[논문]장력과 사행거동의 상호작용에 관한 실험적 연구

신기현; 권순오

문제 정의

기존의 수학적 모델에 기초한 사행거동 연구에서는 이러한 장력과 사행간의 상호영향이 고려되지 못했다. 따라서 본 연구에서는 기존 모델 이 가진 한계점에 대해 실험적인 방법을 통해 시스템의 운전조건들이 소재의 사행거동 에 미치는 영향을 해석하고, 나아가 장력 및 사행제어시의 교차연동 제어방안을 도출하 고자 한다. 사행 및 장력 거동은 소재의 탄성계수, 스팬의 길이, 운전속도, 운전장력, 롤 러의 기울임각도, 롤러 및 소재의 표면 거칠기 및 마찰력, 롤러의 직경, 소재의 공기투 과율 등, 매우 많은 변수들의 영향을 받는다고 알려져 있다.
본 연구를 통해 기존의 장력 및 사행제어 시스템이 서로 상호영향을 미침을 실험적으 로 확인하였다. 특히 특정범위의 운전조건하에서는 이러한 영향이 기존의 소재의 사행 위치만을 되먹임하는 독립적인 사행제어 시에 과도구간 오차를 유발하게 됨을 확인하였다.
사행 및 장력 거동은 소재의 탄성계수, 스팬의 길이, 운전속도, 운전장력, 롤 러의 기울임각도, 롤러 및 소재의 표면 거칠기 및 마찰력, 롤러의 직경, 소재의 공기투 과율 등, 매우 많은 변수들의 영향을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 다양한 시스템 운전 변수들 중, 대표적인 시스템 운전 변수라 할 수 있는 운전장력 및 속 도, 장력 변화량과 가이더 롤의 변위 또는 회전각도를 중심으로 사행변위에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하고자 하였다.

가설 설정

6) 소재의 폭방향 위치의 변화는 장력제어를 위해 되먹임되는 장력의 평균값 (Average tension or resultant tension foce)에는 영향을 미치지 못한다.

제안 방법

Fig. 2에서 두 번째 가이더 롤의 축방향변위(Z)를 lOmin로 일정하게 유지하고, 소재 의 장력을 운전장력으로부터 5kgf 증가시킬 때, 소재 사행변위의 변화를 측정하였다. 실험에 사용된 소재는 두께 14 Um, 폭 330nun의 폴리프로필렌(polypropylene)이다.
동일한 장력 변화량(dt23=5kgf)에 대해 가이더 롤의 기울임 각을 다양하게 변화시키면 서 실험을 수행하였다. Fig.
정상상태 운전조건(장력과 속도에 도 달한 후, 두 번째 가이더의 롤을 설정된 위치(Z)로 이동시킨다. 소재의 변위가 안정화 도록 충분한 시간(약 10초)이 지난 후, 장력을 변화시키고 데이터들을 계측한다. 실험을 완료하기 위해 장력을 원래의 운전장력으로 회복시키고, 두 번째 가이더의 위치도 원래 의 중앙 위치로 되돌린 후, 감속하여 시스템을 정지시킨다.
실험을 완료하기 위해 장력을 원래의 운전장력으로 회복시키고, 두 번째 가이더의 위치도 원래 의 중앙 위치로 되돌린 후, 감속하여 시스템을 정지시킨다. 이러한 실험 순서에 따라 주어진 실험조건에 대한 실험을 수행하여 측정된 데이터들을 분석하였다.
장력변화와 사행거동간의 상호 영향을 실험적으로 확인, 분석하기 위해서 가능한 다양한 변수들을 측정할 수 있도록 하였으며, 측정된 변수들은 아래와 같다.
실험을 위한 시뮬레이터의 운전순서는 다음과 같다. 장력제어를 수행하면서기준 운전 장력과 운전속도로 시뮬레이터를 가속을 한다. 이때, 첫 번째 가이더를 이용하여 웹의 위치가 롤의 중앙을 지나도록 제어한다.

대상 데이터

2에서 두 번째 가이더 롤의 축방향변위(Z)를 lOmin로 일정하게 유지하고, 소재 의 장력을 운전장력으로부터 5kgf 증가시킬 때, 소재 사행변위의 변화를 측정하였다. 실험에 사용된 소재는 두께 14 Um, 폭 330nun의 폴리프로필렌(polypropylene)이다. Fig.
실험을 위해 구성된 웹 가이딩 시스템은 Fig. 2에서와 같이 사행외란을 발생시키위한 오프셋 피봇 가이더 1세트(set)와 발생된 사행외란의 제어를 위한 오프셋 피봇 가이 더 1세트로 구성되었다.

성능/효과

1) 운전속도와 운전장력에 따라 장력의 동적변화가 소재의 사행거동에 영향을 미치는 영역과 상호영향이 나타나지 않는 운전영역이 존재한다. 이러한 운전영역은 비구동롤러인 가이더 롤러와 소재의 이송속도가 동일한 경우에는 장력변화에 따른 사행변위의 변화가 없는 경우인 것으로 판단된다.
2) 장력과 사행변위간의 상호영향이 나타나는 범위내에서, 초기 운전장력이 높을 수 록 장력변화에 따른 사행변위의 변화는 작아진다.
3) 일정한 운전속도와 운전장력으로부터 장력의 변화량이 증가할수록 사행 변위는 특정한 범위내에서 증가하는 성향을 보인다.
4) 기준 운전장력과 장력변화량이 동일한 경우, 운전속도가 증가함에 따라 사행변위의 변화는 크게 나타남을 확인하였다.
5) 롤러의 축방향 변위(Z) 또는 이에따른 롤 기울임 각도가 증가할 수록, 장력변화에 대한 사행변위도 증가한다.
초기 운전장력이 높을수록 추가적인 장력변화가 소재의 사행변 위에 미치는 영향이 감소함을 확인할 수 있고, 이송속도가 증가할수록 그 영향이 커 짐을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 주어진 운전속도 및 운전장력으로부터 장력변화가 사행변위의 변화에 영향을 미칠 뿐 아니라, 이러한 영향이 나타나지 않는 운전조건 이 존재함을 예상할 수 있다.
3은 동일한 장력변화량(5kgf)이 발생할 때, 초기 운전장력에 따른 사행변위의 변 화량을 나타낸 것이다. 초기 운전장력이 높을수록 추가적인 장력변화가 소재의 사행변 위에 미치는 영향이 감소함을 확인할 수 있고, 이송속도가 증가할수록 그 영향이 커 짐을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 주어진 운전속도 및 운전장력으로부터 장력변화가 사행변위의 변화에 영향을 미칠 뿐 아니라, 이러한 영향이 나타나지 않는 운전조건 이 존재함을 예상할 수 있다.
본 연구를 통해 기존의 장력 및 사행제어 시스템이 서로 상호영향을 미침을 실험적으 로 확인하였다. 특히 특정범위의 운전조건하에서는 이러한 영향이 기존의 소재의 사행 위치만을 되먹임하는 독립적인 사행제어 시에 과도구간 오차를 유발하게 됨을 확인하였다. 그 결과를 간단히 정리하면 다음과 같다.

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