기계재료 열화손상과 박막 특성평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 연구

김동열 성균관대학교 일반대학원 2011 국내박사

본 연구에서는 초초임계압 발전설비에서 사용되는 재료의 열화손상과 기계구조용 다이아몬드 박막특성을 평가하기 위한 초음파 비파괴진단 기법을 개발하였다. 이를 위해 발전 설비에 사용되는 P92강과 P122강을 실제 가동 년수 의 증가에 따른 열화 손상과 동일한 가속 열화 시험편을 제작하고, 다양한 증착조건 하에서 다양한 기계적 특성을 나타내는 CVD 다이아몬드 박막을 제작하였다. 제작된 열화손상 시험편과 CVD 다이아몬드 박막 시험편에 대하여 광학현미경, SEM 등을 이용하여 미세조직을 관찰하고, 크리프 파단 실험 등의 금속조직학적인 결과를 도출하였으며, 본 연구를 통해 개발된 초음파 비파괴 진단 기법과의 비교/분석을 통한 기법의 정확성을 검증하였다. 1. 기계재료의 물성 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 이론 기계재료의 물성을 평가하기 위하여 초음파 비파괴 진단 인자 및 그 적용 원리에 대하여 정리하였다. 재료의 물성이 변화함에 따라 초음파 전파 속도 및 감쇠계수, 그리고 Rayleigh 임계각 등 초음파 진단 인자의 값이 변화 하는데, 이러한 초음파 진단 인자를 기계재료의 물성변화 평가에 적용할 수 있는 가능성을 타진하고, 적용 이론에 대하여 정리하였다. 2. 기계재료의 열화손상 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 개발 초초임계압 발전설비용 소재인 P92강과 P122강의 열화손상 평가를 위하여 초음파 속도 및 감쇠계수와 재료의 경도변화 및 석출물 분율과의 상관관계를 도출하고 열화 손상에 따른 재료의 물성 변화를 평가할 수 있는 기법을 연구하였다. 광학현미경과 SEM을 이용하여 열화손상에 따른 재료의 미세조직변화를 관찰하였으며, 초음파 속도 및 감쇠계수를 측정한 결과 열화 손상도와 초음파 실험 결과 간에 상관관계가 존재함을 확인하였다. 이러한 상관관계를 이용하여 초음파 속도와 감쇠계수를 이용하여 크리프 손상에 따른 재료의 잔존 수명을 예측할 수 있는 관계식을 도출하였다. 3. 기계재료의 박막특성 평가를 위한 초음파 비파괴 진단 기법 개발 다양한 증착조건 하에서 제작된 CVD 다이아몬드 박막 시험편을 이용하여 표면의 물성변화 및 모재와 박막의 접합 특성을 비파괴적으로 평가할 수 있는 최소반사율 기법을 개발하였다. 재료의 표면 물성 변화에 따라 달라지는 Rayleigh 임계각을 이용하여 이를 측정할 수 있는 알고리즘과 진단 시스템을 개발하고 기계구조용 박막을 평가하는 기법을 개발하였다. 개발된 최소반사율 기법을 이용하여 다이아몬드 박막의 두께, 생성된 다이아몬드 박막의 형태 변화등의 표면 물성 변화를 평가하였으며, 박막과 모재와의 접합강도를 평가하기 위하여 박막 증착시 상이한 조건 하에서 박막 시험편을 제작하고, 실험을 통해 모재와 박막의 접합 강도를 평가할 수 있음을 확인하였다. 9Cr-2W and 12Cr-2W materials were widely used as structural materials of high temperature and pressure components in power plant. The components can be degraded as increasing their operation time. Since the isothermal aged materials are subject to precipitation or cavities between grain boundaries, it is one of major cause of early breakage of these component. Therefore, the quantitative NDE method for evaluating the microstructural changes in thermal aged steels and thin films is strongly needed to insure structural reliability of the components used in high temperature. Thin films of CVD diamond coating are being utilized for the wide ranging industrial application because of outstanding mechanical properties such as high hardness, low friction, high wear resistance and low thermal expansion coefficient. However, the CVD diamond coating could be affected by various deposit conditions such as surface roughness of substrate, kinds of substrate material, deposition time, and deposition temperature. These conditions make the quality influenced in the destabilizing factor of deposition process, and the film after deposition. In this study, thermal damaged specimems(P92 steel and P122 steel) and the CVD diamond coating specimens with various deposit conditions were prepared. In order to evaluate these specimens, this study aims at focusing a new ultrasonic nondestructive diagnostic method. To evaluate thermal aged steels, ultrasonic parameters: ultrasonic velocities and attenuation coefficients were measured by using a high frequency ultrasonic transducer. From the measured data, the relation between attenuations and area of precipitates and relation between velocities and hardness were calculated. Using these relations, the residual life times was predicted in thermal damaged specimens. To evaluate thin films, a new ultrasonic method was proposed, named as “minimum reflection profile” which measures energy variation of reflected waves from the surface of the specimens as changing the angle of incident wave from normal to beyond Rayleigh angle in a pitch-catch immersion setup. Using the minimum reflection profiles, changed material properties and bonding quality of thin films were evaluated.

다층 초탄성체 모델을 이용한 후족부 연부조직의 기계적 물성치 예측

곽윤 中央大學校 大學院 2016 국내석사

당뇨발에 의한 족부 피부 조직의 궤양 발생의 가능성을 미리 인지하고 예방하기 위해, 족부 피부 조직의 기계적 물성치의 변화를 분석하는 것이 필요하다. 이를 위해, 정상인과 당뇨발 환자의 족부 피부 조직에 탐침으로 누르는 압입 시험인 인덴테이션 테스트를 이용하여 탄성도를 측정할 수 있다. 하지만, 족부 피부를 탄성체로 가정하고 분석 할 경우, 족부 피부의 특성인 피부와 지방 등으로 이루어진 다층 구조와 응력과 변형률이 비선형적인 관계를 가지는 초탄성체의 성질 두 가지를 반영하지 못한다. 본 연구에서는, 이러한 단점을 개선하기 위해 유한요소해석과 인덴테이션 테스트, 다층 초탄성체 모델을 이용하여 정상인과 당뇨발 환자의 후족부 연부조직의 기계적 물성치 예측하고 분석하였다. 본 연구에서 사용된 다층 초탄성체 모델은 후족부 연부조직의 다층 구조를 반영하기 위해 피부와 지방 두 층으로 구성되어있다. 또한, 1차 Ogden 초탄성체 모델을 사용하여 연부조직의 초탄성체 성질을 나타내었다. 후족부 연부조직의 기계적 물성치를 예측하기 위해, 연부조직의 두께가 다른 두 곳에 인덴테이션 테스트를 진행할 경우, 두께의 차이에 의해 탐침의 반력이 다르게 나타난다는 점을 이용하였다. 다층 초탄성체 모델을 이용한 후족부 연부조직의 기계적 물성치 예측 과정의 정확도를 검증하기 위해, 피부와 유사한 초탄성체의 성질을 가지는 실리콘으로 기계적 물성치가 다르고 다양한 두께를 가지는, 두 층으로 이루어진 샘플을 제작하였다. 인장 및 압축 실험을 통해 계산된 기계적 물성치와 인덴테이션 테스트와 유한요소해석을 이용하여 예측한 기계적 물성치를 비교하였다. 이후, 일반인 10명과 당뇨발 환자 피험자 4명을 대상으로 후족부 연부조직에 인덴테이션 테스트와 족부 CT 촬영을 진행하였다. 인덴테이션 테스트에서 얻은 탐침의 반력과 족부 CT 이미지에서 얻은 피부층의 두께를 이용하여 유한요소해석 환경 하에서 후족부 연부조직 인덴테이션 테스트를 시뮬레이션 하였다. 이를 바탕으로 최적화 도구를 이용하여 인덴테이션 테스트에서 얻은 탐침의 반력을 가장 잘 반영하는 기계적 물성치를 예측하였다. 본 연구의 방법을 이용하여, 다층으로 이루어져 있으며 초탄성체의 성질을 가지는 실리콘 샘플의 기계적 물성치를 예측하였다. 이 방법을 이용하여 당뇨발 환자와 일반인의 족부 피부 조직의 기계적 물성치를 측정하고 두 집단 사이의 기계적 물성치 차이를 비교하였다. 이를 통해 당뇨발 환자와 일반인 사이의 족부 피부조직의 각 층의 기계적 물성치가 다름을 연구하였다. 본 연구를 통해 당뇨발 환자의 족부 궤양이 생성되는 것을 미리 예측하거나, 당뇨발 환자 족부 피부가 받는 응력을 줄이는 인솔 디자인 등에 도움을 줄 것으로 기대된다. Estimating mechanical properties of plantar soft tissue is necessary to recognize possibility of the tissue ulceration of diabetic foot. Using the indentation test, the elasticity of plantar soft tissue could be measured in normal subject and diabetic patients. However, it does not reflect multi-layer structure characteristic consists of fat and skin layer and hyperelastic material characteristic which represents non-linear relationship between stress and strain. In this study, mechanical properties of hindfoot plantar tissue of normal and diabetic foot were estimated and analyzed using multi-layer hyperelastic model, finite element analysis and indentation test. Hyperelastic and multi-layer model was made in this study to estimate the mechanical properties of plantar tissue. The model was consisted of 1st Ogden hyperelastic model and two-layer model with fat and skin layer. The difference in reaction force-displacement graph during indentation test on two different point due to the difference of thicknesss was used for estimating the mechanical properties of planter tissue. Two-layer hyperelastic silicone sample was used for validating the process of mechanical properties estimation. Mechanical properties of the sample of two-layer hyperelastic silicone were calculated by tenstion and compression test and these was compared with estimated mechanical properties. CT image of 10 healthy subjects and 4 diabetic foot patients were acquired. Indentation test on plantar tissue were performed with healthy subjects and diabetic foot patients. Thicknesses of skin and fat tissue were measured with CT image. Thicknesses of skin and fat tissue and reaction force-displacement data from indentation test were used for mechanical properties estimation with FEA optimization tool. In this study, the mechanical properties of two-layer silicone sample were estimated based on hyperelastic and multi-layer model. The mechanical properties of plantar tissue of healthy subjects and diabetic foot patients were estimated and quantified using this method. We quantified the mechanical properties of each layer of the plantar tissue were difference between healthy subject and diabetic foot patients. This study would be helpful to predict foot ulceration of diabetic foot patients and design shoe insole which reduce the stress of foot soft tissue from external force during gait.

Friction Characteristic of Dimple Pattern at Driving Shafter in Bio Industry Machines

변재영 부산대학교 대학원 2016 국내석사

바이오산업기계의 범위로는 의료기계, 농업기계, 산업기계, 식품기계 등이 있으며 기술이 발달함에 따라 각 분야의 기계들은 자동화 및 절약을 목적으로 성과를 올리고 있다. 이에 맞추어 기계의 동작 시 구동축에서 발생되는 마찰연구를 목적으로 연구를 수행하였다. 실험장비는 마찰실험기를 사용했으며 시험편재료는 바이오산업기계소재로 주로 사용되고 있는 SCM440을 사용했다. 또한 딤플의 밀도종류에 따라 마찰특성의 변화를 알아보기 위해 시편 표면에 포토리소그라피를 통해 핀들을 제작하였다. 마찰실험 시 0.06m/s- 0.3m/s의 속도를 사용했으며 20~100N의 하중의 조건을 주어 실험을 실시하였다. 실험데이터는 마찰시험기에 부착된 로드셀을 통해 측정된 테이터를 전기적신호로 바꾸어 컴퓨터로 데이터를 획득하였다. 실험결과 딤플의 밀도가 증가함에 따라 마찰계수는 감소하는 것으로 나타났으나 밀도가 어느 정도 높아지게 되면 오히려 마찰계수가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 마찰계수는 실제접촉면적으로 인해 낮은 속도에서는 증가 하였으며 속도가 증가하였을 시 안정화되는 것이 나타났다. 하중은 증가함에 따라 마찰계수가 감소하는 것으로 나타났다. 결과적으로 기계의 운동 시 면 접촉하는 표면의 딤플 패턴은 마찰계수의 감소로 인해 에너지 절약 효과를 줄 수 있음을 알 수 있었다.

양파수확 기계화를 위한 줄기절단기계 개발에 관한 연구

이승윤 慶尙大學校 2016 국내박사

Onion is an important agricultural product influencing Koreans’ dietary life because of its effectiveness on prevention of various adult diseases. However, onion cultivation mostly depends on human labor except for plowing and harrowing, pest control, and row covering that are mechanized. Mechanization of its cultivation is required because of scale improvement, reduction in production coast, and increase in price competitiveness. Raising of seedling, transplanting, and harvesting occupy highest share of labor input time by work process for domestic onion cultivation. The labor charge in production cost was 53.5% in 1991, 53.8% in 1993, and 55.7% in 1995 but still has a higher percentage. In harvesting work, stem cutting has 30%, digging 60%, and collecting 10%; stem cutting work requires 27.6 hr/10a among the entire labor input time. In particular, 80% of the harvesting work depends on human labor and the labor productivity has been significantly declined due to aging of agricultural labor. The phenomenon is similar to that of the entire agricultural structure, but causes a serious problem in onion cultivation because onion cultivation requires concentrated labor in transplanting and harvesting as in rice farming. In Korean southern areas as main cultivation area of onion, it is difficult to harvest onion by increase of demand for labor simultaneously because the farmers should perform rice transplantation between the beginning and the middle of June immediately after onion harvesting. Digging and collection for onion cultivation has been partially mechanized, but there are few researches about stem cutters. No machine has been developed for stem cutting on the case of vinyl mulching cultivation. Mechanization of onion cultivation is essential to increase competitiveness of farms of onion cultivation. In order to mechanize stem cutting and vinyl removal that occupy 32.6 hr/10a of labor in harvesting work, in this study, the characteristics of onion cultivation in main cultivation area were investigated and analyzed and a machine for onion stem cutting based on the results of basic tests needed for designing was developed. The performance of the machine to estimate its work performance was tested and the results are as follows. 1. Status of farmhouses and decision of the onion stem cutting point The average labour hours required for each process in onion cultivation was about 23.2 h/10a. Most of the farmhouses should harvest onion rapidly not only because personal expenses should be cut down but because they should perform rice transplantation as succeeding double-cropping immediately after the onion harvest in June, a reason that requires development of onion stem cutter. The operating width of the stem cutter was determined to be 1,000 mm for the integrated system of onion cultivation mechanization. Reciprocal cutting blades for combine whose cutting plane is similar to a sickle, a traditional tool for stem cutting, was determined to be a cutting blade. The onion stem cutting point which is the distance between the cutting point and the ground, was determined to be 70 mm by considering the decomposition rate during the onion storage after harvest depending on the cutting point. 2. Basic test The vinyl tensile force of the low-density polyethylene film used for agricultural mulching vinyl is reduced down to 90% of the original force. vinly collecting process was difficult because the vinly was easily torn. According to the preliminary test, the vinyl with the tensile force of 27.99 N, which is hardly tearing in its removal process, might be appropriate in onion cultivation. When the water content in onion was 96%, the average resistance for stem cutting was 3.39 N; the cutting resistance become less with the moisture content in onion becoming higher and the stem cutting distance becoming longer. Also, the cutting resistance was lowest at the condition of the blade scope of 30° and the blade angle of 20° among variation levels for parameter effects test . The blade scope and angle for the prototype of this study was decided as 33° and 22°, respectively. Those are the same values of the combine in the domestic market, because the dimension values of the blade by the parameter effects test are very similar to those of the combine and the cost for making the new blades are considered. By the analyses of forward resistance test in soil depending on guide angle, the average resistance was about 2.26 N when the guide angle was 40°, which is less than that of 45° or 50°. Therefore, the guide angle was selected to be 40° considering the length of the guide becoming longer and the length of the onion stem cutter becoming longer with the guide angle becoming less. 3. Development of prototype onion stem cutter For the mechanization of onion stem cutting, the first, second, third, and fourth prototypes of onion stem cutting equipment were designed, manufactured, and tested on the field. The first and the second prototype were walking-type. The third and the forth prototype were riding-type(attached to rice planter). The results of the tests showed that the average working speed and the field working efficiency for the walking-type are 0.2 m/s and 8.5 a/h, respectively. Those for the riding-type rice planter were 0.5 m/s and 21.3 a/h. Those for the riding-type attached to tractor were 0.2 m/s and 6.9 a/h on the condition of 1,300 mm of working width. The operating time of onion stem cutters may be different depending on conditions of working. The arable land under burden calculated in order to use the cutters efficiently was 10.6 ha for the walking type, 26.5 ha for the riding type (rice planter), and 8.7 ha for the riding type (tractor) when the conditions of 74% of field working efficiency, 72% of real working time ratio, 60.6% of ratio of possible working days, 8 hours of daily working, and 30 days of possible working were applied. The riding type (rice planter) was superior in working efficiency and the area of working process, but the percentage of the damaged onions was highest (12 to 15%). The damage rate by the guide became increased as the working speed became increased; further studies may be needed to reduce the damage rate for mechanization of onion cultivation. The onion stem cutter attached to tractor can conduct the cutting process with the working speed of 0.2 m/s and the working area of 690 ㎡/h for the stem cutting height of 70 mm and vinyl discharging process simultaneously. According to the surveys, the labour hours for the conventional, the manual working required for removing vinyl and stem cutting was averagely 32.6 hr/10a for the main production area of Korea. The labour hours required for working with the onion stem cutter attached to tractor in this study was 14.4 hr/10a. Therefore, the labor reduction may be estimated to be about 60%. 양파는 매년 재배면적과 생산량이 증가되고 있으며 농가 소득을 증대시키는 중요한 위치를 차지하고 있으며, 각종 성인병 예방에 효과가 인정되어 국민 식생활에도 큰 영향을 미칠 만큼 중요한 작물이다. 그러나 양파재배의 기계화작업은 경운정지, 방제, 휴립피복 등을 제외하고는 대부분 인력에 의존하고 있는 실정으로 규모화와 생산비 절감, 가격 경쟁력 제고를 위한 기계화는 절실하다. 국내의 양파재배 작업별 노동투하시간은 파종, 정식 및 수확작업의 비중이 가장 높으며, 생산비에서 노력비는 ’91년 53.5%, ’93년 53.8%, ’95년 55.7% 이며 최근 2000년이후 경운정지 작업기계의 보급 확대로 점차적으로 감소하고 있지만 여전히 많은 비중을 차지한다. 수확작업에서는 줄기절단 30%, 굴취 60%, 수집 10%의 비율로 전체 노동 투하시간 중 줄기절단에는 20.7 hr/10a 소요된다. 특히 수확작업은 76%가 인력에 의존하고 있고 농촌 노동력의 노령화로 노동 생산성이 많이 떨어지고 있는 실정이다. 이러한 현상은 전체 농업구조와 동일한 현상이지만, 특히 양파재배는 벼농사와 마찬가지로 정식과 수확시기에 노동력이 집중되므로 심각한 문제를 초래하고 있다. 더욱이 양파 주생산지인 남부지방에서는 논에서 재배할 경우 수확 후 곧바로 묘 이앙이 6월초에서 중순경으로 이어지므로 동시 다발적으로 노동력 수요 증가로 수확에 많은 어려움을 겪고 있다. 굴취 및 수집의 기계화는 진행되고 있으나 줄기절단기계의 연구는 저조하며, 비닐 멀칭 상태에서의 줄기절단기계는 없다. 양파재배농가의 경쟁력을 제고할 수 있는 것은 양파재배기계화가 필수이며, 수확작업에서 노동력이 32.6 hr/10a가 소요되는 줄기절단과 비닐제거 작업의 기계화를 위하여 본 연구는 양파재배 주산지를 중심으로 특성을 조사 분석하고 설계에 필요한 기초 시험에 의한 구명 결과를 바탕으로 양파줄기절단기계를 개발하여 그 성능을 시험 분석하고 작업 성능을 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 문헌 및 농가현황조사 양파재배의 단계별 소요시간을 조사한 결과 양파수확에 소요되는 시간은 평균 23.2 hr/10a이였으며, 농가의 대부분은 양파 수확 후 후작으로 바로 벼 이앙작업을 하는 시기이므로 수확작업이 빠르게 이루어져야 되기 때문에 양파줄기절단기계의 개발이 꼭 필요한 것으로 나타났다. 양파줄기절단기계의 작업폭은 양파재배기계화 일관화 구축을 위해 1,000 mm로 결정하였으며, 절단칼날은 관행작업 도구인 낫과 절단면이 유사한 콤바인용 왕복식 칼날로 결정하였다. 줄기절단 높이는 길이가 길어질수록 부패 발생률이 4.4% 줄어드는 것으로 조사되었으나 망작업과 유통의 문제로 70 mm로 한정하였다 2. 기초시험 농업용 멀칭비닐로 사용하는 저밀도 폴리에틸렌 필름은 양파재배 기간에 비닐이 부식되어 비닐인장력이 원재료의 90%수준으로 저하되므로 비닐 제거시 찢어짐이 생겨서 비닐수거에 애로사항이 있었다. 따라서 양파재배 농가에서는 비닐 찢어짐이 거의 없는 27.99 N의 비닐을 사용하여 재배하는 것이 적합한 것으로 판단된다. 수분함유량이 96%일 때 줄기절단높이의 평균 저항은 3.39 N으로 수분이 많을수록, 줄기절단 높이가 길수록 절단저항은 작게 나타났다. 절단칼날은 칼날 기움각 30°, 칼날 각도 20°에서 절단 저항력이 가장 작게 나타났으나, 시작기는 콤바인용 왕복식 예취칼날로 사용되는 칼날 기움각 33°, 칼날 각도 22°의 제품을 적용하는 것이 시작기 개발 비용 절약 면에서 적정할 것으로 판단되었다. 가이드의 토양내 전진저항에서 가이드 각도 40°일때 평균저항은 2.26 N으로 가이드 각도 45°와 50°보다 작았으나, 가이드 각도가 작아지면 가이드의 길이가 길어지게 되어 양파줄기절단기계의 외형이 길어지고 운전 조작성이 불리함 등을 고려하여 40°가 적정할 것으로 판단된다. 3. 양파줄기절단기계 시작기 개발 양파줄기절단기계화의 가능성에 대한 시험을 위하여 1차 및 2차 시작기는 보행형이었으며, 3차 및 4차 시작기는 승용형으로 제작하여 포장시험을 한 결과 보행관리기 부착형 시작기는 작업속도 0.2 m/s에서 줄기 절단율 72%로 다소 낮았고, 양파 구 손상율은 10∼12%로 다소 많이 손상되었다. 승용이앙기 부착형 시작기는 작업속도 0.2 m/s에서 줄기 절단율 81%, 양파 구 손상율 8∼10%로 보행형 보다는 다소 안정된 작업 상태를 유지 할 수 있었다. 가이드유인 방식의 트랙터 부착형 시작기에는 가이드를 4개 부착하였으며, 작업속도 0.2 m/s에서 줄기절단율 91%, 양파 구 손상율 6∼9%로 나타났다. 또한 작업속도 0.13 m/s에서는 절단율은 높고 손상율은 낮았다. 유효작업능률은 보행관리기 부착형에서 평균 작업속도 0.2 m/s일 때, 시간당 8.5 a이고, 승용이앙기 부착형은 평균 작업속도 0.5 m/s일 때 시간당 21.3 a이며, 트랙터 부착형은 평균 작업속도 0.2 m/s일 때, 작업폭 1,300 mm에서 시간당 6.9 a로 나타났다. 양파줄기절단은 작업 여건에 따라 양파줄기절단기계의 사용시간이 다르게 되므로 양파줄기절단기계를 효율적으로 활용하기 위하여 산출하는 부담면적은 포장작업효율 74%, 실 작업시간율 72%, 작업가능일수율 60.6%, 1일 작업시간 8시간, 작업가능일 수 30일을 적용하여 산출한 결과 보행관리기 부착형에서10.6 ha, 승용이앙기 부착형에서 26.5 ha, 트랙터 부착형에서 8.7 ha로 나타났다. 비닐상부 유인방식의 보행관리기 부착형과 승용이앙기 부착형 시작기 작업효율 및 부담면적을 산출한 결과는 우수하였으나, 가이드 유인방식의 트랙터 부착형 시작기에 비하여 양파의 손상율이 높고, 줄기 절단율은 낮았다. 트랙터 부착형 시작기는 0.2 m/s 작업속도로 양파줄기 70 mm 내외의 높이로 절단과 동시에 비닐 배출이 가능하며, 시간당 690 ㎡의 작업을 할 수 있다. 기존의 보고 자료를 토대로 평가할 때 비닐제거와 줄기절단에 소요되는 인력 작업은 32.6 hr/10a(주산지 평균)이었고, 트랙터 부착형 시작기로 작업시에는 14.4 hr/10a로 나타났으므로 약 60% 노동력 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 실용화를 위한 양파줄기절단기계는 비닐을 가이드에 의해 걷어 올리면서 양파줄기를 절단하고 멀칭비닐은 후방으로 배출하는 트랙터 부착작업기의 형태가 작업성능이나 작업 환경측면에서 적합한 것으로 판단된다.

기계식 연료공급시스템 사용 다기통 경유-LPG 혼소엔진에서의 배출가스 특성에 관한 연구

조승환 인하대학교 대학원 2012 국내박사

전체 자동차 등록대수중 건설기계가 차지하는 비율이 낮음에도 불구하고, 건설기계에서 배출되는 배출가스의 기여도는 NOx 15.1%, PM 15.5%, CO 6% 및 VOC 9.1% 등으로 높은 수준을 차지하고 있다. 최근 자동차의 배출 허용기준이 강화되고 있고, 자동차로부터의 오염물질이 저감됨에 따라 전체 오염물질 배출량에서 건설기계가 차지하는 기여도는 증가하고 있다. 운행 중인 건설기계중 약 79.3%는 미규제 및 Tier-1 배출 허용기준 적용을 받고 있기 때문에 오염물질 배출 규제가 어려운 실정이다. 노후 건설기계 엔진에서 PM배출량을 저감하기 위해서는 DPF와 같은 후처리장치가 많이 적용되고 있지만, NOx 저감에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 기계식 연료펌프를 사용하는 노후 건설기계용 원동기의 배출가스를 저감하기 위해서 LPG 혼소(Dual fuel) 기술을 적용하였고, 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소엔진의 배출가스 특성을 측정 및 비교하였다. 혼소 기술을 경유엔진에 적용시 경유 분사량이 감소하여 분사 길이가 짧아지게 된다. 분사 길이 변화는 분무 및 혼합 특성을 변화시키는 요인이 된다. LPG 혼소율 증가에 따라 경유가 혼소전과 동등한 수준의 분사거리확보가 중요하다. 이를 위해서 기계식 연료펌프를 이용한 분무 특성 장치를 구성하였고, 분무 패턴 및 분무 형상을 측정 및 분석하였다. 분사 노즐 직경은 작아지고 홀 개수가 많아진 노즐#2의 경우, 분사거리가 경유 100% 및 50%의 경우 비교하여 각각 약 74%와 79%수준을 나타내어 유사한 분무 도달거리를 나타내어 혼소 엔진에서 연소 개선이 가능할 것으로 파악된다. 현재 건설기계 엔진은 배출가스 검사시험 방법으로 KC1-8모드를 이용하고 있다. 베이스 경유엔진의 최대출력 및 최대 토크선도를 도출하여 KC1-8 모드 측정점을 파악하였다. LPG 혼소의 경우 베이스 경유엔진과 동일한 출력하에서 실험이 진행되었기 때문에 각 엔진은 동일한 KC1-8모드의 측정점에서 배출가스를 측정하고 비교 및 분석하였다. 그리고 LPG 혼소 연소시 연소 특성변화에 따른 엔진변수를 최적화하기 위해서 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소시 엔진 연소실 압력파형 취득 및 열발생율을 계산하였다. 배출가스 측정결과와 열발생율 계산결과 분석을 통해 배출가스의 저감원인에 대해서 분석 및 이해하였다. LPG 혼소시 배출가스를 최적화 할 수 있는 엔진 변수를 고려하기 위해서 분사시기 조정 및 노즐의 개변압 변경, 노즐의 돌출길이 변경, EGR 모사, 산화촉매 장착, SPI(Single point injection), 혼소율 증가 등의 실험을 진행하였다. EGR 모사를 통해 모드별로 약 47.8~66.5%의 NOx가 저감가능하고, 산화촉매 장착으로 CO는 약 89.9%, HC는 약 57.3%의 저감하였다. SPI 및 연료펌프 고압챔버의 체적변화는 배출가스 저감에 기여하지 않는 것으로 확인하였다. 실험용 엔진에서 혼소율은 knocking이 발생하지 않은 영역에서 최고 49.6%까지 증가가 가능함을 확인하였다. 다양한 분사시기 및 노즐 개변압 조절로 NOx 및 soot 각각의 배출 저감을 최적화 가능한 조건을 파악하였다. NOx와 soot의 저감율을 모두 고려하면, 분사 노즐 개변압 180bar, 연료 분사시기는 BTDC 15도 임을 확인하였다.

직구동 방식 전기기계식 추력벡터제어구동시스템의 동특성 개선

오상관 忠南大學校 大學院 2020 국내박사

Thrust vector control(TVC) is the ability of rockets to manipulate the angle of thrust away from the vehicles longitudinal axis for controlling attitude of the vehicle. Thrust vectoring for liquid engines is achieved by gimbaling the whole engine, this includes the entire combustion chamber and nozzle. Hydraulic actuators have typically been used to adjust the nozzle angle of rocket engines but new actuation technologies are being researched to take the place of electrohydraulic thrust vector control actuation systems. Many studies of electromechanical actuators have been conducted for thrust vector control in place of hydraulic gimbaling systems. The rationale is that electromechanical actuating systems have benefits such as lighter weight, lower consumption, reduced costs of maintenance and test. Before electromechanical actuator are accepted for thrust vector control actuating system, extensive studies using a simulation model need to be performed. The direct drive electromechanical actuator without a gearbox reduces backlash and mechanical hysteresis, besides it is more robust and has better stiffness because of fewer components. BLDC motor for the direct drive electromechanical actuator has high torque and low speed characteristics. Due to this, the direct drive electromechanical actuator has greater nonlinearity control characteristics than a gear drive actuator. Therefore it is necessary to study the actuator simulation model including pulse width modulated(PWM) voltage source inverter of BLDC motor and friction parameters. This simulation model helps optimize control of the actuator and provides a detailed analysis about the dynamic response of the direct drive electromechanical thrust vector control actuating system. In the case of the gimbaled rocket engine, a synthetic resonance phenomenon may occur due to a combination of a vibration mode of the actuator itself, a bending mode of the launcher structure, and an inertial load of the gimbal engine. When the synthetic resonance occurs, the control of the rocket attitude becomes unstable. So the undesirable resonance effects should be reduced to make the rocket attitude stable. Many studies have been conducted to improve the dynamic characteristics of electromechanical TVC actuation system. Dynamic force feedback(DFF) control method is one of them and it uses the measured force of the actuator at resonance frequency. But because DFF needs an external load sensor, the system can become more complex and heavy. In order to reduce the peak gain of resonance of TVC actuation system without external sensor, the servo filter can be used to control the actuator in a position servo system. The servo filter consists of a low pass filter and a compensator. This study contains the description of the direct drive electromechanical actuator dynamic mathematical model and the model was simulated by the MATLAB Simulink software. The major focus of the simulation model is scalability and nonlinearity of the actuation system as well as response characteristics in the region of low input control signals. This study also presents the simulation models for three ways to improve the dynamic response of direct drive electromechanical TVC actuation system. DFF control method and two kinds of methods using servo filter are described in this study. And the servo filter design is described in this study. The analysis results from the simulation models showed that the control method using 2nd order notch filter and position feedback compensator is very effective to reduce peak gain of resonance of TVC actuation system and the most efficient way to improve the dynamic response for low input control signals. The objective of this study is the modeling and experimental analysis of direct drive electromechanical TVC actuation system and its enhanced dynamic characteristics. So, the verification of the simulation model was conducted by comparing simulations with the experimental results. 1.1. 연구 배경 및 필요성 우주 발사체가 비행 중 자세 및 궤도를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있으나 가장 많이 사용되는 방법은 추력의 방향을 제어하는 추력벡터제어(TVC, Thrust Vector Control)시스템이 주로 사용된다. 추력벡터제어시스템이란 발사체 엔진 노즐의 방향 축인 요 및 피치 축 방향을 제어하는 것이다. 엔진 노즐의 방향 축이 제어되기 위해서는 노즐이 회전될 수 있는 구조여야 된다. 고체연료 엔진의 경우는 플렉서블 시일 형상의 조인트로 인해 노즐의 회전운동이 가능하고, 액체연료 엔진의 경우는 짐벌 구조로 인해 회전운동이 가능하다. 발사체의 추력벡터제어 구동장치시스템은 전기유압식 시스템이 주로 사용되어 왔다. 전기유압식 구동장치시스템은 동특성에 있어서 대역폭이 크고 고출력을 요구하는 시스템에서는 중량 대비 출력 효율이 높기 때문이다. 그리고 전기유압식 구동장치시스템은 제어기 설계가 쉽고 시스템이 상대적으로 안정적이다. 그러나 일반적으로 유압식 구동장치는 기계 시스템이 복잡하고, 시스템을 구성하는 정밀 부품이 많아서 상대적으로 제작비용이 고액이다. 그리고 오염에 취약하며 정비와 운용이 어렵다. 전기유압식 구동기의 작동유는 체적 탄성계수 및 점성 등의 물리적 특성이 온도변화에 민감하고 누설을 방지하기 위한 별도의 대책이 필요하다는 단점도 있다. 따라서 전기유압식 구동장치시스템을 대체하기 위한 새로운 제어시스템에 대해 많은 연구가 수행되어왔다. 그 중 가장 대표적인 시스템이 전기기계식 구동장치시스템이며 항공기 비행제어 및 발사체 추력벡터제어시스템에 있어서 전기유압식을 대체하기 위해 수년 동안 많은 발전이 있어왔다. 이유는 전기유압식 대비 더 가볍고, 더 저렴하며 운용하기 더 편리할 뿐 아니라 에너지 효율이 더 좋기 때문이다[1,2,3,4]. 희토류 자석을 사용한 BLDC (Brushless Direct Current) 모터 제작기술 발달 및 에너지 효율 개선으로 전기기계식 구동장치시스템은 효율성과 성능에 있어서 많은 개선이 이루어지고 있다. 또한 BLDC 모터 제어기술에 대한 많은 연구로 인해 제어 안정성 에 있어서도 큰 발전을 이루었다[5]. 일반적으로 전기기계식 구동기(EMA, Electromechanical Actuator)는 구동모터 및 감속기, 선형스크루, 피스톤 등으로 구성되어있다. 전기기계식 구동기는 전기모터의 회전력을 감속기를 통해 증폭시킨 후 선형 스크루를 이용해서 회전운동을 직선운동으로 변환하여 피스톤의 왕복운동을 발생시킨다. 그러나 이 경우 구동기 작동시 감속기 기어치차의 백래쉬가 반드시 수반되며 효율이 떨어지고 고장 확률이 높아질 수 있다. 이런 단점을 보완할 수 있는 구동기가 감속기 없이 전기모터의 회전자와 롤러 스크루를 직결하여 구동하는 모터 직구동 방식의 전기기계식 구동기 형상이다. 직구동 전기기계식 구동기의 경우 감속기가 없으므로 강성 측면에서 매우 성능이 우수하고 피스톤의 선형 변위를 측정하기 위한 센서인 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 피스톤 내부에 삽입하기 유리하다. 이로 인해 LVDT를 외부 충격으로부터 보호할 수 있고, 감속기에 의해 유발될 수 있는 고장요소를 줄일 수 있어서 신뢰성이 더 우수하다 할 수 있다[3]. 발사체 추력벡터제어를 위한 1 kW급의 대용량 직구동 전기기계식 구동기의 연구 및 개발이 국내에서는 최초로 수행되고 있다. 발사체 자세제어시스템 설계 및 비행제어 소프트웨어 설계를 위해서는 구동장치시스템의 동특성을 해석할 수 있는 시뮬레이션 해석모델이 필요하다. 직구동 전기기계식 구동기의 경우 고토크 및 저회전 특성의 BLDC 모터가 적용되며, 모터 회전자의 회전관성이 감속기 적용 구동기에 사용되는 저토크 및 고회전 특성의 BLDC 모터 보다 상대적으로 더 크다. 이런 특성으로 인해 직구동 전기기계식 구동기가 감속기 적용 구동기보다 제어특성에 있어서 비선형성이 더 크게 나타난다. 따라서 구동기 해석모델은 이런 비선형 제어특성을 반영할 수 있어야 한다. 그리고 직구동 전기기계식 구동기의 경우는 구동모터의 제어특성이 구동기의 구동특성과 직결된다. 1차 전달함수 형태로 표현되는 단순화된 DC(Direct Current) 모터 해석모델로는 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 비선형 특성 구현이 힘든 요소가 많다. 따라서 발사체 추력벡터제어를 위한 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 정확도를 향상시키기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 3상 인버터를 포함하는 해석모델 연구가 필요하다. 본 논문에서는 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 동특성에 대한 정확도를 향상시킬 수 있는 해석모델을 연구한 결과에 대해 논하고, 해석모델을 구동기 시제품의 시험결과와 비교하여 신뢰성을 검증한다. 그리고 이 해석모델을 활용하여 발사체의 추력벡터제어 구동장치시스템에 있어서 짐벌엔진 및 기체구조체, 구동장치시스템의 합성공진이 발생할 경우 합석공진을 감쇠할 수 있는 제어기법에 대해 연구하고자 한다. 추력벡터제어 구동장치시스템의 공진을 감쇠시켜서 동특성을 개선한다면 발사체 자세제어에 있어서 안정성을 확보할 수 있다. 본 논문의 연구결과를 현재 개발 중인 한국형발사체 추력벡터제어 구동장치시스템 개발에 적용하고 나아가 차세대 한국형발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 선행연구에 활용하고자 한다. 1.2. 연구 동향 전기기계식 구동장치시스템 및 추력벡터제어구동시스템의 동특성 개선을 연구한 사례들로 다음과 같은 것들이 있다. Guan Qiao 등[5]은 항공우주분야에 있어서 전기유압식 구동장치시스템을 대체하기 위해 연구 및 개발되고 있는 전기기계식 구동장치시스템에 대한 고찰내용을 기술하였다. 전기기계 구동장치시스템의 구성 및 장점, 한계 등을 분석하고 성능을 분석하기 위한 시험평가 방법에 대해 기술하였다. 그리고 전기기계 구동장치시스템의 미래기술 및 미래 적용분야에 대해 논하였다. Carnevale 등[6]은 유럽의 소형위성 발사를 위한 총 4단으로 구성된 VEGA 발사체의 각 단 추력벡터제어를 위한 전기기계식 구동장치시스템의 연구 및 개발에 대해 기술하였다. 추력벡터제어 전기기계식 구동장치시스템의 설계 및 제작, 시험평가를 수행한 이력에 대해 소개하고 개발현황에 대해 기술하였다. 이를 통해 개발된 전기기계식 구동장치시스템이 발사체 추력벡터제어시스템 적용에 있어서 검증이 완료됨을 증명하였다. Albright 등[7]은 X-38 환경시험용 비행선의 비행제어용 전기기계식 구동기의 개발과 시험평가에 대해 논하였다. 전기기계식 구동기 및 제어기의 구성과 형상을 기술하고 성능시험 결과 및 동특성 시험 결과에 대해 분석 후 성공적임을 증명하였다. Vladimirov 등[8]은 발사체의 추력벡터제어 구동장치시스템 형상에 대하여 각 형상에 따른 동력 대비 중량 및 단위 중량 효율에 있어서 비교 우위 연구를 수행하였다. 3 kW 미만의 동력규모 구동장치시스템에서는 단위 중량 대비 동력 효율에 있어서 전기유압식 구동기보다 전기기계식 구동기 형상이 더 우수함을 확인할 수 있었다. 김상화 등[9]은 전기기계식 구동기의 동적 강성에 대한 모델링 및 시험에 관한 연구를 수행하여 외력의 크기에 따른 동적 강성 변화에 대해 연구하였다. Yunhua Li 등[10]은 전기기계식 구동장치시스템의 추력벡터제어 기반 비행제어에 관한 연구를 했다. 모터 회전자의 큰 관성 및 상대적으로 약한 강성 등의 특성이 있는 전기기계식 구동기의 수학적 해석모델을 생성하였다. 해석모델을 활용하여 단점을 극복하고 추력벡터제어 구동장치시스템으로 활용하기 위한 제어기법을 연구하였다. Renault [11]는 발사체의 추력벡터제어 전기기계식 구동장치시스템에 있어서 하중 되먹임 제어기법의 주요 장점에 대해 논하였다. 추력벡터제어 전기기계식 구동장치시스템에 있어서 하중 되먹임이 없는 시스템과 있는 시스템의 각각에 대한 수학적 모델을 기술하였다. 이를 통해 외란에 강건한 시스템의 특성을 갖도록 하는 구동장치 제어시스템의 설계에 관한 연구를 수행하였다. 이희중 등[12]은 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템에 있어서 짐벌엔진 및 기체구조체, 구동기 등의 합성 공진을 감쇠하기 위해 동적 하중 되먹임 제어를 사용한 전기기계식 구동장치시스템을 연구하였다. 이를 통해 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성이 개선됨을 보였다. Suchitra P 등[13]등은 전기기계식 추력벡터제어 구동장치시스템의 서보제어에 기반한 3단 액체연로 엔진의 최적제어기법에 대해 연구하였다. 전기기계식 구동기의 위치서보제어 있어서 필터 및 보상기를 활용한 기법을 통해 구동장치시스템의 동특성이 개선될 수 있음을 시뮬레이션 해석을 통해 입증하였다. 1.3. 연구 내용 및 방법 한국형발사체 3단의 추력벡터제어 구동장치시스템으로 전기기계식 구동장치시스템을 적용하였다. 중량효율 및 개발비용, 시험운용의 편의성 등을 감안하여 나로호 2단 추력벡터제어 구동장치시스템으로 적용했던 전기유압식을 대체하는 시스템이다. 국내 최초로 우주발사체에 있어서 전기기계식 추력벡터제어 구동장치시스템이 도입된 사례가 되었다[2]. 현재 개발 중인 한국형발사체 3단 전기기계식 구동장치시스템은 나로호 2단 전기유압식 구동장치시스템과 구동기 동력에 있어서 1 kW급으로 유사하지만 약 28 % 정도 중량 절감효과가 있다. 그러나 강성에 있어서 전기유압식 구동기 대비 전기기계식 구동기가 더 취약할 수 있으므로 이를 보완하기 위해 감속기를 적용하지 않고 구동모터와 선형스크루를 직결하는 직구동 방식의 전기기계식 구동기를 구동장치시스템에 적용하였다[3]. 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 경우 감속기 제거로 인해 기계적 고장요소 감소 및 강성 개선, 신뢰성 및 효율성 향상 등의 장점이 있다. 그러나 구동모터의 고토크 및 저회전 특성, 모터 회전관성 증가 등의 특성으로 인해 구동장치시스템의 제어적 측면에서 비선형성이 증가할 수 있다. 따라서 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 동특성 해석모델은 마찰특성, 외란, PWM 제어회로 등의 비선형 특성을 반영할 수 있어야 한다. 특히 구동기 정격명령의 1.0 % 수준에 해당하는 미소변위 구동명령에 대한 구동장치시스템의 응답특성을 현실적으로 반영할 수 있는 해석모델 연구가 필요하다. 따라서 구동모터의 제어특성을 반영할 수 있도록 PWM 방식의 3상 인버터를 포함하고, 마찰특성, 코깅토크 등을 반영할 수 있는 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 동특성 정확도 향상 해석모델을 생성하였다. 해석모델을 활용한 해석결과를 바탕으로 구동장치시스템의 최적화 설계 후 시제품을 개발하였다. 시제품을 이용하여 시험을 수행했고 시험결과와 해석결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성을 검증하였다. 발사체 추력벡터제어에 의한 자세제어가 안정적으로 되기 위해서는 구동장치시스템 및 기체구조체, 짐벌엔진 관성 등의 합성공진이 발생되지 않아야 한다. 추력벡터제어 구동장치시스템에서 합성공진이 발생할 경우 발사체 궤도진입에 실패할 수도 있다. 근본적으로 합성공진 발생을 방지하기 위해서는 구동장치시스템, 기체구조체, 짐벌엔진의 강성을 모두 충분히 크게 제작하면 된다. 그러나 강성과 중량은 비례하는 특성이 있어서 강성을 크게 제작할 경우 중량도 함께 증가한다. 또한 발사체의 경우 각 서브시스템은 허용 중량 요구 규격 내에서 제작되어야 함과 동시에 강성 요구 규격을 만족해야 한다[3]. 따라서 합성공진 개선 및 감쇠를 위한 추력벡터제어 구동장치시스템의 제어기법 적용이 필요하다. 그동안 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 합성공진현상 감쇠를 위한 다양한 제어기법이 연구되어왔다. 앞서 연구되었던 제어기법에는 대표적으로 동적 하중 되먹임 제어기법과 2차 노치 필터와 뒤짐 보상기를 활용한 서보필터 적용 제어기법이 있다. 발사체 자세제어시 구동장치시스템의 고주파 운용 대역에서 기체구조체 및 엔진 브래킷의 공진현상이 발생할 경우 구동기의 작동력은 증가한다. 이때 구동기의 작용력을 로드셀을 이용해서 측정하고 측정된 신호를 제어기에 되먹임해서 구동기의 위치오차 신호에 중첩시킨다. 이 기법이 동적 하중 되먹임 제어기법이며 하중제어 속도가 위치제어 속도보다 빠른 응답특성을 갖기 때문에 공진형상을 감쇠할 수 있다[4,11,12,14]. 그러나 동적 하중 되먹임 제어기법은 로드셀이 장착되어야 하므로 중량이 증가하고 구동기 축방향 하중 경로에 로드셀이 있음으로 인해 구동기 강성이 저하될 수밖에 없다. 구동장치시스템의 위치제어 루프에 2차 노치 필터와 뒤짐 보상기를 조합한 서보필터를 적용할 경우 공진 주파수 대역에서 발생되는 공진 이득값을 감쇠할 수 있다. 구동기의 위치오차신호가 PID 제어기에 입력되기 전에 서보필터를 거치게 하여 공진주파수 대역에서의 이득감쇠 효과를 크게 하는 기법이다. 2차 노치 필터만 적용할 경우 필터 특성주파수가 작을수록 저주파수 대역에서의 이득 증가 현상으로 구동장치시스템 안정성 여유가 감소되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 적절한 뒤짐 보상기 추가를 통해 이런 문제점을 보완한다[15,16]. 그러나 뒤짐 보상기는 저주파 대역에서의 이득값 감쇠를 발생할 수 있고 구동기 정격명령의 1.0 % 수준에 해당하는 미소변위 구동명령에 대한 동특성을 저하시킬 수 있는 단점이 있다. 2차 노치 필터와 뒤짐 보상기를 조합한 서보필터의 단점을 극복하기 위해 뒤짐 보상기를 제거한다. 대신 위치신호에 1차 고주파 통과 필터 형태의 보상기를 거치게 한 후 출력된 신호를 2차 노치 필터를 통과한 구동기 위치오차신호에 중첩시킨다. 이 경우 저주파 대역에서의 안정성 여유를 확보함은 물론 위상지연현상이 적고, 미소변위 구동명령에 대한 동특성을 저하시키지 않는다. 본 논문에서는 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성 개선을 위해 필터 및 보상기를 활용하는 위의 2가지 제어기법에 대한 연구와 이와 관련된 시험결과를 기술한다. 본 논문의 구성은 총 5장으로 구성된다. 1장은 서론으로 연구 배경 및 필요성, 연구 동향, 연구 내용 및 방법 등에 대하여 기술하며, 2장은 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 개요 및 직구동 전기기계식 구동기의 구성요소와 설계, 해석모델에 대하여 기술한다. 그리고 해석모델을 활용한 직구동 전기기계식 구동기의 해석결과에 대해 기술한다. 3장에서는 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성 해석모델을 생성하고 짐벌엔진 및 기체구조체, 구동기의 합성공진 발생시 공진이득을 감쇠할 수 있는 제어기법에 대해 논한다. 4장에서는 구동기 시제품의 성능시험 및 강성시험 결과에 대해 기술한다. 그리고 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성 개선을 위한 제어기법이 적용된 시스템의 시험결과를 기술하고 이에 대해 고찰한다. 5장은 종합적인 결론에 대해 기술한다.

소수력 터빈용 복수 기계평면시일의 최적화 설계에 관한 연구

강현준 (姜賢晙) 弘益大學校 大學院 2006 국내석사

기계평면시일은 회전운동을 하면서 밀봉된 유체의 누설을 방지하기 위하여 회전축 기계 시스템에 설치된다. 기계평면시일은 자동차의 물펌프로부터 고속용 가스 터빈에 이르기까지 광범위하게 사용되는 회전축계의 핵심부품으로 미끄럼 마찰 접촉운동을 하면서 유체의 이동을 차단해 주는 역할을 한다. 펌프의 사용조건이 가혹하지 않았던 초창기에는 시일 소재의 적절한 선정과 시일 섭동면의 초정밀 가공으로 누설문제를 해결하려고 노력하였지만, 최근의 원자력 발전소나 고속 가스 터빈 등에 사용되는 기계평면시일은 작동 조건이 보다 가혹해졌기 때문에 기존의 설계방법으로는 시일 시스템의 신뢰도를 보장할 수가 없고 회전속도, 밀봉압력, 수명 등의 대폭적인 증가를 요구하고 있기 때문에 시일 시스템 설계는 나날이 복잡해지고 가격도 크게 상승하는 추세에 있다. 기계평면시일은 밀봉 성능 특성상 건조 마찰 상태에서도 작동을 해야 하기 때문에 운전 중 기계적 뒤틀림(mechanical distortion)이나 열적 뒤틀림(thermaldistortion)이 발생하면 밀봉간극(sealing gap)의 접촉면 형상이 변형되어 밀봉성능이 크게 저하된다. 특히 시일의 작동환경이 가혹해지면서 마찰열에 의한 열탄성 변형 거동문제는 대단히 중요하게 되었을 뿐만 아니라 혼합 마찰이나 유체 마찰 조건은 누설이라는 측면에서 또 다른 문제점을 제기하기 때문에 아직도 많은 연구과제로 남아 있다. 본 연구에서는 소수력 터빈에 사용되는 복수 기계평면시일을 대상으로 작동 환경에 따른 시일의 거동 특성을 분석하기 위해 작동 환경에 대응하는 여러 경계 조건들을 달리하면서 기계평면시일의 거동을 유한요소방법으로 해석하여 가장 적절한 작동 환경 조건을 찾아 제시하였다. 또한 기계평면시일의 시일링과 시일시트의 최적화 설계를 위해 본 논문에서는 다구찌 기법이라는 최적화 설계 기법을 배치하여 유한요소해석을 사용하여 각 설계변수들의 기여도를 계산하여 설계에 반영함으로써 설계의 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있었으며, 다구찌 기법으로 최적 설계된 모델의 작동성능을 기존의 모델과 비교하여 고찰함으로써 기계평면시일의 향상된 작동성능을 보장할 수 있었다. 또한 O-링 2차 밀봉장치의 비선형 탄성 거동을 유한요소해석을 통해 수행함으로써 복수 기계평면시일에서 가장 적절한 O-링 소재를 선정할 수 있었다. 유한요소법을 이용한 수치해석은 복수 기계평면시일의 설계를 위한 선형, 비선형해석을 수행하였고, 이때 기계적하중과 열적하중을 couple시켜 해석하는 Thermo -mechanical 해석을 적용함으로써 해석의 정확성을 높였다. 또한 시일시트와 접하는 시일링의 댐 중심부에 유체에 의한 열전달 효율을 향상시키는 공간(space)을 둠으로써 열변형에 더욱 유리한 거동특성을 보이는 새로운 모델을 제시하여 기존의 모델과의 작동성능을 비교하였으며 더욱 향상된 작동성능을 보임을 검증할 수 있었다. Mechanical face seal is installed in the axis of rotation of a machine system for protecting leakage of sealed fluid. Mechanical face seal is a critical component used for water pumps of automobile, high-speed gas turbines and so on widely, and it has the role of cutting movement of fluid through sliding frictional contact motion In the pioneer days that the operation conditions weren't harsh researchers tried to solve leakage problems through the suitable selection of seal materials and the super-detailed processing of seal contact surfaces. But because the operation conditions used for a nuclear power plant or a high-speed gas turbine recently are more severe than before, the original design methods can't guarantee the trust of a seal system. So, seal system design is being complicated day by day and is trending toward a high price because substantial increase of rotating speed, sealing pressure, life time and so on is needed. On account of operation of mechanical face seal in the dry frictional state if mechanical distortion or thermal distortion happen, sealing ability largely drop because of deformation of contact surface shapes. because mixed or fluid frictional conditions propose other problems on side of leakage, many tasks remain still as well as specially by more severe operation conditions, behavior problems about thermoelasitc deformation as a function of frictional heat are getting important very much. In this study, for analysis behavior of double-type mechanical face seal for a small hydro-power turbine due to operation environment, finite element method was conducted by changing various operation conditions. So the best suitable operation conditions are presented. For optimization design of seal ring and seal seat of double-type mechanical face seal, Taguchi experimental design technique is used in this paper. Taguchi technique can drop time and cost of design by calculating contribution ratio of each design factor. By comparing optimized design with original one, improved operation ability can be secured. And by conducting FEM analysis of nonlinear elastic behavior of secondary sealing unit, O-rings, the best suitable O-ring materials can be elected in double-type mechanical face seal. In numerical analysis using FEM for design of double-type mechanical face seal linear and nonlinear analysis are conducted. and by appling thermo-mechanical coupled mechanical load and thermal load analysis accuracy of analysis rose. And by showing new model that appear more profitable behavior by the empty space that rise thermal transfer efficiency in the center of dam of seal ring, more improved operation ability was inspected as the optimized model is compared with the original model.

실험계획법을 이용한 기계식 프레스의 구조특성해석 및 최적설계

황인범 한국항공대학교 대학원 2014 국내석사

금속 성형 공정에 사용되는 보편적인 가공 기계는 프레스이고, 산업 현장에서 많이 사용되는 프레스의 형태는 기계식 프레스와 유압식 프레스이다. 기계식 프레스는 유압식 프레스에 비해서 가공 속도가 매우 빠르고, 에너지 효율도 높기 때문에 프레스 가공에서 차지하는 비중이 상대적으로 높다. 특히 기계식 서보 프레스는 기계식 프레스의 가공 속도, 가공 정밀도와 신뢰성, 그리고 유압식 프레스의 가공 유연성을 모두 갖추고 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 기계식 서보 프레스의 루프 강성에 대한 최적설계를 수행하고자 메인 프레임의 리브와 격벽들의 두께를 설계 변수로 설정하고 실험계획법 중 하나인 반응표면법을 사용하여 총 27가지의 구조 해석 조건을 도출하였다. 그리고 각각의 조건을 만족하는 해석 모델에 대해 구조 해석을 실시하여 루프 강성과 총 질량을 산출하고, 그 결과를 토대로 기계식 서보 프레스의 루프 강성과 총 질량에 대한 2차 회귀 모형 형태의 예측 모델을 수립하였다. 그리고 구조 해석을 통해 얻은 측정값과 예측 모델을 이용하여 얻은 예측값을 비교함으로써 두 예측 모델의 신뢰도를 평가하고 최적화 함수를 이용하여 총 질량의 변화가 억제된 조건에서 루프 강성에 대해 최적화된 설계 변수들을 도출하였다. 이러한 과정을 통해 얻은 최적 설계 변수를 기계식 서보 프레스의 메인 프레임에 적용하고 최적 설계 모델을 구축하여 구조 해석을 실시하였다. 그 결과 최적 설계 모델은 기존 모델에 비해 루프 강성이 6.1% 향상되었고 총 질량이 0.1% 감소하였다. In this study, the structural analysis criteria were derived by using response surface methodology which is one of the design of experiment method in order to perform an optimal design for loop stiffness of the mechanical servo press. And the virtual prototype of the mechanical servo press satisfying each condition was constructed and analyzed to calculate the loop stiffness and total mass and the result were used to establish the prediction model of the loop stiffness and total mass. This process resulted in the optimal design variables. And finally, the optimal design variables were applied to the main frame of the mechanical servo press to construct the optimized model of the mechanical servo press.

건설기계 배출가스 저감을 위한 부하검사방법 및 엔진정비 영향 연구

홍성태 인하대학교 대학원 2010 국내박사

건설기계 등록대수는 자동차 등록대수 1,700만대의 약 2.2%에 해당하는 약 38만대에 불과하나 단위 장비당 배기량 및 연료 사용량이 자동차에 비해 월등히 높고 오염물질 배출에 대한 규제도 자동차에 비해 늦게 시작되었기 때문에 건설기계가 대기오염물질 배출에 기여하는 비율은 매우 높은 편이다. 건설기계의 대기오염물질 배출량을 추정한 연구결과에 의하면 서울의 수송부문 대기오염물질 배출량 중에서 PM(입자상물질, Particulate Matter)의 24%, NOx의 25%가 건설기계에서 배출되는 것으로 조사되어 오염물질 배출 저감을 위한 대핵이 시급히 마련되어야하는 오염물질 배출원이다. 본 연구에서는 굴삭기의 주요 동작 및 실제 작업 부하를 모사할 수 있는 표준 작업 모드를 제안하고, 이들 표준 작업 모드에서 배출가스 및 연료 소비량을 간편히 측정할 수 있는 측정 시스템을 구성하고 실험을 수행하였다. 이로부터 배출가스를 질량당 값으로 환산하는 방법을 제시하였고 최종적으로 표준 작업 모드에서의 배출가스 성분별 총배출량을 산출하는 방법을 제시하였다. MDT(Micro Dilution Tunnel)를 이용하여 측정된 PM 배출량과 Opacimeter 등과 같은 간이 측정기에서 측정된 매연농도를 비교하여 상관관계를 도출하였고, 여러 연소 조건에서 생성, 포집된 PM의 조성을 열중량법(TG;Thermal Gravimetry) 및 필드-방출 투과전자 현미경(FETEM, Field Emission Transmission Electron Microscope) 등의 기법 및 장비를 이용하여 분석하여 연소 조건에 따른 PM의 발생량 및 성분과의 상관관계를 도출하고자 하였다. 고부하 운전 영역에서 PM 발생량이 많았고, PM 중의 SOF(Soluble Organic Fraction) 및 Sulfate의 비율이 적었다. 또한 자동차에 비해 오랜 기간 동안 사용되는 건설기계의 특성을 고려할 때에 새롭게 판매되는 건설기계에 대한 배출물질 규제만으로는 건설기계로부터 배출되는 유해 배출가스의 기여율을 낮추는 데는 한계가 있으므로 운행되고 있는 건설기계에 대한 배출가스 저감수단의 도입이 필요한 시점이다. 따라서 본 연구에서는 비용 대비 효과가 우수한 배출물질 저감 방법으로 알려진 엔진정비(rebuild)를 실시하고 효과를 이론적으로 고찰하였다. 엔진정비에 의해서 PM은 최대 39%, NOx는 최대 62%의 배출량 저감이 가능하며 이는 엔진의 노후도, 엔진오일, 연료 분사노즐, 연료 분사펌프의 플런져 및 기통간 분사량 편차, 흡배기 밸브 마도도, 연소압력 등의 영향을 받는 것으로 판단되었다. 다만, 엔진정비에 의한 매연배출 저감은 엔진정비 전의 매연 배출이 클 경우에만 효과가 있으므로 노후도가 심한 엔진에 효과가 큰 것으로 나타났다.

SCM415 냉간단조재의 열처리 공정 개선을 통한 기계적 특성 향상에 관한 연구

신장선 한국산업기술대학교 2016 국내석사

기계구조용 저합금강인 SCM415는 기계적 성질이 우수하여 기계부품 및 자동차 부품으로 널리 사용된다. 기계구조용 합금강은 가공 경화능 향상을 위하여 B, Nb, V의 미량원소 첨가와 열처리로서 결정립 미세화, 높은 인장강도와 인성을 얻는다. 본 연구는 냉간 단조재 SCM415가 미량의 특수원소 첨가 없이 열처리를 통하여 기계적 특성의 변화에 대하여 연구하였다. 또한 침탄 열처리 공정에서 기계적 특성 변화의 영향을 규명하였다. 그리고 불림처리로 균질화 된 표준결정립의 경우와 비교하였다. 비교 결과 냉간 단조재 SCM415는 단조공정상 생성된 벤드구조 조직은 침탄처리에서 마르텐사이트 미세조직과 오스테나이트 결정립이 형성됨으로서 구조적, 기계적 특성이 오히려 저하되었다. 이러한 문제점을 개선하는 방안으로 벤드구조 결정과 안정화를 위하여 930℃로 불림처리 하였다. 불림처리 후 균질화 된 결정립을 침탄, 급냉시켜 마르텐사이트 변태조직을 고찰하였다. 연구결과 냉간 단조재 SCM415 벤드구조 결정립에서는 조대 마르텐사이트의 형성, 비틀림 강도의 저하, 파단면 표면입계에서 취성파괴가 나타났다. 결과적으로 냉간 단조공정으로 소성변형 된 재료에서 2차 균질화 재료의 침탄 된 결정립 미세화는 강도와 인성이 향상되었다. SCM415의 조직도 보다 균일화, 미세 마르텐사이트화로 경도, 인성, 인장강도, 비틀림 강도 및 피로한도가 향상되었고 물리적 성질도 향상되었다.