시뮬레이션을 활용하여 ICE에서 전기 모터로 변환하는 시저 리프트 성능 개선 지원

안전 제일

공사 현장을 둘러보면 다양한 작업에 사용되는 많은 시저 리프트를 볼 수 있습니다. 승강대가 있는 건설 리프트는 실내 페인트 작업부터 실외 개조 작업까지 다양한 어려운 조건에서 원활하게 작동해야 합니다.

특히 실외 프로젝트의 경우 이러한 장비를 운용하는 데 큰 어려움을 겪을 수 있습니다. 지면이 진흙이거나 고르지 않거나 이동하기 어려울 수 있습니다. 가파른 진흙 경사에서 작업을 완료하려면 우수한 트랙션 성능이 필요합니다.

또 다른 요인은 소음과 배출 규제입니다. 리프트는 특히 실내에서 운전자와 동승자의 안전을 위해 배기가스를 배출하지 않으며 특정 데시벨 수준을 초과하면 안 됩니다. 따라서 엔지니어는 엔진과 구동 시스템에서 발생하는 전반적인 소음을 줄이고 ICE(내연기관)에 적용되는 엄격한 표준을 충족해야 합니다. 점점 더 많은 도시에서 저배출 구역을 지정함에 따라 제조업체는 혁신을 가속하고 대체 에너지 장비를 생산해야 합니다. 대부분 전기가 가장 현실적인 방법입니다.

마지막으로, 일반적인 건설 장비와 리프트의 경우 안전이 가장 중요합니다. 이러한 기계는 모두 지면에서 높이 떨어진 지점에서 작동하므로 제조업체와 최종 사용자 모두에게 안정성이 최우선입니다.

임대 기반의 장비

건설 산업의 다른 측면과 마찬가지로 최종 리프트 고객의 80%는 최종 사용자가 아닌 장비 임대 회사입니다. 임대 회사는 고객에게 고성능의 다용도 기계를 제공해야 합니다. 고객은 같은 현장에 여러 기계를 임대하지 않을 것입니다. 최고 성능을 갖춘 다용도 기계를 제공하는 것은 장비 임대 관리에 있어 큰 자산입니다.

Pulseo 시리즈 개발

이러한 시장 격차를 메우기 위해 프랑스 로레트(Lorette)에 본사를 둔 리프팅 장비 제조 및 공급업체인 Hullotte는 전지형을 지원하는 차세대 전기 시저 리프트 Pulseo를 개발했습니다. 실내 및 실외 작업 모두에 적합하고 완전히 전기로 구동되는 Pulseo 플랫폼은 이전 연소 엔진 모델에 비해 우수한 성능을 제공합니다.

새로운 모델을 개발하기 위해 Hullotte의 시뮬레이션 및 디지털 검증 부문 책임자인 Arnaud Chaigne와 엔지니어 팀은 시뮬레이션을 사용하여 설계 가능성을 연구하고 기계 성능을 예측했습니다.

"시뮬레이션을 통해 유압 장치, 전기 장치, 제어 장치 등 다양한 시스템에 미치는 영향과 기계 안정성 및 운전자 안전성을 고려하여 다양한 혁신 시나리오의 실현 가능성을 평가할 수 있었습니다."라고 Chaigne는 말합니다.

Design architecture evaluation using Simcenter Amesim.

다양한 시뮬레이션 도구

Haulotte는 시스템 및 기계 시뮬레이션에 Simcenter™ 소프트웨어 도구를 사용합니다. Simcenter는 Siemens Digital Industries Software의 포괄적이고 통합된 소프트웨어 및 서비스 포트폴리오인 Xcelerator 포트폴리오의 일부입니다. Hallotte의 엔지니어들은 이 시뮬레이션 도구를 사용하여 바로 사용할 수 있는 12kW 전기 모터 시저 리프트 라인을 개발했습니다. 새로운 리프트는 23kW의 ICE를 갖춰 이전 모델보다 더 나은 성능을 제공했습니다. 새로운 전기 시저 리프트는 오염이 없고 조용하며 최대 작업 높이가 12m에서 15m, 적재 용량이 500kg에서 750kg으로 증가하는 등 전체 성능이 크게 개선되었습니다.

Chaigne는 향후 모든 기능을 갖춘 Pulseo 시저 리프트를 위한 최적의 아키텍처를 결정하기 위해 Simcenter Amesim™ 소프트웨어를 시스템 시뮬레이션에 사용했습니다. 이 작업의 가장 어려운 부분 중 하나는 전기 모터 성능을 최적화하는 것이었습니다. 기존의 ICE와 달리 전기 모터에서 필요한 전력을 얻기 위해 더 많은 설계 문제와 제약 조건을 처리해야 했습니다.

먼저 Chaigne는 유압 분배를 포함한 전체 구조에서 엔진으로부터 발생하는 모든 수준의 에너지 손실을 확인했습니다.

"에너지 소모가 가장 많은 부품을 파악(에너지 손실 매핑)하기 위해 기존 열 시스템을 모델링하는 것부터 시작했습니다."라고 Chaigne는 말합니다. "이를 통해 모든 에너지 소비가 완전 전기 기계에 더 적합한 새로운 아키텍처를 정의할 수 있었습니다."

최적의 시스템 아키텍처 정의

최적의 아키텍처를 정의하기 위한 프로젝트의 일환으로, 팀은 전기 시스템의 배터리 크기를 조정했습니다.

Chaigne는 이렇게 설명합니다. "배터리의 크기를 적절하게 조정하기 위해서는 두 가지 주요 영역을 연구해야 했습니다. 하나는 일반적인 작업 요구사항에 필요한 총 에너지량이고 다른 하나는 일시적인 단계의 높은 전력 소모량입니다. 이 전력 피크에 적응하기 위해 설계를 과도하게 확장하는 것은 위험합니다. 따라서 이 피크를 제한하기 위해 제어 법칙 모델링을 수행했습니다."

분석 단계에서 Chaigne와 팀은 액츄에이터가 움직이기 시작할 때 가장 처음 발생한 피크를 관찰했습니다.

"배터리 크기를 최적화하기 위해 전력 피크를 원활하게 만드는 제어 법칙을 개발하면서 유사한 리프팅 시간을 제공해야 했습니다."라고 Chaigne는 말합니다. "이를 통해 전체 상승 운동에서 일정한 출력 수준이 이어졌습니다."

Customized process-oriented workflow tool using NX™ Open software, in Simcenter 3D.

Simulation of in-operation machine stability, using Simcenter 3D Motion.

Simcenter 3D 모션을 사용한 안정성 확보

여러 국가의 규정에서는 운전자나 작업자가 플랫폼에 있는 경우 등에 작업 현장에서 이동하든 제자리를 유지하든 승강기가 안정적으로 유지되어야 한다고 명시하고 있습니다.

"새로운 시저 리프트로 생산성을 개선하려면 운송 시 안정성에 대한 연구가 필요했습니다."라고 Chaigne는 말합니다. "기계가 움직이고 배치될 때 전반적인 차량 안정성을 보장하려면 진동하는 차축의 동작을 연구해야 합니다."

Chaigne와 팀은 가능한 모든 시나리오를 예상할 수 있도록 Simcenter 3D 모션 소프트웨어를 사용하여 시저 리프트의 동적 거동을 연구했습니다.

"안정성을 보장하기 위해 Simcenter 동적 멀티바디 시뮬레이션을 사용하여 시저 리프트의 크기를 조정했습니다."라고 Chaigne는 말합니다. "이를 통해 성능과 기계 하중 사이에서 최적의 타협점을 찾을 수 있었고 개발 중 시간을 절약할 수 있었습니다."

Outdoor work in progress with the Pulseo.

시뮬레이션 대중화

"저는 시뮬레이션 전문가로서 시뮬레이션 도구를 쉽게 사용할 수 있도록 지원해야 합니다."라고 Chaigne는 말합니다. "NX Open을 통한 Simcenter 3D의 맞춤화 기능으로 비즈니스 규칙과 규정 표준을 통합하여 계산 프로세스를 가속하고 오류 위험을 줄일 수 있었습니다."

Haulotte 설계 사무소에서 다양한 안정성 분석을 수행할 경우 표준 규범을 중심으로 프로세스가 진행합니다. 하지만 지역마다 표준이 다르고 풍력 등의 환경적 요인부터 부하 위치, 작업 각도와 같은 작업자 영향 또는 장비 취급과 같은 인적 요소까지 요구사항에 상당히 많은 변수가 존재할 수 있다는 문제가 있습니다.

"표준 매개변수를 관리하는 한편 설계 사무소에서 만든 모델의 예측 가능성을 극대화해야 합니다."라고 Chaigne는 말합니다. "즉, 타이어의 동작, 실제 강성, 중량 분포와 같이 안정성에 영향을 미치는 매개변수를 고려해야 합니다. 모델을 정의한 후에는 서로 다른 표준 구성에 따라 안정성을 확인해야 합니다. 이 단계는 상대적으로 길고 지루할 수 있습니다."

시간 절약 및 지루한 수동 작업 제거

시간을 절약하고 안정성 계산을 위한 해석 프로세스를 개선하기 위해, Simcenter 3D용 API 자동화 모듈인 NX™ Open 소프트웨어를 사용하여 맞춤형 프로세스 중심 워크플로 도구를 개발했습니다.

"구체적으로, NX Open을 사용하면 다양한 규범을 고려하여 데이터 입력을 자동화할 수 있습니다."라고 Chaigne는 말합니다. "포스트프로세스에서 명확한 안정성 정보를 제공합니다. 따라서 전문가가 아니더라도 복잡한 Simcenter 3D 모션 모델을 사용할 수 있습니다."

상호 시뮬레이션으로 성능 개선

전기 Pulseo 시리즈 작업 시 엔지니어링 팀은 구조 및 안정성 분석에 사용되는 Simcenter 3D 모델과 에너지 분석 및 배터리 크기 조정에 사용되는 Simcenter Amesim 시스템 시뮬레이션 모델을 함께 시뮬레이션합니다.

Chaigne는 이렇게 설명합니다. "전기로 작동하는 기계의 경우 에너지 소비가 매우 중요합니다. Simcenter 3D 모션을 사용하면 운동학, 질량 분포, 마찰, 동적 효과를 고려하여 유압 액추에이터의 힘을 모델링할 수 있습니다. 따라서 액츄에이터에 필요한 에너지, 즉 실제 압력 수준의 정보를 파악할 수 있습니다."

팀은 두 가지 유형의 상호 시뮬레이션 프로세스를 사용합니다.

"첫 번째 경우, 두 소프트웨어 프로그램이 동시에 작동하며 정보를 교환하여 공통 솔루션을 도출합니다."라고 Chaigne는 말합니다. "두 번째 경우, Simcenter 3D 모션을 사용하여 실린더 위치에 따라 하중 표를 생성한 다음 Simcenter Amesim에서 정보를 사용합니다."

시저 리프트는 대부분 여러 액츄에이터를 사용하여 유압식으로 작동하므로 유압 액츄에이터의 압력 균형에 따라 구조 전체의 응력 분포가 달라집니다. Chaigne는 이렇게 말합니다. "상호 시뮬레이션을 통해 정상 상태와 호스 파열 등 고장 시 응력을 분석할 수 있습니다. 하중 이동 방식과 유압 실린더 압력에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다."

시뮬레이션을 사용한 물리적 테스트 캠페인 감소

"계산 및 시뮬레이션은 첫 번째 프로토타입을 제조하기 전에 설계가 일정한 성숙도에 도달했는지 확인하는 이론적 검증 프로세스의 일부입니다."라고 Chaigne는 말합니다. 하지만 테스트 단계는 여전히 필수입니다. 시뮬레이션을 통해 기계 위치, 하중, 힘과 같은 매개변수를 평가하여 안정성 측면에서 가장 중요한 사례를 파악할 수 있습니다."

확인된 주요 사례는 테스트에서 검증됩니다.

"테스트 결과가 시뮬레이션과 일치하는지 확인합니다."라고 Chainee는 말합니다. "이 테스트 시뮬레이션 분석 루프는 모델을 개선하는 데 필요합니다. 시뮬레이션 모델을 사용하면 프로토타입이 제한되므로 테스트 캠페인에 걸리는 시간을 줄일 수 있습니다."

시뮬레이션을 사용한 성능 동작 이해

"시뮬레이션은 전체 시스템 아키텍처를 정의하는 데 도움이 되며 테스트 시 발생한 문제의 해결과 같은 다양한 개발 단계에서도 사용합니다. 또한 시뮬레이션은 예상치 못한 성능 동작과 원인에 대한 더 깊은 통찰력을 제공합니다."라고 Chaigne는 설명합니다. "성능을 정확하게 재현하려면 다양한 물리적 현상을 모델링해야 합니다. 영향력 있는 매개변수를 파악하고 대안을 즉시 평가하는 것도 포함됩니다. 이렇게 작업하면 더 성숙하고 결정적인 아키텍처를 프로토타이핑 단계에 적용할 수 있습니다."

Chaigne에 따르면, 설계 사무소 내에서 시뮬레이션 분석 팀과 프로토타입 테스트 팀 간에 단절되지 않아야 합니다. 테스트 중 감지된 문제를 시뮬레이션을 사용하여 최대한 신속하게 해결할 수 있도록 시뮬레이션 및 테스트 루프를 협업 프로세스에 통합해야 합니다.

Indoor work in progress with the Pulseo.

우수한 성능 및 최적의 안정성

Haulotte가 전지형을 지원하는 새로운 전기 Pulseo 시저 리프트를 성공적으로 설계 및 개발할 수 있었던 핵심 요인은 Simcenter 시뮬레이션 도구였습니다. 팀은 모든 작업 안정성 안전 표준뿐만 아니라 소음 및 대기 오염과 관련된 다양한 요구사항을 준수할 수 있었습니다. Simcenter 시뮬레이션 기능 덕분에 ICE를 탑재한 이전 모델에 비해 성능이 우수한 최적의 설계가 가능했습니다.

Simcenter를 통해 시저 리프트의 전반적인 성능을 개선하면서 23kW 열 엔진에서 12kW 전기 모터로 전환했습니다. 최대 작업 높이는 12m에서 15m로 25%, 적재 용량은 500kg에서 750kg으로 50% 증가했습니다."라고 Chaigne는 말합니다.