 PCB 기판 밖으로 흘려보내면서 발열을 줄일 수 있도록 설계하였다. Fig.
- 따라서 PCB 내 전력소자(다이오드, 전계효과트랜지스터 등)를 병렬로 연결하여 전력소자에 흐르는 전류를 나눠 모터 속도 제어를 할 수 있도록 구성하였다. 또한 제어 기판의 높은 전류의 흐름은 열에 약한 PCB 기판의 열화 또는 손상을 유발할 수 있으므로 전류가 많이 흐르는 전력부의 랜드(패턴)를 유리 에폭시 위로 동판이 노출될 수 있도록 하였다. 따라서 추가적인 납땜 작업으로 기판 패턴의 저항을 낮춰 보다 높은 전류를 PCB 기판 밖으로 흘려보내면서 발열을 줄일 수 있도록 설계하였다.
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구성하였다. 또한, 나무 및 쇠를 절단하는 장비와 달리 직선왕복운동을 통하여 이물질을 제거할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 육상에서 주로 사용되는 절단장비의 행정(15 ~ 25 mm)과 달리 톱날의 행정을 50 mm로 길게 설계하여 PP 로프의 액체화가 이
뤄지지 않는 수중에서도 원활하게 절단할 수 있도록 하였다. - 본 연구에서 개발한 절단기를 사용하여 실험용 수조에 담긴 20 mm PP 로프을 절단하는 능력을 검증하였다. 실험환경은 실제 해상 선박과 유사하도록 Fig.
- PCB 기반 제어기는 내열성이 좋지 않아 높은 전류의 제어회로로 적합하지 않다. 본 연구에서 개발한 제어기는 비교적 저전압 고전류 사용 환경에서, 제어기가 안정적으로 동작할 수 있도록 전력소자를 병렬 연결하여 전류를 분산시킴으로써 고온으로부터 발생할 수 있는 소손을 방지하였다. 해상에서 소형 선박에 탑재된 배터리의 용량 관계상 수중절단기 사용시간은 20분 이내로 사용하는 것을 권장한다.
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일반적인 연안항해용 소형선박의 경우 선내 AC220V 전원이 없는 경우가 많아 육상에서 사용하는 전자 장비사용이 거의 불가능 하다. 본 연구에서 제안하는 수중절단기의 경우 소형선박에 비치되어있는 배터리(DC 24V)를 사용하여 동작할 수 있도록
구성하였다. 또한, 나무 및 쇠를 절단하는 장비와 달리 직선왕복운동을 통하여 이물질을 제거할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 육상에서 주로 사용되는 절단장비의 행정(15 ~ 25 mm)과 달리 톱날의 행정을 50 mm로 길게 설계하여 PP 로프의 액체화가 이
- 본 연구에서 소형선박에 비치된 동일한 사양의 배터리를 이용하여 선외기의 프로펠러 및 샤프트에 감긴 이물질을 제거하기 위한 수중절단기 기구 설계 및 제어기를 개발하였다. 설계 및 개발한 수중절단기는 이물질 제거 작업에 있어 작업자의 편의를 위해 1.2 m의 하우징 파이프를 적용함으로써, 사용자가 물속에 들어가지 않은 외부에서도 원활히 진행할 수 있도록 하였다. 그리고 사용자의 안전 및 편의를 위하여 선내 배터리의 극성에 무관하게 동작할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 작업 환경에 맞추어 속도를 원활히 제어할 수 있도록 하였다.
- 3절에서 개발한 제품의 성능 평가 및 인증을 위해 조선 기자재연구원에서 제품 인증 시험을 진행하였다. 성능 평가시험은 현장시험으로 진행되었으며 Table 6과 같이 6가지 항목에 대하여 시험을 진행하였다.
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2장에서 기술한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 전통적인 기계톱 원리를 이용하여 간단한 구조를 가지면서 수중 절단작업이 용이한 수중절단기를 제안한다. 수중절단기의 기계적 구조는 절단기의 모터로부터 발생하는 회전력을 톱날의 직선왕복운동으로 바꿔주는 유성피니언과 크랭크핀을 사용하였다. 특히, 수중에서 PP 로프의 액체화가 잘 이뤄지지 않는 상태에서도 높은 절단능력을 확보하기 위해 행정을 50 mm
- 3절에서 개발한 속도제어기의 성능계측을 위한 데이터 취득을 위해 제어기 입력단의 전압, 전류의 계측이 필요하다. 전류 검출부는 홀 효과를 사용한 전류센서 ACS756 소자를 이용하여 전류를 측정하였으며, 전압 검출은 전압센서 ACPL-C87X 직접소자를 활용하여 전원부와 데이터 취득 보드의 전원을 절연(Isolation)시켜 전압을 측정할 수 있도록 구성하였다. 측정된 전압신호는 Op-amp를 거처 신호를 증폭한 후 DAQ(Data Acquisition) 장비인 National Instrument 社의 cRIO(Compact reconfigurable I/O)를 통하여 측정하도록 하였다.
- 본 논문에서는 다양한 해양사고 중에서 소형 어선 및 낚시선 등의 프로펠러 부유물 감김 사고로 인한 2차사고 등의 문제를 해결하기 위한 수중 로프 절단기를 제안한다. 제안하는 수중 로프 절단기는 선박에 탑재되어있는 DC24V 배터리를 연결하여 사용할 수 있도록 하여 별도의 추가 장비 없이 사용할 수 있도록 하였으며, 비전문가가 안전하고 편리하게 사용할 수 있도록 수중 로프 절단기의 속도제어시스템 및 역전류방지 회로를 적용하였다.
- 11은 실험에 사용한 배터리로, 실제 선박에 탑재되는 12V 납축전지를 병렬 연결하여 수중절단기에 전원이 공급될 수 있도록 실험을 진행하였다. 제어기 설계는 연속운전으로 30A의 전류를 감당할 수 있도록 설계하였으나, 실험환경에서 수중절단기에 부하가 없이 실험하여 약 20A 환경에서 시험을 진행하였다. 실험 측정 데이터는 Fig.
- 1절에 설계 및 제작한 수중절단기를 선원이 보다 편리하고 안전하게 사용하기 위해 속도제어 및 역전류제어 회로를 설계하여 적용하였다. 제어회로를 통해 수중절단기의 구동모터의 속도를 제어함으로써 프로펠러에 감긴 이물질의 크기, 재질 및 특성에 따라 적절한 속도를 제공하여 원활하고 효율적인 절단작업이 이루어질 수 있도록 하였다. Table 3은 제어회로의 전기적 사양을 나타낸다.
- 그리고 사용자의 안전 및 편의를 위하여 선내 배터리의 극성에 무관하게 동작할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 작업 환경에 맞추어 속도를 원활히 제어할 수 있도록 하였다. 제품 상용화를 위하여 주요부품(손잡이, 하우징, 크랭크 핀 등)의 금형을 제작하여 대량생산 할 수 있도록 하였으며, 제품의 단가를 낮추기 위해 아날로그 소자를 활용하여 제어기를 제작하였다. 시험 평가 결과 수중에서 20 mm의 PP 로프를 절단하기까지 시간은 47초로 양호한 성능을 보였다.
- 전류 검출부는 홀 효과를 사용한 전류센서 ACS756 소자를 이용하여 전류를 측정하였으며, 전압 검출은 전압센서 ACPL-C87X 직접소자를 활용하여 전원부와 데이터 취득 보드의 전원을 절연(Isolation)시켜 전압을 측정할 수 있도록 구성하였다. 측정된 전압신호는 Op-amp를 거처 신호를 증폭한 후 DAQ(Data Acquisition) 장비인 National Instrument 社의 cRIO(Compact reconfigurable I/O)를 통하여 측정하도록 하였다. Fig.
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수중절단기의 기계적 구조는 절단기의 모터로부터 발생하는 회전력을 톱날의 직선왕복운동으로 바꿔주는 유성피니언과 크랭크핀을 사용하였다. 특히, 수중에서 PP 로프의 액체화가 잘 이뤄지지 않는 상태에서도 높은 절단능력을 확보하기 위해 행정을 50 mm
로 설계하였다. Fig.
대상 데이터
- 3.3절에서 개발한 제품의 성능 평가 및 인증을 위해 조선 기자재연구원에서 제품 인증 시험을 진행하였다. 성능 평가시험은 현장시험으로 진행되었으며 Table 6과 같이 6가지 항목에 대하여 시험을 진행하였다.
- 수중절단기 제어회로는 개발품의 추후 대량생산을 고려하여 가격단가를 낮추기 위해 별도의 제어기(Microprocessor)가 없이 아날로그 회로를 이용하여 동작할 수 있도록 하였다. 동작모터의 속도제어를 위해 NE555 타이머IC를 중심으로 주변회로를 구성하였다. NE555 타이머IC는 주변회로의 주요 부품인 저항과 콘덴서 값을 변경하여 펄스의 폭 및 스위칭 주파수를 변경할 수 있다.
- 15와 같이 구축하여 진행하였다. 실험 환경은 대기 온도 약 24℃, 습도 21 % R.H로 진행되었으며 Fig. 12와 같이 소형 선박에 탑재되는 배터리와 유사 사양을 가진 배터리를 적용하였으며, 그 외에 절단기 및 제어기는 실제 제품을 사용하여 실험을 진행하였다.
- 역전류 방지를 위해 다이오드(V40DL45)를 2개 병렬연결 하였으며, 스위칭 소자인 전계효과트랜지스터(NCE7190) 4개를 TO-220 방열판(SY200B-25)에 연결하여 회로에 적용하였다. PCB 기반 제어기는 내열성이 좋지 않아 높은 전류의 제어회로로 적합하지 않다.
성능/효과
- 고전류의 도통을 위해 다수의 스위칭 소자를 적용하여 발열을 줄이고자 하였으며, 다이오드 및 저항 소자를 이용하여 파형의 왜곡이 발생하지 않도록 하였다. 또한 듀티비 0 %에서 누설전류가 흐르지 않게 하여 대기전력을 최소화 하였으며, 듀티비를 25 %씩 증가시킬 때의 스위칭 소자 Gate단 파형 왜곡의 개선을 확인하였다.
- 8 dB로 측정되었다. 또한, 실험 진행기간 동안 제어기의 발열상태도 최고온도 38℃로 제어기의 설계온도인 50℃보다 낮게 동작됨을 확인할 수 있었다.
- 제품 상용화를 위하여 주요부품(손잡이, 하우징, 크랭크 핀 등)의 금형을 제작하여 대량생산 할 수 있도록 하였으며, 제품의 단가를 낮추기 위해 아날로그 소자를 활용하여 제어기를 제작하였다. 시험 평가 결과 수중에서 20 mm의 PP 로프를 절단하기까지 시간은 47초로 양호한 성능을 보였다.
- 평가 결과 축에 감겨있는 20 mm PP 로프을 절단하기 까지 소요된 시간은 47초였으며, 소음은 75.8 dB로 측정되었다. 또한, 실험 진행기간 동안 제어기의 발열상태도 최고온도 38℃로 제어기의 설계온도인 50℃보다 낮게 동작됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 현재 제품 판매를 위한 시제품이 제작되고 있으며, 추후 제품 내 배터리를 장착하여 무선으로 동작 가능한 절단기를 개발하고, 나아가 사용하고 있는 모터의 출력을 보다 높이기 위하여 BLDC(Brushless DC) 모터를 적용한 제품을 개발할 예정이다.
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