건설장비 부품 피로 문제 및 홴 피로해석 예

Fatigue Issue of Construction Equipment Parts and Fan Fatigue Analysis Example

1. 서론

건설장비는 큰 동적 하중이 요구되는 큰 규모의 개발 현장에 사용되므로 설계 단계에 있어서 진동 내구 성능 확보는 매우 중요한 사안이다¹⁾. 예를 들어 개발단계에서 요구되는 내구성능 확보를 충분히 고려하지 않을 경우, Fig.1 에서와 같이 광산 굴착용 굴삭기의 암의 3/4 부분에서 40,000시간 만에 치명적인 손상이 발생해 돌이킬 수 없는 결과가 나올 수 있으며²⁾, 급격한 과부하 하중의 반복으로 인해 지게차 포크의 피로 파단의 비정상적인 고장이 발생하게 된다³⁾. 또한 이러한 중장비들의 피로 파단으로 인한 부품 파괴 시 현장 작업자 및 인근 보행자의 안전을 심각하게 위협할 수 있으므로 여러 형태의 피로파단 원인을 고려한 각 부품의 설계가 필수적이다.

Fig. 1 Fatal Fatigue Fracture Patterns in Heavy-duty Machines²⁾ and Stress Distribution of Fan Blade⁴⁾

Fig.1의 그림(c)는 항공기 엔진 홴 블레이드의 최대응력 분포를 나타낸 그림이며, 이러한 Heavy-duty 홴 운전시 최대 응력은 주로 날개의 허브 부분에서 발생됨을 보여준다⁴⁾. 즉 건설장비 엔진룸 냉각용 축류형 홴의 피로 파손도 허브 부분에서 시작될 수 있으며, 건설장비 엔진룸의 복잡한 내부 구조로 엔진룸 내 부품 파괴와 같은 큰 사고로 이어질 수 있다.

Fig. 2 Forklift Engine Room Configuration

건설장비, 자동차, 선박과 같이 큰 동적 하중을 받는 제품을 만드는 제조사들은 제품이 충분한 내구 수명을 갖도록 제품 설계단계에서 예상 가진 주파수 영역에서의 피로 수명 평가를 수행하고 있다. 이러한 해석 기법은 시간 영역 피로 해석 기법에 비해 적은 시간과 비용이 들고, 비교적 정확한 피로수명을 예측하는 기법이어서 많은 연구가 그동안 진행되어 왔다. 예를 들어 건설장비 실차 계측 결과를 통해 PSD (Power Spectrum Density) 신호를 도출하고 이를 기반으로 피로 손상량을 계산하는 연구 되었으며⁵⁾, 해양 플랜트 선체^6-7), 디젤 엔진 피로 해석⁸⁾, 음향 하중을 받는 초음속 항공기 외피와 같이 주기적인 하중을 받는 제품들⁹⁾에 대해 PSD 기반 주파수 영역 피로 수명 평가가 설계단계에서 수행되고 있다.

본 소고에서는 건설장비부품 피로문제의 예로서 지게차 엔진룸내에 설치되는 냉각홴의 주파수 영역에서의 피로 해석을 다루고자 한다.

2. 본론

2.1 피로문제 대상

본 연구는 건설장비 중의 하나인 지게차의 엔진룸 내부 냉각장치인 냉각홴의 공력하중에 의한 피로 해석과 고유 진동 모드와 공력하중의 영향도 분석에 관한 것이다.

냉각홴을 특정 RPM으로 운전 시 냉각홴의 날개면에는 주기적인 공력 하중이 발생하게 되고, 이는 냉각홴의 회전수와 날개의 수 곱에 해당되는 주파수 BPF(Blade Passing Frequency)에서 협대역(Narrow-band) 형태의 피크 소음 특성이 나타난다. BPF에서의 주기적인 공력 하중은 홴 날개가 가지는 고유 진동수와 결합이 될 수 있고, 이 경우 공진으로 인한 큰 소음을 발생시킬 수 있으며 피로 수명에 큰 악영향을 줄 수 있으므로 기초 설계 단계에서 회피 설계가 필요하다.

2.2 해석 프로세스

Fig. 2는 본 연구에서 적용한 피로해석의 플로우 차트며 이를 통해 냉각팬의 주파수 영역 피로해석을 수행하였다.

Fig. 2 Flow Chart of Fatigue life Prediction in Frequency Domain

2.3 공력 하중 해석

Fig. 2에 나타난 불규칙 진동 해석을 위한 공력 하중을 도출하기 위해 상용 해석 프로그램 ANSYS CFX 18.1을 사용하여 지게차 엔진룸 내부의 불규칙 입구 유동 해석을 수행하였다. 이를 통해 날개면에 가해지는 공력 하중을 FFT (Fast Fourier Transform)를 통하여 하중 PSD를 도출하였다. 본 연구에 사용된 홴 모델의 정격 회전수는 1,900 RPM 이다.

Fig. 3 Fan CFD Analysis of Non-uniform Inlet Flow

Fig. 4 Predicted Time History of Acoustic Pressure at Observer Location and Power Spectral Density of Its Acoustic Pressure Signal

2.4 냉각홴의 고유 진동 모드

상기 냉각홴의 고유 진동 모드 주파수와 형태를 파악하기 위해 모달 분석을 수행하였으며, 1~4차 모드까지 주요 모드형상을 Fig. 5에 나타내었다. 1, 3차 모드는 굽힘 특징을 나타내는 모드형상이고 2, 4차 모드는 비틀림 특징을 나타내는 모드형상이다. 이들의 고유 진동 모드 주파수는 아래 Table 1에 나타나 있다.

Fig. 5 Mode Shapes of Engine Room Cooling Fan

Table 1 Natural Frequencies of Cooling Fan

2.5 공력 하중에 의한 피로 해석

Fig. 6은 불규칙 진동해석 및 주파수 영역 피로해석을 위한 모델의 형상과 격자 형상이다. 주파수 영역에서의 피로해석은 Wirching-Light 방법을 사용하였다.

 

Fig. 6 Analysis Mesh of Cooling Fan Blade

불규칙 진동해석을 위해 2.3절에서 구한 음압 PSD를 입력하여 최대 응답 응력 PSD를 계산하였다. 최대 응답 응력은 Fig. 7에서와 같이 홴 허브 쪽에서 나타났다. 이 응답 응력 PSD와 홴 재질의 S-N 커브 데이터를 기반으로 주파수 영역에서의 피로해석을 수행하였으며, 이 경우 60초 동안 최대 응력지점에 축척된 손상 E[AD]는 2.39×10^-5로서 약 69,700h의 예상수명 결과를 얻을 수 있었다.

 

Fig. 7 Maximum Stress Point near Fan Hub

2.6 고유진동수 결합분석

Fig.3에 나타난 음압 PSD는 냉각홴의 BPF 및 그 조화 주파수에서 가진되는 특성을 나타낸다. 즉, 홴의 정격회전수를 바꾸면 음압 PSD가 홴의 고유 진동수와 결합되는 경우가 나타날 것이므로 이에 따른 영향도 분석이 필요하게 된다. 이를 위해 Table 1에 나타난 홴의 고유진동수와 홴의 음압 PSD의 BPF 주파수가 결합되도록 4가지 경우의 하중 PSD를 Fig. 8과 같이 설정하였고, 각각 불규칙 진동해석과 주파수 영역에서의 피로 해석을 수행하였다.

Fig. 8 Modified Power Spectral Density for Natural Frequency

4가지 경우 모두 허브의 중간 부분에서 최대 응력 지점이 발생되었고, 60초간 피로 해석 결과 축척된 손상 E[AD]는 1차 모드에서 200.7, 2차 모드에서 1.3, 3차 모드에서 14.8, 4차 모드에서 3.9로 나타났다 (1이상이면 피로 파괴 예상).

4. 결론

본 소고에서는 건설장비 중 하나인 지게차의 엔진룸에 적용되는 냉각홴의 주파수 영역에서의 피로해석을 수행하였다. 하중 조건으로는 엔진룸의 불균일 입구 유동 해석을 통해 음압 PSD를 도출하였고, 이를 통해 불규칙 진동해석과 피로해석을 수행하였다.

그 결과, 첫번째로 음압 PSD는 냉각홴의 정격 회전수인 1,900RPM의 BPF 및 조화 주파수에서 가진 되는 특성임을 확인 할 수 있었다. 이를 불규칙 진동 해석의 입력 조건으로 적용하여 최대 응답응력 PSD를 도출하였고, 주파수 영역에서의 피로 해석 기법 중 하나인 Wirching-Light 방법을 사용하여 60초간 피로해석 결과, 축척 손상도 E[AD]는 2.39x10^-5 이며 수명은 69,700 시간의 결과를 얻을 수 있었다.

둘째로는 냉각홴의 1~4차 고유 진동모드와 음압 PSD의 BPF 주파수의 결합상태에서의 영향도를 분석하였다. 굽힘 모드 형상을 나타내는 1,3차 모드가 비틀림 모드 형상을 나타내는 2,4차 모드보다 피로 손상이 큰 결과를 나타내었으며, 1차 고유 진동 모드와 결합될 때 피로 손상도가 월등히 높게 나왔다. 이는 엔진룸 냉각홴을 설계함에 있어서 1차 고유 진동수와 홴의 정격 BPF 주파수가 결합되지 않도록 필수적으로 회피 설계하는 것이 바람직하며, 3차 고유 진동수 즉 냉각홴 날개의 두 번째 굽힘 형상 모드도 회피하는게 바람직 할 것으로 예상된다.