KR101496513B1 - 에어셀의 피로수명 평가 방법 및 이에 사용되는 평가 장치 - Google Patents

에어셀의 피로수명 평가 방법 및 이에 사용되는 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어셀의 피로수명 평가 방법 및 이에 사용되는 평가 장치에 관한 것으로, 일정량의 공기가 주입된 에어셀에 반복 압축하중이 작용할 때 작용하는 하중의 크기를 알 수 있고, 반복 하중을 받는 에어셀의 내부 압력을 알 수 있으므로, 에어셀 내부의 일정한 압력과 일정한 압축 반복하중 조건에서 에어셀의 피로수명을 알 수 있을 뿐 아니라, 에어셀의 사용 환경 또는 용도에 따라 하중의 크기 및 내부 압력을 결정하여 에어셀의 소재에 따라 피로 수명을 평가할 수 있으므로, 용도 혹은 작업 환경에 따라 피로 수명에 유리한 적합한 소재를 선정할 수 있는 잇점을 함께 갖는다.

Description

에어셀의 피로수명 평가 방법 및 이에 사용되는 평가 장치 {TEST METHOD AND APPARATUS FOR FATIGUE LIFE OF AIR CELL}
본 발명은 에어셀의 피로수명 평가 방법 및 이에 사용되는 평가 장치에 관한 것이다.
일반적으로 에어셀은 내부에 주입된 공기의 양에 따라서 동일한 크기의 압축하중이 작용하는 경우 변형되는 정도가 다르다. 즉, 변형되는 정도를 조절하기 위해서는 주입되는 공기의 양을 조절하면 된다. 공기의 주입량에 따른 에어셀의 변형 크기는 에어셀의 성능을 결정하는 방법이다.
참고로, 에어셀의 공기 주입량이 클 경우 에어셀의 변형은 쉽게 일어나지 않으며, 공기 주입량이 작은 경우 에어셀의 변형은 크게 일어난다. 다수의 에어셀을 연결하여 에어매트로 활용하는 경우 에어매트의 쿠션량을 공기 주입량으로 조절한다.
일정량의 공기가 주입된 에어셀은 지속적인 반복하중이 작용할 경우 시간이 지남에 따라 내부의 공기가 누출되고 내압이 작아져 에어셀의 기능을 상실하게 된다. 누출되는 공기의 양이 적은 경우 소정의 공기를 주입하여 일정량의 내압을 보상함에 따라 에어셀의 기능을 유지하는 반면, 누출되는 공기의 양이 많은 경우 공기를 주입하여 내압을 보상하는 것은 불가능하며 에어셀의 기능은 상실된다.
일정 수준의 공기량을 초기에 투입한 후 시간이 지남에 따라 에어셀의 내부 공기압을 모니터링하여 부족할 경우 초기의 일정 수준까지 공기를 추가 투입함. 에어셀의 공기량이 부족한 경우, 즉 내부 공기압이 낮아지는 경우는 매우 긴 시간이 경과하여 연결부 등에서 일부의 공기가 누출되는 것과 외부에서 작용하는 외력, 다시 말해 압축하중 등에 의하여 에어셀이 파손되는 경우로 구분된다. 매우 큰 하중이 한번에 작용하는 경우에도 에어셀은 파손될 수 있으며 상대적으로 작은 하중이 반복적으로 작용하여 에어셀이 파손되기도 한다.
후자와 같이 반복적인 하중에 의하여 에어셀이 파손되는 경우에 대하여 피로 파손이라고 하며, 하중의 반복회수를 기준으로 피로 수명을 평가하게 됨. 피로 수명의 기준, 즉 하중의 반복회수는 에어셀의 용도나 제조사마다 각기 규정하게 된다.
에어셀의 제조를 위한 소재로는 대부분 합성수지가 사용된다. 합성 수지는 반복 하중에 의해 변형이 발생하고 기계적 물성이 저하된다. 에어셀의 재료, 즉 소재의 기계적 물성이 저하되면 에어셀은 국부적으로 취약한 부분에서 균열이 발생하여파손된다. 소재의 기계적 물성이 저하되어 에어셀에 균열이 발생하고 전파되는 시간은 소재의 종류, 제품의 형상 및 반복 하중의 크기에 따라 다르다. 따라서 에어셀의 피로 수명은 동일한 형상에서 소재의 종류에 따라 평가되거나, 동일한 소재에서 제품의 형상에 따라 평가되어야 한다.
본 발명의 목적은 일정한 크기의 반복 하중이 작용하는 환경에서 에어셀의 제조에 있어 피로 수명을 소재의 종류나 형상에 따라 평가하고 최적의 소재를 선정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 에어셀의 압축 반복하중에 기초하여 에어셀의 피로수명을 평가하되, 상기 에어셀은 평가 초기 내부압으로부터 일정 허용범위 내의 내부압이 유지되도록 공기 주입에 의해 평가 종료시까지 조절하고, 상기 공기 주입이 반복압축하중의 회수 단위 1 사이클당 1회 발생하는 최초의 반복 압축하중의 회수를 상기 에어셀의 피로수명으로 설정한 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 에어셀의 피로수명 평가시 사용되는 장치로서, 에어셀(9)의 고정 베이스(6) 및 하부 고정수단(7), 에어셀(9)에 대한 압축하중 부하수단(8), 압축하중 크기 측정수단(6), 측정된 데이터의 수집, 처리 및 저장수단(13)으로 이루어지되,
반복 압축하중이 작용할 때 에어셀(9)의 내부압을 측정하기 위도록 압축하중 부하수단(8)에 구비된 압력 센서(4); 상기 압력 센서(4)에 반응하여 에어셀(9)의 내부로 공기를 공급하기 위한 공기 압축장치(10); 상기 에어셀(9)의 내부압 허용범위를 설정하고, 상기 내부압 변화를 모니터링하고, 에어셀(9) 내부압 변화 차이에 따라 상기 공기압축장치(10)를 작동하기 위한 압력 제어 장치(2); 및 상기 에어셀(9) 내부의 공기가 상기 공기 압축장치(10)로 역류하는 것을 방지하기 위도록 공기 압축장치(10)에 구비된 공기 역류방지 장치(11);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 장치
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 에어셀의 피로수명을 에어셀의 압축 반복하중에 기초하여 에어셀의 피로수명을 평가하되, 상기 에어셀은 평가 초기 내부압으로부터 일정 허용범위 내의 내부압이 유지되도록 공기 주입에 의해 평가 종료시까지 조절하고, 상기 공기 주입이 연속으로 발생하는 최초의 반복 압축하중의 회수를 상기 에어셀의 피로수명으로 설정한 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 사용하는 에어셀은 폴리비닐클로라드, 고무, 나일론, 폴리프로필렌 등 합성 수지로부터 선별된 재료를 사용하여 제작될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니나, 블로우 몰딩(blow molding) 방식으로 소정의 두께, 즉, 3 내지 5mm의 두께, 혹은 소재의 기계적 물성이 우수한 경우에는 더 작은 두께로도 제작할 수 있다.
에어셀의 형상으로는 5개의 에어셀이 한 개의 공기 주입구로 연결된 방식 또는 10개의 에어셀이 한 개의 공기 주입구로 연결되는 방식 등 적용처(예를 들어, 에어 매트리스)의 크기나 용도(모델)에 따라 변경가능한 것이다.
따라서, 1회의 성형(몰딩) 공정에서 5개 또는 10개 등 소정 갯수의 셀을 제조하고, 각 셀이 1개의 공기 통로로 연결되어 있으므로, 1개의 압력이 변하면 나머지 셀의 압력도 동시에 변하게끔 제작될 수 있다.
본 발명에서 상기 에어셀의 내부압은 압축 반복 하중이 작용할 때 에어셀 내부의 압력을 측정하고 에어셀 내부의 압력변화 차이를 계산하여 상기 일정 허용범위를 벗어난 경우 공기 압축 장치에 의해 공기를 주입시켜 평가 초기 내부압 허용범위를 평가 종료시까지 유지하게 된다.
본 발명에서 상기 피로수명은 압축 반복 하중의 크기, 에어셀 내부의 압력 변화, 공기압축 장치의 작동 회수, 압축 반복 하중수로부터 설정된다.
본 발명에서 상기 에어셀 내부압의 허용범위는 에어셀의 사용 환경 또는 용도에 따라 설정되게 된다. 상기 압축 반복 하중의 크기 또한 에어셀의 사용 환경 또는 용도에 따라 설정된다.
일례로, 에어셀이 적용된 에어매트리스의 경우 매트리스를 사용하는 사용자의 기호 또는 건강 상태에 따라 적절한 내부압을 결정하게 된다. 스프링 매트리스의 경우 압력조절이 불가능하나, 에어매트리스의 경우 압력조절이 가능하다. 내부 압력에 따라 매트리스의 강성(stiffness)이 변화하게 된다. 압축 반복하중은 사용자의 몸무게 등이 가장 큰 변수로 표현될 수 있다. 즉, 체중이 큰 사용자가 장기간 매트리스를 사용하는 경우 압축 반복하중은 상대적으로 클 것이며, 체중이 작은 사용자가 사용할 경우 압축 반복하중은 상대적으로 작게 된다.
이와 같은 에어셀을 침대용 에어매트리스에 국한하지 않고 놀이방 매트등에 적용하여도 동일한 환경이 설정된다.
이에 본 발명에서는 다양한 합성 수지 재질의 에어셀에 대하여 주입된 공기량에따른 내부압과 압축 반복하중 중 일종은 상수화하고, 다른 일종은 변수화하여 피로 수명 평가를 반복한 다음 수득된 결과값을 바탕으로 사용 환경별 최적의 소재를 선정가능한 것을 또다른 기술적 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에서 상술한 에어셀의 피로수명 평가 방법에 사용되는 장치를 도1을 참고하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다:
상기 평가 장치는, 에어셀(9)의 고정 베이스(6) 및 하부 고정수단(7), 에어셀(9)에 대한 압축하중 부하수단(8), 압축하중 크기 측정수단(6), 측정된 데이터의 수집, 처리 및 저장수단(13)으로 이루어지되, 반복 압축하중이 작용할 때 에어셀(9)의 내부압을 측정하기 위한, 압력 센서(4); 상기 에어셀(9)의 내부로 공기를 공급하기 위한, 공기 압축장치(10); 에어셀(9)의 내부압 허용범위를 설정하고, 내부압 변화를 모니터링하고, 에어셀(9) 내부압 변화 차이에 따라 공기압축장치(10)를 작동하기 위한, 압력 제어 장치(2); 및 에어셀(9) 내부 공기가 공기 압축장치(10)로 역류하는 것을 방지하기 위한, 공기 역류방지 장치(11);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1의 사시도 내 부호 6은 에어셀(9)을 평가 시스템(1)에 고정하기 위한 베이스이다. 상기 베이스(6)는 부하되는 하중을 지지하여야 하므로, 탄소강과 같은 고강도/고강성 금속류, 혹은 강도와 강성이 우수한 알루미늄 합금 등도 적용가능하다.
상기 베이스(6)에 에어셀(9)을 하부 고정수단(7)를 사용하여 고정시킨 후 공기압축장치(10)를 이용하여 일정량의 공기를 에어셀(9) 내부로 주입한다. 이때 하부 고정수단(7)의 재질 또한 하중을 지지해야 하므로, 베이스(6) 재질로서 적용가능한 탄소강과 같은 고강도/고강성 금속류, 혹은 강도와 강성이 우수한 알루미늄 합금 등을 사용할 수 있다. 또한, 반복하중이 작용할 때 에어셀(9)이 베이스(6)에서 이탈하지 않도록 에어셀(9)을 고정할 수 있는 수단(미도시)를 사용할 수 있다. 일례로 클램프 등을 들 수 있다.
이때 에어셀(9)로의 공기의 주입량은 압력센서(4)를 이용하여 측정되고 압력제어 장치(2)를 통해 제어한다. 이때 압축하중 크기 측정수단(6)인 하중량 센서에서 측정한 하중의 크기는 0이다.
도 1 내 하중부하장치(8)를 z축 방향으로 이동시키면 에어셀(9)의 변형이 발생하고 에어셀(9)의 내부 압력은 증가하게 된다. 증가된 에어셀(9) 내부의 압력은 압력 센서(4)를 통하여 측정된다.
에어셀(9)의 변형이 발생하는 동시에 에어셀(9)은 증가된 내부 압력 크기만큼 하중작용 방향의 반대 방향으로 반력이 발생한다. 이때 발생하는 반력 또한 상기 압축하중 크기 측정수단(6)인 하중량 센서에 의해 측정된다.
상기와 같이 하중부하장치(8)는 하중 부하 장치 가이드(14)를 통해 하중의 부하 및 제하를 반복적으로 수행하며, 상기 하중부하장치(8)는 하중 부하 장치 작동모터(1)로 작동된다.
정상 타입, 즉 균열이 발생하지 않은 타입의 에어셀(9)은 반복 하중이 작용할 때 일정한 크기의 반력으로 측정된다. 그러나 압축하중의 반복수가 증가할수록 에어셀(9)에서는 균열이 발생하고 발생한 균열을 통해 공기가 누출된다.
하중부하장치(8)의 위치가 반복적으로 변화하는 과정에서 원점으로 복귀했을 때, 즉 하중의 크기가 0일 때, 압력 센서(4)에서 측정된 에어셀(9) 내부의 압력값은 초기의 압력과 비교하여 부족할 경우 순간적으로 에어셀(9)에 대한 공기의 주입을 시작한다. 즉 공기의 주입 여부에 대한 판단은 초기 압력 대비 측정된 압력의 크기가 입력한(설정한) 값과 비교하여 일정 범위의 허용 범위를 벗어나는 차이가 발생했을 때 이루어진다. 또한 이때 압력 제어는 압력 제어 장치(2)를 통해 수행되게 된다.
여기서 상기 압력 제어 장치(2)는 사용자가 초기에 설정한 압력값과 시험 중 변화된 압력값이 차이가 날 경우 차압만큼 조정(보상)해주는 장치를 사용가능한 것으로, 일례로 비례제어 밸브 등을 들 수 있다.
이때 차압의 조정(보상)은 사용자가 설정한 수준의 크기를 벗어날 때만 보상해주는 것으로 충분하며, 이 같은 차압의 조정(보상)은 하중이 가해진 후 다시 제거된 상태, 즉 1회 반복하중이 종료된 후에 이루어질 수 있다.
공기의 주입이 이루어져 초기의 압력값과 동일해지는 하중 반복 회수를 측정한다.
사용자가 입력한 하중값을 에어셀(9)에 부여하기 위하여 하중부하장치(8)가 하강하고, 이때 에어셀에서 생성되는 반력이 하중량센서(6)에 측정된다. 측정된 반력의 크기가 입력한 하중값보다 클 경우 하강거리를 작게 하고 반력이 작을 경우 하강거리를 크게 하여 보상하게 된다. 몇 차례의 반복작동으로 반력과 입력값이 동일한 하강거리를 계산하여 반복적으로 작동시킨다.
일례로, 초기에 몇 차례의 상승과 하강을 통해 계산된 반력이 입력값과 동일한 하중에 이르게 되는 상기 과정은 2-43회 내에서 완료될 수 있다.
하중 부하 제어장치(2)는 이러한 과정을 제어하는 장치로서, 이를 통해 에어셀이 일부 손상되어 시험 중 동일한 하강거리에서 반력, 즉 하중값이 변화하더라도 즉각적으로 높이 조절을 통해 일정한 하중을 부하하게끔 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 압축하중 크기 측정수단(6)로는 압축하중 부하수단(8)의 하강에 의한 에어셀(9)의 반력을 측정하는 하중량 센서(6)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 데이터는 압력 센서(4)에서 측정된 압력 변화, 반복 압축하중의 크기, 공기 압축장치(10)의 작동 횟수 및 반복 압축하중의 회수를 포함한다.
나아가, 상기 데이터로부터 공기 압축장치(10)가 연속적으로 작동하는 최초의 반복 압축하중의 회수를 에어셀(9)의 피로수명으로 판독하는, 피로수명 판독장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에서 상기 공기 압축장치(10)에 의해 에어셀(9)의 내부로 공급되는 공기 량은 허용 범위를 초과시 압축 반복 하중 작용시 측정된 에어셀(9)의 내부압력들로부터 계산된 압력변화 차이만큼 공급되는데 기술적 특징을 갖는다.
이중 상기 에어셀(9)에 부하하는 압축 반복 하중의 크기는 에어셀(9)의 사용 환경 또는 용도에 따라 설정되게 된다. 일례로, 에어셀(9)에 부하하는 압축 반복 하중의 크기는 100 내지 300 kgf 범위로 설정할 수 있다. 또한, 상기 에어셀(9)의 내부압 허용 범위는 에어셀(9)의 사용 환경 또는 용도에 따라 설정된다. 일례로, 에어셀(9)의 내부압은 0.1 내지 0.3 Bar 범위로 설정할 수 있다.
구체적인 에어셀의 피로 수명 평가 시스템의 작동 원리를 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다:
도 2에서 보듯이, 에어셀(9) 내부의 압력을 0.2 Bar의 크기로 설정하면 공기 압축장치(10)를 통해 에어셀(9)로 0.2 Bar의 압력을 갖을 때까지 공기가 주입된다.
이때 변형 전 에어셀의 형상을 도 4에 사시도로서 나타내었다.
그런 다음 에어셀(9)에 100 kgf의 압축하중을 작용하도록 설정하면 도 3에서 보듯이, 하중 부하장치(8)가 z축에 대하여 음의 방향으로 하강하고 에어셀(9)에 접촉한 후 다시 상승하여 원점으로 복귀한다. 이 과정에서 에어셀(9)은 압축되어 변형이 발생하고 내부 압력이 상승한다. 이 같은 변형이 발생한 에어셀의 형상을 도 5에 사시도로서 나타내었다.
이때 상승된 내부 압력은 z축에 대하여 양의 방향으로 반력을 발생시키고 발생된 반력은 하중량 센서(6)를 통해 측정된다. 이러한 과정을 몇차례 반복하여 하중 부하장치(8)의 하강 거리를 100 kgf가 될 때까지 조정한다. 압축하중의 크기가 설정한 크기인 100 kgf에 이르면 하중부하장치(8)는 동일한 하강 거리를 반복하여 왕복한다.
반복하중이 작용하는 동안 에어셀 내부의 공기가 공기압축장치(10)로 역류하는 것을 공기역류 방지장치(11)가 막는다. 반복하중이 작용하는 동안 압력 센서(4)는 압력변화를 모니터링하고 하중부하장치(8)가 원점에 복귀한 순간의 압력과 설정 압력인 0.2 Bar과 비교하여 부족한 경우 압력제어장치(2)의 계산에 의해 공기압축장치(10)는 에어셀(9)로 부족한 양의 공기를 주입하게 된다.
이때 하중량 센서(6)로부터의 하중 변화, 압력 센서(4)의 압력 변화, 하중부하장치(8)의 위치 변화, 압력제어장치(2)로부터의 공기 주입 및 하중 부하장치(8)의 반복 작동 수인 반복 수명은 데이터 저장 수단(13)을 통해 기록된다.
상기 데이터 수집, 처리 및 저장 수단은 압력 센서에서 측정된 압력값, 압축하중의 크기, 부족한 공기량을 주입하는 횟수 및 압축하중의 반복 회수 등의 데이터를 수집 및 처리한 다음 저장하도록 제공되고, 상기 수단은 컴퓨터 또는 PDA 등일 수 있다.
본 발명에 따르면, 일정량의 공기가 주입된 에어셀에 반복 압축하중이 작용할 때 작용하는 하중의 크기를 알 수 있고, 반복 하중을 받는 에어셀의 내부 압력을 알 수 있으므로, 에어셀 내부의 일정한 압력과 일정한 압축 반복하중 조건에서 에어셀의 피로수명을 알 수 있다.
또한, 에어셀의 사용 환경 또는 용도에 따라 하중의 크기 및 내부 압력을 결정하여 에어셀의 소재에 따라 피로 수명을 평가할 수 있으므로, 용도 혹은 작업 환경에 따라 피로 수명에 유리한 적합한 소재를 선정할 수 있는 잇점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 에어셀의 피로수명 평가 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하중을 받지 않은 일정한 공기가 주입된 에어셀의 변형 전 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 하중을 받은 일정한 공기가 주입된 에어셀의 변형 후 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 하중을 받지 않은 일정한 공기가 주입된 에어셀의 변형 전 형상을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 하중을 받은 일정한 공기가 주입된 에어셀의 변형 후 형상을 설명하기 위한 사시도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
< 제조예 1- PVC 재질의 에어셀 제조>
PVC 재질을 사용하여 블로우 몰딩(blow molding)에 의해 3mm 두께의 원기둥 형상의 에어셀 5개를 제작하였다.
< 제조예 2- PP 재질의 에어셀 제조>
PP 재질을 사용하여 블로우 몰딩(blow molding)에 의해 2mm 두께의 사각기둥 형상의 에어셀 5개를 제작하였다.
실시예 1
제조예 1에서 제조된 PVC 재질의 에어셀 중 공기 누출이 확인되지 않는 3개의 제품을 도 1에 도시한 바와 같이 피로수명 평가 장치에 적용하였다.
구체적으로는 탄소강 재질의 베이스(6) 상단에 에어셀(9)을 고정하기 위한 탄소강 재질의 하부 고정 수단(7)를 사용하여 3개의 에어셀(9)을 베이스(6)에 클램프를 사용하여 고정하고, 상기 에어셀(9) 내부의 압력을 0.2 Bar의 크기로 설정하였으며, 공기압축장치(10)를 통해 에어셀(9)로 0.2 Bar의 압력을 갖을 때까지 공기를 주입시켰다.
상기 에어셀(9)에 100 kgf의 압축하중을 작용하도록 설정하면 하중 부하장치(8)가 z축에 대하여 음의 방향으로 하강하고 에어셀(9)에 접촉한 후 다시 상승하여 원점으로 복귀하는 것을 확인할 수 있었다. 이 과정에서 에어셀(9)은 압축되어 변형이 발생하고 내부 압력이 상승하였다.
상승된 내부 압력은 z축에 대하여 양의 방향으로 반력을 발생시키고 발생된 반력을 하중량 센서(6)를 통해 측정하였다. 이러한 과정을 몇차례 반복하여 하중 부하장치(8)의 하강 거리를 100 kgf가 될 때까지 조정하였다. 압축하중의 크기가 설정한 크기인 100 kgf에 이르면 하중부하장치(8)는 동일한 하강 거리를 반복하면서 왕복시켰다. 또한 이들 하중부하장치(8)의 제어는 하중 부하 제어 장치(3)를 통하여 수행되었다.
반복하중이 작용하는 동안 에어셀 내부의 공기가 공기압축장치(10)로 역류하는 것은 공기역류 방지장치(11)에 의해 방지되었다. 반복하중이 작용하는 동안 압력 센서(4)는 압력변화를 모니터링하고 하중 부하 장치 가이드(14)를 거쳐 하중부하장치(8)가 원점에 복귀한 순간의 압력과 설정 압력인 0.2 Bar과 비교하여 부족한 경우 압력제어장치(2)의 계산에 의해 공기압축장치(10)는 에어셀(9)로 부족한 양의 공기를 주입하였다.
즉, 본 실험에서 초기 설정값은 에어셀(9) 내부압력 15 MPa이었고, 압축하중의 크기는 100 kgf이었으며, 초기의 내부 압력인 0.2 Bar의 10%인 0.02 Bar 이상의 압력이 부족할 경우 공기를 1회 주입하는 조건으로 설정하였다.
이때 하중량 센서(6)로부터의 하중 변화, 압력 센서(4)의 압력 변화, 하중부하장치(8)의 위치 변화, 압력제어장치(2)로부터의 공기 주입 및 하중 부하장치(8)의 반복 작동 수인 반복 수명을 데이터 수집, 처리 및 저장 수단(13)으로서 컴퓨터에 기록되었다.
이중, 공기 주입이 연속으로 발생하는 최초의 반복 압축하중의 회수를 상기 에어셀(9)의 피로수명으로 설정하고, 평가한 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
반복 압축하중의 회수 공기 1회 주입 여부 피로 수명 판단
100,000 X Good
150,000 O Good
180,000 O Good
200,000 O Good
218,000 O Good
228,000 O Good
233,000 O Good
233,500 O Good
233,600 O Good
233,650 O Good
233,680 O NG
233,681 O NG
233,682 O NG
상기 표 1에서 보듯이, 공기 주입이 최초로 이루어진 150,000 cycle에서 초기 내부압력인 0.2 Bar보다 10% 이상 압력이 감소하였다는 것을 알 수 있다. 즉, 에어셀에 균열이 발생하여 지속적으로 압력이 변화하고 이를 보상하기 위하여 공기 주입이 이루어지고는 있으나 균열의 크기가 매우 미미하여 공기 주입이 매횟수마다 실시되지는 않는다. 예를 들어, 233,500 cycle에선 100 cycle 당 1회 공기가 주입되었다.
이후, 균열이 점점 커져 에어셀의 손상이 커지는 경우 공기를 주입하는 간격은 줄어들게 되는 것으로, 233,680 cycle에서 1회 주입, 233,681 cycle에서 1회 주입, 233,682 cycle에서 1회 주입 실시되는 것은 에어셀의 파손 정도가 상당한 수준임을 반증하는 것이다. 이에 본 평가에서는 1 cycle 당 1회 공기가 주입되는 시점을 NG라 표기하였다.
또한, 반복 압축하중의 회수 233,680, 233,681, 233,682에서 연속적으로 공기가 주입되는 점으로부터 판단컨대, 반복 압축하중의 회수 233,680에서 완전 파손되어 그 기능을 상실하는 것으로 확인할 수 있었으며, 따라서, 본 발명에서 실시예 1의 경우 피로 수명은 반복 압축하중의 회수 233,680으로 설정되었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 사용한 재질을 제조예 1의 PVC 재질 대신 제조예 2의 PP 재질로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 실험을 반복하였다. 얻어진 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
반복 압축하중의 회수 공기 1회 주입 여부 피로 수명 판단
170,000 X Good
220,000 X Good
270,000 X Good
320,000 X Good
345,000 X Good
370,000 O Good
380,000 O Good
386,000 O Good
391,000 O Good
391,500 O Good
391,600 O Good
391,610 O NG
391,611 O NG
상기 표 2에서 보듯이, 동일한 에어셀의 형상과 두께를 갖더라도 에어셀의 수명은 소재(재료)에 따라 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
실시예 3 내지 7
따라서, 상기 표 1의 PVC 결과와 표 2의 PP 결과로부터 내구성이 더 좋은 소재를 판정할 수 있는 것으로, 실시예 1과 동일한 공정을 반복하되, 하기표 3에 기재된 소재, 형상, 두께, 하중, 등의 조건을 다양하게 변경하면서 동일한 실험을 반복하였으며, 얻어진 피로수명 결과를 하기 표 3에 함께 정리하였다.
구분 소재 제조방식 형상 두께(mm) 하중(kgf) 초기내압
(Bar)		 온도 피로수명
실시예 3 PVC 블로우 몰딩 원기둥 3 150 0.15 상온 233,680
실시예 4 PVC 3 180 180,560
실시예 5 PVC 2 150 147,210
실시예 6 PVC 사각기둥 3 150 208,600
실시예 7 PP 원기둥 3 150 391,610
상기 표 3에서 보듯이, 실시예 3 및 4의 결과를 통하여 하중 크기에 따른 에어셀의 수명을 대비 평가할 수 있으며, 이를 통해 에어셀의 사용환경을 고려하여 설계할 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 3 및 5의 결과를 통하여, 에어셀의 두께에 따른 수명을 대비 평가할 수 있으며, 이를 통해 에어셀의 설계시 적절한 두께를 계산할 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 3 및 6의 결과를 통하여, 에어셀의 형상에 따른 수명을 대비 평가할 수 있으며, 이를 통해 에어셀의 설계시 적절한 형상을 선정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
나아가, 실시예 3 및 7의 결과를 통하여, 에어셀의 재료(소재)에 따른 수명을 대비 평가할 수 있으며, 이를 통해 에어셀의 제조시 적절한 소재를 선택할 수 있음을 확인할 수 있었다.
1: (압축)하중 부하 장치 작동모터
2: 압력 제어 장치
3: (압축)하중 부하 제어 장치
4: 압력 센서
5: 에어셀을 평가 장치에 고정하기 위한 베이스
6: 압축하중 크기 측정수단(하중량 센서)
7: 에어셀의 하부 고정수단
8: (압축)하중 부하수단
9: 에어셀
10: 공기 압축장치
11: 공기 역류방지 장치
12: (압축)하중부하 장치 가이드
13: 측정된 데이터의 수집, 처리 및 저장수단.

Claims (12)

  1. 에어셀의 압축 반복하중에 기초하여 에어셀의 피로수명을 평가하되,
    상기 에어셀은 평가 초기 내부압으로부터 일정 허용범위 내의 내부압이 유지되도록 공기 주입에 의해 평가 종료시까지 조절하고, 상기 공기 주입이 반복압축하중의 회수 단위 1 사이클당 1회 발생하는 최초의 반복 압축하중의 회수를 상기 에어셀의 피로수명으로 설정한 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어셀의 내부압은 압축 반복 하중이 작용할 때 에어셀 내부의 압력을 측정하고 에어셀 내부의 압력변화 차이를 계산하여 상기 일정 허용범위를 벗어난 경우 공기 압축 장치에 의해 공기를 주입시켜 평가 초기 내부압 허용범위를 평가 종료시까지 유지하는 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피로수명은 압축 반복 하중의 크기, 에어셀 내부의 압력 변화, 공기압축 장치의 작동 회수, 압축 반복 하중수로부터 설정되는 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 에어셀의 피로수명 평가시 사용되는 장치로서, 에어셀(9)의 고정 베이스(6) 및 하부 고정수단(7), 에어셀(9)에 대한 압축하중 부하수단(8), 압축하중 크기 측정수단(6), 측정된 데이터의 수집, 처리 및 저장수단(13)으로 이루어지되,
    반복 압축하중이 작용할 때 에어셀(9)의 내부압을 측정하기 위도록 압축하중 부하수단(8)에 구비된 압력 센서(4); 상기 압력 센서(4)에 반응하여 에어셀(9)의 내부로 공기를 공급하기 위한 공기 압축장치(10); 상기 에어셀(9)의 내부압 허용범위를 설정하고, 상기 내부압 변화를 모니터링하고, 에어셀(9) 내부압 변화 차이에 따라 상기 공기압축장치(10)를 작동하기 위한 압력 제어 장치(2); 및 상기 에어셀(9) 내부의 공기가 상기 공기 압축장치(10)로 역류하는 것을 방지하기 위도록 공기 압축장치(10)에 구비된 공기 역류방지 장치(11);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서,
    상기 압축하중 크기 측정수단(6)은 압축하중부하 수단(8)의 하강에 의한 에어셀(9)의 반력을 측정하는 하중량 센서인 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 데이터는 압력 센서(4)에서 측정된 압력 변화, 반복 압축하중의 크기, 공기압축장치(10)의 작동 횟수 및 반복 압축하중의 회수를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 데이터로부터 공기압축장치(10)가 연속적으로 작동하는 최초의 반복 압축하중의 회수를 에어셀(9)의 피로수명으로 판독하는, 피로수명 판독장치를 더 포함한 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 공기 압축장치(10)에 의해 에어셀(9)의 내부로 공급되는 공기 량은 허용 범위를 초과시 압축 반복 하중 작용시 측정된 에어셀(9) 내부압력들로부터 계산된 압력변화 차이만큼 공급되는 것을 특징으로 하는, 에어셀의 피로수명 평가 장치.
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