[논문]폐콘크리트로부터 순환골재 생산하기 위한 2-roll 파쇄기 장치개발

박중언; 권혁준; 성주환; 안석태; 안선희

문제 정의

Gutter Roll Crusher 로 콘크리트 파쇄시 Roll 의 Deflection 및 Rotation 에 의한 일정한 Crushing strength 을 유지하기 위해 중앙부를 대폭 수정하였으며 shearing stress, Compressive stress 증가시켜 생산량을 증가시키기 위해 폐콘크리트 순환골재를 생산하기 핵심장치인 Gutter Roll Crusher 개발하고자 한다.
파쇄공정에 있어서 문제를 일으키지 않는 범위에서 Deformation 일어나는지 yield breaking 의 위험은 없는지 검증하였다. 또한 장치의 완성 후 또한 장치의 완성 후 Design Safe working load 파쇄 중에 힘이 가해졌을 때 설계에 따라 장치가 견딜 수 있는지 Deformation 양상은 어떠한지를 살펴보았다. Gutter Roll 의 Stress analysis 을 위해 상용 유한요소 해석프로그램을 사용하였다.

제안 방법

Roll Crusher 설계타당성과 안정성을 검증하기 위하여 Roll 형상변경에 따른 Structural analysis 을 하였다. LS-dyna 의 analysis 결과의 reaction force 을 Structural analysis 의 Road Condition 으로 부여하고 Roll rotation 에 따른 Strength 와 strain 및 Stress distribution 를 계산하였다.
Roll Crusher 설계타당성과 안정성을 검증하기 위하여 Roll 형상변경에 따른 Structural analysis 을 하였다. LS-dyna 의 analysis 결과의 reaction force 을 Structural analysis 의 Road Condition 으로 부여하고 Roll rotation 에 따른 Strength 와 strain 및 Stress distribution 를 계산하였다. 파쇄공정에 있어서 문제를 일으키지 않는 범위에서 Deformation 일어나는지 yield breaking 의 위험은 없는지 검증하였다.
LS-dyna 의 analysis 결과의 reaction force 을 Structural analysis 의 Road Condition 으로 부여하고 Roll rotation 에 따른 Strength 와 strain 및 Stress distribution 를 계산하였다. 파쇄공정에 있어서 문제를 일으키지 않는 범위에서 Deformation 일어나는지 yield breaking 의 위험은 없는지 검증하였다. 또한 장치의 완성 후 또한 장치의 완성 후 Design Safe working load 파쇄 중에 힘이 가해졌을 때 설계에 따라 장치가 견딜 수 있는지 Deformation 양상은 어떠한지를 살펴보았다.
General roll 과 Gutter Roll type 의 성능평가를 위해 유한요소해석하여 General roll 과 Gutter Roll type 을 비교하였다. 먼저 콘크리트의 유입 시 작용하는 Fictional force 을 평가하기 위해, 이와 비례관계를 가지는 Fiction energy 를 검토하였다.
General roll 과 Gutter Roll type 의 성능평가를 위해 유한요소해석하여 General roll 과 Gutter Roll type 을 비교하였다. 먼저 콘크리트의 유입 시 작용하는 Fictional force 을 평가하기 위해, 이와 비례관계를 가지는 Fiction energy 를 검토하였다. 그림 5 에서 Gravity 을 무시하였을 경우 General roll 은 Fiction energy 가 거의 나타나지 않았으나, Gutter Roll 은 Fiction energy 가 증가하였는데, 이는 Gravity 이 없어도 Roll 사이로 콘크리트가 자가 유입되고 있음을 나타낸다.
Gutter Roll 의 파쇄조건을 결정하기 위해 Roll 의 Rotation speed 와 Roll Gab 에 대하여 평가하였다. Gutter Roll 의 적정 Rotation speed 결정을 위하여 Gab 10mm 일 때, Roll 의 Rotation speed (10, 30, 60 rpm)에 대한 Analysis 을 실시하였다.
Gutter Roll 의 파쇄조건을 결정하기 위해 Roll 의 Rotation speed 와 Roll Gab 에 대하여 평가하였다. Gutter Roll 의 적정 Rotation speed 결정을 위하여 Gab 10mm 일 때, Roll 의 Rotation speed (10, 30, 60 rpm)에 대한 Analysis 을 실시하였다. 그림 7 에서 Roll 의 Rotation speed 에 따른 Roll 의 Reaction force 은 약 260N(26.
Gutter Roll Crusher 제작을 위한 Structural analysis 및 Process analysis 을 통하여 폐콘크리트를 이용한 순환골재 Production system 을 제작하기 위한 실험장치를 설계, 제작하였다. Gutter Roll Crusher 제작을 위해서는 Crusher 의 성능에 영향을 주는 각종요소부품인 Crusher roll, Bearing, housing 및 간격(Gap)조정장치의 구조, Transmission system 등의 구성요소에 대한 설계한 후 Gutter Roll type crusher 는 주강 프레임 구조로 제작을 하였고 Roller 는 고하중 고속에 견디고 또 장시간에 걸쳐 높은 Rotation precision 유지하도록 하였으며 그림 9 와 같이 Gutter roll type 실험장치를 제작하였다.
Gutter Roll Crusher 제작을 위한 Structural analysis 및 Process analysis 을 통하여 폐콘크리트를 이용한 순환골재 Production system 을 제작하기 위한 실험장치를 설계, 제작하였다. Gutter Roll Crusher 제작을 위해서는 Crusher 의 성능에 영향을 주는 각종요소부품인 Crusher roll, Bearing, housing 및 간격(Gap)조정장치의 구조, Transmission system 등의 구성요소에 대한 설계한 후 Gutter Roll type crusher 는 주강 프레임 구조로 제작을 하였고 Roller 는 고하중 고속에 견디고 또 장시간에 걸쳐 높은 Rotation precision 유지하도록 하였으며 그림 9 와 같이 Gutter roll type 실험장치를 제작하였다.
Motor power 을 Roll 에 전달하기 위해 Motor, coupling, decelerate, Spindle, Roll Coupling 등의 기계요소를 Roll crusher에 요구되는 기능에 따라 설계하여 Roll 구동계를 구성하였고, Crusher 의 조작스위치는 기계의 Auto-run, Manual maneuver 으로 하여 Control s/w 조작에 의해 이루어지게 하였다.

데이터처리

또한 장치의 완성 후 또한 장치의 완성 후 Design Safe working load 파쇄 중에 힘이 가해졌을 때 설계에 따라 장치가 견딜 수 있는지 Deformation 양상은 어떠한지를 살펴보았다. Gutter Roll 의 Stress analysis 을 위해 상용 유한요소 해석프로그램을 사용하였다. 그림 1 에서 보는 것과 같이 General roll 과 Gutter Roll type roll 전후 좌우대칭 현상을 갖고 있으므로 1/4 모델의 analysis 하여도 충분하게 된다.

성능/효과

LS-dyna 의 analysis 결과 General roll 의 콘크리트 파쇄시 약 355N, Gutter Roll Roller 의 콘크리트 파쇄시 약 260N 의 힘이 Roll 에 작용하였다. Roll 의 초기작용력의 약 4 배에 해당하는 힘을 부여하여 General roll 은 1420N, Gutter Roll 은 1040N 으로 analysis 을 수행한 결과, Stress 가 General roll 은 1.6MPa, Gutter Roll 은 1.9MPa, 발생변위는 모두 0.007mm 로 나타났다. 따라서 Roller 의 재질이 Nickel chrome steel 으로 Yield strength 에 비해 Stress 미미하므로 Roller Strength 및 Durability 에는 크게 영향이 없는 것으로 판단된다.
이는 General roll 의 경우, 콘크리트가 analysis 초기유입이 되지 않고 있다가 유입이 시작되면 잠시 동안 Friction factor 의해 Rotation 을하기 때문에 Roll 에 발생하는 상대 Frictional force 이 모두 강체 Rotation 에 의한 운동에너지로 변환되기 때문이다. 따라서 Frictional force 에 의한 자가 유입이 원활한 Gutter Roll 이 General roll 에 비해 콘크리트의 파쇄 및 productivity 이 우수할 것으로 판단된다. 그림 6 에서 콘크리트 파쇄 시 Roll 의 Reaction force 을 통한 General roll 과 Gutter Roll 의 파쇄양상을 평가하였다.
본 연구에서는 폐콘크리트의 순환골재 생산하기 위해 기존의 일반적인 General roll 을 개선하여 Gutter Roll Crusher analysis 을 실시한 결과 Crusher Roll 의 Design Demonstrate the superiority 및 Safety 입증 하였고 유한요소해석을 통해 Frictional force 에 의한 콘크리트의 자가 유입이 원활한 Gutter Roll 이 General roll 에 비해 처리용량이 크고 순환골재의 productivity 우수할 것으로 판단되며, Reaction force 은 General roll 보다 Gutter Roll 이 작게 나타나는데 이는 Gutter Roll 이 좌우 방향뿐만 아니라 상하 방향으로도 힘이 가해지기 때문이다. Gutter Roll 의 Reaction force 감소로 인해 Roll 의 수명연장 및 전체적인 Plant size 를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

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