[논문]단선억제 및 가공정도 향상을 위한 Draw Tower의 구조 안정화 설계

남규동; 노승훈; 윤현진; 김영조; 길사근; 이대웅

단선억제 및 가공정도 향상을 위한 Draw Tower의 구조 안정화 설계
Structural Design of a Draw Tower for the Improved Stability and the Suppressed Wire Breakage 원문보기

Wire breakage in drawing, which is the most critical process in glass fiber manufacturing, is caused by numerous factors such as height, drawing speed, and air flow. The vibrations of the draw tower, however, is the most dominant factor to create the wire breakage. In this study, the structure of a draw tower has been analyzed through experiments and computer simulations to figure out the main reasons of the vibrations. And the design alterations were applied to the machine to identify the effects of those alterations. The result shows that design alterations of the draw tower structure can suppress the 87% of the vibrations, and further can prevent the wire breakage.

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문제 정의

본 연구는 Draw Tower의 진동 최소화를 통한 단선억제 및 가공정도 향상을 위한 설계 개선안을 찾고자 하였다. 이를 위하여 기존 Draw Tower의 동특성을 분석하고 이를 바탕으로 Simulation Model에 설계 개선안을 적용하여 그 효과를 검증하였고 이 효과들을 조합하여 기존의 Draw Tower에 비하여 진동이 90%이상 소멸된 안정된 Draw Tower의 설계안을 도출하였다.
본 연구에서는 Draw Tower의 진동을 최소화할 수 있도록 설계를 개선함으로써 단선을 억제하고 광섬유 생산공정의 안정화와 가격경쟁력 제고 및 광섬유 지름의 균일화로 통신 효율을 높임을 목표로 한다.

제안 방법

Draw Tower의 진동 상태 분석과 설계 개선안도출을 위하여 주파수분석 실험을 진행하고 이를 통해 구조물의 동특성을 분석하여 장비의 진동 원인이 되는 고유진동수와 진동형에 대하여 분석한다.[2]
본 연구는 Draw Tower의 진동 최소화를 통한 단선억제 및 가공정도 향상을 위한 설계 개선안을 찾고자 하였다. 이를 위하여 기존 Draw Tower의 동특성을 분석하고 이를 바탕으로 Simulation Model에 설계 개선안을 적용하여 그 효과를 검증하였고 이 효과들을 조합하여 기존의 Draw Tower에 비하여 진동이 90%이상 소멸된 안정된 Draw Tower의 설계안을 도출하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구조물의 동특성을 파악하기 위해 구조물의 형상, 물성치, 지지조건을 반영하여 모델링을 진행하였다.

대상 데이터

시뮬레이션 모델의 재질은 구조용 강(Young’s Modulus : 200 GPa, Poisson’s ratio : 0.3, Density : 7870 kg/݉m³)으로 하였으며 각 부분별 접촉조건으로 볼트 체결부위는 연결점을 공유하는 것과 유사한 조건인 Bonded로 하였고 베이스 바닥부분은 Fixed로 하였다. 또한 인출로 하부에 5 ton의 하중을 적용시켰다.

성능/효과

2) Draw Tower의 고유진동수 1.6 Hz는 Fig. 11과 같이 Draw Tower가 좌․우로 흔들리는 Mode이며 이를 최소화하기 위하여 지지 Bracket을 설치하여 56.7%의 진동량 감소 효과를 보았다.
3) Draw Tower의 고유진동수 19.0 Hz, 25.1 Hz는 Fig. 11와 같이 Beam 2차, 3차 Mode 형태이며 이를 최소화하기 위하여 Fig. 13과 같이 Frame질량을 증가/감소시켰으며 그 결과 약 47%의 진동량 감소 효과를 보았다.
4) 본 설계안을 적용하여 Draw Tower를 제작한 결과 Draw Tower의 진동억제를 통한 불량률의 혁신적 감소는 물론 수입된 장비보다 제작 및 Maintenance에 있어 커다란 경비절감의 효과를 가져올 수 있을 것으로 사료된다. 또한 본 연구의 결과는 현재 다양한 공장에서 사용되고 있는 각종 장치의 동특성 분석 및 생산성 향상에 직결되는 고속 작동화를 위한 설계개선의 자료로 활용될 수 있을 것이다.
75 Hz에 해당되며 1200 mpm은 25 Hz에 해당한다. Capstan의 작동속도가 구조물의 고유진동수[18.7, 24.6 Hz]와 공진하여 Draw Tower 및 내부 Module의 내구성을 저하시킴은 물론 품질에 악영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다. 아래 Fig.
14는 개선안 적용 전후의 진동을 Computer Simulation으로 비교한 것이며 Table 5는 이를 통해 얻은 고유진동수 변화를 나타낸다. 본 구조 안정화 설계 연구를 통해 Draw Tower의 진동이 87.4% 소멸되었으며 Frame 질량 감소로 기존의 18 ton이던 장비가 11.5 ton으로 줄어 제조 원가 절감에도 크게 기여할 수 있어 이를 최종 개선안으로 결정하였다.
실험 및 시뮬레이션을 통하여 얻어진 고유진동수를 비교한 결과 Table 2에서 볼 수 있듯이 두 경우의 오차가 5% 이하로 실험 결과와 시뮬레이션에 의한 분석 결과가 잘 일치하므로 시뮬레이션 모델이 실제 장비의 특성을 잘 반영하고 있으며 이 모델을 이용하여 설계 개선을 진행할 수 있다.
주파수 분석 실험결과 1, 2차 고유진동수의 경우는 작동속도 영역에서 멀리 떨어져 있어 공진의 가능성은 극히 적으므로 강성을 강화하는 것이 가장 바람직하다. 18～ 30 Hz 구간에 존재하는 19.

후속연구

4) 본 설계안을 적용하여 Draw Tower를 제작한 결과 Draw Tower의 진동억제를 통한 불량률의 혁신적 감소는 물론 수입된 장비보다 제작 및 Maintenance에 있어 커다란 경비절감의 효과를 가져올 수 있을 것으로 사료된다. 또한 본 연구의 결과는 현재 다양한 공장에서 사용되고 있는 각종 장치의 동특성 분석 및 생산성 향상에 직결되는 고속 작동화를 위한 설계개선의 자료로 활용될 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

광섬유 시장 성장의 주요 요인은 무엇인가?

8%의 성장률로 증가하여 2021년에는 50억 달러에 이를 것으로 전망된다. 4G, 5G의 발전 및 데이터 센터의 증가 등이 광섬유 시장 성장의 주요 요인이다.[1]

진동에 의한 전단응력의 존재로 Mohr’s Circle의 지름을 크게 하여 응력이 커지며 응력의 작용 방향이 계속 변하게 되는데 이 의미는 무엇인가?

진동에 의한 전단응력의 존재로 Mohr’s Circle의 지름을 크게 하여 응력이 커지며 응력의 작용 방향이 계속 변하게 된다. 즉, 진동의 크기는 시간에 따라 변화하므로 전단 응력의 크기가 변하게 되어 최대 전단응력 값이 계속 달라지므로 Cable이 받는 응력 값이 달라지면서 Cable의 직경이 변하게 되고 진동이 클수록 이 변화가 심해져 그에 따라 Cable의 단선 발생 가능성이 크며 인출 공정에서 단선이 되지 않더라도 다음 공정에서 단선될 가능성도 그만큼 커진다.

광섬유 제조공정 중 드로잉 공정 장비란?

이 두 가지는 광섬유 산업의 부가가치를 결정하는 매우 중요한 사항이다. 광섬유 제조공정 중 드로잉 공정 장비는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 제작된 모재를 광섬유로 인출하는 장비로, 이 장비의 진동은 가공정도를 해칠 뿐 아니라 단선을 일으켜 불량률을 높이고 제품 및 가격 경쟁력에 큰 악영향을 미친다.

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