피로 수명 향상을 위한 옥수수 수확기 기어박스 설계 수정

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15576(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

기어박스는 기어비에 따라 토크와 회전속도를 변경할 수 있는 장점이 있으며, 기어쌍의 접촉을 통해 동력을 전달함으로써 동력 전달 효율이 높다. 설계하중이나 등가하중을 이용하여 기어박스의 강도 및 피로수명을 평가할 경우, 실제 결과와 크게 다를 가능성이 있습니다. 따라서 본 연구에서는 실제 작업량을 기반으로 구축한 LDD(부하지속시간분포)를 이용하여 기어박스의 강도와 피로수명을 신뢰성 있게 평가하였다. LDD를 이용하여 기어박스의 강도 및 피로수명을 평가한 결과, 기존 기어박스는 운전환경에서 목표수명을 만족시키지 못하는 것으로 확인되었다. 따라서 이러한 결과가 나타나는 이유를 분석하고, 분석된 결과를 바탕으로 설계수정을 수행하였다. 설계 수정 결과, 오버행형에서 스트래들형으로 베어링 재배치로 축 처짐이 감소되어 기어 및 베어링의 피로 수명이 향상되었습니다. 마지막으로 기어의 미세 형상 수정을 통해 기어 치면에 작용하는 하중 분포가 개선되었습니다.

기어는 다양한 분야에서 널리 사용되는 동력 전달의 기계 요소입니다1. 기어박스는 기어, 샤프트, 베어링, 하우징으로 구성된 동력 전달 시스템입니다. 샤프트에 입력된 동력은 구동기어(여기서는 피니언)를 통해 피동기어(여기서는 기어)에 전달된다. 또한, 기어쌍을 이용하여 동력을 전달하는 경우, 기어비에 따라 회전속도와 토크가 달라지므로, 기어비를 변경하여 회전속도와 토크를 제어할 수 있는 장점이 발생한다. 기어박스의 성능은 피로 수명, 소음, 진동, 동력 전달 효율 등의 매개변수로 평가할 수 있습니다. 피로 수명의 경우 기어박스의 작동 여부를 결정하는 요소이므로 기어박스의 수명을 신뢰성 있게 예측하고 평가해야 합니다2.

기어박스의 성능을 신뢰성 있게 예측하고 평가하기 위해서는 기어박스에 작용하는 하중을 정확하게 정의하는 것이 필요합니다. 기어박스에 작용하는 하중의 크기, 하중을 받는 지속시간, 하중의 변동폭은 기어박스의 사용 목적과 환경에 따라 결정됩니다. 그러나 기어박스에 작용하는 하중을 수치적으로 정의하는 것은 어렵습니다. 따라서 많은 연구자들은 Palmgren-Miner 법칙을 기반으로 한 누적 피로 손상 이론을 사용하고 평균 개념을 사용하여 등가 하중 조건에서 기어박스 성능을 예측하고 평가했습니다3,4. 기어박스의 성능을 평가할 때 등가하중을 사용하면 계산 시간을 단축할 수 있지만, 기어박스에 작용하는 부하 변동 및 최대 하중의 영향을 고려할 수 없다는 단점이 있습니다. 또한, 등가하중을 도출하는데 사용되는 피로손상지수는 기어박스를 구성하는 각 요소의 고장모드에 따라 달라지는 값이다. 설계 단계에서는 기어박스의 주요 고장 모드를 미리 사용할 수 없기 때문에 피로 손상 지수를 정확하게 결정할 수 없습니다5,6,7.

Dong 등8은 풍력 터빈 기어박스의 기어 접촉 피로에 대한 풍속 변동의 영향에 대한 연구를 수행했습니다. 풍속 변동을 구현하기 위해 문헌에서 이용 가능한 총 11가지 서로 다른 풍속을 사용하여 기어 접촉 피로를 분석했습니다. 그러나 본 분석은 풍력발전용 기어박스가 실제로 사용되는 실제 환경을 반영하지 못하여 해석결과의 신뢰성에 한계가 있었다. Patel과 Joshi9는 기어박스 캐리어의 설계 및 피로 해석을 수행하여 재질과 형태에 따라 피로 수명이 달라지는 것을 확인했습니다. 그러나 해석은 이전 연구와 동일한 한계점과 함께 하나의 하중 조건에서만 수행된다는 추가적인 한계점을 안고 있었다. Du et al.10은 주행 시뮬레이션 테스트를 이용하여 추적 차량 기어박스의 피로 수명을 예측하는 연구를 수행했습니다. 기어박스가 작동되는 환경을 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 이용하여 기어박스에 작용하는 하중을 도출하였다. 또한 파생하중을 이용하여 기어박스의 피로수명을 평가하였다. 그러나 도출된 하중에 대한 검증이 이루어지지 않아 시뮬레이션 결과의 신뢰성에 한계가 있었다. Kim et al.11은 상용 소프트웨어를 사용하여 트랙터의 변속기 시뮬레이션 모델을 구축하고 나선형 베벨 기어의 피로 수명을 평가할 수 있는 모델을 개발했습니다. 또한, 사용환경에서 발생하는 하중을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 하중스펙트럼을 구축하여 스파이럴기어의 피로수명을 예측하였다. 하중 지속 시간 분포(LDD) 방법은 기어와 베어링의 성능을 예측하기 위해 고안되었습니다12. 본 연구에서는 레인플로우 계산 알고리즘을 사용하여 부하 스펙트럼으로 성능을 잘못 예측했습니다. 마찬가지로, 기어박스 성능을 예측하고 평가하는 다양한 분야의 연구에서는 대부분 작동 환경에 대한 정의가 부족했습니다. Wang et al.13은 해상 풍력 터빈 구동계의 설계, 모델링 및 분석에 대한 연구를 수행했습니다. 풍력터빈의 구동계를 설계할 때 무게와 부피를 최소화하기 위한 반복적인 설계 절차를 제시하고, 설계된 다물체 시뮬레이션 모델과 기존에 개발된 모델을 비교하여 모델을 검증하였다. 그러나 풍력터빈의 구동계를 설계하고 검증할 때 실제 환경하중이 아닌 설계하중을 사용했다는 점에서 한계가 있다. 유 등(Yoo et al.14)은 플렉서블 핀이 적용된 유성기어 세트의 성능을 확인하기 위해 풍력터빈 기어박스의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션은 상용 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 연구 결과, 유성기어 세트에 플렉서블 핀을 적용한 경우 유성기어 간 하중분배 및 하중분배가 개선되는 것을 확인하였다. 그러나 유성기어세트의 성능을 수행하는데 있어서 풍력발전기 기어박스가 작동되는 환경을 가정했다는 점에서 한계가 있다.