고온 환경 내 매니퓰레이터 내열 방안을 위한 전산 유동 해석과 실험적 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 화재 현장에 많은 소방 로봇이 투입되고 있는데, 그중 매니퓰레이터가 장착된 로봇은 전자 장비와 유압 실린더 장비를 포함하게 된다. 작동 온도 범위를 넘어서는 고온 환경에서는 성능이 저하될 수 있기 때문에 매니퓰레이터가 정상적으로 작동하기 위해서는 내열 방안이 필수적이다. 본 논문에서는 고온의 환경에서 노즐을 통한 물 분사 냉각 방식을 수치 해석을 통해 내열 성능을 예측하고 내열 챔버를 통한 시험을 통해 검증하였다. 전산 유동 해석은 ANSYS Fluent V19.4를 이용하였고 열전달과 열복사를 모사하기 위해 S2S(Surface to Surface) 모델을 사용하였다. 두 가지 종류의 노즐을 이용해 세 가지 조건으로 해석하였으며 매니퓰레이터의 세 가지 자세에 대해 각각의 표면 온도를 비교하여 냉각 성능을 예측하였다. 해석 결과를 바탕으로 500°C 환경의 내열 챔버에서 내열 시험을 진행하였다. 시험 결과 물 분사 냉각 방식으로 약 1시간 동안 유압 실린더 온도를 60°C 이하로 유지하는 것을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, many fire robots have been deployed in fire environment. In the case of a robot with a manipulator, the performance of some electronic equipment and hydraulic cylinders installed in the manipulator can deteriorate in high-temperature environments. Heat resistance and cooling performance are required for normal operation of the manipulator. In the present work, a water injection cooling method using nozzles is designed using computational fluid dynamics, and the predicted results are verified by a heat resistance test. Two types of nozzles and three positions of the manipulator are considered, and the maximum temperatures on the surface of heat resistance cloth are compared. Based on the numerical analysis results, the heat resistance test is conducted in a high-temperature chamber at 500 °C. The test results show that the proposed method can maintain the temperature of hydraulic cylinders below 60 °C for approximately 1 h.

목차 (Table of Contents)

• 초록
• Abstract
• 1. 서론
• 2. 수치 해석 모델
• 3. 내열 시험
• 4. 결론
• 참고문헌(References)

참고문헌 (Reference)

1 곽지현, "특수재난지역 정찰로봇 시제품의 성능평가연구" 한국화재소방학회 29 (29): 109-118, 2015

2 오연택, "소방로봇의 열 차폐 시스템 연구" 한국기계기술학회 20 (20): 372-376, 2018

3 Kim, Y. D., "Portable Fire Evacuation Guide Robot System" 2789-2794, 2009

4 Kim, B. C., "Numerical Simulation and Experiment of the Fire Protecting System of the Manipulator in High Temperature Environment" American Society of Mechanical Engineers 2019

5 Miyazawa, K., "Fire Robots Developed by the Tokyo Fire Department" 16 (16): 553-556, 2002

6 "ANSYS Meshing User Guide"

7 "ANSYS FLUENT User’s Guide"

8 Kwark, J. H., "A Study on Performance Evaluation of a Fire-Extinguishing Robot" 225-230, 2007