연구논문 J Korean Soc Fluid Power Constr Equip Vol.11 No.4 pp Dec ISSN(print) ISSN(online)

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1 연구논문 J Korean Soc Fluid Power Constr Equip Vol.11 No.4 pp Dec ISSN(print) ISSN(online) A Study on Design of Small Type Screw Decanter using Commercial Analysis Tool 김용석 1 김종태 2 양순용 1* Y. S. Kim, J. T. Kim and S. Y. Yang Received: 08 Oct. 2014, Revised: 14 Nov. 2014, Accepted: 27 Nov Key Words:Small Type Screw Decanter( 소형스크류디캔터 ), Cone Type Screw Decanter( 콘형스크류디캔터 ), Dredging Leachate Treatment( 준설침출수처리 ), CAE Analysis( 컴퓨터응용해석 ), Optimal Design ( 최적설계 ) Abstract: This study suggests a small-sized screw decanter specialized for dredging sites. Generally, conventional screw decanters are composed of a cylinder and a cone. However, the suggested screw decanter simply has a cone based on a cone-type bowl structure. In this research, a commercial analysis tool is used to establish an optimal design for the bowl and the screw conveyor. Moreover, the base frame, where the main bearings that support the spindle of the bowl and the screw conveyor are installed, is optimally designed considering the weight of the rotating body and the deflection caused by the high centrifugal force. Furthermore, the natural frequency range of the spinning body, the bowl and the screw conveyor, is applied to this base frame; it is designed not to correspond to the resonance frequency range and achieves stability as a result. This study suggests an optimal design for the rotating body and the base frame of a screw decanter considering its vibration characteristics. Such a design will prevent overuse of materials and help to reduce the weight and volume and the price of a screw decanter. 1. 서론 고속의회전에의한원심력을이용한분리기술은다양한산업분야에활용되고있다. 특히, 스크류디캔터는대형의원심분리기로폐수처리장의활성오니탈수, 타르분리, 광산용, 폐유정제공정슬러지분리등다양한분리및탈수공정에적용되고있다 1-2). 하지만준설과정에서발생하는침출수의슬러지탈수에는적극적으로활용되지못하고있다. 준설현장 * Corresponding author: 1 School of Mechanical Engineering, Ulsan University, 93 Daehack-ro, Nam-gu, Ulsan , Korea. 2 SinJeong New-Tec, Co., Ltd., 459 Eonyang-ro, Ulju-gun, Eonyang-up, Ulsan , Korea. Copyright C 2014, KSFC This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 에적용을위해서는중량이가볍고크기가작은이동하기에유리한소형으로제작되어야만한다. 현스크류디캔터는처리용량에비하여크고튼튼하게제작되고있다. 이것은고속으로회전하는보울 (bowl) 과스크류컨베이어 (screw conveyor) 그리고유입된분리액의복합적인회전불균형에의해진동발생률이높아지기때문이다. 더욱이중량의고속회전체의안전성을높이기위하여회전체를지지하는베이스프레임은더욱튼튼하게설계되어제작되고있다. 기존연구에서 Shu 3-4) 는디캔터의구동에필요한동력을슬러지제거동력과장치구동동력을고려한이론적산출근거를제시하였다. Shin 5) 등은디캔터보울의진동특성을평가하여고장유형을체계화하고분류하여해결책을제시하였다. 기존스크류디캔터에대한연구는유지보수또는처리능력을향상시키는방향에서주로이루어져왔다. 더욱이고속회전체의안정성만을고려한설계및제작은과도한재료의사용으로인해중량의상승, 크기가커짐에따라제작비 46 유공압건설기계학회지

2 김용석 김종태 양순용 의상승은물론이동에최대의걸림돌로작용하여왔다. 본연구에서는스크류디캔터의진동특성및강도를고려한회전체및베이스프레임의구조를최적으로설계함으로써중량과크기를최소화하여준설현장에특화된이동이용이한소형으로설계하고자하였다. 2. 본론 2.1 설계방법스크류디캔터의분리성능은다양한파라미터에의해결정되어지지만상대원심가속도의비중이크게차지한다. 상대원심가속도는보울의회전수와반경에의해결정되며, 보울의회전수가높을수록, 반경이커질수록증가한다. 이에분리성능을높이기위해서는상대원심가속도를높이는것이바람직하지만이에따르는동력의증가, 중량및크기의증가가 수반된다. 또한피분리물의물성에따라오히려재현탁이발생하는범위가나타나기도한다. 일반적으로인분뇨나양돈폐수의고액분리에는 1,500~ 2,500G, 하수슬러지오니제거에는 2,500~4,000G정도이며, 바다뻘의경우는 1,292~1,527G에서고액분리가이루어지지만그이상과그이하에서는재현탁현상이발생하는것으로제시하고있다 6). 따라서본연구에서대상물인진흙이포함된토사슬러지의고액분리을위한상대원심가속도는 1,600G로선정하여설계에적용하였다. 이와같이스크류디캔터의최적의설계는피분리물의물성으로부터이론적인보울및스크류컨베이어의기하학적인구조 ( 보울내외직경, 분리단의길이, 압축단의길이, 스크류컨베이어피치수, 압축단의경사도 ) 를결정하는단계에서부터시작하게된다. 이론적인기하학적인구조사양을바탕으로형상설계및 3차원으로 CAD 모델링을수행하게된다. 모듈별 (bowl, screw conveyor), base frame) 3D CAD모델을대상으로회전체는원심력을고려한진동해석및강도해석을수행하고, 베이스는상시하중을고려한강도해석과처짐그리고모달 (Modal) 해석을수행하여구조의개선을통하여최적화한다. 모듈별로의최적화가이루진후유닛화하여검토한다. 상기과정에서피분리물이회전체내부에유입되었을때회전체불균형이발생할것을고려하여불균형력 (CFD해석수행 ) 을산출하여반영한다. 전체적인시스템이고속회전체의원심력으로부터안정성을가지기위해서는시스템을바닥으로부터지지하는진동흡수기의기능이매우중요하다. 따라서통합된시스템을강체로정의하고고속원심력에의해발생하는진동과자중을동시에안정되게지지할수있는스프링상수에대한시뮬레이션을수행한다. 본스프링상수를기반으로진동흡수기의스프링을설계하고, 설계한스프링을 3D CAD로모델링하여해석시스템에적용하여검토한다. 전술한바와같이회전체및베이스의최적과정을나타내면 Fig. 1과같다. Fig. 1 Optimal design process of rotating body and base frame 2.2 해석및고찰본연구에서는준설현장에특화된소형의스크류디캔터로일반적인실린더 (cylinder) 및콘 (cone) 부분으로구성된보울구조에서단순콘만으로구성된콘타입의보울구조로설계하였다. 또한기제시한최적설계프로세서에따라해석을수행하였다. 3D CAD 모델링은 CATIA V5 R17로하였고, 상용해석 유공압건설기계학회지

3 툴은 Ansys R14.5을활용하였다 7-8). 본콘타입스크류디캔터의사용회전수조건은기선정된상대원심가속도를고려하여보울과스크류컨베이어의회전수를각각 2000rpm, 1980rpm으로하였다. 최적화해석에적용한재료의기계적물성은 Table 1과같다. Table 1 Material properties Parameter Material Young modulus Structural steel (ASTM-A36) Value Stainless steel (S304) 200 GPa 193 GPa Poisson ratio Density 7860[ kg / m3 ] 7750[ kg / m3 ] Coefficient of thermal expansion Yield strength Ultimate strength [ mm /m. ] [ mm /m. ] 250 MPa 209 MPa 460 MPa 586 MPa Fig. 4 Safety factor by stress of bowl Fig. 5 Modal analysis of bowl by the number of revolutions Fig. 2 Equivalent stress of bowl(analysis model) Fig. 6 Modal analysis results of bowl Fig. 3 Equivalent stress of bowl(analysis result) Fig. 7 Harmonic analysis response of bowl(stress case) 48 유공압건설기계학회지

4 김용석 김종태 양순용 Fig. 8 Harmonic analysis response of bowl (deformation case) 보울의사용회전수범위에서의등가응력은 Fig. 2와 Fig. 3과같다. 최대등가응력은약60MPa로안전한범위에있으며, 정적인것만을고려한것으로실사용상태에대한것은예측이불가하므로이와같이안전한범위에서설계할필요가있다. 해석결과에서나타난안전계수 (safety factor) 는 Fig. 4와같고, 사용계획회전수에서약10에가까운안전율을보이고있다. 보울의모달해석은 Fig. 5에서와같이회전속도에는무관하다. 다만회전체에대한모달해석이므로회전속도조건을부여하여수행하였다. 해석은 10차모드 (mode) 까지수행하였고해석수행결과는 Fig. 6 과같다. Fig. 6의그래프에나타난바와같이고유진동수는 2, 4, 8차모드에서특이성을보이고있다. 따라서공진현상이발생할가능성이높은감쇠공진주파수는 2차모드에서는 506Hz, 4차모드에서는 880 Hz, Max는 10차모드에서는 1099Hz로나타나고있다. 본감쇠공진주파수를참고로하여하모닉응답 (harmonic response) 해석에서는 500Hz ~1100Hz범위내에서해석이이루어지게될것이다. 회전체인보울의하모닉해석은주기적으로가해지는회전가진력 ( 본해석에서는불균형력무시 ) 에대한구조물의정상상태응답으로부터주파수별변위, 속도및가속도요소에대한힘과응력을살펴보게된다 7). 하모닉해석응답은보통가진주파수가고유진동수에근접하게될때의공진을체크하는것이중요한의미를갖는다. 본보울의해석에서는가진력으로보울의내부에서 0.1MPa ( 약1atm) 의압력 ( 불균형력무시 ) 이작용하는것으로하여수행하였다. 해석주파수영역은모달해석에서도출된감쇠공진주파수 500Hz ~1100Hz범위로설정하여수행하였다. 보울의하모닉응답해석결과는 Fig. 7과 Fig. 8과같다. 본보울의공진발생주파수영역은 1063Hz에서발생하는것으로보여주고있다. 공진주파수를보울의회전수로나타내면 Fig. 9 Equivalent stress of screw conveyor (analysis model) Fig. 10 Equivalent stress of screw conveyor (analysis result) Fig. 11 Safety factor by stress of screw conveyor Fig. 12 Modal analysis results of screw conveyor 유공압건설기계학회지

5 Fig. 13 Harmonic analysis response of screw conveyor(stress case) 것이스크류컨베이어의하모닉해석에서는가진력으로스크류컨베이어의측면에슬러지제거력이 300N( 불균형력무시 ) 이작용하는것으로하여수행하였다. 그리고해석주파수영역은모달해석에서도출된감쇠공진주파수 0Hz ~890Hz범위로설정하였다. 스크류컨베이어의하모닉응답해석결과는 Fig. 13과 Fig. 14와같다. 본해석조건하에서하모닉응답 Fig. 13을살펴보면, 주파수 625.5Hz에서최초공진이발생함을나타내고있다. 본공진주파수를회전수로나타내면 37,530 rpm에서공진이발생하게됨을의미한다. 이회전수는스크류컨베이어의사용회전수범위에서는안전함을알수있다. 일반적으로스크류디캔터의베이스프레임은아주튼튼하게설계되어제작되고있다. 이것은고속으로회전하는보울과스크류컨베이어의회전불균형에의해진동발생의범위가넓기때문이다. 가능한튼튼하게제작하여공진의범위를벗어나게하려는데서비롯된것으로볼수있다. 또한회전체 ( 보울, 스크류컨베이어 ) 의중심축을지지하는메인베어링이조립되는 Fig. 14 Harmonic analysis response of screw conveyor(deformation case) 63,780 rpm이되고, 이회전수는보울의상시사용조건하에서는안전함을알수있다. 스크류컨베이어의회전수에따른등가응력은 Fig. 9와 Fig. 10과같다. 스크류컨베이어의사용회전수범위에서등가응력은약60MPa로안전한범위에있으나본해석은정적인것만을고려한것으로실사용상태에서의예측이불가하므로안전한범위에서설계할필요가있다. 본해석결과에서나타난안전계수는 Fig. 11과같고, 사용계획회전수에서약4에가까운안전율을보이고있다. 더욱이최대응력이발생하는부분은스크류의최대직경의에지부분으로스크류컨베이어의구조에대한안전성을확인할수있다. 스크류컨베이어의모달해석에있어서모드해석은 6차모드까지수행하였고해석수행결과는 Fig. 12와같다. Fig. 12의그래프에나타난바와같이고유진동수는 2, 3, 4차모드에서특이성을보이고있다. 공진현상이발생할가능성이높은감쇠공진주파수를살펴보면 2차모드에서는 288Hz, 3차모드에서는 656Hz, Max는 6차모드에서는 868Hz로나타나고있다. 본감쇠주파수를참고하여하모닉응답해석시 0Hz ~868Hz범위내에서해석을수행할 Fig. 15 Final structure shape of base frame(case 7): deformation Fig. 16 Equivalent stress by case design of base frame structure 50 유공압건설기계학회지

6 김용석 김종태 양순용 Fig. 17 Total deformation by case design of base frame structure Fig. 18 Damped frequency by case design of base frame structure 베이스프레임은회전체의자중및고속회전에의한불균형력으로인해가해지는처짐이베어링의조립공차범위이내에있어야하므로그만큼베이스프레임의강도를요구하게되는것으로사료된다. 더욱이양쪽지지베어링의처짐은동일한경향을나타내어야만한다. 일방의처짐은베어링에무리한하중을가하게됨을나타낸다. 따라서본설계에서는베이스프레임구조해석및형상의개선을통해베어링조립공차범위이내의대칭적인처짐경향을보이도록설계하였다. 이와같이회전체의베어링을지지하는베이스프레임의설계는지지하중에대한응력의안전성보다는회전체회전중심축이얼마나안정된범위내에있는가가중요한의미를갖는다. 본설계에서메인베어링에가해지는각베어링하중은 3,920N( 보울, 스크류컨베이어의자중 ) 를고려하였고, 구동모터에의해가해지는각하중은 294N( 모터자중 ) 으로설정하였다. 베이스프레임의설계는구조및형상을 6차례에걸쳐개선하면서 Case 별강도해석및진동해석을수행하였다. 이에따른베이스프레임의최종적인구조는 Fig. 15와같다. 각 Case별 구조해석결과를정리하여나타내면 Fig. 16과 Fig. 17과같고, 각각의그래프는베이스프레임에발생하는등가응력과메인베어링조립부에발생하는처짐을나타낸다. 베이스프레임에발생하는등가응력은 Fig. 16에나타나는바와같이모든 Case설계에서안전함을나타내고있다. 하지만 Fig. 17에의하면회전체를지지하는메인베어링에서의처짐이초기 (Case 1) 의구조에서는조립공차의범위를벗어나고있다. 반복적인설계변경을통해최종적인 Case 7 구조에서는 0.03mm로일반적인기계의정밀조립공차범위 (±0.02mm) 이내에있음을확인할수있다. 이와같이회전체를지지하는구조물에서의처짐은기계의조립공차범위내에존재하는것이바람직하다. 본해석에서 Fig. 17 및 Fig. 18의결과로부터처짐은 Case 5~Case 7에서는차이가미미하나감쇠공진주파수에서는큰차이를보이고있다. 또한 Case 6과 Case 7 에서감쇠공진주파수가모드별로동일한경향을나타내어구조변경설계에따른효과가미미한것으로나타나고있다. 특히감쇠공진주파수는변형이가장일어나기쉬운 1차모드에서의값이클수록동일한구조에서는유리하다. 상기해석결과로부터베이스프레임에가진요소로작용할확률이높은 1차모드의감쇠공진주파수를살펴보면, 보울의경우 507Hz, 스크류컨베이어는 208Hz그리고하모닉해석의경우보울은 1063Hz, 스크류컨베이어는 625.5Hz로베이스프레임감쇠공진주파수 112Hz와는벗어난범위에존재하여공진발생의위험도는낮은것으로판단할수있다. 따라서본설계에서베이스프레임의최종적인구조는 Case 7로결정하였다. 상기와같이본연구에서는스크류디캔터의회전체인보올과스크류컨베이어그리고회전체를지지하는메인베어링이조립되는베이스프레임의해석을통해구조를최적으로설계하였다. 향후, 본연구와연계하여스크류디캔터베이스프레임을지지하고, 고속회전에의해발생하는불균형진동을흡수하여안정화시키는진동흡수기의메커니즘을제안하고최적으로설계할것이다. 3. 결론본연구에서는준설현장에특화된소형의스크류디캔터을제안하였다. 제안한스크류디캔터는일반적인실린더 (cylinder) 및콘 (cone) 부분으로구성된보울구조에서단순콘만으로구성된콘타입의보울구조로개선하여설계함으로써크기와중량을상 유공압건설기계학회지

7 당부분줄일수있게되었다. 또한상용해석툴을이용한디캔터설계프로세스를제시함으로써다양한타입의설계와미숙련자도보다용이하게활용할수있을것으로사료된다. 본연구결과는다음과같다. (1) 본연구에서는준설현장에특화된이동을고려한소형의스크류디캔터를제안하였다. (2) 본연구에서제안한스크류디캔터는콘타입으로설계하여크기와중량을상당부분감소시켰다. (3) 본연구에서는상용해석툴을이용한디캔터설계프로세스를제시함으로써디캔터설계가보다용이하도록하였다. (4) 본연구에서제시한디캔터설계프로세서는진동특성을고려한설계가이루지게되어필요이상의크기나중량의상승을억제할수있게되었다. References 1) Kenneth Sutherland, Filters and Filtration Handbook : Fifth Edition, Elsevier Advanced Technology. New York, USA, ISBN: , ) Alan Records and Kenneth Sutherland, Decanter Centrifuge Handbook, Elsevier Advanced Technology, New York, USA, ISBN: , ) Y. K. Suh, Analysis of the Power for a Decanter Type Centrifuge(Ⅰ) : Sludge Removal Power, Trans. Korea Soc. Mech. Eng. (B), Vol. 27, N0. 7, pp , ) Y. k. Suh and G. J. Han, Analysis of the Power for a Decanter Type Centrifuge (II) - Total Power and the Power Transmission Mechanism, Trans. Korea Soc. Mech. Eng. (B), Vol. 27, No. 7 pp ) C. H. Shin, D. C. Lee, W. H. Kim, T. J Choi and J. T. Chung, A Study on the Failure Analysis and Performance Improvement of a Decanter, Trans. Korea Soc. Mech. Eng. (A), Vol. 28, No. 5, pp , ) E. S. Na, Basic research for the development of the screw solid liquid separator, The Korea Institute of Machinery and Metals (KIMM), Project Report, ) SNE, Ansys Workbench 14.0 To escape of rudiments Fourth Edition, Sigma Press, pp , ) Corporate Support Team, Ansys workbench education for structural analysis and optimal design, Gyeongbuk HYBRID Technology Institute, Educational materials, 유공압건설기계학회지

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