KR102068338B1 - 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치 및 시험 방법 - Google Patents

무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치 및 시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치에 있어서, 시험대상인 씰 유닛을 각각 장착하는 복수개의 씰 유닛 구동부로서, 각 장착부는 기설정된 가속수명 시험시간 동안 상기 씰 유닛을 구동시키며 씰 유닛의 압력과 온도를 측정하는 압력센서 및 온도센서를 구비한, 복수개의 씰 유닛 구동부; 상기 압력센서와 온도센서의 측정값을 각각의 상기 씰 유닛 구동부로부터 수신하고 상기 측정값에 기초하여 씰 유닛 구동부를 제어하는 데이터 수집 및 제어부; 및 상기 데이터 수집 및 제어부로부터 상기 측정값을 수신하여 시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 측정값의 변동량을 디스플레이하는 데이터 처리장치;를 포함하고, 상기 가속수명 시험시간은 무고장 시험시간(tn) 및 가속계수(AF)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치를 개시한다.

Description

무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치 및 시험 방법 {Apparatus and method for testing non-lubrication rotary seal unit}
본 발명은 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치 및 시험 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 신규한 무윤활 씰 유닛의 신뢰성 평가 기준에 따라 씰 유닛을 시험하고 평가할 수 있는 시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법에 관한 것이다.
무윤활 소형 회전 실링 유닛(이하 "씰 유닛"이라고도 함)은 석유화학 플랜트, 반도체 설비, 제약 시설 등의 산업에서 재료를 섞는 교반기 등에 장착되어 교반시 내부의 재료가 누설되는 것을 방지하는 역할을 한다. 보통 산업용 교반기는 윤활방식의 회전 씰이 사용되고 있으므로 윤활이 필수적이지만 구조적 특성상 윤활유의 누설이 불가피 하다. 무윤활 방식의 씰 유닛은 기존의 회전 씰을 대체하면서 무윤활 방식이므로 윤활유의 누설을 근본적으로 차단하고 있어 최근 그 수요와 공급의 요청이 증가하고 있다.
그러나 이러한 시장의 요구에도 불구하고 현재까지 무윤활 씰 유닛의 신뢰성 및 시험평가 방법이 확립되지 않아 무윤활 방식의 씰 유닛에 대한 신뢰성 평가방법 및 평가기준의 마련이 요구되고 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2017-0040478호 (2017년 4월 13일 공개) 특허문헌2: 한국 등록특허 제10-0885991호 (2009년 3월 3일 공고)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 신규한 무윤활 씰 유닛의 신뢰성 평가 기준에 따라 씰 유닛을 시험하고 평가할 수 있는 무윤활 방식 씰 유닛의 시험 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치에 있어서, 시험대상인 씰 유닛을 각각 장착하는 복수개의 씰 유닛 구동부로서, 각 장착부는 기설정된 가속수명 시험시간 동안 상기 씰 유닛을 구동시키며 씰 유닛의 압력과 온도를 측정하는 압력센서 및 온도센서를 구비한, 복수개의 씰 유닛 구동부; 상기 압력센서와 온도센서의 측정값을 각각의 상기 씰 유닛 구동부로부터 수신하고 상기 측정값에 기초하여 씰 유닛 구동부를 제어하는 데이터 수집 및 제어부; 및 상기 데이터 수집 및 제어부로부터 상기 측정값을 수신하여 시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 측정값의 변동량을 디스플레이하는 데이터 처리장치;를 포함하고, 상기 가속수명 시험시간은 무고장 시험시간(tn) 및 가속계수(AF)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법에 있어서, 시험대상인 씰 유닛을 각각 장착한 복수개의 씰 유닛 구동부를 구동시키면서 각각의 씰 유닛의 압력과 온도 및 씰 유닛의 샤프트의 회전속도를 측정하는 단계; 상기 씰 유닛의 압력, 온도, 샤프트의 회전속도, 및 시험 누적시간을 디스플레이하는 단계; 및 시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 상기 씰 유닛의 압력, 온도, 및 샤프트의 회전속도의 변동량을 디스플레이하는 단계;를 포함하고, 상기 시험 방법은 복수개의 상기 씰 유닛을 기설정된 가속수명 시험시간 동안 구동하도록 구성되고, 상기 가속수명 시험시간은 무고장 시험시간(tn) 및 가속계수(AF)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무윤활 방식 씰 유닛의 신뢰성 평가기준을 확립하고 이에 따라 씰 유닛을 시험하고 평가할 수 있는 무윤활 방식 씰 유닛의 시험 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무윤활방식 씰 유닛의 시험 장치를 설명하기 위한 도면,
도2 및 도3은 일 실시예에 따른 씰 유닛 구동부를 설명하기 위한 도면,
도4 내지 도6은 일 실시예에 따라 신뢰수준을 결정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면,
도7 및 도8은 대안적 실시예에 따라 신뢰수준을 결정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함'(comprise)한다는 표현은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 일 실시예에 따른 무윤활방식 씰 유닛의 시험 장치를 나타낸다. 도면을 참조하면 일 실시예에 따른 씰 유닛 시험장치는 복수개의 씰 유닛 구동부(100), 데이터 수집 및 제어부(200), 및 데이터 처리장치(300)를 포함할 수 있다.
각각의 씰 유닛 구동부(100)는 시험대상인 씰 유닛을 장착하고 실제 상황과 동일 또는 유사한 환경하에서 씰 유닛(10)을 구동하기 위한 장치이다. 본 발명의 일 실시예에서 시험대상인 씰 유닛(10)은 예컨대 석유화학, 반도체 공정, 의약제조 등의 기술분야에서 재료를 섞는 교반기에 장착하여 교반시 내용물의 외부누설 방지에 사용되는 씰 유닛을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 시험대상인 씰 유닛은 예를 들어 아래의 표1에 나타낸 것처럼 10 내지 100mm 사이의 샤프트 축경을 갖는 교반기용 무윤활 소형 회전 씰 유닛(이하 "씰 유닛"이라고 함)일 수 있다. 즉 본 발명의 시험 장치는 아래에 나타낸 범위의 씰 유닛에 적용 가능하다.
Figure 112018047192174-pat00001
각각의 씰 유닛 구동부(100)는 시험대상인 씰 유닛(10)을 하나씩 장착하여 구동할 수 있다. 각각의 씰 유닛 구동부(100)는 기설정된 가속수명 시험시간 동안 씰 유닛(10)을 구동시키며 씰 유닛의 압력과 온도 및 씰 유닛의 샤프트의 회전속도를 측정하고 이 측정된 값들을 데이터 수집 및 제어부(200)로 전송할 수 있다. 씰 유닛 구동부(100)의 예시적인 구성에 대해서는 도2와 도3을 참조하여 후술하기로 한다.
데이터 수집 및 제어부(200)는 씰 유닛 구동부(100)로부터 측정값을 수신하고 이를 표시장치를 통해 사용자에게 디스플레이 할 수 있고 또한 측정값에 기초하여 씰 유닛 구동부(100)의 운전을 제어할 수 있다.
일 실시예에서 데이터 수집 및 제어부(200)는 센서신호 처리부(210), 측정값 표시부(220), 및 구동 제어부(230)를 포함한다. 센서신호 처리부(210)는 각각의 씰 유닛 구동부(100)로부터 시험대상인 각 씰 유닛(10)에 대한 압력, 온도, 샤프트의 회전속도에 관한 센서의 측정값을 수신한다. 씰 유닛(10)의 압력과 온도는 씰 유닛 구동부(100)에 설치된 압력센서와 온도센서로부터 센서 신호를 수신함으로써 알 수 있다. 씰 유닛(10)에 장착된 샤프트의 회전속도는 예컨대 샤프트의 회전속도를 측정하는 RPM 센서로부터 측정값을 수신하여 알 수 있고, 대안적 실시예에서, 예컨대 샤프트를 구동시키는 구동모터의 회전속도를 측정하거나 이 회전속도를 제어하는 제어신호로부터 샤프트의 회전속도를 산출할 수도 있다.
데이터 수집 및 제어부(200)의 센서신호 처리부(210)는 이와 같이 각각의 씰 유닛 구동부(100)로부터 수신한 센서신호를 처리하여 씰 유닛 구동부(100)에 장착된 각 씰 유닛(10)에 대한 압력, 온도, 씰 유닛의 샤프트의 회전속도를 산출하여 측정값 표시부(220)를 통해 디스플레이 한다. 측정값 표시부(220)는 예컨대 디스플레이 스크린이나 LCD 창과 같이 임의의 정보나 데이터를 사용자에게 표시하는 장치이다. 일 실시예에서 측정값 표시부(220)는 시험 개시부터 현재시점까지의 시험 누적시간을 함께 디스플레이 할 수 있다.
구동 제어부(230)는 데이터 수집 및 제어부(200)가 각각의 씰 유닛 구동부(100)로부터 수신한 센서신호에 기초하여 씰 유닛 구동부(100)의 운전을 제어할 수 있다. 예를 들어 구동 제어부(230)는 각각의 씰 유닛 구동부(100)로부터 수신한 씰 유닛(10)의 압력 및 온도 중 적어도 하나가 기설정된 임계값을 초과하면 해당 씰 유닛(10)이 고장난 것으로 판명하여 씰 유닛 구동부(100)의 구동을 중단시킬 수 있다.
또한 일 실시예에서 구동 제어부(230)는 기설정된 가속 수명 시험시간 동안 각각의 씰 유닛 구동부(100)를 구동시키거나 소정 시간이 경과하였을 때 각 씰 유닛 구동부(100)의 구동을 중단시킬 수 있다.
데이터 처리장치(300)는 데이터 수집 및 제어부(200)로부터 측정값을 수신하여 시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 측정값의 변동량을 디스플레이 할 수 있다. 예를 들어 데이터 처리장치(300)는 시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 각각의 씰 유닛(10)의 압력, 온도, 및 샤프트의 회전속도의 변동량을 디스플레이 할 수 있으며, 이를 위해 예컨대 측정값을 수신하여 처리하는 데이터 처리부(310) 및 시간에 따른 측정값의 변동량을 사용자에게 표시하는 디스플레이 장치(320)를 포함할 수 있다.
이제 도2 및 도3를 참조하여 일 실시예에 따른 씰 유닛 구동부(100)를 설명하기로 한다. 도2는 일 실시예에 따른 씰 유닛 구동부(100)의 일부 절개 사시도이고 도3은 측면도이다.
도면을 참조하면, 일 실시예의 씰 유닛 구동부(100)는 프레임(110), 탱크(120), 및 구동모터(130)를 포함한다. 프레임(110)은 씰 유닛 구동부(100)의 구성부품들을 지지한다. 탱크(120)는 액체와 기체를 수용할 수 있으며 상부에 시험대상인 씰 유닛(10)이 장착되어 탱크(120) 내부가 밀폐될 수 있다. 시험대상인 씰 유닛(10)은 결합부재(150)에 의해 탱크(120)의 상부에 결합될 수 있다. 씰 유닛(10)의 중심부에는 샤프트 어셈블리(140)가 관통하며, 샤프트 어셈블리(140)의 상단은 구동모터(130)에 결합되고 하단부는 탱크(120) 내부에 위치한다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 샤프트 어셈블리(140)의 하단부는 상기 탱크(120)의 내부 표면과 이격되도록 구성되어 있다.
씰 유닛(10)을 실제 동작 환경과 동일한 환경에서 시험하기 위해, 탱크(120)는 소정 압력의 기체 및 액체를 수용할 수 있다. 이를 위해, 일 실시예에서 탱크(120)는 탱크 내로 기체를 주입하는 기체 주입구(121), 기체를 탱크 외부로 배출하는 기체 배출구(122), 탱크 내로 액체를 주입하는 액체주입구(123), 및 액체를 탱크 외부로 배출하는 배수구(124)를 포함할 수 있다. 바람직한 일 실시예에서 기체 주입구(121)와 기체 배출구(122)는 탱크(120)의 상단부에 인접한 탱크(120)의 측면에 형성된다. 액체 주입구(123)는 탱크(120)의 하단에 인접한 탱크(120)의 측면에 형성되고, 배수구(124)는 탱크(120)의 바닥에 인접한 측면 또는 바닥에 형성된다. 도시한 실시예에서 탱크(120)의 바닥이 가운데(중심축)로 갈수록 바닥높이가 낮아지도록 구성하고 배수구(124)를 바닥의 가운데 형성하였다. 각각의 주입구(121,123)와 배출구(122) 및 배수구(124)에는 개폐밸브가 설치될 수 있고, 필요에 따라 유량센서가 설치될 수 있다.
구동모터(130)는 샤프트 어셈블리(140)를 회전구동시킬 수 있다. 일 실시예에서 구동모터(130)는 데이터 수집 제어부(200)나 데이터 처리장치(300) 또는 임의의 제어장치(도시 생략)의 제어에 의해 구동될 수 있다.
씰 유닛 구동부(100)는 씰 유닛(10)의 상태를 측정하기 위한 하나 이상의 센서를 포함한다. 일 실시예에서 씰 유닛 구동부(100)는 압력센서와 온도센서를 포함할 수 있고, 샤프트 어셈블리(140)의 회전속도(예컨대 선속도)를 측정하는 RPM 센서를 더 포함할 수 있다.
압력센서는 탱크(120) 내의 압력을 측정한다. 압력센서는 탱크(120)의 내부에 설치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 압력센서는 기체 배출구(122)에 설치되어 기체 배출구(122)로부터 배출되는 기체의 압력을 측정하며 이로부터 탱크(120) 내부의 압력 및/또는 씰 유닛(10)에 가해지는 압력을 산출할 수 있다. 온도센서는 씰 유닛(10)의 온도를 측정하기 위한 것으로 씰 유닛(10)의 표면에 부착될 수 있다.
일 실시예에서 샤프트의 회전속도를 측정하기 위해 RPM 센서를 포함할 수도 있고, 예컨대 구동모터(130)의 구동축의 회전속도를 측정하여 샤프트의 회전속도를 산출할 수도 있다. 또는 대안적으로, 구동모터(130)의 구동을 제어하는 제어신호로부터 샤프트의 회전속도를 산출할 수도 있다.
이상과 같은 씰 유닛 구동부(100)를 구비한 씰 유닛 시험 장치를 이용하여 씰 유닛(10)에 대한 각종 시험을 수행할 수 있다. 일 실시예에서 씰 유닛 시험 장치로 씰 유닛의 수명시험, 누설시험, 및 온도측정 시험을 수행한다.
수명시험은 씰 유닛(10)의 수명을 측정하기 위한 것으로, 씰 유닛(10)의 씰 유닛 구동부(100)에 장착한 후 탱크(120)의 약 70 내지 80%를 물로 채우고 나머지 공간은 공기로 채운 후 시험한다. 일 실시예에서, 탱크(120)에 정격 압력(씰 유닛을 연속적으로 사용할 수 있는 최대 압력)의 80%를 가하고 씰 유닛(10)의 정격 회전수(씰 유닛을 연속적으로 사용할 수 있는 최대 회전수)의 80%로 600시간 동안 회전시켜 시험할 수 있다.
일 실시예에서, 수명 시험의 개시전과 완료 후에 각각 종합 성능 시험을 수행하고, 수명 시험 시간(예컨대 600시간)의 50% 시점에서(예컨대 300시간 경과 후) 대표 성능 시험을 수행할 수 있다.
수명 시험의 개시 전에 시행하는 종합 성능 시험은 예컨대 누설 시험, 표면조도 시험, 진원도 시험, 및 온도측정 시험 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 누설 시험은 씰 유닛(10)의 기본 조건인 밀폐성능을 확인하기 위한 시험으로, 씰 유닛(10)에 정격 압력의 120 %의 공압(예컨대 정격압력 0.6MPa이면 0.72MPa)을 5분간 가하고 이 시간 동안 탱크(120) 내부의 압력변화를 측정한다. 일 실시예에서, 탱크(120) 내부의 압력변화가 3.5 kPa/min이내인 경우 정상 범위로 판단할 수 있다.
표면조도 시험은 씰 유닛(10)의 밀폐의 핵심 부품인 슬리브 또는 축의 성능을 평가하기 위한 것으로, 슬리브 또는 샤프트에서 씰 유닛(10)과 접촉하는 부분의 표면 조도를 측정하며 표면조도가 Ra 0.2㎛ 이내인 경우 정상으로 판단한다.
진원도 시험은 씰 유닛(10)의 부품인 슬리브 또는 축의 진원도를 측정하기 위한 시험이며, 슬리브 또는 샤프트의 베어링 장착부와 중심부의 진원도를 측정하여 진원도가 0.1mm 이내인 경우 정상으로 판단한다.
온도측정 시험은 씰 유닛(10)의 작동시 고장으로 발생하는 온도 상승을 측정하기 위한 시험으로, 씰 유닛(10)에 정격 압력의 공압을 가한 후 정격 회전수로 1시간동안 작동시킨 후 씰 유닛(10)의 하우징의 길이방향으로 표면 온도를 측정한다. 일 실시예에서 측정된 최대 표면 온도가 80℃ 이하인 경우 정상으로 판단할 수 있다.
수명 시험의 50% 시간 경과 후 수행하는 대표 성능 시험은 씰 유닛(10)을 씰 유닛 구동부(100)에서 탈거하지 않은 상태에서 시험할 수 있는 항목인 것이 바람직하다. 일 실시예에서 대표 성능 시험으로 누설 시험만 수행할 수 있다.
수명 시험의 완료 후에 시행하는 종합 성능 시험도 예컨대 누설 시험, 표면조도 시험, 진원도 시험, 및 온도측정 시험 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 각각의 시험에 대해 상술하였으므로 설명을 생략한다.
위와 같이 수명시험, 수명시험의 시작전과 완료 후에 수행하는 종합 성능 시험, 및 수명시험의 50% 시간에 수행하는 대표 성능 시험을 모두 수행한 후 각각의 평가기준을 모두 만족하면 해당 씰 유닛이 정상인 것으로 판단할 수 있다. 일 실시예에서 600시간을 가속 수명 시험시간으로 하여 복수개(예컨대 5개)의 샘플에 대해 위와 같은 시험을 수행하여 평가기준을 만족하면 신뢰수준 90%에서 B5 수명 1.8×104시간을 보장하는 것으로 규정할 수 있다.
이하에서는 본 발명에서 가속 수명 시험 시간을 설정하는 방법을 설명하기로 한다.
일반적으로 씰 유닛(10)의 수요처에서 요구하는 보증기간이 2년이라고 전제하면, 씰 유닛(10)이 적용된 설비 특성상 고장이 없는 한 장시간 정지하는 경우는 없으므로 보증수명은 2년과 등가인 1.8×104시간이다. 따라서 보증수명은 신뢰수준 90%로 B5 수명 1.8×104시간을 보장하는 것으로 설정한다.
그런데 상기 수명(1.8×104시간)을 보장하기 위해 2년동안 씰 유닛을 동작시키며 시험할 수는 없으므로, 가속 수명 시험시간을 도출하여 이 시간 동안 시험한 결과를 통해 수명을 보장하는지 여부를 판단하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서 가속 수명 시험시간은 무고장 시험시간(tn) 및 가속계수(AF)에 의해 결정된다.
무고장 시험시간(tn) 산출
위에서 계산된 씰 유닛(10)의 수명 1.8×104시간(B5 수명)을 보장하기 위한 무고장 합격 기준을 만족하는 시험시간의 계산은 다음에 따른다.
씰 유닛(10)의 수명이 형상 모수(β)가 3.0인 와이블(weibull) 분포를 따른다고 가정한다. 와이블 분포는 신뢰도 계산에서 널리 쓰이는 분포 중의 하나이며 형상 모수가 3인 경우 정규분포 곡선과 유사하게 나타난다. 이 경우 무고장 시험시간(tn)은 아래 수식1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112018047192174-pat00002
위 수식1에서, B100p은 보증 수명으로서, B5 수명 1.8×104시간으로 설정하였다. "B5 수명"은 모집단 샘플의 5%에 고장이 발생할 것이라고 예상되는 수명을 의미한다. 수식1에서 CL은 신뢰 수준(confidence level)을 의미하며 일 실시예에서 90%로 설정하였다. 신뢰수준을 설정하는 예시적 방법에 대해서는 도4 내지 도8을 참조하여 후술하기로 한다.
수식1에서 n은 시험 중인 전체 샘플의 개수로서 일 실시예에서 5이고, p는 불신뢰도(unreliability)로서, 일정 시점에서 고장나 있는 샘플의 수(누적고장확률)을 의미한다. 위에서 B5 수명을 보증수명으로 정했으므로 p=0.05이다. β는 와이블 분포의 형상 모수이며 일 실시예에서 3으로 설정하였다.
가속 계수(AF) 산출
씰 유닛(10)의 주 고장 모드는 교반기 내부 압력 상승시 슬리브 또는 축과 베어링에 가해지는 하중과 지속되는 회전에 의한 회전부의 마모 발생이다. 일 실시예에서 가속 수명 시험을 위한 압력의 가속지수는 씰 유닛에 사용되는 볼 베어링의 지수를 사용할 수 있고 회전수의 가속지수는 사용율 가속 지수를 사용할 수 있다. 또한 씰 유닛의 사용 압력은 정격 압력의 25%로 설정하고 사용 회전수는 정격 회전수의 40%로 설정하였다. 일 실시예에서 가속 수명 시험을 위한 압력과 회전수는 각각 정격 압력과 회전수의 80%로 하여 가속 수명 시험을 실시한다.
위와 같이 사용 환경 압력과 회전수 및 가속조건 압력과 회전수 등을 설정하면 가속계수(AF)는 아래 수식2에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112018047192174-pat00003
여기서 Ptest는 가속 조건 압력(MPa), Pfield는 사용 환경 압력(MPa), Vtest는 가속 조건 회전수(r/min), Vfield는 사용 환경 회전수(r/min)이다. 그리고 Pmax는 정격 압력(MPa)으로서, 씰 유닛(10)을 연속적으로 사용할 수 있는 최대 압력을 의미하며 일 실시예에서 0.6MPa로 설정하였고, Vmax는 정격 회전수(r/min)로서 씰 유닛(10)을 연속적으로 사용할 수 있는 최대 회전수이며 일 실시예에서 선속도로 8m/s로 설정하였다. 또한 m은 압력 가속 지수이고 n은 회전수 가속 지수이며 각각 m=3 및 n=1로 설정하였다.
가속 수명 시험 시간( t na ) 산출
상기 수식1 및 수식2에 따라 무고장 시험시간(tn)과 가속 계수(AF)를 각각 산출하면, 가속 수명 시험 시간(tna)은 아래 수식3에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112018047192174-pat00004
즉 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 600시간을 가속 수명 시험 시간으로 도출하였고, 이에 따라, 씰 유닛(10) 샘플 5개를 600시간 동안 가속 수명 시험한 후 5개 모두 고장이 없고 상술한 종합 성능의 평가 기준을 만족하면, 신뢰수준 90%에서 B5 수명 1.8×104시간을 보장하는 것으로 하였다.
도4 내지 도6은 일 실시예에 따라 신뢰수준(CL)을 결정한 예시적 방법을 나타낸다. 일 실시예에서 신뢰수준(CL)은 시험대상인 씰 유닛(10)의 경제성과 안전성에 대한 정량평가에 기초하여 결정될 수 있다. 도4는 씰 유닛의 경제성과 안전성에 대한 예시적인 정량평가 항목을 나타낸다. 도면에 따르면, 경제성 및 안전성에 대한 정량평가 항목으로서 샘플비용 항목, 시험비용 항목, 부품 고장에 따른 경제적 손실 항목, 및 안전성 항목을 포함한다.
샘플비용은 씰 유닛 시험에 사용되는 샘플에 대한 비용으로서 샘플의 가격과 샘플 개수를 고려할 수 있다. 시험비용은 시험에 소요되는 비용으로서 씰 유닛의 구동부(100), 데이터 수집 및 제어부(200), 및 데이터 처리장치(300)를 운용할 때의 동력 및 전기소모량을 고려할 수 있다. 부품 고장에 따른 경제적 손실 항목은 고장이 발생했을 때 씰 유닛을 장착한 장치(예컨대 교반기 장치)에 미치는 영향을 고려하는 것이며, 안전성은 고장이 발생했을 때 사람의 생명에 미치는 위험성을 고려하는 것이다.
일 실시예에서 이러한 경제성과 안전성에 대한 정량평가 항목을 발생빈도와 심각도 관점에서 정량화한다. 즉 도5에 도시한 것처럼 샘플비용, 시험비용, 부품 고장에 따른 경제적 손실, 및 안전성에 관한 문제가 어떤 빈도로 어느 정도 심각도로 발생하는지에 따라 상, 중, 하로 분류한 후 그에 따른 정량적 값(치명도)을 부여하고, 각 항목에 부여된 값을 모두 더한 합계를 구한다. 그 후 이 합계가 도6에 도시한 신뢰수준(CL) 결정표의 어느 등급에 속하는지에 따라 해당 시험에 대한 신뢰수준을 결정할 수 있다. 도시한 실시예에서는 합계가 28점이 나왔으므로 도6에서 2등급에 해당하여 신뢰수준(CL)을 90%로 결정하였음을 이해할 것이다.
이와 같이 일 실시예에 따르면 신뢰수준(CL)을 시험대상인 씰 유닛(10)의 경제성과 안전성에 대한 정량평가에 기초하여 결정하되, 경제성 및 안전성에 대한 정량평가 항목으로서 샘플비용 항목, 시험비용 항목, 부품 고장에 따른 경제적 손실 항목, 및 안전성 항목을 발생빈도와 심각도에 기초하여 각각 수치화한 값으로 나타내고 각 수치화한 값의 누적값에 따라 신뢰수준을 결정할 수 있다.
도7 및 도8은 대안적 실시예에 따라 신뢰수준(CL)을 결정하는 예시적 방법을 나타낸다. 이 대안적 실시예에 따르면 신뢰수준(CL)을 시험대상인 씰 유닛(10)의 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가에 기초하여 결정할 수 있다. 예를 들어 도7은 씰 유닛의 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가 항목을 나타낸다. 도면에 따르면 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가 항목으로서 슬리브의 편심, 조립불량, 및 진동에 관한 항목, 축(샤프트)의 편심, 조립불량, 및 진동에 관한 항목, 베어링의 진동과 과부하에 대한 항목, 하우징의 진동 및 충격에 관한 항목, 및 오-링의 노화에 관한 항목을 포함할 수 있다.
일 실시예에서 이러한 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가 항목을 발생빈도와 심각도 관점에서 정량화한다. 즉 도7에서 1-1 내지 5-1까지 구분번호를 부여한 각 항목이 어느 빈도로 어느 정도 심각도로 발생하는지에 따라 상도8에서와 같이 상, 중, 하로 분류한 후 그에 따른 정량적 값(치명도)를 부여하고, 각 항목의 치명도를 모두 더하여 합계를 구한다. 그리고 이 합계가 부품고장 메커니즘에 대한 정량평가에 관한 신뢰수준 결정표(도시 생략)의 어느 등급에 해당하는지에 따라 해당 시험에 대한 신뢰수준을 결정할 수 있다.
이와 같이 대안적 실시예에 따르면 신뢰수준(CL)을 시험대상인 씰 유닛의 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가에 기초하여 결정하되, 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가는 슬리브의 편심, 조립불량, 및 진동에 관한 항목, 축(샤프트)의 편심, 조립불량, 및 진동에 관한 항목, 베어링의 진동과 과부하에 대한 항목, 하우징의 진동 및 충격에 관한 항목, 및 오-링의 노화에 관한 항목을 발생빈도와 심각도에 기초하여 각각 수치화한 값으로 나타내고, 각 수치화한 값의 누적값에 따라 신뢰수준을 결정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 씰 유닛 구동부
200: 데이터 수집 및 제어부
300: 데이터 처리장치

Claims (14)

  1. 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치에 있어서,
    시험대상인 씰 유닛을 각각 장착하는 복수개의 씰 유닛 구동부로서, 각 씰 유닛 구동부는 기설정된 가속수명 시험시간 동안 상기 씰 유닛을 구동시키며 씰 유닛의 압력과 온도를 측정하는 압력센서 및 온도센서를 구비한, 복수개의 씰 유닛 구동부(100);
    상기 압력센서와 온도센서의 측정값을 각각의 상기 씰 유닛 구동부로부터 수신하고 상기 측정값에 기초하여 씰 유닛 구동부를 제어하는 데이터 수집 및 제어부(200); 및
    상기 데이터 수집 및 제어부로부터 상기 측정값을 수신하여 시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 측정값의 변동량을 디스플레이하는 데이터 처리장치(300);를 포함하고,
    각각의 상기 씰 유닛 구동부(100)는,
    상부에 씰 유닛을 장착하는 탱크(120);
    상기 탱크를 지지하는 프레임(110); 및
    구동모터(130);를 포함하고,
    상기 씰 유닛을 샤프트 어셈블리(140)가 관통하고, 상기 구동모터(130)는
    상기 샤프트 어셈블리(140)를 회전구동시키며, 상기 샤프트 어셈블리(140)의 상단은 상기 구동모터(130)에 결합되고, 상기 샤프트 어셈블리(140)의 하단부는 상기 탱크(120)의 내부에 위치하며,
    상기 샤프트 어셈블리(140)의 하단부는 상기 탱크(120)의 내부 표면과 이격되도록 구성되어 있고,
    상기 가속수명 시험시간은 무고장 시험시간(tn) 및 가속계수(AF)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탱크(120)는, 탱크 내로 기체를 주입하는 기체 주입구(121), 기체를 탱크 외부로 배출하는 기체 배출구(122), 탱크 내로 액체를 주입하는 액체주입구(123), 및 액체를 탱크 외부로 배출하는 배수구(124)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기체 주입구(121)와 기체 배출구(122)가 탱크(120)의 상단부에 인접한 탱크(120)의 측면에 형성되고, 상기 액체 주입구(123)는 탱크(120)의 하단에 인접한 탱크(120)의 측면에 형성되고, 상기 배수구(124)는 탱크(120)의 바닥에 인접한 측면 또는 바닥에 형성된 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압력센서가 상기 기체 배출구(122)에 설치되어, 상기 기체 배출구로부터 배출되는 기체의 압력을 측정하고 이로부터 상기 탱크 내부의 압력을 산출할 수 있고,
    상기 온도센서는 씰 유닛의 표면에 설치되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 씰 유닛 구동부(100)는 상기 샤프트 어셈블리(140)의 회전속도를 측정하는 RPM 센서를 더 포함하며,
    상기 데이터 수집 및 제어부(200)는, 각각의 씰 유닛 구동부에 장착된 씰 유닛에 대한 압력, 온도, 상기 샤프트 어셈블리(140)의 회전속도, 및 시험 누적시간을 디스플레이에 표시하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 데이터 수집 및 제어부(200)는, 상기 씰 유닛의 압력 및 온도 중 적어도 하나에 기초하여 각각의 씰 유닛 구동부의 운전을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 무고장 시험시간(tn)은 다음 식으로 정의되고,
    Figure 112018047192174-pat00005

    이 때 B100p은 보증수명, CL은 신뢰 수준, n은 시험 중인 전체 씰 유닛의 개수, p는 불신뢰도, 그리고 β는 형상 모수인 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가속계수(AF)는 다음 식으로 정의되고,
    Figure 112018047192174-pat00006

    이 때 Ptest는 가속조건 압력(MPa), Pfield는 사용환경 압력(MPa), Pmax는 정격 압력(MPa), Vtest는 가속조건 회전수(r/min), Vfield는 사용환경 회전수(r/min), Vmax는 정격 회전수(r/min), m은 압력 가속 지수, 그리고 n은 회전수 가속 지수인 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 장치.
  9. 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법에 있어서,
    시험대상인 씰 유닛을 각각 장착한 복수개의 씰 유닛 구동부를 구동시키면서 각각의 씰 유닛의 압력과 온도 및 씰 유닛의 샤프트 어셈블리의 회전속도를 측정하는 단계;
    상기 씰 유닛의 압력, 온도, 샤프트 어셈블리의 회전속도, 및 시험 누적시간을 디스플레이하는 단계; 및
    시험 개시부터 현재까지의 시간에 따른 상기 씰 유닛의 압력, 온도, 및 샤프트 어셈블리의 회전속도의 변동량을 디스플레이하는 단계;를 포함하고,
    상기 시험 방법은 복수개의 상기 씰 유닛을 기설정된 가속수명 시험시간 동안 구동하도록 구성되고, 상기 가속수명 시험시간은 무고장 시험시간(tn) 및 가속계수(AF)에 의해 결정되는 것이고,
    각각의 상기 씰 유닛 구동부는, 상부에 씰 유닛을 장착하는 탱크; 상기 탱크를 지지하는 프레임; 및 구동모터(130);를 포함하고,
    상기 씰 유닛을 샤프트 어셈블리(140)가 관통하고, 상기 구동모터(130)는
    상기 샤프트 어셈블리(140)를 회전구동시키며, 상기 샤프트 어셈블리(140)의 상단은 상기 구동모터(130)에 결합되고,
    상기 샤프트 어셈블리(140)의 하단부는 상기 탱크(120)의 내부에 위치하며,
    상기 샤프트 어셈블리(140)의 하단부는 상기 탱크(120)의 내부 표면과 이격되도록 구성되어 있는 것인, 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 측정하는 단계에서 측정된 상기 씰 유닛의 압력 및 온도 중 적어도 하나에 기초하여 각각의 씰 유닛 구동부의 운전을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 무고장 시험시간(tn)은 다음 식으로 정의되고,
    Figure 112018047192174-pat00007

    이 때 B100p은 보증수명, CL은 신뢰 수준, n은 시험 중인 전체 씰 유닛의 개수, p는 불신뢰도, 그리고 β는 형상 모수인 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가속계수(AF)는 다음 식으로 정의되고,
    Figure 112018047192174-pat00008

    이 때 Ptest는 가속조건 압력(MPa), Pfield는 사용환경 압력(MPa), Pmax는 정격 압력(MPa), Vtest는 가속조건 회전수(r/min), Vfield는 사용환경 회전수(r/min), Vmax는 정격 회전수(r/min), m은 압력 가속 지수, 그리고 n은 회전수 가속 지수인 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 신뢰수준은 시험대상인 씰 유닛의 경제성과 안전성에 대한 정량평가에 기초하여 결정되되, 상기 경제성과 안전성에 대한 정량평가는, 샘플비용 항목, 시험비용 항목, 부품 고장에 따른 경제적 손실 항목, 및 안전성 항목을 발생빈도와 심각도에 기초하여 각각 수치화한 값으로 나타내고, 각 수치화한 값의 누적값에 따라 상기 신뢰수준이 결정되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 신뢰수준은 시험대상인 씰 유닛의 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가에 기초하여 결정되되, 상기 부품 고장 메커니즘에 대한 정량평가는, 슬리브의 편심, 조립불량, 및 진동에 관한 항목, 축(샤프트 어셈블리)의 편심, 조립불량, 및 진동에 관한 항목, 베어링의 진동과 과부하에 대한 항목, 하우징의 진동 및 충격에 관한 항목, 및 오-링의 노화에 관한 항목을 발생빈도와 심각도에 기초하여 각각 수치화한 값으로 나타내고, 각 수치화한 값의 누적값에 따라 상기 신뢰수준이 결정되는 것을 특징으로 하는 무윤활 회전 씰 유닛의 시험 방법.
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