[논문]초기 잔류응력과 접촉표면 제거가 접촉피로수명에 미치는 영향

허현무; 구병춘; 최재붕; 김영진; 서정원

doi:10.3795/ksme-a.2005.29.2.341

문제 정의

차륜의 경우에는 제작시 잔류응력이 생성되고 마 찰제동시 잔류응력이 변화하므로 이에 대한 고려가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 접촉표면 제거량에 따른 접촉피로수명의 증가 및 감소원인을 파악하기 위하여 유한요소해석을 실시하였고 초기 잔류응력이 접촉면 제거량에 미치는 영향을 평가하였다.
본 논문에서는 Prerolling시 발생하는 반복적인 소성변형 에 의한 항복강도 증가를 경 도 측정 결과를 이용하여 평가하였다. Jones。, 등은 항복강도 와 경도의 관계를 다음 식과 같이 표현하였다.
본 연구에서는 접촉피로시험을 수행하였다. 이를 통해 구름접촉 시 발생하는 소성 변형 및 잔 류응력을 검증하였으며, Prerolling 시 소성변형에 의한 항복강도의 증가를 측정하여 유한요소 해석 의 입력치로 사용하였다.
수명감소 원인을 파악하기 위하여는 접촉면 내 부에 발생하는 소성변형 및 잔류응력 등을 평가 하여야 하므로, 본 논문에서는 유한요소해석을 통하여 이를 평가하였다.

가설 설정

17과 같이 제동시 발생된 최대 온도와 표면 잔류응력은 선형적인 관계에 있다.3)이러한 잔류응력의 변화는 Fig. 18에 나타낸 것과 같이 전단변형율에 영향을 미친다.
a : 접촉면의 반경이다.

제안 방법

유한요소 해석을 통하여 얻어진 변형률 이력을 바탕으로 수명을 평가하였다. Fig. 3은 유한요소 모델을 나타내고 있으며 구름 접촉은 Hertz 분포하중이 연속적으로 이동하도록 하여 모사하였고 응력 및 변형률을 얻기 위한 곳은 요소를 세분화하여 모 델 링 하였다.
접촉시험편의 슬립비 (Slip ratio)를 조절하기 위하여 두 개의 모터를 이용하 였고 이때 발생하는 토크를 측정할 수 있도록 하였다. 균열 및 손상은 진동신호 및 사이클을 연 속적으로 컴퓨터에 저장하여 진동신호가 어느 수 준이상이면 손상이 발생한 것으로 하였으며, 동시에 50, 000 사이클마다 시험기를 정지시켜 균열 여부를 현미경으로 관찰하였다.
또한 Prerolling 시 싸이클에 따라 반복적인 소성변형 (cyclic hardening)에 의하여 경도가 증가하게 되며 어느 싸이클 이상에서는 일정한 값으로 수렴한다. 는 현상을 바탕으로 적정한 Prerolling 사이클 수 를 1.5시O’으로 제안하였다. 수명증가원인으로는 손상이 발생한 접촉면의 탈락과 소성변형으로 설 명하고 있지만 일정 깊이 이상을 그라인딩 하였 을 경우에 수명이 감소하는 원인에 대하여는 설 명하지 못하고 있다.
따라서 제동조건에 따른 전단변 형률의 변화를 고려하여 최적제거깊이를 결정 할 필요가 있다. 본 논문에서는 최적제거깊이의 결 정을 위해서 표면에서의 잔류응력과 최대전단변 형률 발생깊이를 Fig. 19와 같이 나타내고 이를 다음 식과 같이 선형관계로 정리하였다.
표면제거량에 따른 수명을 평가하기 위하여 일 정 두께의 요소를 제거시키면서 수명을 계산하였다. 수명평가시 차륜이 레일을 구르는 운동을 접 촉하중의 움직임으로 모사하여 접촉압력이 첫 부 분에서 마지막 부분까지 이동하였을 경우를 차륜 이 한번 회전한 것으로 설정하였다. 이때 각각의 부위에서 발생하는 변형률 이력을 구하여 이를 바탕으로 수명을 평가하였다.
수명평가에 이용된 변형률의 증가 및 감소원인 을 평가하기 위하여 각각 해석절차시 의 변형 률을 살펴보았다.
차륜시험편의 치수 및 형상은 직경이 90mm이 고 두께는 15mm이며 레일 시험편은 직경이 110mm이고 두께는 15mm이다. 시험시 접촉면의 접촉응력 및 시험기 하중을 고려하여 접촉면이 5mm 가 되도록 하였고 레일시험편에는 접촉 시험시 마모 가 되어도 일정한 접촉응력이 유지되도록 하였다.
시험조건으로는 하나의 시험편만 회전하는 순 수구름상태로 하였고 접촉응력을 1000 - 1500 Mpa로 변화시켜가면서 시험을 실시하였다. 윤활 조건으로는 물이 연속적으로 접촉면에 떨어지도 록 하였다.
시험편 접촉면의 경도를 일정하게 유지하기 위하여 열처리를 실시하였고 접촉면의 조도를 맞추 기 위하여 연삭을 실시하였다.
첫번째로 Prerolling 을 실시하여 접촉면 내부에 잔류응력 및 소성변 형이 발생하는 현상을 모사하였고 다시 일정량을 제거하고 구름접촉 해석을 수행하였다. 유한요소 해석을 통하여 얻어진 변형률 이력을 바탕으로 수명을 평가하였다. Fig.
수명평가시 차륜이 레일을 구르는 운동을 접 촉하중의 움직임으로 모사하여 접촉압력이 첫 부 분에서 마지막 부분까지 이동하였을 경우를 차륜 이 한번 회전한 것으로 설정하였다. 이때 각각의 부위에서 발생하는 변형률 이력을 구하여 이를 바탕으로 수명을 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 접촉피로시험을 수행하였다. 이를 통해 구름접촉 시 발생하는 소성 변형 및 잔 류응력을 검증하였으며, Prerolling 시 소성변형에 의한 항복강도의 증가를 측정하여 유한요소 해석 의 입력치로 사용하였다.
6과 같은 장치를 구성하였다. 접촉시험편의 슬립비 (Slip ratio)를 조절하기 위하여 두 개의 모터를 이용하 였고 이때 발생하는 토크를 측정할 수 있도록 하였다. 균열 및 손상은 진동신호 및 사이클을 연 속적으로 컴퓨터에 저장하여 진동신호가 어느 수 준이상이면 손상이 발생한 것으로 하였으며, 동시에 50, 000 사이클마다 시험기를 정지시켜 균열 여부를 현미경으로 관찰하였다.
2는 접촉면 제거에 따른 수명을 평가하기 위한 절차를 나타내고 있다. 첫번째로 Prerolling 을 실시하여 접촉면 내부에 잔류응력 및 소성변 형이 발생하는 현상을 모사하였고 다시 일정량을 제거하고 구름접촉 해석을 수행하였다. 유한요소 해석을 통하여 얻어진 변형률 이력을 바탕으로 수명을 평가하였다.
시험 은 탄소강 S45C를 사용하고 윤활조건으로는 파 라핀 오일을 사용하였다. 최적의 그라인딩 깊이는 Prerolling 후 처대 경도가 발생한 부위 근처인 0.89 X a (접촉길이의 1/2)로 제안하였다. 또한 Prerolling 시 싸이클에 따라 반복적인 소성변형 (cyclic hardening)에 의하여 경도가 증가하게 되며 어느 싸이클 이상에서는 일정한 값으로 수렴한다.
표면제거량에 따른 수명을 평가하기 위하여 일 정 두께의 요소를 제거시키면서 수명을 계산하였다. 수명평가시 차륜이 레일을 구르는 운동을 접 촉하중의 움직임으로 모사하여 접촉압력이 첫 부 분에서 마지막 부분까지 이동하였을 경우를 차륜 이 한번 회전한 것으로 설정하였다.
표면제거에 따른 수명증가 및 감소 원인을 파 악하기 위하여 각각의 두께 제거시의 변형률 상태를 조사하였다. Fig.

대상 데이터

1과 같이 최적의 그라인딩 깊이가 있음을 입증하였다. 시험 은 탄소강 S45C를 사용하고 윤활조건으로는 파 라핀 오일을 사용하였다. 최적의 그라인딩 깊이는 Prerolling 후 처대 경도가 발생한 부위 근처인 0.
차륜시험편의 치수 및 형상은 직경이 90mm이 고 두께는 15mm이며 레일 시험편은 직경이 110mm이고 두께는 15mm이다. 시험시 접촉면의 접촉응력 및 시험기 하중을 고려하여 접촉면이 5mm 가 되도록 하였고 레일시험편에는 접촉 시험시 마모 가 되어도 일정한 접촉응력이 유지되도록 하였다.

이론/모형

7은 2시O’ 싸이클 이후까지 시험한 훅 측정한 깊이에 따른 경도변화이다. 경도의 측정은 비커스 미소 경도계를 이용하여 측정하였다. 시험 후 측정한 경도는 반복적인 접촉하중에 의한 가공경화(strain hardening)에 의하여 증가하는 것으로 나타났다.

성능/효과

(1) 표면제거 깊이에 따라서 접촉피로수명은 증가 하다가 적정 깊이 이상을 제거할 경우에는 수명이 다시 감소하며 이는 실험결과와 잘 일치하였다.
(3) 초기잔류웅력은 최대 전단변형률의 발생위치를 변화시키므로 최대 수명을 위한 적정 깊이 결정시 이를 고려하여야 한다.
10은 표면 제거 후 첫번째 구름접촉을 적용한 후의 잔류 변형률 해석결과를 나타낸 것으로 잔류 변형률이 감소 후 다시 증가하고 있다. Prerolling시 최대 잔류 변형률이 발생한 위치(dm쯔jg)보다 적은 량을 제거하였을 경우에는, PrerollingA] 발생한 잔류 변형률의 영 향으로 dgxj* 부근에서 잔류변형률이 최대로 나타났다. 반면, dmaxjg 이상의 두께를 제거하였을 경우에는 최대 변형률 발생지점이 제거깊이에 따라 이동하며 그 크기는 점점 감소하다 다시 증가하는 것으로 나타났다.
2 부근으로 이동하였다. 또한 변형율의 최대값 역시 %牖_而의 영향에 의하여 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 표면제거후 첫 번째 구름접촉후의 잔류변형률(%痫比况_心)은 에 비해 최대값은 같으나 깊이에 따른 분포가 변화하는 것으로 나타났으며, 그 영향이 2차 구름접촉시 변형률 분포(%况_2展)에 반영되었 으나 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
Prerolling시 최대 잔류 변형률이 발생한 위치(dm쯔jg)보다 적은 량을 제거하였을 경우에는, PrerollingA] 발생한 잔류 변형률의 영 향으로 dgxj* 부근에서 잔류변형률이 최대로 나타났다. 반면, dmaxjg 이상의 두께를 제거하였을 경우에는 최대 변형률 발생지점이 제거깊이에 따라 이동하며 그 크기는 점점 감소하다 다시 증가하는 것으로 나타났다.
경도의 측정은 비커스 미소 경도계를 이용하여 측정하였다. 시험 후 측정한 경도는 반복적인 접촉하중에 의한 가공경화(strain hardening)에 의하여 증가하는 것으로 나타났다. 하중이 증가함에 따라 경도의 최 대값이 증가함을 알 수 있고 최대치는 최대 전단 응력이 나타나는 부근에서 발생하고 있다.
또한 변형율의 최대값 역시 %牖_而의 영향에 의하여 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 표면제거후 첫 번째 구름접촉후의 잔류변형률(%痫比况_心)은 에 비해 최대값은 같으나 깊이에 따른 분포가 변화하는 것으로 나타났으며, 그 영향이 2차 구름접촉시 변형률 분포(%况_2展)에 반영되었 으나 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초기 잔류응력과 접촉표면 제거가 접촉피로수명에 미치는 영향
Effect of Metal Removal and Initial Residual Stress on Contact Fatigue Life 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초기 잔류응력과 접촉표면 제거가 접촉피로수명에 미치는 영향 Effect of Metal Removal and Initial Residual Stress on Contact Fatigue Life 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

허현무 (37) 구병춘 (43) 최재붕 (80) 김영진 (164) 서정원 (43)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초기 잔류응력과 접촉표면 제거가 접촉피로수명에 미치는 영향
Effect of Metal Removal and Initial Residual Stress on Contact Fatigue Life 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper