KR100645446B1 - 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치 - Google Patents

재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치 Download PDF

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KR100645446B1 KR1020050103207A KR20050103207A KR100645446B1 KR 100645446 B1 KR100645446 B1 KR 100645446B1 KR 1020050103207 A KR1020050103207 A KR 1020050103207A KR 20050103207 A KR20050103207 A KR 20050103207A KR 100645446 B1 KR100645446 B1 KR 100645446B1
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차동민
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Abstract

본 발명은 우주의 진공상태(10-7Pa) 또는 원자력 구조물의 고온(350℃) 및 고압(150bar) 등의 극한 압력 및 온도 환경에서의 재료 충격 마모시험기에서 충격력을 측정하면서 내구성을 갖춘 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 외부환경으로부터 하중 인가장치의 부품을 보호하기 위한 냉각자켓, 구동장치를 보호하고 전기적 절연 특성과 비압축성이 우수한 특성을 갖도록 설계되어 전체를 감싸고 있는 절연 오일챔버, 구동축의 운동을 외부로 전달하도록 하면서도 외부환경을 분리하고 있는 구동 벨로우즈, 구동 벨로우즈 운동에서 발생되는 부피변화를 보상하는 배압조절 벨로우즈, 절연오일 챔버 내에 위치하여 충격 마모실험의 하중을 측정하는 로드셀, 충격하중으로 인한 로드셀의 비틀림을 방지하는 2축 안내축, 절연오일 챔버 내의 2축 안내축에 설치된 슬라이딩 베어링부, 힘을 발생하는 자기 코일형 선형모터와 힘을 운동으로 전환하는 마그네틱 축으로 구성된 전자기 마그네틱 구동부, 마그네틱 축의 변위를 측정하는 변위 측정장치로 구성된 특징이 있다.
충격 로드셀, 충격 마모 시험기, 하중 인가장치, 벨로우즈

Description

재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치{Force transferring and sensing system for impact wear test of materials}
도 1은 본 발명이 적용되는 재료의 충격 마모 시험장치의 전체 구성도,
도 2는 본 발명의 요부인 하중 인가장치의 단면도,
도 3은 도 2의 요부 확대 단면도,
도 4는 도 2에 적용되는 로드셀의 사시도,
도 5는 종래 하중 인가장치의 단면도로서, 도 2에 대응되는 도면이다.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
1 : 구동축, 2 : 벨로우즈,
3 : 하중 인가부, 4 : 구동부,
21 : 구동 벨로우즈, 22 : 배압조절 벨로우즈,
31 : 충격 로드셀, 32 : 2축 안내축,
33 : 슬라이딩 베어링, 34 : 스트레인 게이지,
35 : 실린더, 36 : 십자형 칸막이,
37 : 축 연결부,
41 : 코일, 42 : 마그네트,
100 : 챔버, 101 : 고정지그,
200 : 하중 인가장치, 300 : 냉각장치,
400 : 수화학 조절장치, 500 : 제어부,
600 : 서버.
본 발명은 고진공(10-7Pa) 또는 고압(150bar) 하에서 기계 구조물의 상호 작용에 의한 마모를 평가할 수 있는 마모 시험기에서 충격하중 인가장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오일 챔버 내부에 충격 로드셀을 설치하여 충격하중을 감지하고 스트레인게이지 부착 내구성을 가지며, 충격하중으로 인한 로드셀의 비틀림을 방지하는 2축 안내축을 가지고 슬라이딩 베어링을 오일 챔버 내의 2축 안내축에 부착함으로써 베어링 내구성을 향상시킨 구조를 가지는 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치에 관한 것이다.
일반적으로 기계 구조물은 수많은 부속품으로 이루어져 있으며, 각종 기계요소는 상대적인 운동에 의해 본래의 목적을 수행하게 된다. 이와 같은 기계 구조물은 상온/대기 중에서 대부분 사용되고 있지만, 기술발전에 의해 요구조건이 다양해짐에 따라 심해(深海)와 같은 저온/고압, 우주와 같은 진공/온도차, 원자력 발전소에서의 고온/고안 환경 등과 같은 다양한 극한 환경을 사용되는 경우가 증가하고 있다.
상술한 우주의 경우, 우주선 궤도인 500㎞에서의 10-7Pa의 고진공을 나타내며, 우주선 표면온도는 태양쪽이 120℃이고 반대쪽이 120℃ 이다. 또한 원자력 발전소(이하 원전)의 증기발생기는 150bar의 고압과 300℃ 정도의 고온에서 구조 재료물이 설치되어 있다. 이와 같은 환경하에서 사용되는 기계 구조물을 설계 및 제작하기 위해서는 먼저 사용되는 환경에서의 마모와 같은 재료에 대한 기계적 특성을 알아야 한다.
특히, 상기 증기발생기에서 전열관과 전열관 지지대 사이에 마모현상이 발생하게 되는데, 이는 원전의 안전성에서 중요한 사안이다. 따라서 고온/고압과 같은 상황에서 저변위에 따른 마모시험을 구현할 수 있는 마모시험기 등의 기계적 성질을 파악할 수 있는 시험장치가 필요하다.
종래의 마모 성질 시험장치는 기계적 구동장치가 시험이 실시되는 챔버 압력경계 외부에 마련되어 상온/대기 상태에서는 용이하게 기계적 성질을 시험할 수 있으나, 극한 환경 즉, 고온/고압, 저온/고압, 진공/온도차와 같은 조건에서의 시험이 불가능하다. 상기와 같은 극한 환경에서의 시험을 종래의 마모 시험장치로 수행할 경우에는 대기압과 압력차가 클 때 챔버 경계를 관통하는 구동축과 챔버 연결부를 통해 챔버 내의 압력이 누설되어 시험의 연속성이 저하되며, 기계적 성질 시험에 필요한 하중과 변위량을 제어 및 측정하기 위해서는 로드셀과 변위센서가 상술한 고온/고압, 저온/고압, 진공/온도차와 같은 조건에서는 오작동율이 커짐에 따라 챔버 내부의 정확한 하중 또는 변위값을 유지할 수 없으며, 극한 시험환경을 모사 하기 위해서는 시험용 챔버의 크기가 제한되므로 재료의 기계적 성질의 시험범위가 축소되고, 시험시 필요한 하중과 변위를 발생시키는 구동장치의 구동방식이 대부분 캠과 기어 등에 의한 기계적 제어장치로 구동되기 때문에 정확한 하중과 변위를 제어할 수 없으며, 정현파형은 물론 삼각파형, 톱니파형 등 다양한 형태의 운동이 한정되는 문제점이 있었다.
한편, 종래에도 본 출원인에 의해 제안된 대한민국 특허출원 제2004-27355호(명칭 : 극한 압력용 시험기의 외부 구동장치)와 대한민국 특허출원 제2004-59717호(명칭 : 재료의 마모성질 시험장치)가 제안되었는바, 상기와 같은 장치 중 전자는 챔버와 대기압과의 차에 의한 압력 누설의 문제점을 해결하기 위해 구동부와 구동축을 포함하는 압력 경계를 설정 및 확장하였고, 미소하중 또는 미소변위를 제어할 수 있도록 마그네틱 구동축을 이용한 외부 구동장치 개념에 한정된 것이며, 후자는 전자의 외부 구동축을 이용한 마모성질 시험장치에 관한 것이다. 전자의 신개념 도입과 후자의 마모 시험장치에의 적용 시스템 구성에도 불구하고, 도 5에 도시된 바와 같이 하중 인가장치(200)는 다음과 같은 단점들을 지니고 있었다.
첫째, 구동축(101)의 로드셀(131)이 냉각자켓의 내부에 존재하여 로드셀(131)의 핵심 부품인 스트레인 게이지가 수중에 있는 관계로, 변위 반복하중의 경우에 이 로드셀(131)의 내구성이 보장되었으나, 충격하중에 대해서는 충격 측정용 로드셀 임에도 불구하고 스트레인 게이지 접착부에 물이 스며들어 결국에는 이탈되어 충격 로드셀(131)의 내구성이 떨어져 충격하중 측정이 불가능하게 되었다. 이는 로드셀의 잦은 교체를 수반하게 된다.
둘째, 로드셀(131)이 충격하중 민감도를 높이기 위해 사용한 전단응력 측정용 충격하중용 로드셀 임에도 불구하고, 충격력에 따른 로드셀의 민감도가 5N 정도의 적은 충격하중에 대해서는 민감도가 떨어진다.
셋째, 냉각장치(300)에 위치한 슬라이딩 베어링(301)에서 수중에 녹아 있는 미세물질이 베어링에 부착되거나 화학적 반응을 일으켜 베어링부가 부식되는 등 슬라이딩 베어링(301)의 고유기능 저하로 인한 하중 증가가 발생하여 로드셀(131)의 오작동을 발생시키는 문제점이 있다.
여기서, 도면중 미설명 부호 102는 배압평형 조절부, 104는 구동부, 105는 위치 보정센서, 106은 위치측정 센서이다.
이에 본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 로드셀과 슬라이딩 베어링을 전기적 절연 및 비압축성 특징을 가지는 기름(Oil)으로 충전되어 있는 오일 챔버 내부에 배치하여 내구성을 높였으며, 충격력감지 능력이 뛰어나고, 강성이 증대된 로드셀로 구조를 변경하여 측정능력을 향상시켰고, 로드셀 가이드 축을 2개 설치하여 로드셀의 비틀림을 방지한 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부에 구비된 시험편을 고정하는 고정지그를 갖춘 시험용 챔버와 냉각장치를 매개로 연결되어 시험에 필요한 하중과 변위를 발생시키기 위해 구동축과, 벨로우즈, 하중 인가부 및, 구동부 등으로 이루어진 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치에 있어서, 상기 벨로우즈는 구동축의 운동을 외부로 전달하도록 하면서도 외부환경을 분리하고 있는 구동 벨로우즈와 이 구동 벨로우즈의 운동에서 발생되는 부피변화를 보상하는 배압조절 벨로우즈로 구성되며, 상기 하중 인가부는 절연오일 챔버 내에 위치하며 구동부의 하중을 전달하는 하중인가 장치로서 충격하중을 측정하는 충격 로드셀과 이 충격 로드셀의 비틀림을 방지하기 위한 2축 안내축 및 이 2축 안내축에 부착된 볼 부쉬형 슬라이딩 베어링으로 구성되고, 구동부로서는 선형 모터 구조로 구동력을 발생하는 코일과 마그네트에 연결되어 힘을 전달하는 구동축으로 이루어져 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 재료의 충격 마모 시험장치의 전체 구성도로서, 도면에 도시된 바와 같이 시험상황을 모의적으로 제공하기 위해 고정지그(101)를 갖춘 시험용 챔버(100)와, 상기 챔버(100)의 수평 및 수직방향으로 설치되어 시험에 필요한 하중과 변위를 발생시키는 하중 인가장치(200), 상기 하중 인가장치(200)와 챔버(100) 사이에 개재되어 이 챔버(100)에 발생된 열로부터 하중 인가장치(200) 내부에 구비된 각종 부품들을 보호하는 냉각장치(300), 상기 챔버(100)의 내부와 연통되어 고온/고압의 시험환경을 일정하게 유지하는 수화학 조절장치(400), 상기 수화학 조절장치(400)와 하중 인가장치(200)를 전기적으로 연결시켜 각각 제어하며 챔버(100) 내에 하중과 변위에 따른 일률 등을 산출하여 표시 및 제어하는 제어부(500) 및, 온라인 상에서 시험의 진행과 원격제어가 가능한 온라인 서버(600)로 이루어져 있다.
여기서 본 발명의 요부인 상기 하중 인가장치(200)를 도 2와 도 3을 참고로 설명하면,
본 발명은 챔버(100)와 냉각장치(300)를 매개로 연결되어 시험에 필요한 하중과 변위를 발생시키기 위해 구동축(1)과, 벨로우즈(2), 하중 인가부(3) 및, 구동부(4) 등으로 이루어진 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치에 있어서, 상기 벨로우즈(2)는 구동축(1)의 운동을 외부로 전달하도록 하면서 외부환경을 분리하고 있는 구동 벨로우즈(21)와 이 구동 벨로우즈(21)의 운동에서 발생되는 부피변화를 보상하는 배압조절 벨로우즈(22)로 구성되며, 상기 하중 인가부(3)는 절연오일 챔버 내에 위치하면서 구동부의 하중을 전달하는 하중 인가장치로서 충격하중을 측정하는 충격 로드셀(31)과 이 충격 로드셀(31)의 비틀림을 방지하기 위한 2축 안내축(32) 및 이 2축 안내축(32)에 부착된 볼 부쉬형 슬라이딩 베어링(33)으로 구성되고, 상기 구동부(4)는 선형모터 구조로서 코일(41)과 마그네트(42), 이 마그네트(42)에 연결된 구동축(1)으로 이루어져 있다.
즉 상기 벨로우즈(2)는 구동축(1)의 운동을 외부로 전달하도록 하면서도 외부환경을 분리하고 있는 구동 벨로우즈(21)와 이 구동 벨로우즈(21)의 운동으로 인해 오일 챔버 내의 부피변화에 의한 압력변화를 보상하는 배압조절 벨로우즈(22)로 구성되어 있으며, 이와 같은 벨로우즈(2)는 냉각 장치부 압력과 구동부의 압력 경계가 된다. 상기 구동 벨로우즈(21)는 구동부(4)의 마그네틱(420 선형 모터의 가동시 발생하는 왕복운동을 구동축이 원활히 전달될 수 있도록 하기 위함과 동시에 압력경계를 이루도록 한다. 그리고 배압조절 벨로우즈(22)는 구동 벨로우즈(21)의 왕 복운동에 의해 오일챔버의 부피변화가 발생하고 부피변화로 인한 압력변화가 동시에 발생하므로 이를 자동적으로 보상해 줌으로서 오일챔버 내 압력을 동일하게 유지하는 역할을 한다.
따라서 오일챔버의 압력이 동일함으로서 구동 벨로우즈(21)에 의한 구동축(1)의 저항력을 없앨 수 있기 때문에 구동축(1)의 전달력을 항상 일정하게 유지할 수 있도록 할 수 있으므로 상기 구동 벨로우즈(21)와 배압조절 벨로우즈(22)가 항상 반대의 운동을 함으로서 구동부 내부는 항상 일정한 압력을 유지할 수 있게 된다.
상기와 같은 자동배압 조절수단이 있음에도 불구하고, 구동 벨로우즈(21)에 의한 미소하중이더라도 하중이 충격 로드셀(31)의 스트레인 게이지(34) 부착부분, 즉 변형율 검출부에 전달되지 않게 하기 위해서 구동 벨로우즈(21)를 충격 로드셀(31)의 원주형 외곽부에 용접한다. 이로써 구동축(1)이 구동될 때 구동 벨로우즈(21)에 의해 발생할 수 있는 축이동 반대방향의 벨로우즈(2) 미소 저항력에 대한 하중이 충격 로드셀(31)의 실린더(35)의 몸체를 타고 전달되기 때문에 스트레인 게이지(34) 부착 부위에는 하중전달이 되지 않아 충격력에 의한 미소 전단변형의 검출이 가능하고 구동축(1) 하중만이 충격 로드셀(31)에서 검출할 수 있어 이 충격 로드셀(31)의 성능향상을 기할 수 있다.
상기 충격 로드셀(31)은 축의 일부로서 강성을 유지할 수 있어야 하기 때문에 강성을 유지하고 힘을 전달하는 기능 수행과 적은 충격하중에 대해서도 변형을 유발하여 스트레인 게이지(34)로 변형을 측정할 수 있어야 하는 유연성을 동시에 가져야 한다.
따라서 상기 충격 로드셀(31)은 도 4와 같이 강성을 유지하는 실린더(35)와 이 실린더(35) 내부에 유연성을 가진 전단 변형율을 일으킬 수 있는 십자형 칸막이(36)를 두고, 이 십자형 칸막이(36) 중간표면에 스트레인 게이지(34)를 부착함으로서 변형의 측정을 통한 충격력을 측정하는 충격 로드셀을 적용하는 것이다.
또한, 상기 로드셀(31)에 부착된 스트레인 게이지(34)의 부착력을 증대시키기 위하여 전도성 물속에서는 접착부가 충격력 및 압력변화로 인해 접착부가 떨어지는 현상으로 인해 미소전류 측정이 어려웠다. 이를 해결하기 위하여 충격 로드셀(31) 위치를 도 2에 도시된 바와 같이 비전도성 압축성 유체인 오일챔버 내에 위치하게 된다. 상기 충격 로드셀(31)이 축의 일부 기능을 유지하기 때문에 비틀림을 받을 가능성을 원천적으로 배제하기 위하여 구동축(1)과 연결을 위해서는 축 연결부(37)와 2축 안내축(32)을 설치하여 비틀림이 방지되도록 한다. 냉각장치(300)에 위치하여 있던 구동축(1)의 직진도 유지 및 안내관 역할을 수행하던 슬라이딩 베어링부(33)는 냉각장치(300)에서 수중에 있으므로 인해 발생하던 부식 및 물속 잔류 금속이온에 의한 베어링부(301)의 침전으로 인해 구동력에 저항을 일으키고 하중 인가장치의 내구성을 떨어뜨렸던 단점을 보완하기 위하여 2축 안내축(32)에 각각 설치하여 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라, 2축 안내축(32)의 비틀림도 근원적으로 방지할 수 있게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명에 의한 하중 인가장치를 구성함으로서 다음과 같은 기술적 특징과 잇점이 있다.
첫째로, 로드셀이 비압축성 기름이 충진된 오일 챔버 내부에 설치되어 있기 때문에 압력의 변동이 적고, 비전도성 오일이기 때문에 부착력의 정밀도에 무관하게 스트레인 게이지의 성능을 유지할 수 있다. 따라서 압축 로드셀의 내구성을 향상시킬 수 있다.
둘째로, 충격 로드셀을 장착함으로서 구동축의 일부로서의 강성을 유지할 수 있고, 또한 스트레인 게이지가 실린더 내부의 십자형 박막의 얇은 내벽에 부착되어 있기 때문에 이에 충격 전단변형량의 측정을 통한 충격력을 정확하게 측정할 수 있다.
셋째로, 충격 로드셀과 구동축의 연결을 2축 가이드로 함으로서 충격 로드셀의 비틀림을 근원적으로 배제할 수 있어 정확한 충격력 측정이 가능하다.
넷째로, 구동 벨로우즈를 충격 로드셀의 외곽 날개부에 용접하므로서 구동 벨로우즈에 의한 저항력이 로드셀의 변형 검출부에 전달되지 않아 로드셀의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
다섯째로, 슬라이딩 베어링 또한 비압축 기름이 충진된 구동부 내부에 설치되기 때문에 이물질 금속이온 부착이나 부식 산화가 일어나지 않아 하중 인가장치의 내구성을 보장할 수 있다.

Claims (4)

  1. 챔버(100)와 냉각장치(300)를 매개로 연결되어 시험에 필요한 하중과 변위를 발생시키기 위해 구동축(1)과, 벨로우즈(2), 하중 인가부(3) 및, 구동부(4) 등으로 이루어진 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치에 있어서,
    상기 벨로우즈(2)는 구동축(1)의 운동을 외부로 전달하도록 하면서 외부환경을 분리하고 있는 구동 벨로우즈(21)와 이 구동 벨로우즈(21)의 운동에서 발생되는 부피변화를 보상하는 배압조절 벨로우즈(22)로 구성되며, 상기 하중 인가부(3)는 절연오일 챔버 내에 위치하면서 구동부의 하중을 전달하는 하중 인가장치로서 충격하중을 측정하는 충격 로드셀(31)과 이 충격 로드셀(31)의 비틀림을 방지하기 위한 2축 안내축(32) 및 이 2축 안내축(32)에 부착된 볼 부쉬형 슬라이딩 베어링(33)으로 구성되고, 상기 구동부(4)는 선형모터 구조로서 코일(41)과 마그네트(42), 이 마그네트(42)에 연결된 구동축(1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 충격 로드셀(31)은 강성을 가진 실린더(35)와 이 실린더(35) 내부에 유연성을 가진 전단변형율을 일으킬 수 있는 십자형 칸막이(36) 및 이 십자형 칸막이(36) 중간 표면에 부착되는 스트레인 게이지(34)로 이루어진 것을 특징으로 하는 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 충격 로드셀(31)과 2축 안내축(32) 및 슬라이딩 베어링(33)은 오일챔버 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 구동축(1)은 구동부(4)와 축 연결부(37)와 충격 로드셀(31) 및 2축 안내축(32)을 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 재료의 충격 마모 시험용 하중 인가장치.
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