[논문]유압실린더를 사용한 갠트리 크레인의 안전성 검증

고성훈; 이광희; 이철희

doi:10.7839/ksfc.2019.16.2.008

유압실린더를 사용한 갠트리 크레인의 안전성 검증
Safety Verification of Gantry Cranes using Hydraulic Cylinders 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.2, 2019년, pp.8 - 14

고성훈 (Department of Construction Machinery Engineering, Inha University) , 이광희 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 이철희 (Department of Construction Machinery Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

A typical gantry crane is generally used to lift and transport objects in various workplaces. Most of the supporting structures in a gantry crane are fixed on the ground while the moving hoist is running overhead along the girder. There are some disadvantages to its long installation time and high installation cost. Therefore, a hydraulic based gantry crane was studied to solve the issues of typical gantry cranes. The supporting structure of the proposed gantry crane consisted of a hydraulic cylinder and telescopic boom. The dimension of the proposed gantry crane can be decreased due to its simplified structure. The analytical and theoretical methods were used to verify the structural stability of the proposed crane. The most severe load condition was considered for the analysis, and the stress and deflection of the structure are analyzed. The simulation results were as expected from the theoretical analysis. Finally, the structural and dynamic safety of the proposed hydraulic based gantry crane was validated. The obtained results can be used as guidelines in the design process of the hydraulic based gantry crane.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 3D modeling of hydraulic gantry crane
그림 Fig. 2 Schematic diagram for biased load moment in gantry crane
그림 Fig. 3 3D modeling of telescopic boom and lift cylinder
표 Table 1 Allowable stress for gantry crane
그림 Fig. 4 Theoretical modeling of track cross section
그림 Fig. 5 Relation between tilt angle of crane and height difference between cylinders
그림 Fig. 6 Main structure of hydraulic gantry crane (a) Girder, (b) Lifting cylinder, (c) Telescopic boom, (d) Track
그림 Fig. 8 Static analysis result of girder (a) Deflection(mm), (b) Stress(MPa)
그림 Fig. 7 Dynamic simulation model of girder tilting
그림 Fig. 9 Static simulation results of lifting cylinder (MPa)
그림 Fig. 10 Static simulation results of telescopic boom (MPa)
그림 Fig. 11 Static simulation result of track structure (MPa)
그림 Fig. 12 Results of roll over occurrence angle
그림 Fig. 13 Load of girder applied to travelling motor at tilting
표 Table 2 Results of safety analysis of hydraulic gantry crane

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유압 갠트리 크레인의 안전성을 확인하기 위하여 단순화모델 분석 및 해석을 통한 검증을 진행했다. 비록 정적인 상태조건을 고려했지만, 크레인 작업물의 동하중을 고려해 검증하여 신빙성을 높였다.
유압식 갠트리 크레인의 다리는 거더와 다르게 프레임 구조 형식이 아닌 유압식 실린더로 이루어져있다. 실린더 특성 상 구조물 상승 시 실린더 간 부하차이로 미소량의 기울어짐이 발생할 수 있으며, 이에 대한 안전성을 검증하고자, 트롤리 구조물의 적절한 모터 능력 값을 계산했다. 동적 분석도 정적분석과 마찬가지로 크레인 안전기준을 따라 최대하중의125%를 수직하중조건으로 하였다.

가설 설정

7로 강과 강간의 마찰계수조건이다. 브레이크 모터가 축을 고정한다는 가정으로 조건 별로 미끄러짐을 동적 해석을 진행했다. 그결과, 가장 높이 차가 작은 조건 1의 전복 발생 각은7.

제안 방법

7은 크레인의 전복에 대해 분석하기 위한 기울어짐 동적모델의 도식이다. 공통 경계조건인 편향된 중량물 조건으로 진행하며, 거더를 기울여서 전복이 발생하는 각을 분석했다. 모터 출력 상한을 초과했을 때와 임계마찰력을 초과하여 전복이 일어나는2가지 상황으로 나누어 해석을 진행했다.
하지만, 작은 체적 대비 큰 힘을 발휘하는 유압실린더를 사용하면 크레인의 무게를 줄일 수 있고, 불필요한 요소들을 제거할 수 있어, 공간 활용성이 커질 수 있으며 설치비용과 시간을 절감할 수 있다. 기존 연구에서는 갠트리 크레인의 인양 능력 향상을 위해 고성능의 전기모터가 사용되거나, 호이스트 모터의 성능에 대한 연구가 진행되었지만¹⁾, 본 연구에서는 기존 갠트리 크레인의 안정성 검증 방법과 유압실린더로 이루어진 구조의 안전성도 확인했다. 모델을 단순화 시켜 수학적으로 분석한 후, ANSYS를 이용하여 정적 해석과, DAFUL을 이용한 동적 해석을 진행하여 검증했다.
다음으로 거더를 지지하는 실린더와 붐을 수학적으로 분석했다. 실린더는 수직하중을 받게 되고, 텔레스코픽 붐은 모멘트를 받게 된다.
단순화모델 분석과 마찬가지로 가장 하중이 큰 조건인 중량물의 최대 편향위치에서의 조건으로 해석을 진행했다.
실린더 특성 상 구조물 상승 시 실린더 간 부하차이로 미소량의 기울어짐이 발생할 수 있으며, 이에 대한 안전성을 검증하고자, 트롤리 구조물의 적절한 모터 능력 값을 계산했다. 동적 분석도 정적분석과 마찬가지로 크레인 안전기준을 따라 최대하중의125%를 수직하중조건으로 하였다.
비록 정적인 상태조건을 고려했지만, 크레인 작업물의 동하중을 고려해 검증하여 신빙성을 높였다. 또한, 유압 실린더 간 부하차이로 인해 발생할 수 있는 전복을 방지하기 위해 횡행모터의 토크가 중량물의 기울임 하중을 버틴다는 가정 하에 슬립으로 인해 일어나는 전복과 횡행모터의 토크가 버틸 수 있는 중량물의 임계 기울임 하중을 분석하는 2가지 조건으로 나눠서 분석했다.분석을 통해 얻은 높이 차는 행정거리의 각각 약 1/2배,3배의 해당하는 값이므로 안전하다고 할 수있다.
마지막으로, 횡행 모터 브레이크 토크 값이 하중을 견딜 수 있는 지 보기위해 축을 고정한 상태에서 기울이는 동적 해석을 진행했다. 그 결과는 Fig.
공통 경계조건인 편향된 중량물 조건으로 진행하며, 거더를 기울여서 전복이 발생하는 각을 분석했다. 모터 출력 상한을 초과했을 때와 임계마찰력을 초과하여 전복이 일어나는2가지 상황으로 나누어 해석을 진행했다.
3은 평면도(Z축에서 바라본 방향)이며, 실린더와 텔레스코픽 붐과의 구조를 보여준다. 실린더가 텔레스코픽 붐 안에 위치해 있는 구조이며, 실린더에 걸리는 부하를 보완하기 위해 텔레스코픽 붐 구조를 추가적으로 설계하였다.
크레인 안전 기준인 1/800보다 작은 값으로 허용기준을 만족했으며, 단순화 모델과의 오차는 22%로 해석을통해 검증을 했다. 유압식 갠트리 크레인의 다리 역할을 하며 하중을 지지하는 구조인 실린더와 추가구조물인 텔레스코픽 붐 부분의 해석결과를 분석했다.
2는 라멘(Rahmen)구조에서 중량물의 최대 편향 위치일 때의 모멘트 선도이다. 이 모멘트 선도에 따라 발생하는 응력을 계산하여 이론적으로 분석했다.³⁾
실린더는 수직하중을 받게 되고, 텔레스코픽 붐은 모멘트를 받게 된다. 이에 따라, 발생하는 응력도 나누어 계산했다. 좌굴응력 계산을 위해 필요한 세장비를 각각 계산했다.
이전에 단순화 모델 분석의 계산을 검증하기 위해정적 해석을 진행했다. 전체 구조를 분석했으며, 부분별로 단순화 모델에 대한 시뮬레이션 검증을 했다.
12는 케이스 별로 동적 해석으로 0°에서 45°까지 기울였을 때 전복이 발생하는 각도를 분석했다. 일정 마찰 계수 범위 안에서 전복이 발생되는 각을 분석했다. 조건 1은 마찰 계수 0.
0 m이다. 작업물이 전기모터를 통해 상부구조물의 수평 방향으로 움직임이 가능하며, 이러한 움직임에 기초하여 중량물이 최대 편향위치 일 때 가장 큰 부하를 받으므로 이 조건으로 구조 안전성을 분석했다.²⁾
이 표는 크레인 안전 기준에 명시되어 있으며, 이 기준을 충족해야 설계 승인이 이루어진다. 적용하중은 크레인 안전기준에 맞추어 동하중을 고려해 최대 하중의 125% 조건으로 분석했다.⁴⁾
이전에 단순화 모델 분석의 계산을 검증하기 위해정적 해석을 진행했다. 전체 구조를 분석했으며, 부분별로 단순화 모델에 대한 시뮬레이션 검증을 했다.
6 에서 (a)는 거더 부분, (b)는 상향 실린더, (c)는 텔레스코픽 붐, (d)는 트랙을 나타낸다. 정확한 분석을 위해 전체구조를 분석하였으며, 정적 해석을 진행하고 부분 별로 결과를 나누어 분석했다.
이에 따라, 발생하는 응력도 나누어 계산했다. 좌굴응력 계산을 위해 필요한 세장비를 각각 계산했다.⁶⁾ 이 값을 좌굴계수(λ)로 바꾸어 각각 식 (4)는 실린더, 식 (5) 는 텔레스코픽 붐에 발생하는 최대 응력을 계산했다.

대상 데이터

Fig. 1 의 구조에서 거더는 총 4개의 유압실린더로 구성된 다리들로 지지 되며 설계된 모델의 길이는 9.0 m이다. 작업물이 전기모터를 통해 상부구조물의 수평 방향으로 움직임이 가능하며, 이러한 움직임에 기초하여 중량물이 최대 편향위치 일 때 가장 큰 부하를 받으므로 이 조건으로 구조 안전성을 분석했다.

데이터처리

⁶⁾ 이 값을 좌굴계수(λ)로 바꾸어 각각 식 (4)는 실린더, 식 (5) 는 텔레스코픽 붐에 발생하는 최대 응력을 계산했다.⁷⁾ 계산한 최대응력 값으로 크레인 안전기준 안전율이 적용된 재질 허용압축응력(Sca) 값과 비교하여 안전성을 확인했다. 실린더의 경우 크레인 안전기준이 적용된 재질(SM45C) 허용압축응력(Sca)은 194 MPa 이며, 최대 발생 응력 값은 137 MPa로 허용 응력 이내였으며, 텔레스코픽 붐의 경우 발생 최대 응력 값은 10 MPa로 크레인 안전기준이 적용된 재질(SS400) 허용압축응력(Sca)인 137 MPa 이내의 값이며 안전하다.
기존 연구에서는 갠트리 크레인의 인양 능력 향상을 위해 고성능의 전기모터가 사용되거나, 호이스트 모터의 성능에 대한 연구가 진행되었지만¹⁾, 본 연구에서는 기존 갠트리 크레인의 안정성 검증 방법과 유압실린더로 이루어진 구조의 안전성도 확인했다. 모델을 단순화 시켜 수학적으로 분석한 후, ANSYS를 이용하여 정적 해석과, DAFUL을 이용한 동적 해석을 진행하여 검증했다. 이 결과들을 분석하여 유압실린더로 이루어진 갠트리 크레인의 안전성을 확인했다.

성능/효과

마찬가지로, 식 (3)을 이용하여 수직방향으로의 사하중과 활하중에 의한 처짐을 합산하여 총 처짐 량을 계산했다.⁵⁾ 최대 발생응력 값은 114 MPa로 크레인 허용 압축응력기준을 적용한 재질(SS400) 허용압축응력(Sca) 인 137 MPa 이내로 안전하다. 그리고 수직방향으로의 총 처짐 량은 0.
9) 그 결과, 윤하중 13.1 ton, 휠 저항은53.61 kg/ton, 최종 값인 모터 최소 필요 출력은 0.19 kW 이다. 횡행 구동에 있어, 필요한 모터 출력 값이며, 기울어짐 발생 시 100% 하중 값에 μ·Sinθ 값이 곱해진 값이 기울어짐 각 θ에 따른 요구 하중이 된다.
Table 2 는 크레인 전체 구조의 부분 별 변형량과 최대발생응력들과 전복이 발생하는 각도를 분석하여 정리한 표이다. 각 구조 부 모두 크레인 안전기준을 적용한 허용응력 이내의 값으로 안전성이 확인되었고, 전복발생각도를 분석하여 최소 높이 보상 값을얻을 수 있었다. 이를 토대로 횡행 모터 사양을 선정할 수 있다.
단순화모델 분석으로 계산한 필요한 최소 모터 출력 값과 비교한 결과, 33.7°에서 전도가 발생됨을 확인했다.
분석을 통해 얻은 높이 차는 행정거리의 각각 약 1/2배,3배의 해당하는 값이므로 안전하다고 할 수있다. 또한, 안전사고를 방지하기 위해 전기적 제어를 통해 단계 별 상승을 하게 되는데, 이에 필요한 1회 상승 시 보상해야 하는 최소 높이 값을 얻을수 있었다.
또한, 유압 실린더 간 부하차이로 인해 발생할 수 있는 전복을 방지하기 위해 횡행모터의 토크가 중량물의 기울임 하중을 버틴다는 가정 하에 슬립으로 인해 일어나는 전복과 횡행모터의 토크가 버틸 수 있는 중량물의 임계 기울임 하중을 분석하는 2가지 조건으로 나눠서 분석했다.분석을 통해 얻은 높이 차는 행정거리의 각각 약 1/2배,3배의 해당하는 값이므로 안전하다고 할 수있다. 또한, 안전사고를 방지하기 위해 전기적 제어를 통해 단계 별 상승을 하게 되는데, 이에 필요한 1회 상승 시 보상해야 하는 최소 높이 값을 얻을수 있었다.
2 cm 이상 이어야 기울어 질 수 있는 각이다. 상향 실린더의 행정거리는 200 cm로 행정거리의 3배인 값이므로, 실질적으로 계산한 모터의 최소출력이 가용될 수 있음을 확인했다. 결과적으로 횡행 모터 사양 계산 값은 타당하다.
모델을 단순화 시켜 수학적으로 분석한 후, ANSYS를 이용하여 정적 해석과, DAFUL을 이용한 동적 해석을 진행하여 검증했다. 이 결과들을 분석하여 유압실린더로 이루어진 갠트리 크레인의 안전성을 확인했다.
8에서 (a)는 거더의 처짐량, (b)는 최대 발생응력을 볼 수 있는 정적 해석결과이다. 최대 발생 응력의 발생위치는 거더와 텔레스코픽 붐이 접촉하는 부분이었으며, 최대 발생응력 값은 96 MPa 으로, 크레인 안전기준을 적용한 안전율을 적용한 재료(SS400)에 대한 허용압축응력 값인 137 MPa 을 넘지 않으므로, 안전하다. 단순화 모델과의 오차는 18%로 근사한 값이다.
텔레스코픽 붐과 거더의 접촉 부 에서 최대 응력이 발생했다. 최대 응력 발생 값은 11 MPa 이며, 크레인 안전기준을 적용한 재질(SS400)의 허용압축응력(Sca) 값인 137 MPa보다 낮아 안전했고, 단순화모델과의 오차는 10%로 해석을 통해 검증을 했다.
이 중. 최대 응력이 발생한 곳은 측면 판이었으며, 값은 120 MPa 으로, 크레인 안전기준을 적용한 재질(SS400) 허용압축응력(Sca) 값인 137 MPa 보다 이하의 값이므로 안전하다.
11은 트랙 부분의 정적 해석결과이다. 측면 부하단 접촉부에서 최대 응력이 발생했으며 값은 132MPa 으로, 단순화모델 분석과의 오차율은 10% 이며, 크레인 안전기준을 적용한 재질(SS400)의 허용압축응력(Sca)인 137 MPa 보다 이하의 값이므로 안전하다.

후속연구

이 방법을 사용하여 안전한 범위 내에서 구조물의 안전성 검증과 횡행 모터를 선정할 수 있다. 결과적으로, 유압실린더 이용한 새로운 갠트리 크레인의 공간 활용성, 에너지 대비 작업효율 상승의 효과를 볼 수 있을 것으로 예상 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	갠트리 크레인의 역할은 무엇인가?	갠트리 크레인은 하중물을 운반하기 위한 장비로써, 하역부터 제조 산업 현장까지 다양한 곳에서 쓰이고 있다. 현재 갠트리 크레인 기술에 있어 높은 중량의 인양과 이동성이 높은 갠트리 크레인을 개발하기 위해 여러 연구가 진행 중이다.
	기존 갠트리 크레인 인양 능력 향상을 위해 사용된 모터는 무엇인가?	하지만, 작은 체적 대비 큰 힘을 발휘하는 유압실린더를 사용하면 크레인의 무게를 줄일 수 있고, 불필요한 요소들을 제거할 수 있어, 공간 활용성이 커질 수 있으며 설치비용과 시간을 절감할 수 있다. 기존 연구에서는 갠트리 크레인의 인양 능력 향상을 위해 고성능의 전기모터가 사용되거나, 호이스트 모터의 성능에 대한 연구가 진행되었지만1), 본 연구에서는 기존 갠트리 크레인의 안정성 검증 방법과 유압실린더로 이루어진 구조의 안전성도 확인했다. 모델을 단순화 시켜 수학적으로 분석한 후, ANSYS를 이용하여 정적 해석과, DAFUL을 이용한 동적 해석을 진행하여 검증했다.
	유압식 고효율 갠트리 크레인의 장점은 무엇인가?	이전 갠트리크레인의 구조는 중량을 견디기 위해서 다리 구조물의 크기가 커져야 하고 설치 시간과 비용이 많이 든다. 하지만, 작은 체적 대비 큰 힘을 발휘하는 유압실린더를 사용하면 크레인의 무게를 줄일 수 있고, 불필요한 요소들을 제거할 수 있어, 공간 활용성이 커질 수 있으며 설치비용과 시간을 절감할 수 있다. 기존 연구에서는 갠트리 크레인의 인양 능력 향상을 위해 고성능의 전기모터가 사용되거나, 호이스트 모터의 성능에 대한 연구가 진행되었지만1), 본 연구에서는 기존 갠트리 크레인의 안정성 검증 방법과 유압실린더로 이루어진 구조의 안전성도 확인했다.

참고문헌 (9)

J. W. An et al., "Development of Analytical Model of Spindle and Rack Gear Systems for Knuckle Boom Crane", Journal of Drive and Control, Vol.14, No.2, pp.23-29, 2017.
K. H. Kim et al., "A Design and Characteristics Analysis of High Efficiency Gantry Crane", Journal of the Korean Institute of Port Research, Vol.14, No.4, pp.395-406, 2000.
JIS B 8831, "Cranes-Design Principles for Loads and Load Combinations", Japanese Standards Association, Vol.4, pp.3-9, 2004.
KS D 3503, "Crane manufacturing and safety standards", Korea Occupational Safety & Health Agency, Vol.20, pp.2, 2015.
C. Holst, M. Burghof and H. Kuhlmann, "Modeling the Beam Deflection of a Gantry Crane under Load", Journal of Surveying Engineering, Vol.140, No.1, pp.52-59, 2014.

상세보기
E. Narvydas, "Buckling strength of hydraulic cylinders", Mechanika, Vol.22, No.6, pp.474-477, 2016.
KS D 3503, "Crane manufacturing and safety standards", Korea Occupational Safety & Health Agency, Vol.20, pp.3-4, 2015.
M. Savkovic et al., "Stress analysis in contact zone between the segments of telescopic booms of hydraulic truck cranes", Thin-Walled Structures, Vol.85, pp.332-340, 2014.

상세보기
R. Karmakar and A. Mukherjee, "Dynamics of electric overhead travelling cranes: A bond graph approach", Mechanism and Machine Theory, Vol.25, No.1, pp.29-39, 1990.

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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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