[논문]군용 궤도차량 디젤엔진의 커넥팅 로드 볼트 파손 검토를 통한 고장원인분석

오대산; 김지훈; 서석호

doi:10.5762/kais.2020.21.7.191

군용 궤도차량 디젤엔진의 커넥팅 로드 볼트 파손 검토를 통한 고장원인분석
Failure Analysis by Fracture Study of Connecting Rod Bolts in Diesel Engine for Military Tracked Vehicles 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.7, 2020년, pp.191 - 200

오대산 (국방기술품질원) , 김지훈 (국방기술품질원) , 서석호 (국방기술품질원)

초록
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군용 궤도차량은 일반 차량보다 더 가혹한 주행조건과 기후환경에서 운용되며, 이러한 환경에서 사용되기 위하여 적용되는 부품들은 고도의 신뢰성과 내구성이 요구된다. 특히 디젤엔진은 군용 궤도차량의 주 동력발생장치로써, 차량 주행 간 고장이 발생할 시에 대형사고로 이어질 가능성이 높다. 따라서 엔진의 고장 및 파손원인을 분석하는 것은 추후 발생할 수 있는 유사한 사례를 사전에 예방할 수 있는 중요한 과정이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 군용 궤도차량 주행 간 발생된 고장 엔진에 대하여 분해검사와 경도 측정, 파단면 분석 등의 파손원인검토를 통하여 엔진 파손 메커니즘을 규명하였다. 파손 엔진에 대한 분해검사를 통하여 4번 커넥팅 로드에서 볼트가 분리되어 이탈된 것이 확인되었다. 또한 4번 커넥팅 로드 볼트의 경도 측정 결과는 규격에 적합하였으며, 파손된 볼트의 파단면 분석을 통하여 볼트는 연성파괴 되었다는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 분석 결과를 바탕으로 이번에 발생된 군용 궤도차량 디젤엔진의 파손은 최초 4번 커넥팅 로드 볼트의 풀림으로 인한 이탈과 파손이 연쇄적인 손상으로 이어져 발생되었던 것으로 판단되었다. 본 연구에서 수행한 엔진 고장원인분석 결과는 향후 타 장비의 유사한 엔진 고장 및 파손원인분석 연구에 참고사례 및 유용한 자료가 될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tracked military vehicles are operated under harsher conditions and climates than ordinary vehicles, and the components require high degrees of reliability and durability. A diesel engine is the main power generator, and when the vehicle breaks down, there is a high possibility of causing a large-scale accident. Therefore, analyzing the cause of engine failure can be important for preventing similar cases that may occur. In this study, we clarified the mechanism of engine failure according to an overhaul test, hardness measurement, and an analysis of the fracture surface. The overhaul test confirmed that a bolt was separated from the connecting rod (number 4). In addition, the hardness measurement results of the connecting rod bolt conformed to the standard, and it was found that the bolt fracture was ductile fracture through an analysis of the fracture surface. Based on the results, it was concluded that damage to a diesel engine of a tracked military vehicle was caused by separating and damage caused by loosening of the connecting rod bolts, resulting in cascading damage. The results of the study could be used as reference examples and could be useful for another study on engine failure analysis.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Pictures of total failure of diesel engine for military tracked vehicle: On-site inspection
그림 Fig. 2. Schematic flow of engine failure analysis process
그림 Fig. 3. Basic structure of diesel engine
그림 Fig. 4. Picture of broken cylinder block
그림 Fig. 5. Pictures of cylinder heads(number 4, 9)
그림 Fig. 6. Pictures of cylinder liners: Broken(number 4, 9), Unbroken(number 1~3, 5~8, 10)
그림 Fig. 7. Picture of broken oil pan
그림 Fig. 8. Pictures of broken pistons(number 4, 9) and unbroken bowl of pistons(number 1~3, 5~8, 10)
그림 Fig. 9. Picture of damaged crankshaft
그림 Fig. 10. Pictures of severe seized main bearings
그림 Fig. 11. Pictures of damaged connecting rod bearings
그림 Fig. 12. Pictures of undamaged connecting rods(number 1~3, 5~8, 10)
$Fig. 13. Connecting rod(number 4), separated and damaged bearing cap: (a)Separated fractured bolt, (b)Separated deformed bolt$ 그림 Fig. 13. Connecting rod(number 4), separated and damaged bearing cap: (a)Separated fractured bolt, (b)Separated deformed bolt
그림 Fig. 14. Schematic flow of failure cause analysis according to 5Why methods
$Fig. 15. Magnified view of (a)fragment and (b)fracture surface of connecting rod(number 4) bolt$ 그림 Fig. 15. Magnified view of (a)fragment and (b)fracture surface of connecting rod(number 4) bolt
표 Table 1. Results of hardness measurement of connecting rod(number 4) and bolts
$Fig. 16. SEM image of fracture surface of connecting rod(number 4) bolt$ 그림 Fig. 16. SEM image of fracture surface of connecting rod(number 4) bolt
$Fig. 17. SEM images of dimple in fracture area of connecting rod bolt: Fig 14. (a), (b) site.$ 그림 Fig. 17. SEM images of dimple in fracture area of connecting rod bolt: Fig 14. (a), (b) site.
그림 Fig. 18. Magnified view of the thread galling of connecting rod(number 4) bolt
그림 Fig. 19. Schematic flow of engine failure mechanism

AI 본문요약
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가설 설정

17의 (a)와 (b)는 Fig. 16의 (a), (b) 위치에서 얻어진 주사전자현미경의 파단면 확대 사진이다. 대부분의 파단면에서 상당한 소성변형 진행에 의하여 형성된 딤플이 대다수 관찰되었고 피로 줄무늬는 확인되지 않았다.

제안 방법

Fig. 13의 (a)에서 나타내었던 파손된 커넥팅 로드 볼트의 파단면 분석을 수행하였다. 볼트 파손 부위를 Fig.
그리하여 볼트와 커넥팅 로드의 소재 및 제조상 결함을 판단하기 위하여 기계적 특성(경도)을 측정하였고, 규격 값과 비교하였다. 그리고 (a)볼트의 파단면 분석과 (b) 볼트의 조립부 검토를 수행하여 그 결과를 3장에서 기술하였다.
두 번째로 혼압기형성기구는 터보차저, 연료분사펌프, 분사노즐로 분류하였고, 그 파손정도와 형태를 분석하였 다. 3가지 부품 모두 외관상 누유 발생 흔적 및 손상은 관찰되지 않았다.
3에 나타내었다. 디젤엔진은 크게 기관본체, 크랭크기구, 밸브기구, 혼합기형성기구, 보조 장치 등으로 구성되어 있으며[10,12], 이와 같이 분류한 항목별로 엔진 분해검사 결과를 기록하고 분석을 수행하 였다. 엔진 분해검사는 대부분 육안검사로 이루어지며, 검사 중에 특이점이 발견되거나 필요시에는 별도의 시험 등과 같은 세부적인 분석을 추가적으로 실시하였다.
마지막으로 그 외 보조 장치를 시동 모터, 오일펌프, 오일쿨러로 분류하였고, 엔진에서 탈거하여 파손정도와 형태를 분석하였다. 그 결과, 커넥팅 로드 파손과 돌출로 인한 2차 손상으로 판단된다.
먼저 각 부품의 손상 및 파손 유형를 확인하기 위하여 파손 엔진에 대한 분해검사를 수행하였다. 일반적으로 최초 1개 부품에서 파손이 발생하면 연속적으로 여러 다른 부품들의 손상까지 이어져 결국 전체 엔진의 파손으로 이어진다.
먼저 기관본체는 실린더 블록, 실린더 헤드, 실린더 라이너, 오일 팬으로 분류하였고, 손상유형과 파손형태를 분석하였다.
먼저, 효과적인 분석을 위하여 품질문제의 원인분석및 해결방법으로 사용되는 5Why 분석기법을 적용하여 Fig. 14에 나타내었고 이와 같은 과정을 바탕으로 엔진 파손에 대한 원인분석을 수행하였다.
밸브기구는 캠축, 로커암, 푸쉬로드로 분류하였고, 파손정도와 형태를 분석하였다. 캠축과 푸쉬로드의 경우 4 번과 9번 실린더에 해당된 부위의 손상 및 변형이 관찰되었으며 커넥팅 로드에 의한 2차 손상으로 판단된다.
본 연구에서는 군용 궤도차량 주행 간에 발생한 디젤 엔진의 파손에 대한 원인분석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
디젤엔진은 크게 기관본체, 크랭크기구, 밸브기구, 혼합기형성기구, 보조 장치 등으로 구성되어 있으며[10,12], 이와 같이 분류한 항목별로 엔진 분해검사 결과를 기록하고 분석을 수행하 였다. 엔진 분해검사는 대부분 육안검사로 이루어지며, 검사 중에 특이점이 발견되거나 필요시에는 별도의 시험 등과 같은 세부적인 분석을 추가적으로 실시하였다.
이송된 파손 엔진에 대한 분해검사를 통하여 각 계통별로 각 부품의 파손 유형을 검토하였고, 이를 통하여 최초 손상 발생으로 추정된 4번 커넥팅 로드 볼트의 경도 측정, 파단면 분석, 조립부 검토 등을 통하여 해당 엔진의 파손 메커니즘을 규명하였다.
크랭크기구는 피스톤, 크랭크축, 커넥팅 로드, 메인베 어링 및 커넥팅 로드 베어링으로 분류하였고 손상범위와 파손형태를 분석하였다.
하지만 4번과 9번 실린더 라이너에서는 심한 하부 깨짐과 손상이 있었고, 9번 실린더 라이너에는 파괴된 피스톤 헤드부가 소착되어 있었다. 하부 깨짐은 커넥팅 로드에 의한 2차 손상으로 추정이 되지만 소착이 발생한 원인을 파악하기 위하여 피스톤의 손상범위와 파손형태 확인이 필요하였다. 그에 대한 결과는 2.
하지만 피로파괴뿐만 아니라 연성파괴와 취성파괴를 구체적으로 판단하기 위하여 Fig. 16과 같이 주사전자현 미경(SEM, Scanning electron microscope)으로 관찰 함으로써 파단면의 딤플(Dimple) 형성 여부와 피로 줄무늬(Fatigue striation) 발생 여부를 확인하였다.
내부에 서는 커넥팅 로드의 손상과 파손 및 내부 부품의 파편과 조각들이 다량으로 검출되었다. 현장조사에서 파손 원인에 대한 검토는 제한적이므로 별도의 정밀 검사를 수행하기 위하여 파손 엔진을 실험실로 이송하였다.

대상 데이터

본 연구대상인 디젤엔진은 국내 엔진 제조업체에서 생산되어 군용 궤도차량에 조립 후 성능확인과 주행시험을 실시하여 납품되었으며, 운용 초기에는 엔진의 결함 및손상 없이 정상적으로 작동되었으나, 수개월이 지난 시점에서 차량 주행 중에 엔진 파손 현상이 발생되었다.

이론/모형

먼저, 분해검사 및 분석 결과를 효과적으로 정리하기 위하여 엔진 실린더 및 각 실린더에 조립 및 해당되는 부품 번호를 DIN 73021 Designation of the rotational direction, the cylinders and the ignition circuits of motorcar engines 에 따라 할당하였다. Fig.

성능/효과

Table 1에서 나타내듯이 파손된 (a)볼트, 변형된 (b) 볼트 및 커넥팅 로드의 경도가 규격에 적합함을 확인할수 있다. 이것은 (a)볼트의 파손과 (b)볼트의 변형은 제조및 소재의 결함 때문이 아니라는 것을 보여준다.
Fig. 13에서는 4번 커넥팅 로드에서 이탈된 2개의 조립 볼트를 (a)와 (b)로 구분하여 나타내었다 (a)와 (b)볼트의 머리부와 플랜지부에서는 충돌에 의한 손상이 동일하게 관찰되었으나, 체결부의 손상상태는 서로 상이함이 확인되었다. (a)볼트는 나사부에서 파단되어 파손되었고, (b)볼트는 휘어지는 변형과 나사산의 마모가 확인되었지 만, 파단은 관찰되지 않았다.
Table 1에서 나타내듯이 파손된 (a)볼트, 변형된 (b) 볼트 및 커넥팅 로드의 경도가 규격에 적합함을 확인할수 있다. 이것은 (a)볼트의 파손과 (b)볼트의 변형은 제조및 소재의 결함 때문이 아니라는 것을 보여준다. 따라서 다른 외부적인 요인에 의하여 커넥팅 로드 볼트의 파손이 야기된 것으로 판단되었다.
1. 파손 엔진의 분해검사를 수행한 결과 4번 커넥팅 로드 볼트에서 최초 손상이 발생한 것을 확인할 수있었다. 다른 부품들의 파손은 4번 커넥팅 로드 볼트의 파손과 이탈로 야기된 2차 손상이라는 것을 확인할 수 있었다.
2. 커넥팅 로드와 2개의 볼트에 대한 경도 측정결과, 소재 및 제조의 결함은 없었던 것으로 판단된다.
4. 커넥팅 로드 볼트의 풀림은 엔진 조립 공정 간 조임 토크가 부적합 및 누락되어 적용되었거나, 이물질 유입으로 인한 조임토크 손실로 추정된다.
⑦풀림과 파손으로 이탈된 2개의 볼트 뿐만 아니라 분리된 커넥팅 로드와 베어링 캡은 내부의 주변 부품과 충돌하여 연쇄적인 파손을 발생시켰고, ⑧파손된 파편 및 이물질에 의한 베어링 소착 등의 심각한 2차 손상을 발생시켰다. 결론적으로 엔진의 주요 고장원인은 최초 4번 커넥팅 로드 볼트의 풀림에 의하여 시작이 되었다고 판단할 수 있다.
파손 엔진의 분해검사를 수행한 결과 4번 커넥팅 로드 볼트에서 최초 손상이 발생한 것을 확인할 수있었다. 다른 부품들의 파손은 4번 커넥팅 로드 볼트의 파손과 이탈로 야기된 2차 손상이라는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 볼트가 풀림에 따라 수나사와 암나사의 반복적인 충돌에 의하여 나사산이 마모 및 손상되었으며 잔존하던 나사산이 엔진의 팽창력과 관성력을 견디지 못하는 시점에서 나사산 모두를 변형시키며 볼트가 이탈되었다고 판단된다. 1개의 볼트가 이탈됨에 따라 다른 커넥팅 로드 볼트에는 인장강도를 초과하는 하중이 작용되었고, 결국 파손이 발생이 되었다고 할 수 있다.
이렇게 파손된 커넥팅 로드 볼트의 파단면을 분석한 결과 연성파괴의 양상이 존재하고 피로를 포함한 취성파 괴의 흔적이 없는 것으로 볼 때 흔히 진동 또는 지속적인 외부 압력 등에 의해 발생하는 피로균열의 가능성은 적다고 할 수 있다. 또한 3.1에서 측정하였던 경도는 규격에 적합하였고, 볼트 표면 부에서도 비정상적인 특이점이 발견되지 않았으므로 커넥팅 로드 볼트의 외부에서 작용된 과부하, 즉 연성파괴에 의하여 볼트가 파손되었다고 판단된다.
또한 SEM을 통한 파손된 볼트의 파단면 분석을 통해 인장강도 이상의 하중에 의하여 연성파괴가 된것을 확인할 수 있었고, 변형된 볼트의 조립부에서 마모된 나사산을 확인하여 볼트의 풀림이 최초 발생하였다는 것을 추정할 수 있었다.
18은 커넥팅 로드에서 분리되어 이탈된 볼트의 수나사 부위와 볼트가 조립되어 있었던 커넥팅 로드의 암나사 부위를 절단 후 비교하여 관찰한 모습이다. 수나사의 손상된 나사산 수와 암나사 수는 약 9개로 서로 일치하였고 암나사 측 일부 구간에서는 수나사와 반복하여 충돌한 흔적이 확인되었다.
4번과 9번 실린더 라이너를 제외한 1~3번, 5~8, 10번 실린더 라이너에는 피스톤과의 소착 흔적은 없었다. 특히 피스톤 링과 접촉되는 내부 표면에 서도 긁힘, 부식, 마모 등의 특이점은 관찰되지 않았으며 공동현상(Cavitation) 및 미세균열(Micro crack)도 확인되지 않았다. 이것은 엔진 작동간 정상적인 윤활과 마찰운동이 이루어졌으며, 냉각과정에도 문제가 없었음을 의미한다[13].

후속연구

본 연구에서 수행한 군용 궤도차량에서 발생한 파손된 디젤엔진에 대한 고장분석 결과는 향후 타 장비의 유사 한 엔진 고장 및 파손 원인 분석 연구에 참고사례 및 유용한 자료가 될 수 있을 것이다.
유사한 사례로는 군용 궤도차량의 변속기 제조공정에서 내구도 시험 간 조립 볼트의 파손으로 발생된 오일 압력 저하현상에 대한 고장원인분석 연구를 찾아볼 수 있다[5]. 이와 같이 엔진 고장 및 파손원인을 분석하는 과정 또한 향후 유사한 사례를 예방할 수 있는 중요한 연구가될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파손의 유형은 어떻게 분류할 수 있는가?	기술적인 제품결함은 설계, 소재, 제조상의 결함을 의미하 며, 작동오류는 과부하(Overload), 사용 환경의 변화, 사용 미흡 등으로 구분할 수 있다. 또한, 파손의 유형은 기계적 하중, 과부하, 피로(Fatigue), 온도의 의한 손상 (Damage), 수분에 의한 부식(Corrosion) 및 마찰 (Tribology) 등으로 분류할 수 있다[6-8].
	일반적으로 엔진 파손의 원인은 무엇이 있는가?	일반적으로 엔진 파손의 원인은 크게 마모와 손상, 기술적인 제품결함, 그리고 작동오류로 분류할 수 있다. 기술적인 제품결함은 설계, 소재, 제조상의 결함을 의미하 며, 작동오류는 과부하(Overload), 사용 환경의 변화, 사용 미흡 등으로 구분할 수 있다.
	본 연구에서는 군용 궤도차량 주행 간에 발생한 디젤 엔진의 파손에 대한 원인분석을 수행하였다, 이를 통해 얻은 결론은 무엇인가?	1. 파손 엔진의 분해검사를 수행한 결과 4번 커넥팅 로드 볼트에서 최초 손상이 발생한 것을 확인할 수있었다. 다른 부품들의 파손은 4번 커넥팅 로드 볼트의 파손과 이탈로 야기된 2차 손상이라는 것을 확인할 수 있었다. 2. 커넥팅 로드와 2개의 볼트에 대한 경도 측정결과, 소재 및 제조의 결함은 없었던 것으로 판단된다. 또한 SEM을 통한 파손된 볼트의 파단면 분석을 통해 인장강도 이상의 하중에 의하여 연성파괴가 된것을 확인할 수 있었고, 변형된 볼트의 조립부에서 마모된 나사산을 확인하여 볼트의 풀림이 최초 발생하였다는 것을 추정할 수 있었다. 3. 결국, 4번 커넥팅 로드에 조립된 1개의 볼트 풀림 으로 나머지 1개의 볼트가 엔진의 팽창력과 관성력을 버티지 못하고 파괴되어 주변 부품들의 연쇄적인 손상을 야기해 결국 엔진 파손으로 이어졌다고 판단된다. 4. 커넥팅 로드 볼트의 풀림은 엔진 조립 공정 간 조임 토크가 부적합 및 누락되어 적용되었거나, 이물질 유입으로 인한 조임토크 손실로 추정된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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