Effects of Design Parameters on the Frictional Coefficient of Clamping Pads for Self-Climbing Crane systems

자력 승강식 크레인의 클램핑 패드 마찰계수에 미치는 설계변수 영향

Abstract

A self-climbing crane (SCC) system is under development for the installation and maintenance of wind turbines. It can move vertically along the wind turbine tower by itself. One of the key components of the SCC system is the clamping pad to maintain a safe position on the wind turbine tower. The SCC system can maintain its position on the tower from the frictional force generated between the surfaces of the clamping pads and the tower. If the frictional force provided by the clamping pads are insufficient, the SCC system cannot stay in the vertical position on the tower. Therefore, the development of clamping pads with sufficient frictional force is very important for the SCC system. At the same time, the operation of the SCC system should not damage the paint coating of the wind turbine tower. In order to verify that the frictional force is sufficient and that frictional and compressive forces do not cause damage to the paint, a number of combined compression and shear loading tests were conducted using a test device prepared for this study. The details regarding the test specimens, test procedure, and test results are summarized in this paper.

1. 서론

육상 풍력 발전기는 단위 출력 용량 증가로 인해 점점 더 대형화되고 있으며, 대용량 풍력 발전기의 설치 및 유지보수 작업을 위해서는 대용량 크레인의 사용이 불가피하다. 더 크고 더 무거운 대용량의 풍력 발전기가 개발됨에 따라 설치 시에 고위험 작업과 어려움을 겪고 있지만 가용할 수 있는 대용량 크레인의 수는 상당히 제한적인 현실이다. 대용량 크레인의 경우 상당히 고가의 장비이며, 필요한 시기에 적절한 크레인 확보의 어려움과 작업환경의 제약 조건 등으로 인해 새로운 개념의 크레인 시스템인 자력 승강식 크레인 (Self climbing crane) 개발이 국외에서는 활발하게 진행되고 있다 [1-3]. 자력 승강식 크레인이란 크레인을 자력으로 수직 승·하강시킬 수 있는 플랫폼 위에 크레인을 장착하여 작업을 수행하는 장치로, 풍력 발전기 타워를 타고 Fig. 1과 같이 승·하강하면서 설치 및 유지보수 작업을 할 수 있다. 기존 크레인과 달리 작업공간의 제약을 상당히 해결할 수 있다.

Fig. 1 Enercon installs wind turbines with self-climbing crane LCC140 [1]

현재 국내에서는 ㈜파워엠엔씨에서 국내 최초로 자력 승강식 크레인을 개발하고 있다 [4-5]. 개발 중인 장치는 크레인과 승강장치 (승·하강을 위한 플랫폼을 4단으로 구성)로 구성되며, 승강장치에 설치된 다수의 클램핑 패드 (Clamping pad)가 풍력 발전기 타워를 감싸고 클램핑 패드와 타워 사이에 발생하는 마찰력에 의해서 자력으로 승·하강하는 장치이다 (Fig. 2 참조). 풍력 발전기의 설치 시에는 승강장치가 타워에 매달린 상태에서 2개 크레인을 사용하여 타워, 나셀, 허브 그리고 날개를 순차적으로 탑재하게 된다. 그리고 유지 보수 시에는 크레인을 이용하여 부품을 교체할 수 있으며, 승강장치에 사람이 작업할 수 있는 공간이 있어 검사 및 부분적인 수리를 할 수 있다. 여기에서 자력 승강식 크레인이 풍력 발전기 타워를 안정적으로 승·하강하기 위해 승강장치에 설치된 클램핑 패드는 핵심 부품 중 하나이다. 클램핑 패드의 마찰계수가 필요한 수준보다 낮으면 승강장치는 타워에 매달린 상태를 유지할 수 없으므로 필요한 마찰력을 충분히 제공할 수 있는 클램핑 패드를 개발하여야 한다. 현재 개발 중인 승강장치에 필요한 클램핑 패드의 개수는 총 256이다. 클램핑 패드의 마찰 특성과 내구성은 개발 중인 자력 승강식 크레인의 안전성과 경제성에 있어 매우 중요하다. 또한, 승강장치를 사용할 때 풍력 발전기 타워의 도막 (Paint)에 손상이 발생하지 않아야 한다. 도막의 손상을 방지하기 위해 클램핑 패드 접촉면의 형태와 재질, 접촉 압력강도 등에 대한 검토와 검증이 필요하며, 도막의 손상을 평가하는 기준 역시 마련되어야 한다.

Fig. 2 Self climbing crane system under development

본 연구에서는 클램핑 패드의 마찰계수와 타워의 도막 안전성을 평가하기 위해 압축력과 전단력의 조합 하중을 작용시킬 수 있는 장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 도막 시편은 실제 풍력 발전기 타워에 사용되는 도막과 같은 사양으로 제작하였으며, 클램핑 패드의 경우 현재 풍력 발전기의 운송과 보관을 위해 사용되고 있는 제품 [6]을 사용하여 평가하였다.

2. 도막 시편과 클램핑 패드 시편

2.1 도막 시편

시편의 도막 사양은 Unison의 4.3 MW급 풍력 발전기 U151 타워의 외부 도장 사양 (C5-M)과 같다 [7]. 도막 시편의 크기는 180×180×20 mm로 총 150개를 제작하였으며, 이 중 60개는 열화 실험용으로 18개월 동안 자연환경에 노출 시킨 후 초기 조건과 동일한 실험을 수행할 예정이다. 열화 실험의 수행 목적은 풍력 발전기 유지보수 작업을 고려한 도막의 안전성을 평가하기 위한 것으로 유지보수 작업에서 타워의 도막 상태는 자연환경에 상당히 노출된 상태이므로 이러한 환경을 고려하기 위해 열화 실험 시편을 추가하였다. 제작 완료된 시편을 Fig. 3에서 확인할 수 있다. 도막 시편은 KS M ISO 19840 [8]에 따라 도막 두께 측정기를 사용하여 실험 전과 후에 도막 두께를 계측하여 도막의 상태를 평가하였다.

Fig. 3 Test specimens

2.2 클램핑 패드 시편

본 연구에서 채택한 클램핑 패드는 DAFA CargoPro Modular Pad shore A60 제품 (이하 DAFA 패드라고 함)으로 형상은 Fig. 4와 같으며, 생산되는 제품의 길이와 폭은 각각 600 mm와 134 mm이고, 두께는 24.5 mm이다 [6]. 패드의 자세한 사양은 Table 1과 같다. 이 제품은 패드는 현재 풍력 발전기의 날개, 타워 등 부품을 운송하거나 보관할 때 사용되고 있다.

Fig. 4 DAFA pad

Table 1 Technical data of DAFA pads

자력 승강식 크레인에 사용할 클램핑 패드의 적절한 치수를 결정하기 위해 Fig. 4와 같은 DAFA 패드를 절단하여 서로 다른 면적을 가지는 4가지 패드를 Fig. 5와 같이 제작하였다. 실험에 사용된 패드의 자세한 치수와 면적은 Table 2에 정리하였다. 여기서 Net area는 패드가 도막 시편과 접촉하는 순수 면적으로 패드 중앙부의 홈과 패드를 고정하기 위한 볼트 홀의 면적을 제외한 면적이다.

Fig. 5 Four types of clamping pads having different sizes

Table 2 Sizes and net area of DAFA pad groups

* The net area is the area excluding groove and bolt holes.

3. 조합 하중 실험

3.1 실험 장치

클램핑 패드의 적합성과 타워 도막의 안전성 확보를 위해서는 자력 승강식 크레인의 클램핑 패드를 통해 전달되는 수직 방향의 접촉 압력과 자력 승강식 크레인의 자중과 인양 하중으로 발생하는 전단력의 조합 하중이 동시에 작용할 때 성능을 평가하여야 한다. 이를 위해 압축력과 전단력을 모두 작용시킬 수 있는 조합 하중 실험 장치를 Fig. 6과 같이 제작하였다.

Fig. 6 Test equipment

하중을 발생시키는 유압 램의 최대 용량은 10 ton이며, 수동 펌프로 하중을 가할 수 있다. 수직 방향으로 설치된 유압 램의 경우 압축 시 패드에 발생하는 압축 변형에 따른 하중 작용점 변화를 고려하여 좌우로 움직일 수 있도록 제작하였다. 하중을 측정하기 위해 유압 램 앞에 로드셀을 부착하였다.

3.2 하중 실험

제작 완료된 조합 하중 실험 장치를 사용하여 실험을 수행하였다. 실험 장치에 도막 시편과 2개의 클램핑 패드를 Fig. 7과 같이 설치하고 압축력과 전단력을 가하였다. 압축력의 경우 패드 위치를 고정해주는 가이드에 가하며, 전단력은 도막 시편에 가하게 된다. 이 때 압축력을 먼저 가한 후 전단력을 서서히 증가시켰다. 전단력은 시편과 패드 사이에 slip이 발생하여 더 이상 증가하지 않는 단계까지 증가시키며, 이후 하중이 안정화 상태에 도달하면 실험을 종료하였다.

Fig. 7 Test set-up

자력 승강식 크레인이 승강할 경우에는 클램핑 패드로부터 타워에 작용하는 접촉압력의 분포가 일정하지만, 인양물을 들어 올릴 때는 모멘트가 발생하여 승강장치 상단에 있는 클램핑 패드와 하단에 있는 클램핑 패드의 접촉압력 분포가 일정하지 않으므로, 본 연구에서는 압축 압력을 다양하게 0.2 MPa에서 1.2 MPa까지 0.2 MPa씩 증가시키면서 실험을 수행하였다. 여기에서 압축 압력은 풍력 발전기 타워가 클램핑 패드를 통해 압축력을 받을 때를 고려한 구조해석을 통해 타워의 구조적 안전성을 고려하여 최대 기준값 1.2 MPa을 선정하였다.

4. 실험 결과

실험 결과를 패드 크기에 따라 Table 3에서 Table 6에 정리하였다. 이 표에서는 기준 압축 압력에 대한 압축력과 전단력 그리고 마찰계수를 확인할 수 있다. 마찰계수 (μ)는 수식 (1)에 따라 계산하였다. 여기서 X는 전단력이며, N은 압축력을 의미한다. Fig. 8은 DF-2 패드를 사용하여 초기 압축 압력 0.6 MPa에서의 하중 이력 곡선을 보여준다. 이 그림에서 처음 기준 압축력을 가한 상태에서 전단력이 증가함에 따라 압축력이 약간 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 전단력이 패드의 변형을 유발하여 패드 위치를 고정해 주는 가이드안에서 패드 팽창에 의한 bulging 현상이 발생하여 증가하는 것이다. 시편과 패드 사이에서 slip이 발생하여 더 이상 증가하지 않은 상태에서 전단력은 서서히 감소하며, 시간이 지나면 하나의 값으로 수렴된다. 이때를 안정화 상태 (Stabled state)라고 정의하였으며, 안정화 상태에 도달한 후 실험을 종료하여 하중이 완전히 빠진 것을 확인할 수 있다. 마찰계수를 계산할 때 안정화 상태에서의 하중을 사용하였다.

\(\begin{align}\mu=\frac{X}{2 N}\end{align}\)       (1)

Table 3 Test results: DF-1

Table 4 Test results: DF-2

Table 5 Test results: DF-3

Table 6 Test results: DF-4

Fig. 8 Force histories of DF-2 pad (Compression pressure: 0.6 MPa)

접촉 면적이 서로 다른 4가지 종류의 패드와 압축 압력 변화에 대한 마찰계수를 Fig. 9에 나타내었다. 이 그림에서 확인할 수 있듯이 압축 압력의 크기가 증가할 수록 마찰계수는 감소하며, 압축 압력이 0.2 MPa에서 0.4 MPa로 증가하면 마찰계수가 급격히 감소하지만, 그 이후의 압축 압력에서는 마찰계수가 완만하게 감소하는 경향을 보인다. 또한, 패드의 접촉 면적이 증가할수록 마찰계수는 증가하는 경향을 보인다. 마찰은 두 물체의 표면 간의 상호작용 때문에 발생하며, 접촉 면적이 증가함에 따라 두 물체 간의 상호작용이 더 커지기 때문에 마찰계수도 증가하는 것으로 판단된다. 따라서 Fig. 4와 같은 면적 약 72,000 mm²를 가지는 DAFA 패드를 적용한다면 더 높은 마찰계수를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 이처럼 마찰계수는 접촉 면적과 압축력에 따라 달라지며, 또한 패드의 재질과 경도, 그리고 패드의 표면 상태에 따라서도 달라질 수 있다.

Fig. 9 Frictional coefficient for changes in contact area and compression pressure

개발 중인 자력 승강식 크레인에 적용할 클램핑 패드의 경우 크레인 장치와 인양물의 무게, 외력을 고려하여 0.9 이상의 마찰계수를 가지는 패드를 적용하도록 자체 설계 기준을 정하였다. 실험 결과 접촉 면적이 가장 큰 DF-4 패드는 압축 압력이 0.2-1.2MPa에서 0.9 이상의 마찰계수가 도출됨에 따라 본 자력 승강식 크레인에 DF-4 패드와 동등하거나 그 이상의 면적을 가지는 패드를 적용한다면 크레인 운용에 있어 문제가 없을 것으로 판단된다.

실험 결과를 활용하여 압축 압력 (P_cp)과 DAFA 패드의 면적 (A)이 주어지면 마찰계수를 추정할 수 있는 설계식을 식 (2)-(3)과 같이 유도하였다. 압축 압력이 0.4 MPa보다 작거나 같으면 식 (2)를 사용하며, 압축 압력이 0.4 MPa보다 크면 식 (3)을 사용한다. 설계식을 사용하여 추정한 마찰계수를 실험 결과와 비교하여 Table 7에서 Table 10에 나타내었다. 각 표에서는 실험값과 설계식으로 추정한 마찰계수를 비교하고 이에 대한 평균과 무차원 표준편차 (Coefficient of Variation, COV)를 정리하였다. 4가지 DAFA 패드에 대한 평균은 0.91-1.06이며, COV는 2.09-4.70%로 설계식으로 추정한 마찰계수가 실험 결과와 상당히 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 실험을 수행한 전체 24개 결과에 대한 마찰계수 비의 전체 평균과 COV는 각각 0.99와 6.60%이다.

μ = 1.95 × exp(-2P_cp) × exp(0.000019A) for ≤0.4 MPa       (2)

μ = 1.05 × exp(-0.5P_cp) × exp(0.000019A) for P_cp＞0.4 MPa       (3)

Table 7 Comparison results:DF-1

Table 8 Comparison results:DF-2

Table 9 Comparison results:DF-3

Table 10 Comparison results: DF-4

5. 도막 안전성 평가

5.1 도막 안전성 평가 기준

하중 실험 후 도막 시편의 도막 안전성을 평가하는 기준은 KS M ISO 12944-6 [9]를 적용하며, 부풂(Blistering) [10], 녹 (Rusting) [11], 균열 (Cracking)[12], 플레이크 (Flaking) [13]와 두께 비교 [8], 그리고 물 응축 [14] 및 염수 분무 시험 [15] 후 손상부에서의 부식 확인 항목이 있다. 도막 평가 항목과 요구 조건을 Table 11에 정리하였다. 부풂 [10], 녹 [11], 균열 [12], 플레이크 [13]는 0-5등급으로 구분되며, 루페를 사용하여 육안으로 평가한다. 도막에서 손상이 보이지 않으면 0등급이다. 두께 비교는 실험 전과 실험 후 도막 두께를 계측하여 비교하게 된다. 이때 모든 시편의 도막 두께는 시험 전 도막 두께의 80% 이상이어야 한다 [8]. 물 응축 및 자연 염수 분무 시험 후 시편의 부식량은 손상부에서 최대 3.0 mm (평균값) 이하여야 한다 [9].

Table 11 Paint assessment items and requirements

5.2 도막 안전성 평가 결과

도막 안전성 평가 결과를 Table 12에 정리하였다. 4개의 도막 시편에 대해서 조합 하중 실험 전과 실험 후 도막 시편의 양면에 대한 도막 두께의 비는 0.98에서 1.02 사이로 실험 후 도막 두께의 변화는 매우 미미하다. 실험 후 도막의 두께는 실험 전 도막 두께의 80% 이상을 모두 만족하며, 육안 평가 항목도 모두 0등급으로 도막에서 손상이 없음을 확인하였다. 다양한 하중 조건에서 조합 하중을 받을 때 도막 시편은 안전성 평가 기준을 모두 만족하고 있다.

Table 12 Paint evaluation results

6. 결론

본 논문에서는 자력 승강식 크레인의 핵심 부품인 클램핑 패드가 압축력과 전단력의 조합 하중을 받을 때, 하중의 크기와 접촉 면적 변화에 따른 마찰계수를 실험적으로 도출하였으며, 하중 실험 후 도막 안전성을 평가하였다.

다양한 하중 조건에서 서로 다른 접촉 면적을 가지는 4가지 패드에 대해서 조합 하중 실험을 수행하였다. 하중 실험 결과 압축력이 증가할수록 마찰계수는 감소하며, 패드의 접촉 면적이 증가할수록 마찰계수는 증가하는 경향이 나타났다. 접촉 면적이 가장 큰 DF-4 패드에서 자력 승강식 크레인에 적용할 패드의 마찰계수 기준 조건인 0.9를 모두 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

또한, 실험 결과를 활용하여 시편에 작용하는 압축 압력과 패드의 면적을 알면 마찰계수를 추정할 수 있는 설계식도 유도하였다. 설계식의 추정값과 실험 결과를 비교하였을 때 두 마찰계수 비에 대한 평균과 COV는 각각 9%와 5% 이내로 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다.

하중 실험 전과 실험 후 도막 두께의 비는 0.98-1.02로 요구 조건을 만족하며, 육안 평가항목인 부풂, 녹, 균열, 플레이크에서 모두 0등급으로 어떠한 문제점도 발견되지 않았다. 도막 안전성 평가 결과 모든 조건을 만족하고 있다.

향후 물 응축 시험 및 염수 분무 시험 후 도막에 대한 안전성 평가를 수행할 필요가 있다. 또한, 자연환경에 노출시킨 열화 시편에 대하여 하중 실험을 수행하여 열화가 마찰계수 및 도막 안전성을 평가하여야 한다. 그리고 자력 승강식 크레인을 사용하여 작업을 수행할 때 비가 오는 경우를 고려하여 도막 시편과 클램핑 패드가 물에 젖은 상태에서도 실험을 수행할 필요가 있다.

후기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20213030020160).