건설기계용 카운터웨이트 시험장비 및 가속수명시험법 개발 Development of the Accelerated Life Test Method & Life Test Equipment for the Counterweight of the Construction Machinery원문보기
카운터웨이트를 수명시험 하기 위해서는 실제 현장과 유사하게 2 톤의 무게를 가진시켜 주는 대형 가진기가 필수적이다. 그렇지만 이러한 장비를 일반업체에서 보유하여 시험하기는 어려우므로, 이러한 애로점을 해소하기 위해 본 연구에서는 첫번째로 2 톤의 중량물일지라도 건설기계의 신뢰성을 평가하는 전기터들로 구성되는 회전식 가진기를 사하여 실제 현장조건을 재현하는 시험장비를 개발하였고, 주요 구성품에 대해 카운터웨이트의 고장해석을 수행하였다. 두번째로 현장으로부터 필드데이터를 측정하여 수명시험에 활할 수 있도록 하였다. 마지막으로 성능과 수명을 확인하기 위해 가속수명시험법을 개발하였고, 제품의 고장발생 없이 $B_5$ 10,000 시간을 만족하는 가속수명시험을 완료하였다.
카운터웨이트를 수명시험 하기 위해서는 실제 현장과 유사하게 2 톤의 무게를 가진시켜 주는 대형 가진기가 필수적이다. 그렇지만 이러한 장비를 일반업체에서 보유하여 시험하기는 어려우므로, 이러한 애로점을 해소하기 위해 본 연구에서는 첫번째로 2 톤의 중량물일지라도 건설기계의 신뢰성을 평가하는 전기터들로 구성되는 회전식 가진기를 사하여 실제 현장조건을 재현하는 시험장비를 개발하였고, 주요 구성품에 대해 카운터웨이트의 고장해석을 수행하였다. 두번째로 현장으로부터 필드데이터를 측정하여 수명시험에 활할 수 있도록 하였다. 마지막으로 성능과 수명을 확인하기 위해 가속수명시험법을 개발하였고, 제품의 고장발생 없이 $B_5$ 10,000 시간을 만족하는 가속수명시험을 완료하였다.
A large-sized exciter that vibrates a two-ton component is required to simulate the field operating conditions of a counterweight of an excavator. However, it is difficult for a small-medium sized company to obtain a large exciter for the life test of a counterweight which is an equivalent counterba...
A large-sized exciter that vibrates a two-ton component is required to simulate the field operating conditions of a counterweight of an excavator. However, it is difficult for a small-medium sized company to obtain a large exciter for the life test of a counterweight which is an equivalent counterbalancing weight that balances a load. Therefore, in this study, we developed life test equipment for evaluating the reliability of construction machinery weighing about two tons. It simulates the field operating conditions using rotational vibrators consisting of electric motors. A failure analysis of the counterweight was also performed for the major components. Field data acquired from various sites were applied to the life test design of the counterweight. Finally, a zero-failure qualification test based on the accelerated life test was designed, and there was no failure during the test, which guarantees a life of $B_5$ 10,000 hours.
A large-sized exciter that vibrates a two-ton component is required to simulate the field operating conditions of a counterweight of an excavator. However, it is difficult for a small-medium sized company to obtain a large exciter for the life test of a counterweight which is an equivalent counterbalancing weight that balances a load. Therefore, in this study, we developed life test equipment for evaluating the reliability of construction machinery weighing about two tons. It simulates the field operating conditions using rotational vibrators consisting of electric motors. A failure analysis of the counterweight was also performed for the major components. Field data acquired from various sites were applied to the life test design of the counterweight. Finally, a zero-failure qualification test based on the accelerated life test was designed, and there was no failure during the test, which guarantees a life of $B_5$ 10,000 hours.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 3.7 kW 급 전동기를 활용한 중량물을 가진할 수 있는 시험장비를 구축하였다. 시험장비에서는 현장작동조건을 재현을 위해 가속도 범위 2G 까지 변화를 주면서 가진할 수 있도록 하였다.
제안 방법
(2) 건설기계용 카운터웨이트에 대한 고장모드 및 메커니즘 분석을 실시하였고, 이를 토대로 필요 시험항목을 도출하고, 무고장 수명시험 시간을 계산하였으며, 건설기계용 고소작업차와 굴삭기의 현장 작동조건을 확인하였다. 또한 고소작업차와 굴삭기의 사용조건에 따른 가속도 값을 취득하여 진동을 가속인자로 하는 가속시험법을 개발하였다.
12 는 수명시험 중 실시한 비파괴시험 장면이며, 시험대상품 하부의 볼트 고정부가 용접부로써 취약한 부분이어서 이 부분에 대해 자분탐상시험을 수행하고 있는 것을 나타내고 있다. 600 시간의 가속 수명시험 초기에 시험을 실시하여 균열여부를 확인하고, 수명시험 중에 파손 및 고장이 발생되지 않는지를 확인하기 위해, 수명시험 50 %에 자분탐상법을 실시하였다. 수명시험을 완료한 후에도 파손이나 균열여부를 확인하기 위해 균열이 발생할 경우 자분이 이상부위에 모이게 되어 고장유무를 판단할 수 있도록 한 자분탐상법을 적용하여 용접부 및 두께가 얇은 부분에 대해 이상유무를 확인하였으며, 시험결과 균열의 발생이나 변형 등이 발생되지 않았으며, 이상이 없음을 확인하였다.
시험대상품을 실제 장착위치와 동일하게 시험장치에 설치하고 상부와 하부에 고정 조건과 동일하게 시험 대상품을 시험 장치에 장착한 다음 가속도 센서는 x, y, z 축 방향으로 설치한다. x 축과 y 축은 z 축에 비해 상대적으로 낮은 진동가속도가 발생함을 Table 2 의 고속상태에서의 붐 작동시 조건을 고려하여 x 축(전후)과 y 축(좌우) 은 100 시간, z 축(상하) 은 400 시간 시험을 수행하는 것으로 총 600 시간 가속수명시험을 실시하였다.
(2) 건설기계용 카운터웨이트에 대한 고장모드 및 메커니즘 분석을 실시하였고, 이를 토대로 필요 시험항목을 도출하고, 무고장 수명시험 시간을 계산하였으며, 건설기계용 고소작업차와 굴삭기의 현장 작동조건을 확인하였다. 또한 고소작업차와 굴삭기의 사용조건에 따른 가속도 값을 취득하여 진동을 가속인자로 하는 가속시험법을 개발하였다.
본 연구에서는 카운터웨이트의 주요 구성품에 대한 고장분석을 실시하고, 현장작동조건을 통한 작업시 발생하는 진동가속도를 측정하여 현장조건 적용에 활용하였으며, 현장에서 얻어진 데이터를 기반으로 무고장시험 및 가속수명시험법을 설계하여 현장에서 발생하는 진동 조건을 재현하도록 하였다. 또한 시험 시료를 시험장비의 상부에 고정시킨 후 가진 조건을 부여할 수 있는 시험장비를 개발하였다. 개발된 시험장비로 가속수명시험을 완료하여 제품의 신뢰성이 확보되었음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 카운터웨이트의 주요 구성품에 대한 고장분석을 실시하고, 현장작동조건을 통한 작업시 발생하는 진동가속도를 측정하여 현장조건 적용에 활용하였으며, 현장에서 얻어진 데이터를 기반으로 무고장시험 및 가속수명시험법을 설계하여 현장에서 발생하는 진동 조건을 재현하도록 하였다. 또한 시험 시료를 시험장비의 상부에 고정시킨 후 가진 조건을 부여할 수 있는 시험장비를 개발하였다.
7 에서는 카운터웨이트를 본체에 고정시키기 위해 제작된 너트부를 나타내고 있다. 볼트 고정부의 응력집중으로 인하여 접합부에 균열이 진행하여 파손이 일어나는 것을 현장조사를 통하여 확인하였다. 이러한 고장은 작업 중 발생하는 충격이나 진동 등의 영향으로 점차적으로 균열이 진전되어 파손이 일어난 것으로 조사되었으며, 초기의 균열에서 점차적으로 카운터웨이터의 중량과 흔들림에 의해서 급격한 균열이 발생하는 것을 알 수 있었다.
수명시험을 완료한 후에도 파손이나 균열여부를 확인하기 위해 균열이 발생할 경우 자분이 이상부위에 모이게 되어 고장유무를 판단할 수 있도록 한 자분탐상법을 적용하여 용접부 및 두께가 얇은 부분에 대해 이상유무를 확인하였으며, 시험결과 균열의 발생이나 변형 등이 발생되지 않았으며, 이상이 없음을 확인하였다. 비파괴 시험은 외부기관에 의뢰하여 신뢰를 확보하도록 하였다
비파괴시험은 수명시험 기간에 필요한 대표성능시험으로 자분탐상법을 사용하여 내·외부의 결함 및 균열을 검사하였으며, 시료에는 이상이 없음을 확인하였다.
수명 시험 전과 완료 후에 종합 성능 시험을 실시하고 총 수명 시험 사이클의 50 % 구간에서 대표 성능 시험을 실시하였다. Fig.
카운트웨이트의 무고장 시험을 수행하기 위해서는 많은 시간이 소요되므로 실제 사용 조건보다 가혹한 조건에서 시험하여 시험시간을 단축한다. 카운트웨이트의 가속 인자는 FMECA 결과에서 주요 고장 모드인 파손에 영향을 미치는 볼트부의 파손으로 선정하였으며, 현장조사를 통해 얻은 정상조건의 가속도는 0.5 G 로 하며, 가속 조건은 1.3 G 로설정하여 가속 수명 시험을 수행할 수 있도록 하였다. 또한 가속계수를 산출하기 위해 필요한 수명모델과 가속지수(n)는(5,6) 참고 문헌에서 인용한다.
성능/효과
(3) 카운트웨이트의 종합성능, 환경 및 수명시험 결과 시험대상품은 600 시간의 수명시험 동안 고장이 발생하지 않았다. 자분탐상시험을 통해 하부나사부의 균열 및 파손이 없는 것이 확인되어 B5 수명 10,000 시간을 보장하는 것을 확인하였다.
또한 시험 시료를 시험장비의 상부에 고정시킨 후 가진 조건을 부여할 수 있는 시험장비를 개발하였다. 개발된 시험장비로 가속수명시험을 완료하여 제품의 신뢰성이 확보되었음을 확인할 수 있었다.
600 시간의 가속 수명시험 초기에 시험을 실시하여 균열여부를 확인하고, 수명시험 중에 파손 및 고장이 발생되지 않는지를 확인하기 위해, 수명시험 50 %에 자분탐상법을 실시하였다. 수명시험을 완료한 후에도 파손이나 균열여부를 확인하기 위해 균열이 발생할 경우 자분이 이상부위에 모이게 되어 고장유무를 판단할 수 있도록 한 자분탐상법을 적용하여 용접부 및 두께가 얇은 부분에 대해 이상유무를 확인하였으며, 시험결과 균열의 발생이나 변형 등이 발생되지 않았으며, 이상이 없음을 확인하였다. 비파괴 시험은 외부기관에 의뢰하여 신뢰를 확보하도록 하였다
볼트 고정부의 응력집중으로 인하여 접합부에 균열이 진행하여 파손이 일어나는 것을 현장조사를 통하여 확인하였다. 이러한 고장은 작업 중 발생하는 충격이나 진동 등의 영향으로 점차적으로 균열이 진전되어 파손이 일어난 것으로 조사되었으며, 초기의 균열에서 점차적으로 카운터웨이터의 중량과 흔들림에 의해서 급격한 균열이 발생하는 것을 알 수 있었다.
(3) 카운트웨이트의 종합성능, 환경 및 수명시험 결과 시험대상품은 600 시간의 수명시험 동안 고장이 발생하지 않았다. 자분탐상시험을 통해 하부나사부의 균열 및 파손이 없는 것이 확인되어 B5 수명 10,000 시간을 보장하는 것을 확인하였다.
9 는 카운터웨이트를 충격시험기의 상부에 설치하여 10G 의 충격을 가한 후 시험시료의 외부철판을 절단하여 콘크리트의 균열 및 이상유무를 확인하였다. 충격에 대한 수치는 10G 인 외국 선진사 현장조건으로 시험을 수행하였으며, 시험 수행 후 시료에는 이상이 없음을 확인하였다. 비파괴시험은 수명시험 기간에 필요한 대표성능시험으로 자분탐상법을 사용하여 내·외부의 결함 및 균열을 검사하였으며, 시료에는 이상이 없음을 확인하였다.
카운터웨이트의 사용현황 조사결과 1 일 8 시간 작동되고, 연간 240 일 가동되므로 연간 2,000 시간 작동하는 것으로 조사되었다. 따라서, 카운터웨이트의 보증기간 5 년과 등가되는 수명 10,000 시간을 보장하는 것으로 설정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
카운터웨이트는 무엇인가?
이러한 작업을 수행하기 위해서는 작업환경에 적합하게 장비의 무게 중심을 잡아주기 위해 건설중장비의 주요 구성품인 카운터웨이터가 장착된다.(1~2) 카운터웨이트는 주로 고소작업차, 굴삭기, 지게차와 같은 중장비의 뒷 무게를 지탱하고 앞쪽에 화물을 실었을 때 한쪽으로 쏠리는 것을 방지해주기 위해 균형을 잡아주는 평행 추로써 연결 부위가 파손이 되어 분리가 되면 무게중심을 잃고 전복되는 현상이 일어나 매우 큰 위험이 따르므로 신뢰성의 확보가 필수적이다.
카운터웨이트 제품 하부 고정나사부 파손의 주요 원인은 무엇인가?
카운터웨이트의 주 고장모드는 제품 하부 고정나사부의 파손으로 조사되었다. 주요 원인은 작업시 발생하는 진동과 충격으로 인한 것이다. 두번째로 많이 발생하는 고장은 작업 중 이물질들과의 부딪힘과 동작오류 등으로 발생하는 외형 커버부의 손상이다.
카운터웨이트의 신뢰성 확보가 필수적인 이유는 무엇인가?
이러한 작업을 수행하기 위해서는 작업환경에 적합하게 장비의 무게 중심을 잡아주기 위해 건설중장비의 주요 구성품인 카운터웨이터가 장착된다.(1~2) 카운터웨이트는 주로 고소작업차, 굴삭기, 지게차와 같은 중장비의 뒷 무게를 지탱하고 앞쪽에 화물을 실었을 때 한쪽으로 쏠리는 것을 방지해주기 위해 균형을 잡아주는 평행 추로써 연결 부위가 파손이 되어 분리가 되면 무게중심을 잃고 전복되는 현상이 일어나 매우 큰 위험이 따르므로 신뢰성의 확보가 필수적이다.
참고문헌 (6)
Bosnjak, S. M., Petkovic, Z. D., Atanasovska, I. D., Milojevic, G. Z. and Mihajlovic, V. M., 2013, "Bucket Chain Excavator: Failure Analysis and Redesign of the Counterweight Boom Supporting Truss Columns," Eng. Fail. Anal, Vol. 32, pp. 322-333.
Rusinski, E., Czmochowski, J., Iluk, A. and Kowalczyk, M., 2010, "An Analysis of the Causes of a BWE Counterweight Boom Support Fracture," Eng. Fail. Anal. Vol. 17, 179-191.
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