굴삭기 작업장치의 구조해석 및 피로수명 평가에 관한 연구 = A Study on Structural Analysis and Fatigue Life Evaluation of Excavator Working Device

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Excavators can be classified into small, medium, and large depending on their size, which are used in various areas such as small-scale working in the city center, construction and civil engineering sites, mines and quarries. In addition, because of its high economic efficiency, the range of use is gradually expanding. As a result, excavators used at various work sites quantitatively evaluate the safety of excavators by exposure to complicated load conditions, and there is great difficulty in securing the reliability of the products.
Repeated work under harsh operating conditions will result in breakage of the equipment by reaching the limit earlier than the existing lifetime.
Boom, arm, and bucket are often made by welding several steel plates, so welding defects are often found.
The excavator can use various attachments. Also, Can be various work such as excavation work, loading work, crushing work, etc. By using several Attachment, it is impossible to consider all conditions. focusing on the most basic excavation work using bucket.
In this paper, Selected various excavation postures by setting the angle between each structure of the excavator working device as a variable. And structural analysis was performed using the commercial FEM program ANSYS Workbench 19.0 for the case where the load acts on the bucket tip and on the side of the bucket.
As a result of the structural analysis, the highest equivalent stress in the boom structure was found. Also, for all postures, applied the same load and finded the most vulnerable posture. In the most vulnerable posture, fatigue life of the most affected boom structure was evaluated when repeated load was applied from the tip of the bucket.
boom, arm, bucket, cylinders etc is excavator's main part of the equipment. This durability and reliability determine the overall quality. The direction of improvement was presented to the boom structure most affected by the load acting on the bucket tip indicated by the analysis result.

국문 초록 (Abstract)

굴삭기는 크기에 따라서 소, 중, 대형으로 분류할 수 있고, 크기에 따라 도심의 소규모 작업, 건설 및 토목 현장, 광산, 채석장 등 다양한 현장에서 사용되고 있다. 또한 높은 적용성과 경제성으로 매우 효율적이므로 점차 사용범위가 확대되고 있다. 그로인해 다양한 작업현장에서 사용되는 굴삭기는 복잡한 하중상태에 노출됨으로써 굴삭기의 안전성을 정량적으로 평가하고 제품의 신뢰성을 확보하는데 큰 어려움이 있다.
굴삭기의 결함은 무리한 작업을 수행하여 작업장치 및 부품에 설계하중 이상의 과도한 하중이 작용하게 되어 구조적인 결함이 발생할 수 있으며, 가혹한 작업조건에서 반복 작업하는 경우 기존의 수명보다 일찍 수명의 한계에 도달하여 장비의 파괴가 발생하기도 한다. 또한 붐(Boom), 암(Arm), 버킷(Bucket)은 여러 개의 철판을 용접하여 만들어지기 때문에 용접으로 인해 용접부에서 결함이 자주 발견된다.
굴삭기는 여러 가지 부수작업 장치(Attachment)를 활용하여 굴삭작업, 적재작업, 파쇄작업 등 다양한 작업이 가능하지만 모든 조건을 고려하는 것은 불가능하므로 가장 기본적인 버킷을 이용한 굴삭작업에 대하여 초점을 맞추었다.
본 논문에서는 굴삭기 작업장치의 각 구조물 사이의 각도를 변수로 설정하여 다양한 굴삭자세를 선정하였고, 하중이 버킷 팁에 작용하는 경우와 버킷 측면에 작용하는 경우에 대하여, 상용 FEM 프로그램인 ANSYS Workbench 19.0을 활용하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석 결과로 붐 구조물에서 가장 높은 등가응력이 나타났으며, 모든 자세에 대하여 같은 하중을 적용하였을 때, 가장 취약한 자세를 찾았다. 또한 가장 취약한 자세에 대하여 버킷 팁에서 반복하중이 가해질 때 가장 많은 영향을 받는 붐 구조물의 피로수명을 평가하였다.
굴삭기는 작업장치의 주요 부품인 붐, 암, 버킷, 실린더 등의 내구성과 신뢰성이 제품 전체의 품질을 결정한다. 따라서 해석결과로 버킷 팁에 작용하는 하중에 의해 가장 많은 영향을 받는 붐 구조물에 대하여 개선방향을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.3 연구 목적 4
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 피로설계방법 5
• 2.2 피로 이론 8
• 2.3 응력–수명 선도( curves) 10
• 2.4 변형률–수명 선도( curves) 13
• 제 3 장 해석 모델 및 조건 15
• 3.1 굴삭기 작업장치의 명칭 15
• 3.2 3D 모델링 16
• 3.3 작업장치의 각도 변수 18
• 3.4 재료 20
• 3.5 버킷(Bucket)에 작용하는 힘 21
• 3.6 구속 조건 25
• 3.7 Mesh 26
• 제 4 장 해석 결과 27
• 4.1 구조해석 27
• 4.2 피로해석 39
• 4.3 보강 설계 41
• 제 5 장 결론 43
• 참고문헌 44
• Abstract 47