4도형 예초기날의 절단시험 및 유한요소 해석 프로그램을 이용한 고유진동해석 및 충돌해석에 따른 안전성 평가 = The Study on the Evaluation of the 4-edge Brush Blades Safety and Performance with the use Finite Element Analysis Software and Cutting Test
Recently, The 4-edge blades of a potable brush cutter use more than the 2-edge blades for brush cutting. The blade of a portable brush cutter is a rotating metal plate with edges. The blade can be mounted on an engine or battery powered cutter to mow grass or cut scrub.
However, The blade of a brush cutter is very dangerous because it rotates at a very high speed of up to 8,000 rpm. so, momentary carelessness can cause serious injuries to humans by direct contact with the blade. In addition, the operator can also be injured by scattered parts of the blade, or by debris from scrub, produced during a collision with stones or rigid structures while the blade is rotating very fast. Therefore, the reduction of impact strength through a design improvement of the blade is an important requirement, in addition to reduction of the necessary power of the cutter and feeding resistance during the ground motion of cutters.
So, this study performed modal analyses on the new 4-edge blade by using the commercial FEA (Finite Element Analysis) software ABAQUS and natural frequencies of the blades are analyzed. Finally, the reduction in impact strength of the 4-edge blade was analyzed using the commercial FEA software ANSYS/AUTODYN. Also, this study was performed cutting test with the conventional 4-edge blade and proposed 4-edge blade. These results show a remarkable improvement comparable to the reduction in cutting forces.
배터리 충전식 예초기의 날은 금속재질로 회전을 목적으로 하는 절단날이며 풀이나 잡초 등을 깎는 기능을 담당한다. 기존의 예초기 날은 2도날을 많이 사용해 왔지만 지금은 4도날 또한 많이 사용하는 추세이다. 기존의 4도날은 필요한 절단력이 크고 충격이 커 풀이나 잡초 등의 비산이 크고, 풀이나 잡초 등이 잘 잘리지 않는 풀실현상이 많이 발생한다. 이로 인해 예초기 날부에 풀의 감김이 커 사고의 위험성이 항상 존재한다.
또한 산업자원부 산하 기술표준원에 따르면 많은 휴대용 예초기날이 KPS 안전인증을 받지 않았고 이러한 모델들은 충격시험에서 날이 깨지는 등 안전기준에 부적합한 것으로 나타났다. 더 나아가 KPS 안전인증을 받은 제품들 중 다수의 제품들도 안전기준 미달된 것으로 나타났다.
예초기날은 빠른 속도로 회전한다. 그래서 매우 위험하며, 한순간의 방심과 실수가 큰 사고로 이어진다. 또한 작업 중 예초기날이 돌이나 굵은 나무 등에 부딪히면 날 끝이 파손되면서 비산된 파편에 의해 상해를 입는 사고가 많이 발생한다. 즉, 고속으로 회전하는 예초기날이 순간적으로 강도가 높은 재질에 부딪혀 파손이 일어난다. 이와 같은 이유로 여러 규정을 통해 예초기날의 안전성을 규제하고 있다. 다시 말해 예초기날의 내충격성과 안전성이 고려되어야 한다.
배터리 동력을 사용한 예초기 시장은 2010년 149억 달러 규모에서 매년 약 4.8% 성장해 올해는 189억 달러에 달 할 것으로 전망 되고 있다. 예초기 시장은 끊임없이 발전하고 있지만 그에 따른 규제는 아직 많이 부족한 상황이다.
그래서 본 연구에서는 절단 장치를 이용한 절단력 시험과 더불어 기존 4도날의 문제점을 개선한 새로운 4도날을 제시하고 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS를 이용해 진동해석을 수행하고 공진 등을 예방하기 위한 고유진동수를 비교하고자 한다. 또한 기존 4도날과 개발된 4도날을 절단력 및 절단에너지를 유한요소 해석프로그램인 ANSYS/AUTODYN을 이용해 충돌시뮬레이션을 하고 충격량을 비교한다. 본 논문은 개발된 4도날의 절단력, 절단에너지 및 충격량의 저감효과 및 구조적인 안정성을 보여주는 것이 목표이다.
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