언와인더 옆 주행레일형 롤 탈착 유닛의 설계 한계는 레일 강도가 아니라, 회전하는 본체가 롤을 편심 위치로 들고 있을 때의 전도 안정성이다. EP4159653B1(특허권자 SK On Co., Ltd., 우선권 KR 2021-09-29, 출원 2022-09-28, 등록공고 2024-07-24, 미국 패밀리 US11958705B2 등록 2024-04-16)은 롤 언와인더 인접 롤 지지부, 언와인더 일측의 제1 주행레일, 레일 위 이동 프레임, 이동 프레임 위 롤 탈착 유닛을 청구한다. 롤 탈착 유닛은 이동 플레이트와 그 위에 회전 가능하게 설치된 본체부로 이루어진다. 이 글은 이동 프레임의 바퀴 반력을 롤 편심량과 휠베이스로 계산한다.
1. 문제 정의 — 롤을 내밀면 반대쪽 바퀴는 뜨는가
탈착 포크 177은 롤을 언와인더 축에 끼우거나 빼기 위해 이동 프레임 중심에서 벗어난 위치까지 나간다. 롤 무게 중심이 프레임 중심에서 멀어질수록 가까운 쪽 바퀴 반력은 커지고 먼 쪽 반력은 줄어든다. 먼 쪽 반력이 0이 되면 프레임이 들린다. 본체부가 회전하면 편심 방향도 바뀐다. 그렇다면 휠베이스와 레일 간격은 각각 얼마 이상이어야 하는가.
2. 기구학적 분석 — 청구항 구성요소
| 요소 | 청구항 1 구성 | 기구 해석 |
|---|---|---|
| E1 | 언와인더 인접 롤 지지부 120, 승강 유닛 126 포함 | 롤 인수·인계 높이 조정 |
| E2 | 언와인더 일측의 제1 주행레일 130 | 하중 전달 기초 |
| E3 | 레일 위 이동 가능한 이동 프레임 150 | 바퀴 반력 분배체 |
| E4 | 이동 플레이트 172 + 회전 본체부 174 | 편심 하중 생성부 |
명세서는 치수·롤 중량·속도를 기재하지 않는다(EPO 공보 전문 확인). 따라서 아래 계산은 설계 검토 절차를 보여주는 가정 사례다.
3. 계산 검증 — 바퀴 반력과 전도 안전율
설계 가정값(현장 계측 후 재확인 요망): 롤 질량 1,000 kg($W$ = 9,810 N), 이동 프레임·탈착 유닛 자중 300 kg($W_f$ = 2,943 N, 프레임 중심 작용), 롤 편심 $e$ = 400 mm, 휠베이스 $s$.
$$R_{near}=\frac{W+W_f}{2}+\frac{W e}{s},\qquad R_{far}=\frac{W+W_f}{2}-\frac{W e}{s}$$
$$SF_{tip}=\frac{(W+W_f)\,s/2}{W e}$$
여기서 $R$은 바퀴 열(列) 반력(N), $SF_{tip}$은 전도 안전율이다.
| 휠베이스 $s$ | $R_{near}$ | $R_{far}$ | $SF_{tip}$ |
|---|---|---|---|
| 600 mm | 12,916 N | −164 N | 0.97 |
| 1,000 mm | 10,300 N | 2,452 N | 1.62 |
| 1,200 mm | 9,646 N | 3,106 N | 1.95 |
휠베이스 600 mm에서는 먼 쪽 반력이 음수다. 프레임이 들린다는 뜻이다. 휠베이스를 1,000 mm로 넓히면 $SF_1$ = $SF_{tip}$ = 1.62가 된다.
두 번째 검증은 바퀴 허용 하중이다. 휠베이스 1,000 mm에서 가까운 쪽 바퀴 2개가 10,300 N을 나누면 1개당 5,150 N이다. 바퀴 허용 하중 10 kN(가정, 제조사 카탈로그로 대체 요망) 기준이다.
$$SF_{2}=\frac{10{,}000}{5{,}150}=1.94$$
본체부가 90° 회전하면 편심 방향이 레일 간격 방향으로 바뀐다. 레일 간격 $g$ = 800 mm(가정)이면 그 방향 전도 안전율은 $(W+W_f)g/2 \div We$ = 1.30이다. 휠베이스 방향보다 먼저 한계에 도달한다. 회전 후 편심 방향의 안정성이 실제 지배 조건이다.
회전 구동 토크도 확인한다. 롤을 반경 0.4 m 점질량으로 근사하면 관성모멘트는 $J$ = 160 kg·m²다. 90°를 3초에 사다리꼴 속도(가감속 각 1초)로 돌리면 각가속도는 0.785 rad/s², 필요 토크는 $J\alpha$ = 126 N·m다. 감속기 선정은 이 값에 마찰과 기동 여유를 더해 정한다.
4. Shop-notes
- 편심은 줄이고, 줄일 수 없으면 상부 가이드. 포크 인출 시 롤 편심을 줄이는 배치가 최우선이다. 편심이 불가피하면 이동 프레임 상부에 반전 방지 가이드 롤러(업스톱)를 레일 하부 플랜지에 걸어 들림을 기계적으로 구속한다.
- 가공성. 이동 프레임은 용접 구조물이다. 용접 후 응력 제거 풀림을 거쳐 바퀴 축 구멍을 한 번의 셋업으로 라인 보링한다. 바퀴 축 평행도 0.1 mm를 지시해 레일 편마모를 막는다.
- 대안 기구 — 카운터웨이트. 편심 반대편에 추를 달면 전도 안전율이 오른다. 미채택 사유: 바퀴 하중과 레일 하중이 함께 늘고, 회전 관성이 커져 구동 토크가 증가한다. 휠베이스·레일 간격 확보가 우선이다.
- 안전. 주행레일 구간은 협착 위험 구간이다. 레일 양단에 기계식 스토퍼와 완충기를 두고, 주행 영역에 방책을 설치한다.
5. 설계 반영 체크리스트
- 포크 최대 인출 시 롤 편심량을 확정했는가
- 휠베이스와 레일 간격 두 방향 모두 전도 안전율 ≥ 1.5를 확보했는가
- 먼 쪽 바퀴 반력이 양수인지 확인했는가
- 바퀴 1개당 하중을 카탈로그 허용 하중과 대조했는가
- 본체부 회전 토크를 관성과 가감속 시간으로 산출했는가
확인 필요 항목
- 롤 질량, 편심량, 휠베이스, 레일 간격은 명세서 미기재다. 본문 수치는 전부 가정값이다.
- 바퀴 허용 하중은 적용 제품 카탈로그로 재확인 요망.
한줄요약: 롤 탈착 유닛은 휠베이스 600 mm에서 먼 쪽 바퀴가 들리므로, 휠베이스와 회전 후 레일 간격 두 방향의 전도 안전율을 먼저 확보해야 한다.
출처: EP4159653B1 「Apparatus for loading and unloading roll」 청구항 1 및 명세서 부호 설명, 패밀리 US11958705B2.