[논문]자주포용 발사지지대의 멈춤현상 방지를 위한 설계개선 연구

김성훈; 박영민; 노상완; 박대훈

doi:10.5762/kais.2020.21.5.443

자주포용 발사지지대의 멈춤현상 방지를 위한 설계개선 연구
A Study on the Design Improvement to prevent the stoppage phenomenon of Launch Support Device for Self-Propelled Artillery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.5, 2020년, pp.443 - 450

김성훈 (국방기술품질원 기동화력센터) , 박영민 (국방기술품질원 기동화력센터) , 노상완 (국방기술품질원 기동화력센터) , 박대훈 (한화디펜스 체계기술팀)

초록
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본 논문은 K105A1자주포에 적용중인 발사지지대 장치에서 발생한 하강운용간 멈춤현상을 해소하기 위한 설계 개선에 관한 연구이다. K105A1자주포는 기존의 105mm 견인곡사포를 차량에 탑재하여 기존의 궤도장비보다 신속한 기동성을 확보한 무기체계로써 사격충격력 및 부하를 지지하기 위해 발사지지대가 적용되어 있다. 이러한 발사지지대는 사격 전 지면에 단단히 고정되고 사격제원 유지, 차체 자세제어 등 사격임무 수행에 중추적인 역할을 하여 성능발휘에 대한 높은 신뢰성이 요구된다. 그러나, 야전운용시험 간 발사지지대를 설치하는 중 간헐적인 멈춤현상이 발생하여 지면에 고정되지 못하는 문제가 발생하였다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 야전에서의 재연시험 및 부품단위 분해검사를 통해 고장원인을 분석 및 검토하였다. 더불어 발사지지대의 운용개념, 작동 메커니즘 및 구성품 단위의 설계분석을 통해 근본적인 원인을 도출하고 이를 해소하고자 관련된 부품의 설계를 변경하여 발사지지대의 멈춤현상을 해소하였다. 마지막으로 설계변경사항의 효과성을 확인하고자 완성체계 상태에 적용하여 발사지지대 성능 및 사격임무 수행이 정상적으로 이루어짐을 확인 및 입증하였다. 이에 따라, 본 연구에서는 K105A1자주포 발사지지대의 성능에 대한 안정성 및 신뢰성을 확보하였으며, 본 연구가 향후 군용장비 및 유사품목 개발시 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports a design improvement study to solve the stoppage phenomenon caused by the launch-support device applied to K105A1. The K105A1 is a weapon system equipped with an old 105 mm towed howitzer in a wheeled vehicle, which provides superior maneuverability compared to track equipment. The launch support device serves to withstand fire impact and load. In this way, this device is fixed firmly to the ground in preparation for the shooting mission and is responsible for the critical performance, such as fixing the position of the vehicle. On the other hand, during the field test, a temporary stoppage of the launch support occurred, which caused a problem of not being fixed to the ground. To solve this problem, the cause of failure was analyzed by a replay test and parts inspection. In addition, the operating concept, method, and design were analyzed to derive the cause and solve the problem by changing the parts design. Finally, the performance and firing missions were performed normally by applying the changed design to K105A1. The performance stability and reliability of the launch support device were confirmed, which are expected to be of great assistance in the development of military equipment in the future.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Mounting position of Launch Support Device (LSD)
그림 Fig. 2. Structure of LSD
그림 Fig. 3. Current Variance of LSD
그림 Fig. 4. Stoppage phenomenon of LSD
그림 Fig. 5. Procedure for checking current variance
그림 Fig. 6. Current variance(Nomal state, Flat ground)
그림 Fig. 7. Current variance(abnormal state, Flat ground)
그림 Fig. 8. Procedure for checking LSD state
그림 Fig. 9. Result of inspect gear speed reducer
그림 Fig. 10. Result of inspect valve actuator
그림 Fig. 11. Abnormal assemble state of Hub (Key absent)
그림 Fig. 12. Damaged key shape
그림 Fig. 13. Active/Release of Brake part
그림 Fig. 14. Shape of caulking work for hub
표 Table 1. Result of caulking work
그림 Fig. 15. Shape applied snap-ring
그림 Fig. 16. Schematization of Brake part
그림 Fig. 17. Catalog of brake part (producer)
그림 Fig. 18. Result of Simulation for Snap-ring
표 Table 2. Result of LSD Test for Vehicle

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 K105A1자주포 발사지지대 정지현상을 개선하기 위한 설계 최적화 방안에 대해 연구하였다. 재현 시험, 부품검사 및 설계분석을 통해 원인을 도출하고 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 따라 본 연구에서는 K105A1자주포의 전기식 발사지지대 고장현상에 대해 입력전류 변화량 분석을 토대로 원인을 식별하고, 브레이크 조립체의 조립성 검토, 브레이크 패드의 기능 및 통제개념 적절성, 허브에서 견딜 수 있는 충격력에 대한 안전율 등 고장 메커니즘 분석을 수행하였다[3]. 이를 통해 근본적 개선방안을 도출하였으며 목표지점에 타격하지 못하거나 사격 정확도가 떨어지는 등의 문제를 해결하고자 수행한 연구내용에 대해 기술하였다.
7mm로 고정되기에 충분하지 않은 것으로 확인 하였다. 이에 따라 브레이크 수동 해제로 인한 허브의 이탈을 근본적으로 예방하고자 설계개선을 수행하였다.

제안 방법

발사지지대가 멈추기 직전 비정상적인 소음이 발생하였고, 전류 변화량 분석을 통해 비정상 부하가 발생한 것으로 추정되어 Fig. 8의 분해 및 분석절차에 따라 동력 계통의 부품검사와 설계측면의 검토를 수행하였으며 주요 결과는 다음과 같다.
설계측면에서 분석한 결과 발사지지대의 수동구동을 위해 운용자가 직접 브레이크 해제할때 발생하는 상승력으로 인해 그 힘이 허브에 영향을 미쳐 부품이 이탈됨을 확인하였으며, 이를 물리적으로 개선하기 위해 스냅링을 적용하였다.
1에서 언급한 전기적인 구동제어 방식은 산업 전반에 활용되고 있으며, 특정 현상의 고장분석 및 탐구를 위한 중요한 정보를 제공한다[5]. 원인을 도출하기 위해 문제발생 당시와 동일한 환경을 구성하고 재연시험을 통해 전류의 변화량을 관찰하였다.
이에 따라 본 연구에서는 K105A1자주포의 전기식 발사지지대 고장현상에 대해 입력전류 변화량 분석을 토대로 원인을 식별하고, 브레이크 조립체의 조립성 검토, 브레이크 패드의 기능 및 통제개념 적절성, 허브에서 견딜 수 있는 충격력에 대한 안전율 등 고장 메커니즘 분석을 수행하였다[3]. 이를 통해 근본적 개선방안을 도출하였으며 목표지점에 타격하지 못하거나 사격 정확도가 떨어지는 등의 문제를 해결하고자 수행한 연구내용에 대해 기술하였다.
기존의 수행되었던 코킹작업은 도면에 반영되어 있지 않을 뿐만 아니라, 작업자의 일솜씨에 따라 제작편차가 불가피하게 발생한다. 이에 따라 품질이 동일하게 확보되고 야전에서의 정비성 등을 고려하여 설계개선 방안을 수립하였다.
본 연구는 K105A1자주포 발사지지대 정지현상을 개선하기 위한 설계 최적화 방안에 대해 연구하였다. 재현 시험, 부품검사 및 설계분석을 통해 원인을 도출하고 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
해당 문제가 발생하지 않은 정상적인 장비를 평탄한 지면에 위치시키고 좌측 발사지지대에 하강명령을 인가하였다. 하강 도중 발판부에 인위적으로 부하를 가하고 상용 소프트웨어인 Real DSP사의 DataMon을 활용하여 Fig. 5 분석절차를 따라 전기모터에 인가되는 전류의 크기 및 변화량의 추이를 관찰하였다.

성능/효과

17의 부품제원과 지렛대의 원리를 적용하여 Eq. (1)과 같이 허브에 미치는 최대상승력을 계산하였으 며, 최대 1,254.3N으로 확인되었다.
K105A1 자주포 발사지지대 정지현상은 브레이크의 조립성을 확인한 결과, 주요 부품의 이탈 및 끼임으로 인해 발생하였음을 확인하였다.
개선된 설계를 발사지지대에 적용한 결과 단품상태에서의 모든 성능시험 규격을 만족하며, 체계장비에 장착한 상태에서도 발사지지대가 정상적으로 작동하여 운용 및 성능에 대한 신뢰성을 확보하였다.
문제가 발생한 발사지지대를 분해점검한 결과 감속기 조립체 구성품 간 간섭, 손상 및 이물질 유입 등 기계적 결함은 발견되지 않았으며, 각 부품을 분해하여 확인한 결과 특이사항은 발견되지 않았다.
발사지지대가 하강하기 위해 브레이크가 해제됨과 동시에 허브는 회전운동을 통해 구동력을 전달하여야 하지만 허브가 상부로 이탈되고 허브와 기어축을 고정하는 키가 이탈됨에 따라 부품간의 끼임이 발생하였음을 확인하였다.
2와 같이 확인하였다. 발사지지대의 상승 및 하강상태, 수동구동 작동력 등 규격에 명시된 요구항목에 대해 성능을 만족하는 것으로 확인되었다. 이에 따라 설계개선사항이 기존에 발생했던 발사지지대 멈춤현상 문제가 재발되지 않는 것을 입증하였다.
시뮬레이션 S/W(ANSIS Mechanical 2019 R2)를 활용하여 축에 의해 구속되는 스냅링의 Z방향 변위를 구속한 뒤, 최대상승력(1,254.3N)이 접촉부에 모두 작용하는 조건에서 스냅링에 작용하는 최대 응력은 Fig. 18과 같이 130Mpa 수준임을 확인하였다. 이를 바탕으로 허 브로부터 스냅링에 가해지는 축방향 상승력을 견딜 수 있고 부품이 장착될 수 있는 구조와 시중에 널리 활용되 는 제품을 확인한 결과 KSB 1336 규격에서 쓰이는 스냅링 제품이 적합한 것으로 판단되었다[7].
이로 인해 부품끼임으로 인한 과부하가 발생하였고 급격한 전류값의 변화로 인해 전시통제기는 지면도달이 완료된 것으로 인지하여 발사지지대에 구동정지 명령을 하달한 것으로 확인하였다.
18과 같이 130Mpa 수준임을 확인하였다. 이를 바탕으로 허 브로부터 스냅링에 가해지는 축방향 상승력을 견딜 수 있고 부품이 장착될 수 있는 구조와 시중에 널리 활용되 는 제품을 확인한 결과 KSB 1336 규격에서 쓰이는 스냅링 제품이 적합한 것으로 판단되었다[7]. 해당되는 소재의 항복 전단응력(약 730Mpa)과 스냅링의 최대응력 을 비교하였을 때 상당한 안전율을 확보하는 것으로 확인되었다[8,9].
좌측 브레이크 조립성 확인 결과, Fig. 11과 같이 브레이크의 멈춤/구동과 같은 구동력을 발사지지대로 전달하는 역할을 하는 기어축, 허브, 핀이 비정상적으로 이탈된 것을 확인하였다. 더불어 키에는 외력에 의한 손상이 함께 발견되었다.

후속연구

본 연구결과는 향후 개발되는 군용장비 및 유사한 지지대 설계 최적화에 대한 자료로 활용될 것으로 기대한다.
본 연구는 군수품 분야에 적용된 전기식 지지대에 대한 최초의 설계개선 연구로써 큰 의미가 있으며 향후 지지대를 적용하는 무기체계 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	K105A1자주포란 무엇인가?	K105A1자주포는 기존에 야전에서 운용중이던 105밀리 견인곡사포를 차량에 탑재한 무기체계로 수동으로 포를 조준 및 고정한 것에서 탈피하여 자동사격통제장치, 관성항법장치 등을 적용하여 자동으로 포를 정렬할 수 있는 장비이다. 특히 사격 시 차체 안정성을 향상시키기 위해 차량 중심부에 전기식 발사지지대가 적용되어 있으나, 야전에서 발사지지대를 하강시키는 도중 정지하는 현상이 발생하여 원인 분석이 필요한 상황이었다.
	현재의 K105A1자주포의 문제점은 무엇인가?	K105A1자주포는 기존에 야전에서 운용중이던 105밀리 견인곡사포를 차량에 탑재한 무기체계로 수동으로 포를 조준 및 고정한 것에서 탈피하여 자동사격통제장치, 관성항법장치 등을 적용하여 자동으로 포를 정렬할 수 있는 장비이다. 특히 사격 시 차체 안정성을 향상시키기 위해 차량 중심부에 전기식 발사지지대가 적용되어 있으나, 야전에서 발사지지대를 하강시키는 도중 정지하는 현상이 발생하여 원인 분석이 필요한 상황이었다.
	발사지지대는 무엇으로 구성되어 있는가?	발사지지대는 Fig. 2와 같이 크게 구동모터와 감속기 조립체, 브레이크조립체, 구동기조립체로 구성되어 있으며, 상단부의 전기식 구동모터에 의해 구동력이 발생되고 감속기조립체, 볼나사조립체로 이어지는 구동계통에 따라 상승/하강 동작이 이루어진다. 지면까지 하강이 완료되었을 경우, 지면으로부터 차량을 단단하게 지지하는 기능을 수행한다.

참고문헌 (9)

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H. J. Yoon, Y. W. Nam, K. S. Park, "A Study on Reliability Improvement of BLDC Motor for Combat Vehicle in High Temperature Environment", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.17, No.5, pp.97-102, Oct. 2018. DOI: https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.5.09
J. H. Kim, Electrical Characteristic and thermal aging analysis of motor by durability overcurrent, Ph.D dissertation, Graduate School of Hanyang University, pp.10-11, Feb. 2012.
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S. C. Hwang, J.G. Kim, "Caulking and Gap Analysis for a Ball Joint", Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol.35, No.9, pp.1077-1082, Sep. 2011. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2011.35.9.1077

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K. S. Lee, J. H. Song, "Estimation Methods for strain-life fatigue properties from hardness", International Journal of Fatigue, Vol.28, No.4, pp.386-400, April 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2005.07.037

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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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