[논문]궤도차량 현수장치 고압용 시일의 피로마모 개선 연구

이용준; 김형현; 김경로; 구융서

doi:10.9766/kimst.2017.20.1.012

궤도차량 현수장치 고압용 시일의 피로마모 개선 연구
A Study on Fatigue Wear Improvement of High Pressure Seal for Tracked Vehicle Suspension 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.20 no.1, 2017년, pp.12 - 17

이용준 (국방기술품질원 기동화력센터) , 김형현 (국방기술품질원 기동화력센터) , 김경로 (국방기술품질원 기동화력센터) , 구융서 (국방기술품질원 기동화력센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, causes of wear on high pressure seals for suspension are analyzed, and the result of reproduction test and verification on improved design are described. First, by performing the observation of worn surfaces and its failure analysis, the primary cause of wear on the seals are analyzed. The result of analysis shows that the main failure mechanism of wear is a fatigue wear, and test criteria for failure reproduction are set up with consideration for frequency condition, surface roughness and pressure. Durability comparison test on the condition of low amplitude and high frequency is carried out. And, it is found that the durability of wear on seals by increasing hardness of cylinder and managing for surface roughness is enhanced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현수장치 피스톤 시일의 결함 발생에 대한 원인을 규명하기 위하여 고장분석을 실시하였고, 시일 마모 고장메커니즘 고찰을 통하여 결함 현상의 재현과 설계 개선안의 타당성 검증을 위하여 내구도 시험을 수행하였다.

제안 방법

궤도차량 현수장치에 사용되는 고압용 시일의 이상마모 현상에 대한 발생 원인을 규명하고자 고장분석을 실시하여 고장메커니즘에 대해 고찰하였다. 분석결과를 바탕으로 실험실 조건에서 결함 현상을 재현하고 도출한 설계 개선안의 타당성을 검증하였다.
시일 마모 현상을 재현하기 위하여 MTS 25 ton 유압가진기를 이용하여 내구도 시험(고주파/저변위)을 수행하였다. 시험장비의 구성은 Fig.
시험조건은 가진 변위 2/4 mm, 가진 주파수 20 Hz, 일일 약 45만회씩 총 가진 횟수 500만회로 시험을 실시하였다. 사용유의 경우 결함발생품에서 채취한 오일을 사용하였다.
이러한 고주파 진동 특성에 대한 시일 마모 현상을개선하기 위해서, 시일 상대품인 메인 실린더의 경도를 증대시켰고 영향성 평가시험을 수행하였다. 메인실린더 소재는 SCM440으로 경도 증대를 위하여 Q/T열처리 조건 중 템퍼링 온도를 조절하여 HRC 42~44,46~48 수준의 시제를 제작하였다.

대상 데이터

4와 같이 측정하였다. Mahr(Perthometer M1) 장비를 이용하여 측정 길이 5.6 mm, 실린더의 길이 방향으로 4개소,원주 방향 90도 간격으로 4개소 총 16개소를 측정하였다. 또한 유사한 기간 동안 사용한 제품 중 정상품에대해서도 표면조도를 측정하였으며 측정값들의 평균값비교 결과를 Fig.
이러한 고주파 진동 특성에 대한 시일 마모 현상을개선하기 위해서, 시일 상대품인 메인 실린더의 경도를 증대시켰고 영향성 평가시험을 수행하였다. 메인실린더 소재는 SCM440으로 경도 증대를 위하여 Q/T열처리 조건 중 템퍼링 온도를 조절하여 HRC 42~44,46~48 수준의 시제를 제작하였다. 그리고 표면조도는 Ra 0.
시험조건은 가진 변위 2/4 mm, 가진 주파수 20 Hz, 일일 약 45만회씩 총 가진 횟수 500만회로 시험을 실시하였다. 사용유의 경우 결함발생품에서 채취한 오일을 사용하였다. 시제 구성 조건과 시험 결과를 Table 2에 나타내었고 Fig.

데이터처리

궤도차량 현수장치에 사용되는 고압용 시일의 이상마모 현상에 대한 발생 원인을 규명하고자 고장분석을 실시하여 고장메커니즘에 대해 고찰하였다. 분석결과를 바탕으로 실험실 조건에서 결함 현상을 재현하고 도출한 설계 개선안의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

고장분석 결과, 고압용 피스톤 시일의 손상 메커니즘은 저변위 고주파 진동에 의한 피로마모로써 실린더경도, 표면조도, 윤활유 등의 영향이 복합적으로 작용한 결과이다. 본 내구도 시험에서는 가진 변위의 증대가 시일 마모에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며, 시일 마모 가속조건을 적용하여 결함 현상을 재현하였다.
4차 시험의 경우, 기존 1~3차 조건보다 시일 마모를 가속화시키기 위해서 가진 변위와 질소가스 압력을 증대하여 시험하였다. 그 결과, 스프링 특성은 약 5 %정도 감소하였고 시일 표면은 실차 결함 발생품의 마모형태와 유사하게 나타났으며 마모량은 약 50 % 수준으로 판단된다.
본 내구도 시험에서는 가진 변위의 증대가 시일 마모에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며, 시일 마모 가속조건을 적용하여 결함 현상을 재현하였다. 메인 실린더의 경도 증대와 표면조도 상향 관리를 통하여 피스톤 시일의 피로마모 개선에 효과가 있음을 확인하였다.
3 수준으로 상향하였다. 실린더 경도 및 표면조도를 증대한 6차, 7차 시험 모두 스프링 특성은 변화가 없고, 시일 마모가 발생하지 않아 실린더 경도증대가 시일 마모 감소에 효과가 있는 것으로 나타났다. 실린더 경도 증대는 내면의 마모 감소로 시일 마모 수명을 개선할 수 있으나, 취성 증대와 표면조도관리 및 가공성 측면에서 불리할 수 있다.

후속연구

실제 마모거동은 적용 시스템 특성마다 다르게 나타나며 여러 가지 설계 인자와 운용 조건 및 환경적인요인들이 물리 화학적인 측면에서 복합적으로 작용하여 손상을 유발시키므로 손상 메커니즘을 명확하게 특정지어 규명하기는 어려운 것이 현실이다. 운동조건에 따른 실린더 내면의 표면조도 파형 변화 등 운동용 시일의 마모 특성에 관한 고장메커니즘 연구는 기동장비의 신뢰성 향상을 위하여 중요하며 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	궤도차량 현수장치는 무엇으로 구성되어있는가?	궤도차량 현수장치는 기본적으로 기동륜, 궤도 조립체, 유기압현수장치, 보기륜 조립체, 유동륜, 궤도 장력조절기 등으로 구성되어 있는데, 스프링 및 감쇠특성은 유기압현수장치에서 구현된다. Fig.
	유기압현수장치의 장점은 무엇인가?	유기압현수장치(In-arm Suspension Unit, ISU)는 로드암 내에 스프링 및 감쇠장치를 내장한 형태로 종래의 현수장치에 비해 중량이 가볍고 체적을 최소화하여 피탄 확률을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다[1]. 그러나 단면적 감소로 인해 고압상태 하에서 운용되므로 우수한 밀봉성이 요구된다.
	유기압현수장치의 운용상 주의점은 무엇인가?	유기압현수장치(In-arm Suspension Unit, ISU)는 로드암 내에 스프링 및 감쇠장치를 내장한 형태로 종래의 현수장치에 비해 중량이 가볍고 체적을 최소화하여 피탄 확률을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다[1]. 그러나 단면적 감소로 인해 고압상태 하에서 운용되므로 우수한 밀봉성이 요구된다. 개발 당시 실험실 내구도 시험에서는 문제가 없었지만 운용시험단계에서 궤도진동에 의한 피스톤 시일이 조기 마모 되는 문제가 발생하여 원인분석 및 설계개선이 이루어졌으나[2], 최근 들어 현수장치의 스프링 특성이 변하여 차량이 기울어지는 문제가 다시 발생하였다.

참고문헌 (6)

Y. Lee and O. Song, "Practical Semiactive Control of Hydropneumatic Suspension Units," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 6, No. 4, pp. 9-21, 2003.
I. Han, "Durability Improvement of High Pressure Seal for ISU under the Tack Vibration," Transaction of KSAE, Vol. 17, No. 2, pp. 112-117, 2009.
P. B. Lindley, "Compression Characteristics of Laterally-Unrestrained Ruber O-Rings," Journal of Industrial Research Institute, Vol. 1, pp. 209-213, 1967.
B. J Briscoe and S. K. Sinha, "Wear of Polymers," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology Vol. 216, pp. 401-413, 2002.

상세보기
A. Schallamach, "Recent Advances in Knowledge of Rubber Friction and Tire Wear," Rubber Chemistry and Technology, Vol. 41, No. 1, pp. 209-244, 1968.

상세보기
S. W. Zhang, "Tribology of Elastomers," Elsevier, pp. 177-184, 2004.

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