Advanced
Swing Noise Reduction of an Excavator
Swing Noise Reduction of an Excavator
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering. 2015. Jun, 25(6): 391-398
Copyright © 2015, The Korean Society for Noise and Vibration Engineering
  • Received : February 09, 2015
  • Accepted : May 14, 2015
  • Published : June 20, 2015
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
소 연 이
Hanyang University
홍 인 원
Hanyang University
우 형 김
Doosan Infracore
성 재 김
Doosan Infracore
인 동 김
Doosan Infracore
진 태 정
Corresponding Author ; Member, Hanyang University E-mail :jchung@hanyang.ac.kr

Abstract
The swing noise of an excavator is reduced in this study. When an excavator is under a swing motion, it produces the annoying noise which is required to be reduced. To identify the characteristics of the swing noise, the signals of noise and vibration from an excavator are measured during the swing motion. From the variation of the driving motor speed, the noise and vibration signals are picked up and plotted in the waterfall plots. From the waterfall plots, we identify the frequency components corresponding to the driving motor frequency, the gear mesh frequency of the planetary gear, and their harmonics. In addition, the natural frequencies and modes of the center frame are extracted by using the experimental modal test. It is found that the swing noise is amplified when the gear mesh frequencies coincide with the natural frequencies of the center frame. To reduce the swing noise, the structural modification is performed to the center frame. Finally, it is observed that the noise is considerably reduced by the structural modification.
Keywords
1. 서 론
건설장비는 성능 향상으로 작업 효율이 높아졌지만 소음/진동으로 인한 문제점을 발생시키고 있다. 건설장비의 소음/진동은 건설현장 주변의 정숙성을 저해할 뿐만 아니라 운전실 내부로 전달되어 장시간 작업하는 운전자에게도 불쾌감과 피로감을 유발한다. 이에 따라 건설장비의 소음에 대한 ISO규제는 국내외에서 점점 강화되고 있으며, 경쟁력 있는 건설장비의 개발을 위해서는 높은 성능을 유지하면서 소음/진동을 저감시킬 수 있는 기술을 개발하여 건설현장 및 운전실 내부의 작업환경을 개선하는 것이 중요하다.
현재까지 산업체에서 굴삭기의 주요 소음원들의 기여도 평가와 외부 소음 예측 및 소음저감에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 김형택 등 (1) 은 굴삭기의 주요 소음원인 엔진, 머플러, 냉각홴, 유압펌프에 대하여 음향 에너지 보존법칙을 적용하여 외부 소음을 예측하고 실제 측정 결과와 비교분석 하였으며 윤상돈 외 (2) 는 엔진 룸 내부의 소음원들을 모델링하고 통계적 에너지법을 이용하여 굴삭기의 외부 소음을 해석하였다. 또한 고경은 등 (3) 은 굴삭기의 주요 모델에 대한 음압레벨 계측 및 소음원의 기여도 평가를 바탕으로 소음원에 대한 형상 설계 변경과 흡음재 설치를 통해 소음저감 기술을 제시하였다.
이처럼 굴삭기의 저소음화에 대한 많은 연구가 이루어졌음에도, 굴삭기가 선회할 때 발생하는 선회 소음은 아직 해결되지 않고 있다. 따라서 굴삭기가 선회할 때 진동을 발생시키는 인자들을 분석하여 선회소음의 발생 및 증폭 메커니즘을 규명하고 이를 저감시킬 수 있는 기술을 개발하는 것이 필요하다.
이 연구에서는 신호분석과 시스템분석을 통해 선회소음 발생 원인을 규명하였고, 시뮬레이션을 수행하여 구조 개선안을 도출하였으며, 이를 실제 굴삭기에 반영한 후 선회소음이 저감됨을 확인하였다.
2. 굴삭기의 선회 시스템
이 연구의 대상이 되는 중형 굴삭기의 구조는 Fig. 1 과 같이 굴삭작업을 수행하는 프론트 작업장치, 장비 전체를 지지하며 장비를 이동시키는 하부주행체, 하부 주행체를 중심으로 360˚ 회전하는 상부 선회체이다. 선회소음은 하부 주행체가 정지되어 있는 상태에서 상부 선회체가 회전하면서 발생한다.
PPT Slide
Lager Image
Structure of an excavator
굴삭기를 선회시키기 위해서 상부 선회체의 메인 프레임에 탑재되어 있는 엔진, 메인 펌프, 컨트롤 밸브, 선회모터, 감속기 등의 장치들이 작동한다. 그 중에서도 선회모터와 감속기는 굴삭기가 선회할 때만 구동하기 때문에 선회장치라 한다.
굴삭기가 선회할 때, 장치들의 작동 순서는 다음과 같다. 엔진이 메인 펌프를 구동시키면 펌프에서 발생한 유압이 컨트롤 밸브에서 제어되어 선회모터를 구동시킨다. 선회모터의 축이 회전하면서 감속기 내부의 유성치차가 회전하고 최종적으로 감속기 피니언이 선회베어링 내면치차를 따라 회전하면서 굴삭기 상부체가 선회한다.
3. 선회소음/진동 신호 측정
- 3.1 신호 측정 방법 및 장치 구성
선회소음의 현 수준을 평가하고 발생 원인을 규명하기 위해 굴삭기가 선회할 때 발생하는 소음/진동신호를 Fig. 2 와 같이 측정하였다. 운전실의 운전자 오른쪽 귀 위치에 마이크로폰을 설치하여 소음신호를 측정하였고 동시에 센터프레임의 앞면과 옆면에 가속도계를 부착하여 진동신호를 측정하였다. 그리고 운전실 지붕 위에 자이로센서를 부착하여 굴삭기 상부체의 선회속도를 측정하였다.
PPT Slide
Lager Image
Experimental setup for signal measurement
신호 측정 시 굴삭기가 선회하는 운전모드를 선정하기 위해 엔진 출력과 선회 가감속도를 제어하여 운전실에서 측정되는 소음 특성을 확인하였다. 그 결과 엔진 출력과 선회 가감속도가 최대일 때 운전실에서의 소음 피크가 가장 크게 나타났고, 선회 가감속도를 천천히 조작하였을 때 소음 크기는 상대적으로 줄어들었지만 충분한 샘플링을 통해 주파수 특성을 비교적 뚜렷하게 확인할 수 있었다. 따라서 선회소음/진동신호 측정 시 기준이 되는 굴삭기의 운전모드를 목적에 따라 Table 1 과 같이 정의하였다.
Driving modes for signal measurement
PPT Slide
Lager Image
Driving modes for signal measurement
운전모드 1은 굴삭기의 선회소음 수준을 평가하고 선회소음의 주파수 성분을 확인하기 위한 것으로 선회소음 피크가 가장 크게 나타났던 엔진 출력과 선회 가감속도를 최대로 하여 360˚ 선회하였다.
운전모드 2는 선회소음의 가진원 분석을 하기 위한 것으로 주파수 특성이 비교적 뚜렷하게 나타났던 선회 가감속도를 천천히 조작하여 굴삭기를 정지상태부터 최대 선회속도까지 운전하였다. 이러한 선회조작을 sweep이라 하였다.
- 3.2 선회소음/진동 측정 결과
운전모드 1로 선회할 때 자이로센서로 측정한 굴삭기의 회전속도를 Fig. 3 에 나타내어 회전속도의 변화에 따라 구간을 나누어 다음과 같이 정의하였다. 굴삭기가 선회하지 않고 엔진만 작동시킨 구간을 공회전(A), 회전속도를 증가시키는 구간을 가속구간(B), 최대 선회속도로 일정하게 회전하는 구간을 정속구간(C), 회전속도를 줄여 정지하는 구간을 감속구간(D)이라 하였다.
PPT Slide
Lager Image
Swing speed of the excavator
선회구간에 따른 소음수준을 평가하기 위해 운전실에서 측정한 소음신호의 시간응답을 Fig. 4 에 나타내고 각 구간의 소음피크 값을 구하였다. 여러 번 측정 후 소음피크 값을 평균한 결과 감속구간, 가속구간, 정속구간, 공회전순으로 크게 나타났다.
PPT Slide
Lager Image
Time response of the swing noise
선회구간에 따른 주파수 특성을 확인하기 위해 굴삭기가 선회하는 동안 일정한 시간 간격으로 소음/진동 신호에 대한 주파수 분석을 수행하였다. Fig. 5 는 매 0.25초 샘플링 시간의 소음신호를 연속적으로 주파수 분석하여 0~1600 Hz의 주파수 영역에 대하여 4 Hz의 분해능으로 도시한 waterfall plot이다. 소음수준이 큰 가속구간(B)과 감속구간(D)에서 선회소음 피크를 유발하는 주파수 성분 ①,②,③,④가 나타나는 것을 확인하였다.
PPT Slide
Lager Image
Waterfall plot for the swing noise during one swing
선회장치와 선회장치 근방의 센터프레임에서 측정한 진동신호도 소음신호와 마찬가지로 일정한 시간 간격에 대한 주파수응답의 waterfall plot을 도시하여 각 신호를 비교분석 하였다. 그 결과 소음신호와 유사한 형태의 진동신호가 센터프레임 앞면과 옆면에서 Fig. 6 과 같이 측정되었다. 그리고 센터프레임 앞면 Fig. 6(a) 에서 선회소음 발생 주파수와 동일한 주파수 성분인 ①,③,④가 나타났고, 센터프레임 옆면 F ig. 6(b) 에서 선회소음 발생 주파수와 일치하는 주파수 성분 ①,②,③,④가 나타나는 것을 확인하였다.
PPT Slide
Lager Image
Waterfall plots for center frame vibration during one swing
4. 선회소음 주파수 특성 분석
- 4.1 선회소음의 가진원 분석
굴삭기가 선회할 때 구동하는 선회장치는 센터프레임 위에 볼트로 고정되어 상부체를 가진한다. 따라서 선회소음의 가진원을 분석하기 위해서는 선회장치의 구조 및 작동 원리를 이해해야 한다.
선회소음의 가진원을 분석하기 위한 굴삭기의 선회에 대한 동력 전달 과정을 Fig. 7 에 나타내었다. 여기서 굴삭기의 선회는 선회모터와 유성 감속기, 선회 베어링에 의해 이루어진다. 먼저 선회 모터는 메인 펌프로부터 유입된 유압으로 모터 내부의 피스톤이 회전하게 됨으로써 모터의 축을 회전시키는 구조로 되어 있다. 따라서 선회모터는 1회전할 때마다 피스톤 개수에 비례한 가진력을 발생시키게 된다. 선회모터의 축회전은 유성 감속기로 전달되어 2단계로 감속하게 된다. 유성 감속기는 감속 과정에서 기어물림에 의한 충격으로 1단 감속기의 기어물림파수와 2단 감속기의 기어물림 주파수에 해당하는 가진력을 발생시킨다. 최종적으로 선회베어링은 유성 감속기의 피니언 기어와 맞물려 돌아가며, 선회베어링의 기어물림주파수에 해당하는 가진력을 발생시킨다. 이때 각 기어물림 주파수는 치차들의 회전속도와 잇수로부터 산출할 수 있다. Fig. 8 에 각 선회장치에서 나타나는 가진력을 정리하였다.
PPT Slide
Lager Image
Power transmission system for the swing
PPT Slide
Lager Image
Excitation forces from the swing device
선회소음의 가진원을 확인하기 위해 운전모드 2로 굴삭기를 선회시키며 선회모터 회전속도에 따른 주파수응답의 waterfall plot을 Fig. 9 와 같이 획득하였다. 가진주파수의 계산 결과를 바탕으로 선회모터 피스톤의 가진주파수(A=선회속도×피스톤 개수)와 1단 감속기의 기어물림주파수(B)의 각 조화성분이 B=2A의 관계로 중첩되는 것을 Fig. 9(a) 에서 확인할 수 있으며, Fig. 9(b) 에서 각 가진주파수가 선회소음 발생 주파수 ①, ②, ③, ④에서 증폭되고 있음을 알 수 있다.
PPT Slide
Lager Image
Waterfall plots for the swing noise when the swing speed increases linearly
실제로 굴삭기의 선회소음은 각 가진주파수가 ①, ②, ③, ④의 주파수와 만나는 선회속도에서 증폭되는 것을 Fig. 10 에서 확인할 수 있다. 따라서 굴삭기의 선회소음을 저감하기 위해 가진주파수의 증폭되는 구조를 파악하기 위한 모드실험을 수행하였다.
PPT Slide
Lager Image
Time histories for swing noise amplification
- 4.2 모드실험
굴삭기 선회실험의 신호분석 결과 나타나는 소음 증폭 현상을 규명하고 유한요소 모델을 구축하기 위해 모드실험을 수행하였다. 모드실험은 Fig. 11 과 같이 굴삭기의 실차 상태에서 진행되었으며, 소음신호와 유사한 형태의 진동신호가 측정되었던 센터프레임의 앞면과 옆면을 대상으로 하였다.
PPT Slide
Lager Image
Experimental setup for modal testing
모드실험은 모드 형상을 확인할 수 있도록 여러 지점을 선정하여 Fig. 12 와 같이 가속도계를 부착하고 한 점을 선정하여 충격 해머로 가진하여 주파수 응답함수를 획득하였다. 모드실험을 통해 획득된 각 지점의 주파수응답함수는 고유진동수와 고유모드를 확인하기 위해 아래 식을 이용하여 모드지시함수(power mode indicator function)로 변환되었다.
PPT Slide
Lager Image
PPT Slide
Lager Image
Experimental location for modal test
여기서 i 는 모드실험의 위치(1: 센터프레임 앞면, 2: 센터프레임 옆면), j 는 각 위치에서 획득된 응답의 번호이다. 따라서 Hij i 위치에서 획득된 j 번째 응답을 의미하고,
PPT Slide
Lager Image
i 위치의 모드지시함수이다.
실험 결과 Fig. 13 과 같이 가진주파수 범위 내에서 센터프레임 앞면의 굽힘형상 고유진동수가 선회 소음 발생 주파수 ①, ③, ④와 일치하였으며 센터 프레임 옆면의 굽힘형상 고유진동수는 ①, ②, ④와 일치하였다. 따라서 굴삭기의 선회소음은 선회모터와 감속기의 가진에 의해 센터프레임 앞면과 옆면에서 해당 모드의 구조 공진으로 발생하는 것을 확인하였다. 소음발생주파수에 해당하는 고유모드형상은 Fig. 14 에 간략히 나타내었다.
PPT Slide
Lager Image
Frequency response functions of the center frame
PPT Slide
Lager Image
Mode shape illustrations of the center frame corresponding to the swing noise frequencies
5. 시뮬레이션을 통한 개선방안 도출
- 5.1 유한요소 모델 수립
선회소음을 저감할 수 있는 구조개선안을 도출하기 위해 굴삭기 상부체의 유한요소 모델을 구축하였다. 상부체 모델링은 선회장치가 부착되어 있는 센터프레임을 대상으로 하였다. 실제 센터프레임을 단순화하여 CAD모델을 생성하였으며 ANSYS를 이용하여 이차사면체(quadratic tetrahedral)의 요소 형상으로 이산화하여 센터프레임의 유한요소 모델을 Fig. 15 와 같이 생성하였다.
PPT Slide
Lager Image
Finite element model of the center frame
생성된 유한요소 모델에 실제 구속조건을 반영하기 위해 Fig. 16 과 같이 해석조건을 설정하였다. 먼저 센터프레임 위에 올려져 있는 굴삭기 상부체의 주요 구성품들을 질량중심과 접촉 면적을 고려하여 Fig. 16(a) 와 같이 하중조건을 각각 부여하였고, 선회 시 정지해 있는 하부 주행체와 센터프레임의 연결부에는 Fig. 16(b) 와 같이 고정 경계조건을 부여하였다.
PPT Slide
Lager Image
Simulation conditions for modal analysis
- 5.2 유한요소 모델 검증
유한요소 모델의 검증을 위해 ANSYS 시뮬레이션을 통해 센터프레임에 대한 모드해석 결과를 획득한 후, 앞서 실차 상태에서 수행한 센터프레임 앞면과 옆면의 모드실험 결과와 비교하였다. 모드해석 결과와 모드실험 결과의 비교는 센터프레임 앞면과 옆면의 1차~3차 굽힘모드를 대상으로 이루어졌으며, 앞면과 옆면의 고유진동수와 모드형상의 유사성을 각각 Tables 2 , 3 과 같이 비교하였고 실험이 가능했던 영역 내에서 만족할만한 결과를 획득하였다.
Comparison of modal test and modal analysis results at the center frame front
PPT Slide
Lager Image
Comparison of modal test and modal analysis results at the center frame front
Comparison of modal test and modal analysis results at the center frame side
PPT Slide
Lager Image
Comparison of modal test and modal analysis results at the center frame side
- 5.3 선회소음 저감 방안 도출
선회소음/진동 신호 측정 실험 및 모드실험과 모드해석 결과를 바탕으로 센터프레임의 앞면과 옆면에서 굽힘모드의 진동으로 인한 선회소음이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 선회소음을 저감하기 위해 Fig. 17 과 같이 센터프레임 앞면에 부재를 보강하여 굽힘모드에 대한 강성을 부여하는 방법으로 구조개선 방안을 도출하였다.
PPT Slide
Lager Image
Structural modification for the center frame
개선 구조의 강성 증가를 확인하기 위한 개선 전/후 모델의 모드해석 결과는 Table 4 와 같다. 개선 후 구조의 굽힘모드 고유진동수는 개선 전 구조에 비해 전반적으로 증가하였고, 개선 구조가 선회소음을 저감시킬 수 있으리라 기대하였다.
Increment of natural frequencies by the center frame modification
PPT Slide
Lager Image
Increment of natural frequencies by the center frame modification
센터프레임 옆면의 굽힘모드 또한 소음을 일부 유발하는 원인으로 나타났지만, 상부체 회전 시 유압 호스 및 다른 부품과의 접촉 등에 대한 구조적 제약으로 효율적인 개선 방안을 도출하지 못해 개선안 선정 과정에서 제외하였다.
6. 개선품의 선회소음 평가
앞서 3장과 4장에서 소개하였듯이 굴삭기의 선회 소음은 앞면과 옆면의 굽힘모드 진동으로 일부 발생하기 때문에, 유한요소 해석 시뮬레이션을 통해 앞면의 굽힘모드에 대한 강성을 증가시킬 수 있는 방안을 도출하였고 이를 실제 굴삭기에 반영하여 실제로 선회소음이 저감되는지를 평가하였다. 이때 굴삭기의 개선품은 기존의 실차 상태에서 Fig. 17 과 같이 센터프레임의 앞면에 보강 부재를 이용하여 3열 용접한 것이다.
굴삭기 개선품의 선회소음 평가는 기성품(기존 굴삭기)의 선회소음 평가와 같은 방식으로 이루어졌다. 운전실 운전자 오른쪽 귀 위치에 마이크로폰을 설치하고, 엔진 출력이 최대인 상태에서 선회 가감 속도를 최대로 하여 굴삭기의 상부체를 360˚ 회전시키면서 선회소음을 측정하였다. 이때 굴삭기가 선회하기 이전에 운전실에서 측정된 공회전 소음(엔진 및 펌프 소음 등)은 기성품과 개선품이 모두 동일한 수준이었다.
Fig. 18 은 기성품과 개선품의 선회소음을 비교한 결과이다. 도식의 X축은 시간축이며 비교를 위해 선회구간 (A)~(D)를 표시하였다. 도식의 Y축은 선회소음의 음압레벨이며 직관적인 비교를 위해 기성품과 개선품의 선회소음 시간응답을 가로배열로 나열하였다. 두 신호에서 각 구간의 선회소음 피크값을 비교하여 dB(A)로 환산한 결과, 가속구간 (B)와 감속구간 (D)에서 개선품의 소음 수준이 1.3dB(A)씩 감소하였으며, 공회전 구간 (A)와 정속구간 (C)에서는 기성품과 개선품의 소음 수준이 동일한 수준으로 측정되었다.
PPT Slide
Lager Image
Comparison of the time responses of the swing noise
7. 결 론
이 연구에서는 굴삭기가 선회할 때 선회모터의 회전주파수와 감속기의 기어물림주파수가 가진원으로 작용하여 소음을 유발하는 것을 확인하였으며, 선회속도가 변화할 때 센터프레임 앞면과 옆면의 굽힘 형상에 대하여 구조 공진이 발생하고 소음이 증폭되는 것을 규명하였다. 따라서 굴삭기 선회소음 저감을 위해 센터프레임 앞면에 부재를 3열 용접하여 구조개선을 수행하였으며, 개선품과 기성품의 소음 수준 비교를 통해 운전실에서 측정되는 소음 수준이 선회의 가속구간과 감속구간에서 1.3 dB(A)씩 감소하는 것을 확인하였다.
BIO
Jintai Chung received his B.S. and M.S. degrees in mechanical engineering from Seoul National University, Seoul, Korea in 1984 and 1986, respectively, and a Ph.D. degree in mechanical engineering from the University of Michigan, Ann Arobr, USA in 1992. He is now a professor in the Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Korea. His research fields are structural dynamics, vibration and noise.
References
Kim H. T. , Kim Y. H. , Joo W. H. 2011 Prediction of the Sound Power of the Excavator using the Acoustic Energy Conservation Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference 63 - 64
Youn S. D. , Kang J. M. , Jeon B. S. , Kim H. Y. 2010 Exterior noise prediction of excavator using SEA Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference 762 - 763
Ko K. E. , Kim Y. H. , Kim D. H. , Bae J. G. , Shim J. K. , Kang J. W. , Son D. K. , Kim C. O. 2006 Development of Lower Noise Excavator Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering 16 (12) 1185 - 1191    DOI : 10.5050/KSNVN.2006.16.12.1185
Kim Y. H. , Joo W. H. 2011 A Study on the Pulsation Pressure Reduction for the Hydraulic System of Medium-large Excavator Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering 21 (1) 18 - 23    DOI : 10.5050/KSNVE.2011.21.1.018
Lee Y. B. , Kim K. M. 2012 Analysis of Performance Characteristics of Swash-plate-type Hydraulic Piston Motor Transactions of the KSME A 36 (11) 1441 - 1446