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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.1 pp.122-128
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.1.122

Study on the Improvement of Strength of Excavator Attachments Considering the Field Environment

Kwang-Sik Nam*, Jin-Kyu Choi*, Ho-Min Choi*, Jae-Ki Kim*, Sang-Hun Yeum**, Seok-Soon Lee*#
*School of Mechanical Engineering, ERI, Gyeonsang National UNIV.
**FMI
Corresponding Author : leess@gsnu.ac.kr+82-55-772-1622, +82-55-772-1577
November 17, 2015 December 22, 2015 December 25, 2015

Abstract

The purpose of this study was to develop improved strength of an arm and a boom on over-load environment, which causes damage in the initial design statement. To develop improved strength of an excavator front group, we calculated load conditions using the MATLAB program, and using these conditions, we performed a structural analysis of an excavator front group for the maximum digging force condition. Finally we performed a topology optimization to reduce weights of an arm and a boom, and we re-modeled an arm and a boom based on the topology design results and re-performed the structural analysis. The strength of the re-design is higher than the initial design but its weight is almost the same as the initial design.


굴삭기 작업장치의 설계 하중을 고려한 강도 개선에 대한 연구

남 광식*, 최 진규*, 최 호민*, 김 재기*, 염 상훈**, 이 석순*#
*경상대학교 기계공학과
**FMI

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    굴삭기의 작업장치는 여러 종류의 작업을 다양한 자세로 수행할 수 있도록 붐, 암 그리고 버켓 이 서 로 핀 조인트로 연결된 구조로 되어 있다. 따라서 실제 작업장치의 각 조인트에 작용하는 하중의 크 기와 방향이 다양하게 나타나 설계하중을 특정하는 것은 쉽지 않다. 그리고 작업 능률을 높이기 위해 무리한 작업을 수행하며 이로 인하여 굴삭기 작업 장치 및 부품에는 설계하중보다 과도한 하중이 작 용하게 되어 구조적인 결함이 빈번히 발생하고 있 는 실정이다. 하지만 메이저 건설 기계회사의 굴삭 기 무상 서비스 기간이 운용 시간에 한정적이고 굴 삭기는 고가로 인해 새 제품을 구입하지 않고 중고 로 많이 구입한다. 중고로 구입할 경우 부품 교체 및 수리 비용을 부담해야 하는데 Fig. 1과 같이 붐 과 암이 찢어질 경우 전문가의 용접이 필요로 하고 Fig. 2와 같이 작업부에 비틀림으로 인해 링크와 실 린더 그리고 핀에 교체 비용이 발생한다. 이러한 파손을 막기 위해서 굴삭기를 작동하기 전에 안전 점검은 필수이고 설계하중보다 과도한 하중에 견딜 수 있도록 붐과 암에 강도 개선 방향으로 설계를 진행할 필요가 있다고 생각한다. 정준모 외 4명은 굴삭기의 정적/동적 강도 해석법에 대한 연구를 하 였고 김무승 외 3명은 굴삭기 작업장치 피로설계 시스템을 연구하였다.[1, 2] 그리고 박상철은 용접부 피로강도를 고려한 굴삭기 붐 구조물 설계를 하였 고[3, 4] 한동영 외2명은 굴삭기 기구학적 최적설계 와 성능해석을 진행하였다[5].

    본 논문에서는 1톤 굴삭기 작업장치의 설계 하 중을 고려한 강도 개선에 대한 연구를 목표로 하 였다.

    2.본 론

    2.1해석과정

    굴삭기 암과 붐의 강도 개선을 위해 Fig. 3과 같은 프로세스에 따라 진행하였다. 설계 하중 계 산은 기구학을 이용하여 MATLAB으로 작업장치 의 성능을 파악하였다. 그리고 CATIA V5 R19를 이용하여 작업부를 모델링 하였고 ABAQUS 6.13 을 이용하여 구조해석 및 최적설계를 진행하였다 [6~8].

    구조 해석은 MATLAB에서 구한 작업 장치의 성능에서 다양한 자세에 따른 힘과 방향을 적용하 여 진행 하였다.

    최적 설계를 적용한 설계 방법은 개념 및 기본 설계 단계에서 설계자가 초기 형상을 추측할 필요 없이 설계 영역과 구속조건 및 하중 조건만 지정 하면 최적화 기법을 적용하여 자동으로 최적화된 구조 성능을 발휘하는 위상을 도출할 수 있다[9~14]. 본 논문에서는 균질화법을 이용한 위상 최적화를 목표로 주어진 설계 영역 내에서 구조물이 기존보 다 경량화를 추구하면서 강한 강성을 유지할 수 있는 위상을 구하는 것이다. 목적함수는 구조물의 변형에너지 최소화를 적용하였고 제약함수로는 구 조물의 이용 가능한 최대 재료의 양으로 설정하였 다.

    2.2실린더 길이 변화에 따른 힘 변화

    버켓실린더 그리고 암 실린더 길이 변화에 따 른 각 조인트 힘의 변화를 알기 위해 Matlab를 이 용하였다. Fig. 4는 각 조인트에 힘을 구하기 위한 과정으로 실린더에서 발생하는 힘을 시작으로 힘 의 평형 및 모멘트 평형을 이용하여 각 조인트의 힘을 구하는 순서를 나타내었다. Fig. 5는 힘의 방 향을 나타내었다. Fig. 6은 버켓실린더 길이 변화 에 따른 각 조인트의 힘의 변화를 나타내었다. Fig. 7은 암 실린더 길이변화에 따른 힘의 변화를 나타내었다.

    2.3구조해석 및 최적설계

    굴삭기의 대표적인 작업으로는 굴삭, 인양 그리 고 상차 순으로 작업을 반복한다. 그 중에서 가장 기본적인 기능인 굴삭 작업에 대한 강도 평가가 필수적이기 때문에 작업 종류가 다양하지만 특정 작업 형태를 선정하여 해석을 진행하였다.

    굴삭 작업 중에서 최대 굴삭력 자세에서 발생하 는 힘이 작업에 미치는 영향이 크기 때문에 최대 굴삭력 자세에서 발생한 힘을 바탕으로 작업부의 강도 향상을 위해 구조해석 및 최적설계를 적용하 여 진행하였다.

    Fig. 8은 암에 경계 조건 및 하중 조건을 적용 하였고 물성치는 항복 강도 215MPa 및 인장 강도 400MPa인 SS400을 사용하였다. 그리고 기존 모델 은 상·하부 및 옆 플레이트 두께를 4.5mm 사용하 였고 해석 모델의 무게는 19kg이다.

    Fig. 9는 기존 모델에서 구조해석을 진행한 결 과 최대 응력 235MPa이 발생하였고 기존 모델에 서 발생한 응력 바탕으로 최적화를 시킨 결과 상· 하부 플레이트보다 양 옆 플레이트에 최적화가 진 행된 결과를 확인할 수 있다. 최적화가 진행된 결 과를 바탕으로 CATIA V5를 이용하여 다시 모델 링하였다.

    Fig. 10은 기존 모델보다 무게가 4kg 줄인 모델 로 구조 해석을 진행한 결과 상·하부 플레이트에 주요 응력이 분포하게 되고 최대 응력은 266MPa 로 기존 모델보다 30MPa 더 발생하였다. 다음으 로는 주요 응력 발생이 상·하부 플레이트에 집중 되어 상·하부 플레이트 두께를 6mm로 설정하고 구조해석을 진행하였다. 그 결과 최대 응력은 220MPa 발생하여 기존 모델에 비교하면 강도 측 면에서는 크게 개선되지 않았다. 다시 상·하부 플 레이트 두께를 9mm로 설정하고 구조해석을 진행 하였다. 그 결과 최대 응력은 166MPa로 기존 모 델에 비해 70MPa 강도 향상을 보였지만 암 중량 측면에서는 기존 모델과 차이를 보이지 않는다.

    다음은 붐에 최대 굴삭 자세에서 발생하는 하중 을 적용하여 구조해석 및 최적설계를 진행하였다.

    Fig. 11은 붐에 경계 조건 및 하중 조건을 적용 하였고 물성치는 항복 강도 215MPa 및 인장 강도 400MPa인 SS400을 사용하였다. 그리고 기존 모델 은 상·하부 및 옆 플레이트는 두께 4.5mm 사용하 였고 해석 모델의 무게는 32.4kg이다.

    Fig. 12는 기존 모델에서 구조해석을 진행한 결 과 최대 응력 178MPa이 발생하였고 기존 모델에 서 발생한 응력 바탕으로 최적화를 시킨 결과 상· 하부 플레이트보다 양 옆 플레이트에 최적화가 진 행된 결과를 확인할 수 있다. 최적화가 진행된 결 과를 바탕으로 CATIA V5를 이용하여 다시 모델 링하였다.

    Fig. 13은 두 번을 걸쳐서 리모델링을 진행하였 다. 그 결과 기존 모델보다 무게가 4.5kg 줄인 모 델로 구조 해석을 진행하였고 상·하부 플레이트에 주요 응력이 분포하게 되고 최대 응력은 218MPa 로 기존 모델보다 40MPa 더 발생하였다.

    Fig. 14는 주요 응력 발생이 상·하부 플레이트에 집중되어 상·하부 플레이트 두께를 5mm 및 6mm 로 설정하고 구조해석을 진행하였다. 그 결과 최 대 응력은 각각 163MPa 및 147MPa 발생하여 기 존 모델에 비교하면 강도 측면에서는 10~ 30MPa 개선을 보였고 붐 중량 측면에서는 기존 모델과 차이를 보이지 않는다.

    3.결 론

    굴삭기의 대표적인 작업 중에서 반복적인 작업 을 선정하여 암과 붐에 구조 해석 및 최적 설계를 진행하여 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었 다.

    1. 암과 붐의 상·하부 플레이트에 응력이 집중되 어 기존 플레이트 두께 4.5mm 보다 최대 9mm 및 최소 6mm로 두께를 증가시켜 강도 개선을 하여야 한다.

    2. 해석 모델의 암과 붐의 중량은 각각 19kg 및 32.4kg으로 위상 최적화를 적용하여 10%~30% 경량화를 보였지만 강도 측면에서는 기존보다 20~40MPa 응력이 더 발생하였다.

    3. 기존 설계에 위상 최적화를 적용하여 경량화를 한 만큼 상·하부 플레이트 두께를 최대 9mm 및 최소 6mm로 설정하여 Fig. 15와 같이 30~70MPa 강도 개선을 하였다.

    후 기

    “본 연구는 차세대 기계항공 창의인재 양성사업인 BK Plus와 교육부 지방특성화 사업인 CK-I사업의 지 원을 받아 수행되었음.”

    Figure

    KSMPE-15-122_F1.gif
    Failure cases of an arm and a boom
    KSMPE-15-122_F2.gif
    Failure cases of a bucket cylinder
    KSMPE-15-122_F3.gif
    Process of analysis of an arm and a boom
    KSMPE-15-122_F4.gif
    Sequence of joint forces calculation
    KSMPE-15-122_F5.gif
    Force directions on the joint
    KSMPE-15-122_F6.gif
    Joint forces at bucket cylinder
    KSMPE-15-122_F7.gif
    Joint forces at arm cylinder
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    Arm modeling
    KSMPE-15-122_F9.gif
    Structural and optimization analysis of the arm
    KSMPE-15-122_F10.gif
    Structural analysis results of the arm
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    Boom modeling
    KSMPE-15-122_F12.gif
    Structural and optimization analysis results of the boom
    KSMPE-15-122_F13.gif
    Re-modeling and structural re-analysis results of the boom
    KSMPE-15-122_F14.gif
    Structural re-analysis results of the boom
    KSMPE-15-122_F15.gif
    Comparison of structural analysis results between an intial and a final design

    Table

    Reference

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