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4열 무한궤도 차량의 선회성능 연구

<고객정보>

• 고객명 : 한국해양연구원 해양시스템안전연구소

• 주요사업 : 해양과학기술연구

<과제>

• 좌/우 양쪽 궤도를 2열로 분리하여 차량의 폭을 증가시킴

<사용된제품>

• RecurDyn/Professional

• RecurDyn/Track_LM

<효과>

• 4열 무한궤도 차량의 동역학 모델을 모델링하고,  선회성능을 해석을 통해 예상 하였음

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심해저의 퇴적지반은 매우 높은 함수율을 가지는 미세한 입자들로 구성되어 지반의 지지력(Bearingcapacity)이 매우 미약하다는 문제점을 가집니다. 이러한 미약한 지반 지지력으로 인해 상업 생산에 요구되는 시간당 최대 500톤에 달하는 망간단괴를 집광 시스템으로 실어 운반하는 것은 불가능하며, 해상의 채광선까지 양광관을 통하여 연속적으로 채광하는 것(Continuousmining)이 필요합니다.

그래서 연속적 채광시스템은 해상의 채광선, 양광관, 중간버퍼, 유연관, 자항식 집광기로 구성되며, 채광시스템의 최하단에 위치하는 집광기의 운용은 전체 채광시스템의 통합적 위치 제어를 전제로 합니다. 그리고 심해저 퇴적층의 전단강도가 매우 낮기 때문에 집광기가 계획된 채광경로 위를 예정된 속도로 주행하기 위해서는 집광기 – 유연관 – 버퍼의 상대 위치가 가능한 일정하게 유지되어야 하며, 이를 위해서는 전체 채광시스템의 통합운용이 필수적입니다. 수심 5,000m 해상으로부터의 원격제어와 통합운용이 필요한 심해저 집광기는 모델링 – 시뮬레이션기법을 기반으로 개발되고 있으며, 시험집광기의 거동 시뮬레이션을 위한 해석 모델의 개발이 선행되었습니다.

또한, 심해저 연약지반을 주행하는 시험집광기는 지면과 접촉하는 지점에서의 접지압을 낮추기 위해 접지면적이 넓은 폭이 큰 궤도를 사용하고 있습니다. 하지만 폭이 큰 궤도의사 용으로인해 궤도의 변형이 발생할 수 있으며, 시험집광기 전면에 탑재된 채집장치가 외팔보 형태를 이루어 구조적인 문제가 발생합니다. 또한 심해저 집광기의 채집 용량을 증가시키기 위해서 추가적인 채집장치 여러 개를 심해저집광기 전면부에 장착해야 합니다. 이러한 경우 채집장치를 장착할 수 있는 공간 및 구조적인 안정성을 높이기 위해 좌/우 양쪽 궤도를 2열로 분리하여 차량의 폭을 증가시켜야 만합니다.

본 사례에서는 좌/우 양쪽궤도가 2열로 분리된 모델에 대한 수치해석을 수행하여 궤도와 궤도 사이의 폭의 비에 대한 선회 성능을 분석하는데 그 목적이 있으며, 수치해석은 심해저 연약지반 모델이 적용된 RecurDyn을 사용하였으며, 좌 혹은 우 트랙의 속도비 및 좌/우 궤도차량의 선회비, 4열 궤도의 폭의 변화에 따른 주행 성능을 관찰 하였습니다.

Case Study

1) 시험 집광기 모델

» 시험용 실제 모델
시험용 실제 모델인 근해역 채광장비 성능실증 시험용집광기는 프레임(Frame), 전자장비(Electronicequipments), 파쇄기(Crusher), 채집장치(Pick-updevice), 부력재(Buoy), 주행장치(Tracksystem) 등으로 구성되어 있으며, 실 모델(심해용 상용집광기) 용량의 1/10 규모입니다.

한 쪽의 무한궤도 주행장치는 프레임, 상부롤러 3개, 하부롤러 11개, 트랙링크, 스프라켓 및 구동모터, 아이들러 및 장력 조절장치, 트랙슈 등으로 구성되며, 합성수지 재질의 트랙슈(폭130mm, 길이 1,100mm, 무게 10kg, 비중 1.183) 132개를 사용하였습니다. 또한, 무한궤도 외측제원의 스프라켓과 아이들러 회전축간 간격은 3,330mm, 총 높이는 880mm, 폭은 1,100mm입니다.

» 시험용 가상 모델
시험용 실제모델을 RecurDyn에서 동적 거동해석을 목적으로 망간단괴를 채집하는 부분인 채집장치의 스크래퍼 부분을 하나의 강체로 하여 모델링 하였습니다.

기존의 무한궤도 모델을 변경하여 4열 무한궤도 차량을 모델링하였으며 ,4열 무한궤도 차량의 주행장치의 폭은 기존의 주행장치의 폭과 동일하게 하였습니다. 총 109개의 강체와 240개의 트랙링크, 76개의 회전조인트, 2개의 병진조인트, 36개의 고정조인트가 사용되었으며, 주행장치의 트랙 링크들 사이의 연결은 부싱요소(Bushingelement)를 사용하였습니다. 그리고 스프라켓과 트랙링크, 로드휠과 트랙링크, 아이들러와 트랙링크, 지지롤러와 트랙링크 사이에는 접촉요소(Contactelement)를 사용하였습니다.

2) 지반 역학

토양의 지반 반력은 크게 수직응력과 전단응력으로 나눌 수 있습니다 .수직응력은 차량의 지면압력으로 나타나고, 수직 침하에 대한 압력 – 침하 간의 관계식 (에 의해 구할 수 있으며, 전단응력은 차량의 지면에 발생하는 전단변위에 의해 발생하게 됩니다. 그리고 전단변위는 차량의 구동에 의해 지면과 접촉하는 부분에서 발생하는 미끄럼 속도를 시간에 따라 적분함으로써 구할 수 있습니다.

3) 반복하중

하중이 작용하는 구간은 관련식에 의해 침하에 대해 수직 압력을 구할 수 있으며, 반복하중이 작용하는 unloading과 reloading 구간에 대한 수직압력 – 침하곡선은 직선의 형태로 가정하여 정의할 수 있습니다.

4) 유체저항력

무한궤도 차량의 유체저항력을 선박에 적용되는 동력학 이론을 기초로 계산하였으며, 해저 연약지반 위를 주행하는 무한궤도 차량의 성능을 관찰하기 위해서, 물속에서 천천히 움직이는 물체에 대한 유체력을 이용하였습니다.

5) 수치해석

모델을 가지고 궤도 사이의 피치(PT:1.0,1.5,2.0,2.5), steeringratio(1.1,1.2,1.4)를 변화시키면서 수치해석을 수행하였으며, 4열궤도인 관계로 좌측궤도 및 우측궤도가 각각 2개씩 1쌍으로 이루어져 있기 때문에, 좌우 각각 1쌍의 궤도에 동일한 속도를 적용할 경우(Case1)와 좌우 1쌍의 궤도에 각기 다른 속도를 적용할 경우(Case2)로 나누어서 수치해석을 수행하였습니다.

효과

좌우 각각의 트랙속도가 일정한 경우(CaseI)에 피치가 증가함에 따라 선회반경이 증가함을 알 수 있었고, 수직침하는 큰 변화가 없는 것을 알 수 있었습니다. 그리고 좌우트랙의 속도가 선형적으로 증가하는 경우에도 피치의 증가에 따라 선회반경이 증가함을 알 수 있었지만, 피치의 증가에 따라 CaseI과는 다르게 수직침하가 감소함을 알 수 있었습니다. 이는 선회반경의증가에의해 차량의 측면 전단변위에 의한 미끄럼 침하가 감소하기 때문인 것으로 사료됩니다. 선회비가 같고 궤도사이의 피치값이 같은 경우, 좌우트랙의 속도가 일정한 경우(CaseI)가 트랙의 속도가 선형적으로 변하는 경우(CaseII)보다 선회반경이 작은 것을 알 수 있었습니다.
 

*본 내용은 2009 RecurDynUser’s Conference 발표자료를 재구성한 것입니다.