[논문]AE 센서를 이용한 스커핑 손상의 감시

조용주; 김재환; 김태완; 조용주

doi:10.9725/kstle.2002.18.5.351

AE 센서를 이용한 스커핑 손상의 감시
Detecting of Scuffing Failure Using Acoustic Emission 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.18 no.5, 2002년, pp.351 - 356

조용주 (부산대학교 기계공학부) , 김재환 (부산대학교 정밀기계공학과 대학원) , 김태완 (부산대학교 기계기술연구소) , 조용주 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The surfaces of machine components in sliding contact such as bearing, gears and pistons etc. frequently operate under the condition of mixed lubrication due to high load, high speed and slip. These machine components often undergo the inception of scuffing in practical application. The scuffing failure is a critical problem in modern machine components, especially for the requirement of high efficiency and small size. However, it is difficult to find a universal mechanism to explain all scuffing phenomena because there are so many factors affecting the onset of scuffing. In this study, scuffing experiments are conducted using Acoustic Emission(AE) measurement by an indirect sensing approach to detect scuffing failure. Acoustic Emission(AE) signal has been widely utilized to monitor the interaction at the friction interface. Using AE signals we can get an indication about the state of the friction processes, about the quality of solid and liquid layers on the contacting surfaces in real time. The FFT(Fast Fourier Transform) analyses of the AE signal are sued to understand the interfacial interaction and the relationship between the AE signal and the state of contact is presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마찰, 마멸 실험에서 AE 신호 특성을 파악하고 실시간으로 신호를 검출하여 마찰 거동 및 스커핑과 같은 표면손상과 AE 신호가 어떠한 관계가 있는지 연구하고, 손상 미연에 신호를 통해서 이상 상태를 감시하고자 한다. 또한 RMS 신호를 이용하여 슬라이딩이 일어나는 metal 표면의 마멸 특징에 대해 논의하고 하중과 슬라이딩 속도를 변화시키면서 RMS 신호를 비교 분석할 것이다.
본 연구에서는 마찰, 마멸 실험에서 AE 신호를 시간 영역과 주파수 영역에서 살펴보았으며 RMS 신호를 이용하여 wear process 중 마멸 발생 메카니즘에 대해 논의하였다. 또한 하중과 슬라이딩 속도를 변화시키면서 RMS 신호에 대한 변화를 비교, 분석하였다.

제안 방법

감시하고자 한다. 또한 RMS 신호를 이용하여 슬라이딩이 일어나는 metal 표면의 마멸 특징에 대해 논의하고 하중과 슬라이딩 속도를 변화시키면서 RMS 신호를 비교 분석할 것이다.
domain)에서 나타내었다. 또한 RMS 신호를 검출하여 하중과 속도에 대한 영향을 측정하고 평가하였다.
센서로 부터 감지된 신호는 미약하므로 프리엠프(Pre-amplifier) 와 메인엠프 (main-amplitude)를 통하여 60dB 증폭하였다. 또한 외부로부터의 진동 및 잡음에 따른 잡음을 제거하기 위하여 100 KHz〜1 MHz Band pass filter를 사용하였다. 이 감시장치에서 출력된 신호는 오실로스코프에 연결하여 실시간으로 감시할 수 있고, 12 비트의 분해능을 갖는 A/D 변환기를 사용하여 데이터를 획득하였다.
또한 하중과 슬라이딩 속도를 변화시키면서 RMS 신호에 대한 변화를 비교, 분석하였다.
모든 시편은 초음파세척을 하고 아세톤으로 표면을 깨끗이 한 상태에서 실험을 시작하였다. 카이저 효과(Kaiser Effect)를 고려하여 한 plate당 한 조건에 대해 실험을 행했으며, 34 cST 점도를 가진 윤활유를 사용하였다.
하중과 속도를 변화시키면서 1 MHz의 샘플링으로 신호를 획득했으며 시간영역 (time domain)과 주파수 영역(frequency domain)에서 나타내었다. 또한 RMS 신호를 검출하여 하중과 속도에 대한 영향을 측정하고 평가하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 플레이트는 기계 구조용강으로 많이 사용되어지는 SM45O, 볼은 1/4inch의 STB2 볼베어링을 사용하였다. 하중과 속도에 대한 AE 신호의 특성을 알아보기 위해 plate 모든 시편은 Ra=2μm 의 동일한 거칠기로 가공하였다.
본 실험은 PUnt & partners사의 TE67 마멸 시험기를 사용하였다. 하중은 설정값에 따라 PC로 제어되면공압 실린더로 부과된다.
또한 외부로부터의 진동 및 잡음에 따른 잡음을 제거하기 위하여 100 KHz〜1 MHz Band pass filter를 사용하였다. 이 감시장치에서 출력된 신호는 오실로스코프에 연결하여 실시간으로 감시할 수 있고, 12 비트의 분해능을 갖는 A/D 변환기를 사용하여 데이터를 획득하였다. Fig.

성능/효과

(1) AE 센서를 이용하여 마찰, 마멸 테스트에서 이상 상태를 감시할 수 있음을 확인하였다.
(2) 이상상태 원신호 검출하여 시간 영역에서 본 결과 간헐적이고 폭발적인 돌발형 AE 신호가 발생하며스커핑 발생직전 카운트 율이 급격히 증가하는 것을 관찰하였다.
(3) 본 실험에서 RMS 신호가 220s의 증가이후 RMS 진폭이 감소하는 것으로 보아 스커핑 직전까지 표면은 smooth 해지는 것으로 사료된다.
(4) 하중과 속도가 증가할수록 RMS 평균값은 증가하고, 이것은 실 접촉면적의 증가, 소성 변형영역의 확대, 제거되는 돌기들의 증가 때문으로 사료된다.
(5) 본 실험에서 신호를 주파수 영역에서 본 결과 대부분의 신호가 100〜350 K 주파수 대역에서 신호가 나옴을 확인하였고, 하중과 속도변화에 따라 100〜350 KHz 사이의 진폭이 증가하는 것을 관찰하였다.
220 s 이후 RMS 진폭은 계속 감소하다가 스커핑 직전에 다시 피크가 나타나는 것을 볼 수 있었다. 본 실험에서 스커핑직전까지는 RMS 진폭이 작아지는 것을 볼 수 있는데 이것은 초기 돌기의 제거와 전체적인 소성변형을 겪고 난 후 표면이 연삭효과에 의하여 표면 은 점점 smooth 하게 되므로서 진폭이 작아지는 것으로 사료된다.
4는 스커핑 발생시의 신호이다. 시간 영역에서 진폭의 변화가 불규칙하며 간헐적으로 돌발적인 불연속 AE 신호를 볼 수 있으며 주파수 영역에서는 100~ 350 kHz 사이에 신호가 나오고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 AE 신호를 통한 스커핑 손상의 감시 가능성을 확인할 수 있었다.
앞절에서 논의한 스커핑 파손과 같은 분석에 있어서는 스커핑 발생시 돌발형 AE 신호가 주가 되고 따라서 AE 진폭이나 count와 같은 파라메타를 통해 파손감시의 유용성을 보였다. 그러나 파손이전의 마멸과정(wear process)을 살펴보기 위해서는 실효치 전압 (RMS>의 분석이 매우 유용할 수 있다.
이 그래프에서도 역시 일정한 AE count를 갖는 신호들이 정상적인 작동을 벗어나면서 AE count가 급증하는 것을 볼 수 있다. 이 그래프와 마찰계수 그래프를 비교해본 결과 AE 신호가 마찰신호보다 더 민감하게 반응하며, 손상 미연에 신호가 검출되는 것을 확인할 수 있으며 AE 원신호의 진폭 및 count는 스커핑 손상의 감시에 매우 유용한 파라메터임을 알 수 있다.

참고문헌 (8)

E. Kannatey-Asibu and D. A. Dornfeld, A study oftool wear using statistical analyse of metal-cuttingacoustic emission, Wear 76, pp.247-261, 1982
A. I. Sviridenok, T. F. Kalmikova and O. V. Kho1o-dilov, An acoustic emission study of the real poly-mer-metal frictional contact area, Sov. J. Frict. Wear2, pp.91-94, 1981
Boness, R. J. and Hawthorne, H. M., Acousitc Emis-sion from the Unlubricated Sliding Wear of Steel and Silicon Nitride, Tribology Transaction 38, pp.293-298, 1995
Wada, M., Observation of Friction and Wear Phe-nomena by Acoustic Emission, Japanese journal ofTribology. 35, pp.403-410, 1990
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R. J. Boness, S. L. McBride and M. Sobczyk, Wear studies using acoustic emission techniques, TribologyInternatinal 23, pp.291-295, 1990
S. Lingard and K. K. NG, An investigation of acous-tic emission in sliding friction and wear of metals,Wear 130, pp.367-379, 1989
G. A. Sarychev and V. M. Shchavelin, Acoustic emi-ssion method for research and control of frictionpairs, Tribology International 24, pp. 11-16, 1991

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