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문제 정의
- 하지만 고주기의 진동을 이용하여 지속적인 충격을 가하는 장비인 만큼 피로파괴의 위험에 노출되어 있다. 본 연구에서는 진동 리퍼의 핵심 중 하나인 기어박스-생크 용접 부의 피로강도에 관한 연구를 진행하였다. 진동리퍼의 동력발생장치인 기어박스와 힘을 투스에 전달하는 생크는 용접에 의해서 연결되어 있다.
- 본 연구를 통해서 진동 리퍼의 기어박스-생크 용접부의 피로수명 특성을 파악하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 각 조건 별 용접부의 기계적 특성을 알아보기 위해서 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 모두 변위 일정시험으로 2 mm/min의 속도를 유지하여 수행하였으며 시험장비는 Fig.
- 인장시험은 모두 변위 일정시험으로 2 mm/min의 속도를 유지하여 수행하였으며 시험장비는 Fig. 2와 같이 만능유압 시험기(EHF-10ED-40)를 이용하여 수행되었다.
- 하중범위는 십자용접시편의 인장강도 기준 30 % ~ 70 %의 범위를 설정하였고 응력 비(R =σmin/σmax)를 0인 조건으로 상온에서 수행하였다.
- 피로 시험은 인장시험과 마찬가지로 Fig. 2와 같이 만능유압시험기를 이용하여 수행되었다. 하중범위는 십자용접시편의 인장강도 기준 30 % ~ 70 %의 범위를 설정하였고 응력 비(R =σmin/σmax)를 0인 조건으로 상온에서 수행하였다.
- 이때 하중파형은 10Hz의 정현 파로 설정하였다. 피로한도인 N=107cycle를 넘으면 무한수명으로 판단하고 시험을 중단하였다. 피로시험 수행 후 JSME-S002에서 제시한 통계적 기법에 따라 파괴확률 10%, 50%, 90%의 P-S-N선도 (Probability S-N curve) 를 작성하였다.
- 피로시험을 통해서 생크와 용착 금속의 소재에 따라 총 4가지 S-N선도를 얻었으며 피로수명이 가장 높은 조건을 도출하였다. 피로시험은 N = 107cycle을 피로한도로 설정하고 이를 넘으면 무한수명으로 판단하였다.
- (2) 각 소재변화 조건별 피로시험을 수행한 결과에서 생크소재는 Hardox-hituf, 용착금속은 CSF-81T를 사용했을 때 가장 높은 피로강도이다. 각 재료에 대한 피로수명 예측식을 제시하였다.
- 본 연구에서는 기어박스-생크 용접부의 형상을 잘 표현할 수 있는 불완전 용입 십자 필렛용접 시편을 이용하여 동일한 용접 조건하에서 생크와 용착금속의 소재 변화에 따른 피로시험을 수행하여 재료 변화에 따른 피로수명 증가 방법을 연구하고 이를 토대로 각 조건 별 피로 수명 예측 식을 만들고 P-S-N선도(Probability S-N curve)를 이용한 신뢰성 평가를 통해서 진동리퍼의 기어박스-생크 용접부의 피로강도 설계 기준을 제시하였다.
대상 데이터
- 용착 금속은 CO2아크 용접에 사용되는 플러스 코드와이어(flux cord wire) CSF-71T와 CSF-81T를 이용하였다. Table 1은 생크 및 용착 금속 소재의 기계적 특성을 보여주고 Table 2는 화학조성비를 나타낸다.
데이터처리
- 피로한도인 N=107cycle를 넘으면 무한수명으로 판단하고 시험을 중단하였다. 피로시험 수행 후 JSME-S002에서 제시한 통계적 기법에 따라 파괴확률 10%, 50%, 90%의 P-S-N선도 (Probability S-N curve) 를 작성하였다.(6)
- 기어박스-생크 용접부의 피로시험 결과에 대한 신뢰성 평가를 위해서 확률 분포 P-S-N선도를 작성하였다.
성능/효과
- 4를 통해서 생크 소재와 상관없이 용착금속을 CSF-81T를 사용했을 때 CSF71T보다 대략 20 MPa이상의 높은 피로강도를 가진다는 것을 알 수 있다. 이를 통해서 CSF-81T가 용접조건에서 피로강도가 우수하다는 것을 알 수 있다.
- 피로강도 비교결과 용착금속에 상관없이 Hardox-hituf가 높은 피로강도를 가진다. 용접 인장시험과 마찬가지로 높은 모재인장강도를 가지는 AR400이 가장 낮은 피로강도를 가지는 것은 용접피로특성이 Hardox-hituf에 비해 좋지 않은 것으로 나타났다.
- 모든 조건의 결과가 파괴확률 10%, 90% 선도 내에 밀집함을 알 수 있다.
- 피로한도를 비교한 결과 동일 생크 소재에서 용착 금속을 CSF-81T를 이용했을 때 피로강도가 CSF-71T보다 약 31~35% 높았으며 동일 용착 금속을 사용했을 때 Hardox-hituf의 피로한도가 AR 400보다 약 17~21% 높다.
- (1) 십자필렛용접에 대한 인장시험을 수행한 결과에서 생크소재는 Hardox-hituf, 용착금속은 CSF-81T를 사용했을 때 가장 높은 인장강도이다.
- (2) 각 소재변화 조건별 피로시험을 수행한 결과에서 생크소재는 Hardox-hituf, 용착금속은 CSF-81T를 사용했을 때 가장 높은 피로강도이다. 각 재료에 대한 피로수명 예측식을 제시하였다.
- (3) 피로강도의 증가는 생크 소재보다 용착금속의 변화에 큰 영향을 받는다.
- (4) P-S-N선도를 이용한 신뢰성평가 결과는 파괴확률 10%, 90%선도의 안전영역에 있어 본 결과의 신뢰성을 입증하고 있으며, 이를 토대로 피로강도설계 기준을 제시할 수 있다.
- 피로시험을 통해서 생크와 용착 금속의 소재에 따라 총 4가지 S-N선도를 얻었으며 피로수명이 가장 높은 조건을 도출하였다.
- 인장시험 결과 Hardox-hituf와 CSF-81T 용착금속을 이용한 시험편의 인장강도가 602.7 MPa로 가장 높았고 AR400과 CSF-81T를 이용한 조건이 592.4 MPa로 두 번째로 높다. CSF-71T용착금속을 이용한 시험 편은 Hardox-hituf가 551.
- 생크 소재인Hardox-hituf와 용착 금속CSF-81T을 사용한 조건의 피로한도가 108.77 MPa로 가장 높으며 가장 낮은 피로한도인 58.98 MPa을 가지는 AR400과 CSF-71T을 사용한 조건보다 약 59% 높게 나타났다.
후속연구
- 본 연구를 통해 얻은 P-S-N선도는 기어박스-생크 용접부의 피로강도 설계기준으로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
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