[국내논문]압력과 온도 복합가속모형을 적용한 유압호스 조립체 수명특성 연구 A Study of Life Characteristic of Hydraulic Hose Assembly by Adopting Complex Accelerated Model with Acceleration Factors of Pressure and Temperature원문보기
유압호스는 건설기계, 자동차, 항공기 등 각종 기계의 유압장치에서 동력을 전달하기 위한 배관으로 사용된다. 산업의 전분야에서 에너지를 전달하기 위한 배관의 한 종류로서 진동이나 충격 등으로부터 시스템을 보호하는 역할을 한다. 여러 가지 외부 환경 조건으로부터 시스템을 유지하기 위해서는 호스 조립체에서 온도와 압력 등의 외부 환경 조건에 대한 내성을 가지고 있어야만 한다. 본 연구에서는 기존에 호스 조립체에 대해 온도 또는 압력 중 한 가지 인자를 고려한 가속모형을 제시한 연구는 있었지만 두 가지 인자를 동시에 고려한 가속모형은 제시하지는 못하였으므로, 호스 조립체의 압력과 온도를 모두 고려한 복합가속 모형식을 제안하는 것을 목적으로 한다.
유압호스는 건설기계, 자동차, 항공기 등 각종 기계의 유압장치에서 동력을 전달하기 위한 배관으로 사용된다. 산업의 전분야에서 에너지를 전달하기 위한 배관의 한 종류로서 진동이나 충격 등으로부터 시스템을 보호하는 역할을 한다. 여러 가지 외부 환경 조건으로부터 시스템을 유지하기 위해서는 호스 조립체에서 온도와 압력 등의 외부 환경 조건에 대한 내성을 가지고 있어야만 한다. 본 연구에서는 기존에 호스 조립체에 대해 온도 또는 압력 중 한 가지 인자를 고려한 가속모형을 제시한 연구는 있었지만 두 가지 인자를 동시에 고려한 가속모형은 제시하지는 못하였으므로, 호스 조립체의 압력과 온도를 모두 고려한 복합가속 모형식을 제안하는 것을 목적으로 한다.
Hydraulic hoses are used as pipelines for transferring power from hydraulic systems in various machineries such as construction equipments, automobiles, and aircraft. Hydraulic hoses protect the system from vibration or impacts, and they are being used to transfer energy in all segments of the indus...
Hydraulic hoses are used as pipelines for transferring power from hydraulic systems in various machineries such as construction equipments, automobiles, and aircraft. Hydraulic hoses protect the system from vibration or impacts, and they are being used to transfer energy in all segments of the industry. In order to protect the system from various external environmental conditions, hydraulic hose assemblies must be able to withstand a wide range of temperatures and pressures, as well as variations in other factors. In previous studies, an acceleration model for the hydraulic hose assembly was developed by taking into account only one of the acceleration factors (temperature or pressure). Therefore, the objective of this study is to develop a comprehensive acceleration model that takes both temperature and pressure into consideration.
Hydraulic hoses are used as pipelines for transferring power from hydraulic systems in various machineries such as construction equipments, automobiles, and aircraft. Hydraulic hoses protect the system from vibration or impacts, and they are being used to transfer energy in all segments of the industry. In order to protect the system from various external environmental conditions, hydraulic hose assemblies must be able to withstand a wide range of temperatures and pressures, as well as variations in other factors. In previous studies, an acceleration model for the hydraulic hose assembly was developed by taking into account only one of the acceleration factors (temperature or pressure). Therefore, the objective of this study is to develop a comprehensive acceleration model that takes both temperature and pressure into consideration.
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문제 정의
본 연구의 목적은 SAE 517 에서 규정하는 유압호스 조립체의 시험방법을 기준으로 압력과 온도를 스트레스 인자로 고려하여 시험계획을 통한 가속수명시험을 진행한 후 각 스트레스에 대한 영향을 분석하고, 온도와 압력의 복합가속모형을 적용하여 실제 사용조건에서의 수명을 예측하는 것이다.(5)
가설 설정
본 연구에서는 와이블 분포가 적합분포로 사용되므로 Fig. 10 에서와 같이 형상모수 β=4.6969 가 다른 스트레스 수준에서 일정하다고 가정한다.
제안 방법
3.1 절에서와 같이 관측된 가속수명시험 자료에 대한 우도 함수를 식 (2)를 이용하여 구성하고 이 함수를 최대화하는 모수를 ReliaSoft 사의 ALTA(12) 소프트웨어를 이용하여 추정하였다.
Table 2 에서와 같이 온도와 압력의 4 가지 수준에서 각각 10 개의 시료를 가지고 가속수명시험을 수행하였다.
③ 먼저 온도의 가장 높은 수준을 110℃로 일정하게 유지한 상태에서 압력의 수준을 420 bar와 350 bar 에서 각각 10 개 시료를 가지고 가속수명시험을 수행하여 압력에 따른 유의성을 확인한다.
⑥ 상기 과정을 통해 획득된 가속수명시험 자료를 이용하여 압력과 온도의 사용조건인 140 bar 와 50 ℃에서의 평균 수명과 B10 수명을 추정한다.
실제 시스템에서 충격압력의 발생은 굴삭기 작업시 버켓을 통하여 작업물을 들어올리고 내릴 경우에 붐대의 동작을 위해 조작할 때 유압시스템에 충격압력을 발생하는 것을 관찰할 수 있으며, 이러한 쇼크의 발생으로 인하여 시스템 전체에 누적되는 손상으로 누유(7)가 발생된다. 본 연구에서는 누유의 원인들 중 주요한 영향을 미치는 압력과 온도를 가속 스트레스로 선정하여 반복가압 파형을 Fig. 2 와 같이 시험을 수행한다.
본 연구에서는 유압 호스 조립체에 대한 고장모드와 고장 메커니즘을 분석하고 주요 고장모드인 누유에 가장 큰 영향을 미치는 온도와 압력을 가속 스트레스로 선정하여 이 인자를 동시에 고려한 가속수명시험을 수행하였다.
시험용 시료를 장착하기 위한 지그(jig)는 10 개를 동시에 장착할 수 있도록 하였으며, 시험주파수 범위를 제어하기 위해서는 10 개의 호스에 유압유가 채워지는 시간이 짧아야 되므로 온도제어가 가능한 가열탱크로부터 유압원을 공급받아 미리 가압에 들어가기 전에 충유가 된 상태에서 증압기(intensifier)를 이용하여 압력을 증압시키도록 하였다.
3 과 같이 유압동력발생장치(hydraulic power unit)로부터 유압동력을 공급받아 유압 서보밸브가 장착된 압력 증폭기에 동력을 공급하여 실험압력을 생성하게 된다. 온도제어를 하기 위해서는 별도의 가열 탱크를 장착하여 실험온도까지 가열된 유압 작동유를 고압시스템 배관과 연결하여 고온의 실험온도를 150 ℃까지 재현할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 110 ℃까지 가열을 하였다.
유압 호스의 가속수명자료에 적합한 수명분포로 와이블 분포가 선정되었고, 유압 호스의 고장 메커니즘에 영향을 미치는 가속 스트레스는 온도(T) 와 압력(P)으로 온도-비열(temperature-nonthermal) 복합가속모형을 고려한다.
유압호스의 경우 2 가지 가속 스트레스인 압력과 온도 각각에 대해 2.4 절의 CALT 방법을 적용하여 다음과 같은 시험순서로 수행하였다.
호스 조립체를 길이 L 로 설정을 하고 반경인 rb, min 의 인자를 고려하여 굽힘을 호스 조립체에 가하게 되는데 본 연구에서는 rb, min 을 360mm 로 일정하게 유지한 상태에서 시험을 수행하였다.
대상 데이터
온도 90 ℃와 압력 420 bar 에서는 10 개 중 9 개의 시료가 누유로 인한 고장이 발생하였고, 1 개의 시료는 17,945 사이클까지 고장 없이 계속 작동한 관측중단자료로 관측되었다. 이와 마찬가지로 온도 110 ℃와 압력 350 bar 에서도 9 개의 시료가 고장나고 1 개의 시료가 관측중단 되었다.
데이터처리
온도와 압력 수준의 4 가지 조합에 따른 가속성이 성립하는지를 판단하기 위해 ALTA 소프트웨어를 이용하여 우도비(likelihood ratio) 검정(12)을 수행하였다.
성능/효과
가속수명시험을 통해 획득된 자료를 이용하여 유압 호스 조립체에 대한 사용 조건에서의 평균 수명과 B10 수명을 2.7 년과 1.9 년으로 예측할 수 있었다. 건설장비와 일반 산업용에 적용되는 유압 호스의 경우 현장에서 3 년 ~ 5 년 정도의 수명으로 관측되므로 가속수명시험을 통해 나온 자료를 이용하여 실제 사용 조건에서의 수명을 예측하는데 어느 정도 타당성이 있는 것으로 판단된다.
후속연구
5 와 같은 현상이 발생하며 고장모드를 Table 1 에서 확인할 수 있다. 또한 고장에 이르는 메커니즘을 확인함으로써 보다 개선된 제품을 얻고자 하는데 유용하게 사용될 것으로 사료된다.
향후 연구에서는 온도의 가속 스트레스 수준을 한 수준 추가 및 굽힘 응력을 가속인자로 고려하여 가속수명시험을 수행하고, 교호 작용을 고려할 수 있을 경우 이를 고려한 가속모형을 제시하고자 하며 사용 조건에서의 시험을 통해 가속수명시험 결과의 타당성을 검증하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
호스가 금속 파이프와 금속 튜브에 비해 갖고 있는 장점은?
호스는 금속 파이프와 금속 튜브에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다. 먼저 호스는 유연하기 때문에 금속 파이프나 튜브에 비해 배관이 간편하여 설치 및 유지 보수가 쉽고 배관 비용과 시간이 절약된다. 금속 파이프나 금속 튜브를 사용하여 배관하는 경우에는 연결할 유압시스템의 컴포넌트들 사이의 거리가 길거나 장애물을 우회하여 배관하는 경우 여러 개의 파이프나 튜브를 연결하여 배관하여야 한다. 하지만 연결부위는 유체가 누유될 가능성이 크기 때문에 연결부위의 개수가 늘어날수록 잠재적인 누출지점이 늘어나게 된다. 그러나 호스는 한 개의 호스로도 배관이 가능하므로 유체의 누유를 최소화 할 수 있다.(2)
호스의 구조를 구성하는 내피, 강화층, 보호용 외피의 재료는 어떻게 결정되는가?
호스의 구조는 수송 역할을 하는 내피와 강도를 강화하기 위한 강화층, 그리고 보호용 외피로 구성된다. 세 가지 각 구성재료에 대한 선택은 수송 물질, 작동압력, 사용환경에 의해 정해진다. 유압장치에서 사용되는 호스는 기본적으로 저압용의 경우에는 직물(textile), 고압용은 강철섬유로 강화된 것을 사용한다.
유압호스는 어떻게 사용되고 있는가?
유압호스는 건설기계, 자동차, 항공기, 산업기계, 공작기계 및 기타 선박용 기계 등 각종 기계의 유압장치에서 동력을 전달하거나 유압 회로에서 배관으로 사용된다. 따라서 유압호스는 기계류 장치의 유기적인 연결과 동력전달에 있어 중요한 부품이므로 신뢰성이 매우 중요한 부품이다.
참고문헌 (12)
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International Standard ISO, 1997, "Rubber and Plastics Hose Assemblies Flexing Combined Hydraulic Impulse Test Half-Omega Test," International Standard ISO 8032.
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Paschkewitz, J. J., 2009, “Calibrated Accelerated Life Testing(CALT) with Time Varying Stress Profiles,” Reliability EDGE, ReliaSoft, Vol. 10, No. 1, pp.16-19.
Reliasoft, 2001, Accelerated life testing reference, ALTA Ver. 6.
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