버킷 엘리베이터 체인의 동특성 평가

1. 서론

벌크선(Bulk Carrier)으로 운반된 철광석, 석탄, 석회석 등의 벌크 화물을 굴삭 및 수직이송하기 위해 사용되는 버킷 엘리베이터(Bucket Elevator, BE)는 연속식 하역기(Continuous Ship Unloader, CSU)의 핵심 구성 요소이다. Fig. 1에는 현장에서 사용중인 연속식 하역기로 점선부분이 BE 시스템을 나타낸다. 연속식 하역기는 버킷을 이용하여 하부에서 화물을 담아 수직으로 이송하여 운반 선로를 따라 최종 컨베이어로 화물을 옮겨 주는 장비이다.

Fig. 1

The digital picture of continuous ship unloader roller chain system

BE 시스템의 사양은 수직 높이 약 40 m로 피치 350 mm 롤러체인 268 링크로 구성되어 있으며, 체인 링크 4개 마다 버킷을 장착하여 화물을 운반하고 있는 시스템이다. 롤러체인 하나 무게는 약 47.9 kg, 버킷의 무게는 411 kg이다.

화물을 하역을 하는데 중요한 역할을 하는 버킷과 롤러체인은 연속식 하역기의 작업 시간과 운전자의 숙련도에 따라 체인의 수명이 결정되며, 롤러체인은 평균인장강도, 충격, 마모, 내구성 등의 요구조건을 만족하여야 한다.

산업현장에서 BE 시스템의 롤러체인은 실제 사용 시간을 채우지 못하고, 롤러체인 부품 내부에 벌크 화물의 일부가 내부로 들어와 마모 및 부품 결합을 야기시키고, 높은 하중을 견디지 못하여 하중 작용부분이 마멸되어 파손 되는 경우가 빈번하게 나타나고 있다.

Ryu와 Choi는 군수용 궤도차량 모델에서 스프라켓과 롤러체인 간에 접촉력이 고려된 정교한 롤러체인 모델을 개발하고 이에 대한 동특성을 연구하였다.¹ Chen과 Freudenstein은 롤러체인 구동 메커니즘에서 롤러체인의 법선 방향에 거동에 의한 출렁임과 접촉력을 갖는 현 운동 현상을 파악하기 위하여 기구학적 해석모델을 제시하였다.^2,3 Veikos와 Freudenstein은 라그랑주 방정식에 근거하여 집중 질량 동적 모델을 개발함으로써 롤러체인 구동의 동적 거동과 진동특성을 보여주었다.^4,5 Wang은 롤러체인 시스템의 안정성과 접촉력에 의한 효과를 연구하였다.^6,7

일본 Tsubaki사에서 체인의 수명 연장을 위한 외부 코팅 및 특수 소재를 사용하여 수명 연장 및 경량화를 하고 있으며, 또한 사용 환경에 부식방지를 위해 적합한 소재를 사용하여 롤러체인의 수명을 연장시키는 연구를 활발하게 진행하고 있다.

국내에서는 롤러체인에 대해 수명 향상 및 내구성 향상을 위해 소재 표면 열처리 및 경량화 연구를^8-10 하고 있으며, 체인은 동하중을 받으므로 안전을 유지하기 위해 안전계수를 5 이상의 안전계수를 갖도록 설계하고 있으며, 버킷 엘리베이터 체인은 안전계수를 3 이상으로 설계하여 안전성을 확보하였다.

본 연구에서는 고하중용 버킷 엘리베이터 체인의 안전성을 평가하고, 체인 핀에 고분자 재료를 삽입하여 경량화를 확인하고, 이에 따른 충격 감쇠효과에 대한 연구를 수행하였다.

2. 롤러체인의 정적 구조해석

2.1 롤러체인의 설계 및 해석조건

버킷 엘리베이터용 롤러체인의 피치는 150 - 400 mm로 다양하게 있으며, 롱 피치 롤러체인의 상세 부품 도를 Fig. 2에 나타내었다. 본 연구에서는 석탄이나 이물질을 방지하기 위해 설계된 실시트, 오링 등을 제외하고, 350 mm 롤러체인을 대상으로 연구를 수행하였다.

Fig. 2

The different parts of components in roller chain

롤러체인의 모델링은 Solid Edge ST4를 이용하여 파트 별 생성 후 어셈블리 방식으로 모델링을 진행하였으며, 해석에는 대칭 조건을 적용하여 1/2 모델을 이용하여 해석을 하였다.

롤러체인 구성 부품의 소재는 SCM440과 SUS410으로 Table 1에 기계적 물성을 나타내었다. 소재의 기계적 물성은 롤러체인에서 시험 편을 재취하여 인장시험을 통해 물성을 확보하였다.

Table 1

The properties of roller chain plate, pin and bush

정적 구조해석의 해석조건은 Fig. 3과 같이 버킷 엘리베이터 최상부 롤러체인 링크와 스프라켓이 접촉하기 직전 상태를 고려하여 설정하였다. 상부 롤러체인의 핀에 실린더 조건으로 축 방향 회전만을 허용하였다. 하중 조건은 BE 시스템에서 최대 하중이 작용 하는 부분의 하중 조건으로 롤러체인의 자중, 버킷, 화물을 무게를 포함한 최대 하중(30.8 Ton)을 적용하였다.

Fig. 3

The schematic representation of roller chain load distribution

롤러체인의 구동간의 이탈을 막기 위해 플레이트와 핀이 축 방향으로 Displacement 조건을 적용하여 축 방향으로는 고정하였으며, 부품 별 마찰 면에는 마찰계수 0.2를 설정하여 해석을 수행하였다.¹¹

2.2 롤러체인의 정적 구조해석

롤러체인에 최대하중 작용 시 부품 별 응력 분포를 확인하고, 해석 결과를 이용하여 경량화 설계를 하였다. 최대 하중(30.8 Ton)을 적용하여 계산시 최대 응력은 플레이트에서 224.8 MPa을 가진다.

Fig. 4는 최대 등가 응력(Von-Mises)을 나타내었으며, 외부 플레이트와 핀이 접촉하는 플레이트 표면에서 242.7 MPa로 이론 결과와 약 7% 오차를 가진다. 이는 접촉 부에 마찰을 고려해서 나타난 해석 오차로 보여진다.

Fig. 4

Schematic representation of equivalent stress distribution on chain plate.

Fig. 5는 핀에 대한 최대 등가 응력을 나타낸 것으로 롤러체인 최대 등가응력 발생 지점과 접촉하는 핀에서 118MPa으로 나타났으며, 핀의 최대 전단응력(X-Y 평면)은 51.9MPa으로 나타났다. 플레이트와 핀의 최대 인장강도 기준 안전계수를 평가하면 플레이트는 4.0, 핀은 12.3으로 나타났으며, 안전계수가 높은 핀을 대상으로 경량화 설계를 수행하였다.

Fig. 5

Schematic structural representation of equivalent stress distribution on chain pin

3. 롤러체인의 경량화 설계

롤러체인의 경량화 설계는 정적 구조해석 결과를 이용하여 핀으로 수행하였다. 롤러체인 1링크의 무게는 47.9 kg이며, 핀은 2개로 구성되어 있으며, 1개의 무게는 8.48 kg로 핀이 차지하는 무게는 전체 무게의 35%인 약 17 kg이다. 초기 설계된 핀은 외경 68.1 mm 중실 핀 이였으나, Fig. 6과 같이 경량화 설계 조건은 외경은 고정하고, 내부의 직경을 변수로 설정하여 핀에 응력 분포를 확인하였다.

Fig. 6

Schematic hypothetical representation of hallow pin

핀의 내부 직경의 범위는 25 - 57.8 mm로 8개의 변수를 설정하여 모델링 후 해석을 진행하였으며, 8개의 변수는 Table 2에 나타내었다.

Table 2

The data of inner diameter of light weight design chain pin

핀 내부 직경에 따른 해석 결과를 Table 3에 나타내었다. 해석 결과 내부 직경이 커짐에 따라 무게 감소와 플레이트, 핀에 나타나는 응력 분포가 점점 커지는 것을 볼 수 있으며 핀의 응력이 DP3 지점을 지나면서 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.

Table 3

The data of inner diameter of light weight design chain plate

Fig. 7에는 핀 경량화 설계한 해석 결과를 그래프로 나타내었다. DP3 지점 이후 핀의 응력이 크게 증가하는 분포를 보였으며, 플레이트 응력은 크게 증가하지 않으며, 핀의 무게는 감소하는 경향을 보였다. 플레이트, 핀의 최대 인장 강도 대비 최적 응력분포는 DP3로 핀 내부 직경 34.05 mm에서 무게가 18.4% 감소와 최대 등가응력은 플레이트, 핀에서 251.0 MPa, 239.3 MPa로 Figs. 8과 9에 나타내었다. 기존 설계와 비교하였을 때, 최대 등가 응력은 플레이트는 3.4%, 핀은 102.8% 증가하는 것을 확인하였다. 핀의 최대 응력 발생은 기존에 비해 많이 증가하였으나, 항복 강도 기준 대비 안전계수 4으로 안전함으로 경량화 설계의 DP3이 최적 설계 안으로 판단된다.

Fig. 7

Optimization results of design parameters of light weight chain pin and plate

Fig. 8

Schematic representation of selected design parameters of equivalent stress on chain plate.

Fig. 9

Schematic representation of selected design parameters of equivalent stress on chain pin

핀의 응력은 DP3 이후 급격히 증가하다가 DP7, DP8에서는 급격히 증가하여 큰 응력을 갖게 된다. 이는 내부 직경이 커짐에 응력을 지지하는 핀의 두께가 작아져서 관성모멘트에 의한 영향으로 보여진다.

4. 롤러체인의 동 특성 평가

BE 시스템에서 롤러체인은 스프라켓과 접촉하면서 충격력을 받으며, 스프라켓-롤러-부시-핀으로 전달되어 소음 및 진동이 발생하게 된다. 이를 감소 시키고자 경량화 설계한 핀 내부에 이종재료를 적용하여 충격 감쇠효과를 확인하였다. 기존 핀과 핀 내부 직경을 25, 30, 34 mm로 제작을 하여 이종재료를 넣어서 충격에 의한 감쇠를 실험 및 유한요소해석을 통해 확인하였다.

동 특성 평가 실험은 Fig. 10과 같이 실험 장치를 구성하여 실험을 하였으며, 핀의 수직방향으로 고정시키고 충격 해머(Impact Hammer)로 충격력을 가진 하고, 가속도 센서를 이용하여 신호를 측정하였다. 충격 해머에 의한 가속도의 시간 이력 데이터를 이용하여 감쇠가 어떻게 일어나는지에 대해 평가하였으며, 유한요소해석은 동 특성 실험과 동일한 경계조건을 적용하여 과도 응답(Transient Response)해석을 수행하여 실험과 유한요소 해석 결과를 비교 분석하였다.

Fig. 10

Schematic design representation of dynamic test method

Fig. 11 롤러체인 핀의 내부 직경이 커짐에 따른 시험 결과를 나타내었다. 이종재료를 사용하지 않은 초기 ID-0(기존 핀)인 경우 감쇠가 작게 일어 나는 것을 볼 수 있으며, 내부 직경이 커짐에 따라 충격 감쇠효과가 나타나는 것을 볼 수 있다.

Fig. 11

The dynamic test results of Chain Pin with different diameters

이종재료를 사용한 경우 초기에 충격에 대한 감쇠효과는 크게나타나며, 일정 시간이 후 감쇠되는 것은 동일하게 일어나는 경향을 나타내었다. 내부 직경 25 mm 핀에서는 초기에 진동이 크게 나타났지만, 점차적으로 작아지는 경향을 나타내었으며, 직경 30, 34 mm 경우에는 초기부터 충격 감쇠가 많이 되는 것을 볼 수 있으며, 0.3초 이후에는 34 mm의 충격이 크게 감소하는 것을 볼 수 있으며, 0.6초 이후 변형 값이 일치하면서 0 값으로 가는 것을 확인하였다.

Fig. 12는 동 특성 시험의 유한요소해석 결과를 나타내었다. 충격에 의한 초기 변형 값은 유사하게 나타났으며, 시간이 지나면서 감쇠효과가 다르게 나타났다. 기존의 핀의 경우 감쇠가 천천히 나타나는 것 볼 수 있으며, 이종재료를 사용하여 내부직경이 커짐에 따라 초기 충격 이후 일정하게 감쇠되는 형상을 볼 수 있으며, 실험 결과와 비교분석 시 0.8초 이후에도 해석결과에서는 아직 감쇠가 계속 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 12

The results of vibration analysis of chain pin with different diameters

분석 결과 내부 핀의 소재 및 크기에 따라 진동 감쇠에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만, 핀 내부 크기의 변화가 크지 않아 해석에서는 큰 차이를 확인할 수 없으나, 실험 결과에서는 내부 핀의 두께의 변화에 따라 진동 특성을 개선 시킬 수 있으며, 이때 강도 부분도 함께 고려 되어야 한다.

5. 결론

본 연구에서는 버킷 엘리베이터 롤러체인 시스템의 롤러체인의 정적 구조해석 및 경량화 설계를 수행하여 핀에 대한 동 특성평가를 수행하였다. 버킷 엘리베이터 롤러체인 시스템의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 고하중용 버킷 엘리베이터 롤러체인 시스템 롤러체인에 대한 최대 하중을 적용하여 정적 구조해석을 결과 안전성을 확인하였으며 결과를 경량화 설계에 반영하였다.

(2) 롤러체인 핀에 대한 경량화 설계에서 핀의 내부 직경이 커짐에 따라서 무게가 감소(18.1%)하고, 플레이트(3.4%), 핀(102.8%)에 응력은 증가하였다. 핀의 최적 설계 안은 DP3(34.05 mm)지점으로 핀의 안전계수 4로 나타났다.

(3) 롤러체인 핀의 동 특성 평가는 실험과 유한요소해석 결과에서 충격에 의한 감쇠 효과가 0.4초 이후에는 동일하게 감소하는 것을 볼 수 있으며, 초기 감소효과가 크게 나타나는 것은 34, 40 mm에서 실험과 해석을 통해 확인하였다.

롤러체인 핀의 내부를 고분자재료로 대체하여 제작하여 평가 결과 경량화 및 감쇠효과를 보였으며, 소음과 진동저감 설계 및 롤러체인 경량화 설계가 가능할 것으로 사료 된다.

Acknowledgments

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이며(No. 2014H1C1A1067175), 2013년도 정부(미래창조과학부) 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2011-0030058).

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