[논문]고효율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임의 구조설계에 관한 연구

이성욱; 심재준; 한동섭; 박종서; 한근조; 이권순; 김태형

고효율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임의 구조설계에 관한 연구
A Study on Structural Design of Conveyor Frame for High Efficiency Gantry Crane 원문보기

이성욱 (동아대학교 기계공학과 대학원) , 심재준 (동아대학교 기계공학과 대학원) , 한동섭 (동아대학교 기계공학과 대학원) , 박종서 (동아대학교 기계공학과 대학원) , 한근조 (동아대학교 기계공학과) , 이권순 (동아대학교 전기전자컴퓨터공학부) , 김태형 (경남정보대학 기계자동차산업학부)

본 연구에서는 컨테이너의 하역작업 시간을 단축함으로써 항만 하역 능률을 향상시킬 수 있는 고효율 갠트리 크레인의 필수 구조인 컨베이어 프레임의 구조설계를 수행하였다. 이것은 작업시 프레임 상부에 얹혀지는 컨테이너의 중량과 컨베이어 프레임의 자중으로 인하여 굽혀지게 되므로 본 연구에서는 프레임의 굽힘응력과 처짐이 설정값을 만족하면서 자체의 중량을 최소화할 수 있도록 ANSYS를 이용한 치수 최적화를 통하여 프레임의 두께를 설계하였다.

In this study the structural design of conveyor frame was carried out for the high efficiency gantry crane which can improve the productivity of the container transportation job by reducing cycle time. When the gantry crane was operated, the conveyor frame was deflected largely by its deadload and the total weight of containers placed on it. Therefore thicknesses of conveyor frame to minimize its deadload were designed by the size optimization using ANSYS program as the bending stress and the deflection of frame due to this simulation satisfied their required values.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 설계되어 있는 고효율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임(conveyor frame)에 대한 구조해석을 실시하여 강도 및 강성적 안전성을 평가하고, 각 프레임 두께에 관한 치수최적설계를 수행함으로써 강도 및 강성적으 로 충분한 안전율을 가지면서도 경량화를 꾀할 수 있는 고효 율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임을 설계하고자 하였다.

가설 설정

컨베이어 프레임의 하부 포털빔 양단은 크레인의 해츠과 육 측 레그에 용접되므로 실제적인 영향을 분석하기 위해人 는 크 레인 전체를 모델링하여야 한다. 그러나 본 연구에서는 컨테이 너 적재로 인한 하중 작용시 컨베이어 프레임 자체에 굽힘응력 과 처짐 분석에 중점을 두었으므로 하부 포털빔 양단(Fig. 5의 A 부분)을 모든 자유도에 대하여 완전고정하였다. 그리그 Fig.

제안 방법

71런데 컨베이어 프레임의 기학적 형상이 좌우 대칭형이며, 작용되는 하중의 경우도 세로방향 프레임 위에 컨테이너 프레 임이 얹혀지게 되어 Fig.3의 z축을 중심으로 좌우 대칭을 이루 게 되므로 본 연구에서는 컨베이어 프레임의 유한요소모델을 z 축을 기준으로 한 좌우 대칭모델로 생성하여 유한요소해석을 수행하였다.
강도 및 강성적 조건을 만족하는 컨베이어 프레임의 경량화 를 위해 다음과 같이 치수최적화를 수행하였다.
고효율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임의 설계 두께는 모두 4mm로 동일하였고 높이(跖)는 100mm였다. 그러나 이러한 설계치수는 구조적 검증이 이루어지지 않았기 때문에 본 연구에서는 설계된 치수를 적용한 유한요소해석을 우선 실시하여 프레임의 굽힘응'격과 처짐을 분석하였다.
따라서 컨테이너 1개의 중량을 40tonf로 할 때 최대 160tonf의 높은 하중이 컨베이어 프레임에 작용하게 되므로 설계시 프레임의 굽힘응력과 처짐에 관한 많은 고려가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 개념적으로 설 계가 이루어진 고효율 갠트리 크레인의 컨베이어 프레임에 대하여 구조해석을 실시함으로써 강도 및 강성적 안전성을 평가 하고, 각 프레임 두께에 관한 치수최적설계를 수행함으로써 강 도 및 강성적으로 충분한 안전율을 가지면서도 경량화를 꾀할 수 있는 고효율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임을 설계한다.
유한요소해석에 적용된 하중조건은 엘리베이터를 통히 이송 된 컨테이너가 트레일러의 지체등과 같은 기타 요인으로 인해 적체된 상황을 고려하여 4개의 컨테이너가 모두 얹혀진 상태로 하여 총 160tonf(컨테이너 1개의 중량 : 40tonf)의 흐卜중이 가로 방향 프레임에 균일하게 분포되는 것으로 하였다. 또한 더형 강 구조물이므로 자중의 영향도 함께 고려하였다.
프레임의 높이를 1000mm로 고정하고 전체 프레임의 두께 를 동일하게 변화시킬 경우에는 본 연구에서 설정한 허용기준을 만족할 수 없음을 4.1 절에서 확인함에 따라 Fig. 9와 같이 세로방향 프레임을 서로 분리시켜 그 영향을 분석하였다. 세로방향 프레임간의 간격을 증가시켜갈 때 컨베이어 프레 임에서 발생되는 최대 굽힘응력과 최대 수직변위는 Fig.

이론/모형

최적화 작업에 사용된 프로그램은 ANSYS 8.1 이며, 해석기 법으로는 전역적 최소값(global minimum)을 가장 적절하게 찾을 수 있는 일계법(冇rst order method)을 적용하였다 (ANSYS Inc., 1992).

성능/효과

1) 프레임의 두께가 1000mm로 고정되어 있고 프레임이 분리 되어 있지 않은 기본모델의 경우 프레임의 두께를 증가시 키더라도 최대 굽힘응력과 수직변위는 53.7MPa, 17.2如皿에 수렴되어 설계기준을 만족하지 않았다.
2) 상기와 동일한 모델이더라도 프레임이 분리되면 최대 굽힘 응력의 경우는 31~34%, 최대 수직변위는 20~28% 가량 감소되었다.
3) 동일한 프레임 높이에서 전체 컨베이어 프레임 두께 변화 나 세로방향 프레임을 분리시켜 얻어진 결과에 비해 프레 임의 높이를 변화시킬 경우 최대 굽힘응력과 최대 수직변 위가 크게 감소되었다.
4) 프레임의 각 두께와 높이를 설계변수로 지정하여 치수최적 화 수행 결과 프레임이 분리되지 않은 기본 모델과 분리된 모델에서 모두 설정기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었 으며, 목적함수인 체적은 기본모델이 분리된 모델보다 세로 방향 프레임이 2개 더 적음으로 4.3% 가량 작았다.
9mm로 허용변위보다 크게 발생하였다. 그리고 이 결과를 지수함수로 커브피팅을 수행한 결과 두께가 44mm일 때 최대 굽힘응력은 53.7MPa, 최대 수직변위는 17.2mm 에 수렴되므로 프레임의 높이가 1000mm로 고정되어 있을 때 프레임의 두께를 동일하게 변화시 키더라도 허용기준을 만족할 수 없음을 확인할 수 있었다.
컨베이어 프레임의 두깨가 동 일할 때 프레임의 높이를 변화시키면 최대 굽힘응력은 프레임 이 분리되지 않은 모델의 경우 57~67%, 프레임간의 간격이 50mm인 경우에는 47~62% 가량 감소하였다. 그리고 최대 수 직변위의 경우에는 각각 72~80%, 65~77% 가량 감소되었다. 이것은 동일한 프레임 높이에서 전체 컨베이어 프레임 두께 변화나 세로방향 프레임을 분리시켜 얻어진 결과에 비해 프레 임의 높이를 변화시킬 경우 최대 굽힘응력과 최대 수직변위가 월등히 감소될 수 있다는 것을 보여준다.
7, 8 에서와 같다. 프레임을 분리시킬 경우에는 그렇지 않을 경우보다 최대 굽힘응력의 경우 31~34%, 최대 수직변위의 경우 20~28% 가량 감소되는 효과를 얻을 수 있었으나 분리 간격 을 증가시킬 경우에는 거의 동일한 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 프레임을 서로 분리시키더라도 응력의 경우는 모든 두께 범위에서 설정기준을 만족하였으나 변위의 경 우든 모든 프레임의 두께가 12mm일 때 최대 수직변위가 14.
네임의 높이(X由)가 최초 설계치와 동일한 1000mm일 때 모든 프레임의 두께를 동일하게 변화시켜가며 유 한요소해석을 수행한 결과이다. 프레임의 두께가 모두 4mm인 경우 컨베이어 프레임에서 발생되는 최대 굽힘응력과 최대 수 직변위는 프레임의 안쪽 중앙부에서 발생하였으며 모두 본 연구에서 설정한 허용응력과 허용변위인 182.5MPa, 8.23mm보다 크게 발생하게 됨을 확인할 수 있었다. 또한 프레임의 두께를 12mm까지 2mm 간격으로 증가시키더라도 최대 굽힘응력은 허 용응력을 만족하였으나 최대 수직변위는 17.

후속연구

그러나 컨베이어 장치의 경우 엘리베이터를 통해 이송된 컨테이너를 서브 트롤리의 위치까지 횡방향으로 이송할 때 트 레일러가 지체되게 되면 컨베이어 프레임에 최대 4개의 컨테이 너가 동시에 적재된다. 따라서 컨테이너 1개의 중량을 40tonf로 할 때 최대 160tonf의 높은 하중이 컨베이어 프레임에 작용하게 되므로 설계시 프레임의 굽힘응력과 처짐에 관한 많은 고려가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 개념적으로 설 계가 이루어진 고효율 갠트리 크레인의 컨베이어 프레임에 대하여 구조해석을 실시함으로써 강도 및 강성적 안전성을 평가 하고, 각 프레임 두께에 관한 치수최적설계를 수행함으로써 강 도 및 강성적으로 충분한 안전율을 가지면서도 경량화를 꾀할 수 있는 고효율 갠트리 크레인용 컨베이어 프레임을 설계한다.

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