A Study on The Design and Structural Strength of L-Type Davit with Electric Cylinder Type Actuator for Offshore Plant and Ship

해양플랜트·선박용 전기실린더형 액추에이터를 탑재한 L타입 데빗의 설계 및 구조강도에 관한 연구

Abstract

In offshore plants, various equipments including cranes and davits are used for safety management. Hydraulic cylinder type actuators are mainly used for luffing operations such as cranes and davits. However, in the case of a cylinder using hydraulic pressure, a separate power pack is required to supply hydraulic pressure. When used for a long time, maintenance costs such as sticking of hydraulic valves, contamination of hydraulic oil and deterioration of hydraulic hoses occur. In addition, a lot of hydraulic oil is used in the handling of cranes and davits, which causes marine pollution due to management problems. As a result, as interest in marine pollution prevention has increased recently, interest in actuators that do not use hydraulic pressure is also increasing. Therefore, in this study, we intend to develop a davit with an electric cylinder type actuator that uses electricity rather than hydraulic pressure by the SOLAS regulation. In other words, the conceptual design of the davit driven through the linear motion of the ball screw using electricity is performed, and the structural safety of the drive is also reviewed so that it can be utilized in the industrial field.

1. 서 론

해양플렌트 및 선박에서는 유지 보수 및 안전 을 위한 장비로 Crane 및 Davit 등을 비롯한 다 양한 장비가 사용되고 있다. 크레인과 데빗 등의 Luffing 동작에는 주로 유압실린더형의 Actuator 가 사용된다. 그러나 유압을 이용한 실린더의 경 우, 유압을 공급하기 위한 별도의 파워펙이 필요 하다. 장기간 사용시에는 유압 밸브의 고착, 유압 유의 오염 및 유압호스의 노후화 등 유지 보수 비 용이 많이 발생하게 된다.

또한 크레인과 데빗의 취급과정에서 다수의 유압유가 사용되므로 관리문제로 인한 해양오염도 유발하고 있다. 그 결과 최근 해양오염방지에 대 한 관심이 높아지면서 유압을 사용하지 않는 Actuator에 대한 관심도 높아지고 있다. 이에 본 연구에서는 유압을 사용하지 않고 전기를 사용하 는 전기실린더형 Actuator를 적용한 데빗을 개발 하고자 한다. 즉, 전기를 이용하여 볼 스크류의 리니어 동작을 통해 구동되는 데빗의 개념설계를 수행하고 구동상의 구조안전성에 대해서도 검토하 여 산업현장에서 활용될 수 있도록 한다.

2. 데빗의 구성 요소

2.1 데빗의 구조 형상

일반적으로 해양플랜트의 러핑용 데빗은 유압실 린더의 엑츄에이터를 이용하고 있는데 전형적인 데빗의 구조 형상은 Fig. 1과 같다. 이 장비는 해 양플랜트 및 선박의 협소한 공간에 설치가 가능한 인명탈출용 raft를 이동시키는 데빗이다.

데빗의 주요 부재로는 Idle sheave, Main body, luffing cylinder, wire rope, body frame, manual handle 등으로 구성되어 있다. 이들 부재의 기능 은 Table 1에서 보는 바와 같다.

Fig. 1 Typical structural shape of davit with raft

Table 1. Types and roles of davit compartments

2.2 개발 실린더의 개념설계

Life raft를 이송하는 구동력을 전달하는 유압실린더 형식은 Fig. 2와 같다. 유압실린더는 유압에 의해 거동되는 Piston 및 Piston rod, 이들을 지 지하는 Piston rod seal, Road bearing, Cushion, Cylinder barrel, Cylinder cover 등이 있다. 앞서 지적한 바와 같이 유압공급용 파워펙이 필요하고 장기간 사용에 대한 유압밸브 고착, 누출되는 유 압유에 의한 해상 오염 등의 문제가 있어 유지 관 리에 많은 비용이 소요되고 있다. 이에 해양환경 오염이 없는 전기를 활용한 기계식 구동방식의 실 린더 개발에 관심이 높아지고 있다[1].

본 연구를 통해서 개념 설계된 전기실린더의 구조형상은 Fig. 3과 같으며, Drive Motor 및 Reducer, Motor와 Ball Screw부분을 연결하는 Shaft Connector, 그리고 이들을 지지하는 Road 로 구성되어 있다. 전기실린더는 기존의 유압실더에 비해 부품 수도 적고 구조형상도 좀 더 단순 화하였다. 이러한 기계식의 전기실린더는 기존 유 압실린더의 밀어주어 구동력은 확보하는 형식이 아니고 Ball screw회전력을 이용하여 추력을 발생 시키는 장치이다[2].

Fig. 2 The structure and compartments of hydraulic cylinder type actuator

Fig. 3 The structure and compartments of electric cylinder type actuator

Fig. 4 Drawing of developing with electric cylinder type actuator

Table 2. Comparison between hydraulic cylinder type and electric cylinder type actuator

Table 3. Weights of davit compartments

Table 3은 데빗의 각 부재에 걸리는 무게하중 이며, 여기서 ∠는 데빗의 작동범위 각도로 최 대각  = 17°, ∠는 전기실린더의 Ball screw 작동시 전기실린더와 데빗 Main body의 사잇각 으로 최대각  = 77°이다. 그러므로 식(1)의 F1은 정적상태에서의 실린더의 하중의 대한 값이며 식 (2)의 F2는 데빗이 받는 하중의 값이다.

본 연구에서는 F1의 하중에 개발 실린더의 1.25배 안전 마진을 주어 개발 실린더가 장착되는 크레인의 견딜 수 있는 최대하중은 15ton으로 하였다.

\(F 1 = \{ ( W _ { O } \times L _ { 1 } ) + ( W _ { 1 } \times L _ { 33 } \} / L _ { 12 }\)

\(F 2 = ( W _ { O } \times \operatorname { cos } \theta + ( W _ { 1 } \times \operatorname { cos } \theta ) + ( F _ { 1 } \times \operatorname { cos } \alpha )\)

\(P _ { h } = W _ { O } \times \operatorname { sin } 10 ^ { \circ }\)

\(= F _ { 1 } \times 1.25\)

데빗과 같이 인명탈출용으로 제작되는 장비의 경 우 비상시 탈출이 목적이므로 중력에 의한 무동력 구 동이 필수적이다. 이를 위해 중력 브레이크를 적용하여 국제해상안전규칙 구명설비규정(SOLAS_ International life-saving appliance (LSA) code 4.7.5에 선박이 종 경사10°와 횡경사20°까지 횡경사의 불리한 상태에서 규정된 속도로 하강하고 보호될 수 있도록 제작되어 야 하는 winch 장비가 필요하다.

Fig. 5 Structural shape of free fall winch

이는 윈치의 회전력을 감속기를 통해 전달하 고 감속된 회전력을 윈치 내부의 브레이크를 통 해 설계된 속도 이내로 감속하게 되는 원리로, Fig. 5의 중력낙하윈치를 사용하여 모터의 구동 없이도 안전하게 탈출할 수 있다. 개념 설계된 전기실린더가 탑재된 데빗에 대하여 향후 SOLAS LSA Code에 따라 실증시험이 요구된다.

3. 개발 데빗의 구조 안전성 평가

3.1 데빗의 구조 강도 평가

데빗을 구성하는 하부 프레임과 상부 부하를 받는 Main body가 실제 부하를 받을 때 발생하 는 모멘트를 이용하여 각 부품에 작용하는 인장응 력 기준을 만족해야 한다. 즉, SOLAS(국제해상안 전규격) LSA code 6.1.1 과 LSA code 6.1.1.6에 서 요구하는 진수설비에 관련하여 사용되는 의장 들은 최대 작동하중 및 제작에 사용되는 재료의 최대 강도를 기초로 한 안전계수(Safety Factor : S.F)예를 들면 Jib hinge pin의 위치인 A점에 대하 여 작용하는 하중을 구하고, 이 하중을 통해 굽힘 모멘트, 수평방향 인장응력, 수직방향 인장응력 및 전단응력을 구하여 합한 응력에 대해 Jib hinge pin의 소재에 대한 극한 응력과의 S.F로 구조안전 성을 평가한다.

구조부재는 최소 안전계수 4.5 이상의 인장강도를 확보할 수 있는지에 대한 검증과정이 필요하다. 데빗 구조에 걸리는 하중에 대한 응력평가부분은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 데빗의 main body, hinge pin, sheave pin 등으로 여기에 걸리는 응 력을 계산하여 구조 안전성을 검토하였다.

Jib hinge pin point A에 작용하는 계산과정은 다음과 같다. 여기서, 는 6cm, 그 외  = 43.5cm,  = 35cm  = 4.3cm,  = 11.5cm  = 23.5cm로 설계하였다(Fig. 7 참조).

Data and section modulus 는 SCM440H재료의 극한응력 10,000kg으로 상기 과정으로 계산된 응력 식(11) = 2140kg/  대하여 Jib hinge pin의 소재 SCM440H의 극한응력와 관계인 Safety Factor(S.F)를 구하였다. 여기서 식(11)의 파괴이론상 각방향의 주응력을 이용하여 최대응력을 구하나, 실질적으 로 활용되는 최대응력을 기준으로 구조안전성을 판단하였다.

\(\left. \begin{array} { l } { F _ { 3 } = ( F _ { 2 } \times I _ { 4 } ) / I _ { 1 } , \quad F _ { 4 } = ( F _ { 2 } \times I _ { 3 } ) / I _ { 1 } } \\ { Z _ { d } = ( \pi d ^ { 3 } ) / 32 , \quad A = ( \pi d ^ { 2 } ) / 4 } \end{array} \right. \)

\(R _ { B } = \{ F _ { 4 } \times ( I _ { 1 } + I _ { 2 } ) F _ { 3 } \times I _ { 2 } \} / I _ { 0 } , \quad R _ { A } = F _ { 2 } - R _ { B }\)

\(M _ { b 1 } = R _ { A } \times I _ { 2 }\)

Fig. 6 Davit's part locations for stress evaluation

Fig. 7 Jib hinge pin point "A"

\(\sigma _ { v } = M _ { b } \times \operatorname { cos } 10 ^ { \circ } / Z _ { d }\)

\(\sigma _ { h } = M _ { b } \times \operatorname { sin } 10 ^ { \circ } / Z _ { d }\)

\(\tau = F _ { 2 } / A\)

\(\sigma _ { c } = \sigma _ { v } + \sigma _ { h } + \tau\)

이것을 SOLAS LSA Code에서 규정한 Safety Factor 4.5와 비교하여 구조 안전성을 확인하였다.

즉, Jib hinge pin의 소재인 SCM440H의 극한 응력값 는 10,000kg/이므로 의 값은 4.7로 SOLAS LSA Code 규정인 4.5 이상이므로 구조적으로 안전하다고 평가할 수 있다. 그 외에 Cylinder fixed pin 등의 부위에 대에서도 Jib hinge pin의 계산과정과 유사하게 구한 최대응력 과 부재의 소재에 대한 극한응력를 비교한 계 산결과는 Table 4와 같다. 그 결과, 각 부재의 구 조안전성은 만족됨을 확인하였다[3].

Table 4. Structural safety evaluation results of major parts of davit

3.2 전기실린더의 추력산정을 위한 구동력 계산

Davit의 전기실린더는 모터에 의한 볼 스크루의 구동으로 작동하며 개념적인 구동과정은 Fig. 8과 같다. 이 때, 볼스크류의 구동에 의한 추력으로  의 계산은 식(12)와 같다. 계산된 결과를 통 해 정 작동토크의 적정용량의 모터를 선택할 수 있다[4].

Fig. 8 Driving concept of ball screw by motor

Table 5. Ball screw operating torque

\(T _ { a } = ( F a \times P ) / ( 2 \pi \times n 1 ) [ kgf \cdot cm ]\)

4. 개발품의 기능시험 및 선급 검사

개발된 전기실린더를 장착한 데빗에 대해서는 상 용화를 위하여 SOLAS LSA Code6.1.1.1~6.1.1.9 생존정에 의한 안전한 탑승이 가능하도록 배치되 어야하는 규정으로 인명탈출장비에 대한 각종 부 하검사를 수행해야 하며, 선급의 입회하에 최종적 인 검증을 해야 한다. 그러므로 개발된 전기실린더 가 장착된 데빗은 Table 6에서 보는 바와 같이 인 명탈출장비의 일반적인 부하검사인 Static over load test, luffing test, hoisting 등을 수행해서 인증되어 상용화가 가능하다. 또한 Table 7은 데 빗의 로프에 Life raft를 달아서 낙하시험을 통해 규정된 기준을 만족해야만 한다[3].

Table 6. Test Item and test load(in shop) for davit & winch

Table 7. Rope speed test

5. 결 론

해양플랜트 및 선박용의 Life raft의 러핑을 위 한 데빗의 주요 장비인 실린더를 기존의 유압식의 단점을 개선하고 해양환경 보호를 위한 전기 구동 방식의 실린더를 개념설계하고 구조안전성 평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 해양플랜트 및 선박용으로 사용 가능한 최대하중 15톤 규모의 모터로 구동되는 전기식 실린더를 장착한 데빗에 대한 개념 설계하였다. 이는 기존 유압식 구동방식에 비해 구조가 간단하 고,유압유를 사용하지 않기 때문에 기름유출에 의한 해양환경오염을 방지할 수 있다.

둘째, 전기실린더가 장착된 데빗의 주요 부재 및 위치에 대한 구조강도 계산 결과 SOLAS LSA Code를 만족하여 구조 안전성을 확인하였다.

셋째, 데빗에 걸리는 최대하중에 대하여 해양플 랜트 및 선박용의 대용량 전기실린더에 적합한 서 브모터의 용량을 설정하여 선택할 수 있다.

향후에는 개발된 전기실린더형 데빗의 상용화를 위하여 개발품의 기능시험 및 선급인증 등의 실증 적 단계가 진행될 예정이다.

감사의 글

이 논문은 산업통상자원부‘산업전문인력역량강 화사업’의 재원으로 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행된 연구임. (2022년 미래 해양플 랜트 글로벌 고급 전문인력 양성사업, 과제번호 : P0012646))