KR102315381B1 - 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온 고압의 수질 환경에서의 재료의 물성을 평가하기 위한 오토클레이브 시험장치에서 구동요소에서 발생되는 마찰력을 보정하기 위한 방법에 관한 것으로, 오토클레이브(110)와, 기밀부재(121)를 매개로 하여 상기 오토클레이브(110)에 변위 구동 가능하게 마련되어 시편(10)에 하중을 인가하는 구동로드(120)와, 상기 구동로드(120)에 작용하는 하중과 변위 측정하게 되는 검출부를 포함하는 시험기(100)와; 상기 검출부에서 검출된 데이터를 수신하는 데이터 취득부(210)와; 상기 데이터 취득부(210)에 수신된 데이터를 출력하는 모니터링부(220)와, 구동로드(120)에 인가되는 하중을 입력하기 위한 컨트롤러(230)를 포함하는 시험장치에서 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법에 있어서, 실험 타겟 하중을 설정하는 제1단계(S10)와; 오토클레이브에 시편이 위치한 상태에서 인가된 실험 타겟 하중에 대한 구동로드의 변위를 측정하는 제2단계(S20)와; 오토클레이브에 시편이 없는 상태의 고온 고압의 수질 조건에서 제2단계에서 측정된 변위만큼 구동로드를 변위 왕복하여 구동하는 제3단계(S30)와; 제3단계에서 변위 왕복에 따른 하중을 측정하는 제4단계(S40)와; 제4단계(S40)에서 측정된 하중과 시간에 대한 관계로부터 운동마찰력을 결정하는 제5단계(S50)와; 제5단계(S50)에서 결정된 운동마찰력을 반영하여 시편에 가하는 타겟 하중을 보정하는 제5단계(S60)를 포함한다.

Description

오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법{Method for compensation of friction force at sealing parts in actuator of autoclave}
본 발명은 고온 고압의 수질 환경에서의 재료의 물성을 평가하기 위한 오토클레이브 시험장치에서 구동요소와 기밀부재 사이에서 발생되는 마찰력을 보정(calibration)하기 위한 방법에 관한 것이다.
오토클레이브(Autoclave) 장치는 고온 및 고압의 수질 환경에서 재료의 거동을 연구하기 위한 실험 목적으로 개발되었다. 고압 환경에서 누수를 방지하기 위한 가스켓을 사용하여 밀봉이 이루어지며, 시편에 하중을 전달하기 위한 구동부는 구조적 특성상 완전한 기계적 밀봉(sealing)이 어려우며, O-링 등의 고무패킹을 사용하여 누수를 차단하게 된다.
한편, 고무패킹은 고온 및 고압 환경에서 액체나 기체의 누수를 차단해야하기 때문에 타이트하게 여러 겹으로 설치되며, 따라서 이러한 밀봉 구조에서는 패킹과 시험기의 구동부 사이의 접촉면 사이에서 마찰력이 필연적으로 발생된다. 또한 시험기의 구동부를 움직일 때마다 마찰력이 변하기 때문에 마찰력이 '영'인 지점을 정확히 찾기 어려우며, 이로 인하여 하중 보정(load calibration) 시에 많은 어려움이 발생한다. 즉, 구동부가 위로 이동한 후에 정지되면 그 반대 방향인 아래로 마찰력이 작용하고 구동부가 아래로 이동한 후에 정지되면 윗 방향으로 마찰력이 작용하여 구동부의 운동 방향과 반대 방향으로 구동부와 기밀요소 사이에는 마찰력이 발생한다.
이와 같이 구동부의 상하 동작에 의해 마찰력이 발생되면서 시편에 하중이 전달되므로, 시편에 인가될 타겟 하중과 실제 시편에 인가되는 하중의 차이가 발생되고 이는 실험 결과에 큰 오차를 유발하게 된다. 그러나 현재의 오토클레이브 장치에서 이루어지는 실험에서는 고온과 고압 환경에서 마찰력을 측정할 수 있는 장치가 없어서 마찰력의 영향을 무시하고 실험이 이루어지고 있는 실정이며, 시험기에 따라서 마찰력의 값이 상당하여 실험 결과에 큰 오차가 발생한다.
공개특허공보 제10-2010-0042412호(공개일자: 2010.04.26.)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 고온 고압의 수질 환경에서의 재료의 물성을 평가하기 위한 오토클레이브 장치에서 하중을 발생시키기 위한 구동요소와 그 기밀을 위한 기밀요소 사이에서 발생되는 마찰력의 보정(calibration)을 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법은, 고온 고압의 수질 환경을 유지하게 되는 오토클레이브와, 기밀부재를 매개로 하여 상기 오토클레이브에 변위 구동 가능하게 마련되어 시편에 하중을 인가하게 되는 구동로드와, 상기 구동로드에 작용하는 하중과 변위 측정하게 되는 검출부를 포함하는 시험기와; 상기 검출부에서 검출된 데이터를 수신하는 데이터 취득부와; 상기 데이터 취득부에 수신된 데이터를 출력하는 모니터링부와, 구동로드에 인가되는 하중을 입력하기 위한 컨트롤러를 포함하는 시험장치에서 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법에 있어서, 실험 타겟 하중을 설정하는 제1단계와; 상기 오토클레이브에 시편이 위치한 상태에서 인가된 실험 타겟 하중에 대한 상기 구동로드의 변위를 측정하는 제2단계와; 상기 오토클레이브에 시편이 없는 상태의 고온 고압의 수질 조건에서 제2단계에서 측정된 변위만큼 상기 구동로드를 변위 왕복하여 구동하는 제3단계와; 제3단계에서 변위 왕복에 따른 하중을 측정하는 제4단계와; 제4단계에서 측정된 하중과 시간에 대한 관계로부터 운동마찰력을 결정하는 제5단계와; 제5단계에서 결정된 운동마찰력을 반영하여 시편에 가하는 타겟 하중을 보정하는 제5단계를 포함한다.
바람직하게는, 제5단계는 측정된 하중과 시간을 축으로 하는 그래프에서 양방향의 포화된 하중의 절대값을 평균한 것을 운동마찰력으로 결정된다.
제5단계에서 시편에 가해지는 타겟 하중은 설정 하중 + 운동마찰력이다.
본 발명의 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법은, 구동요소에 작용하는 마찰력을 간접적으로 측정하고 이를 반영하여 목표 시편에 운동마찰력을 반영하여 보정함으로써 시편에 인가될 타겟 하중을 정확하게 전달이 가능하여 실험 결과의 정확성과 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 측정을 위한 시험 설비를 보여주는 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 측정방법을 보여주는 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 운동마찰력을 결정하기 위한 하중(마찰력)과 시간 사이의 그래프를 예시하여 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적인 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 측정을 위한 시험 설비를 보여주는 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 피로 시험장치는 고온 고압의 수질 환경에서 시편(10)에 하중을 인가하여 물성의 실험이 이루어지는 시험기(100)와, 시험기(100)에서 발생된 하중과 변위를 수신하게 되는 데이터 취득부(210)와, 데이터 취득부(210)에서 취득된 데이터를 출력하게 되는 모니터링부(220)와, 구동로드(120)에 인가되는 하중을 입력하기 위한 컨트롤러(230)를 포함한다.
시험기(100)는 시편(Compact Tension specimen; CT)(10)이 장착되어 고온 고압의 환경을 유지하게 되는 오토클레이브(110)와, 기밀부재(121)를 매개로 하여 오토클레이브(110)에 직선 구동이 가능하게 마련되어 시편(10)에 하중을 인가하게 되는 구동로드(120)와, 구동로드(120)에 인가되는 하중을 측정하게 되는 로드셀(130)과, 그 변위를 검출하기 위한 변위센서(미도시)로 구성된 검출부를 포함한다.
구동로드(120)는 오토클레이브(110)의 상부에 상하 변위 구동이 가능하게 마련되며, 오토클레이브(110)와 구동로드(120) 사이에는 기밀을 위한 기밀부재(121)가 마련된다. 기밀부재(121)는 고압 시스템에서도 동적 씰링 효과가 우수한 스텝씰(stepseal)에 의해 제공될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
변위센서는 구동로드(120)의 변위를 측정하기 위한 주지의 변위검출수단이 사용될 수 있으며, 예를 들어, LVDT에 의해 제공될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
데이터 취득부(210)는 로드셀(130)과 변위센서로부터 전달된 하중과 변위를 수신하게 되며, 이 데이터는 모니터링부(220)를 통하여 출력된다.
모니터링부(220)는 출력된 하중(마찰력)과 시간(피로주기)에 대한 그래프를 통하여 구동로드에서 발생되는 운동마찰력을 결정할 수 있으며, 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 구동로드에 대한 운동마찰력이 결정되면 이를 목표 시편에 가하는 하중에 더하여 보정함으로써 구동로드와 기밀부재 사이에서 발생되는 마찰력을 보정하여 실험 결과의 정확성과 신뢰성을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 보정방법을 보여주는 흐름도이다.
본 발명에서 오토클레이브 구동요소의 마찰력에 대한 보정은 구동요소에 작용하는 마찰력을 간접적으로 측정하고 이를 반영하여 시편에 정확한 하중을 전달하는 것을 기술적 요지로 하는 것이다.
구체적으로, 도 2를 참고하면, 상술한 시험장치에서 오토클레이브 구동로드의 마찰력 보정방법은, 실험 타겟 하중을 설정하는 제1단계(S10)와; 오토클레이브(110)에 시편(10)이 위치한 상태에서 인가된 하중에 대한 구동로드(120)의 변위를 측정하는 제2단계(S20)와; 오토클레이브(110)에 시편이 없는 상태에서 제2단계(S20)에서 측정된 변위만큼 구동로드(120)를 변위 왕복하여 구동하는 제3단계(S30)와; 제3단계(S30)에서 변위 왕복에 따른 하중을 측정하는 제4단계(S40)와; 제4단계(S40)에서 측정된 하중과 시간에 대한 관계로부터 구동로드(120)의 운동마찰력을 결정하는 제5단계(S50)와; 제5단계(S50)에서 결정된 운동마찰력을 반영하여 시편(10)에 가하는 타겟 하중을 보정하는 제5단계(S60)를 포함한다.
제1단계(S10)는 마찰력에 대한 보정을 수행하기 위한 실험 타겟 하중을 결정하며, 마찰력 보정을 위한 임의로 결정된 하중 값이 사용될 수 있다.
제2단계(S20)는 시편(10)을 설치한 후에 실험 타겟 하중을 시편에 인가하게 되며, 이때 발생된 변위를 측정하여 기록하여 이후 마찰력 측정에 사용된다.
제3단계(S30)는 오토클레이브(110)에 시편(10)이 없는 상태의 고온 고압의 수질 환경에서 제2단계(S20)에서 측정된 변위만큼 구동로드(120)를 동일 파형의 변위를 반복적으로 변화시킨다.
제4단계(S40)는 제3단계(S30)에서 변위 왕복에 따른 하중을 기록한다.
제5단계(S50)는 제4단계(S40)에서 측정된 하중과 시간에 대한 관계로부터 운동마찰력을 결정하게 된다. 구체적인 예로써, 도 3은 제2단계에서 측정된 하중(마찰력)과 시간 사이의 그래프를 예시하여 보여주고 있다.
도 3을 참고하면, 변위 모드 상태로 양쪽 방향의 변위 왕복 과정에서 최대 변위에서의 하중은 정지마찰력이 되고 이후 해당 방향으로 일정한 하중이 운동마찰력으로 측정되며, 따라서 검출된 하중과 시간 사이의 그래프에서 일정 주기 이상에서 하중값(즉, 마찰력)은 일정한 값으로 수렴하게 되는 saturation되는 하중 값으로부터 운동마찰력을 결정할 수 있다. 도 3에서는 측정된 그래프에서 양방향 운동마찰력의 절대값을 평균하여 운동마찰력의 보정 값으로 결정된 것을 보여주고 있다.
다시 도 2를 참고하면, 이와 같이 결정된 운동마찰력은 구동로드와 기밀부재 사이의 마찰력에 대한 보정 값으로 반영하여 목표 시편에 인가되는 타겟 하중을 보정의 이루어질 수 있다.
Figure 112019097174619-pat00001
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 시험기 110 : 오토클레이브
120 : 구동로드 121 : 기밀부재
210 : 데이터 취득부 220 : 모니터링부
230 : 컨트롤러

Claims (3)

  1. 고온 고압의 수질 환경을 유지하게 되는 오토클레이브와, 기밀부재를 매개로 하여 상기 오토클레이브에 변위 구동 가능하게 마련되어 시편에 하중을 인가하게 되는 구동로드와, 상기 구동로드에 작용하는 하중과 변위 측정하게 되는 검출부를 포함하는 시험기와; 상기 검출부에서 검출된 데이터를 수신하는 데이터 취득부와; 상기 데이터 취득부에 수신된 데이터를 출력하는 모니터링부와, 구동로드에 인가되는 하중을 입력하기 위한 컨트롤러를 포함하는 시험장치에서 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법에 있어서,
    실험 타겟 하중을 설정하는 제1단계와;
    상기 오토클레이브에 시편이 위치한 상태에서 인가된 실험 타겟 하중에 대한 상기 구동로드의 변위를 측정하는 제2단계와;
    상기 오토클레이브에 시편이 없는 상태의 고온 고압의 수질 조건에서 제2단계에서 측정된 변위만큼 상기 구동로드를 변위 왕복하여 구동하는 제3단계와;
    제3단계에서 변위 왕복에 따른 하중을 측정하는 제4단계와;
    제4단계에서 측정된 하중과 시간에 대한 관계로부터 운동마찰력을 결정하는 제5단계와;
    제5단계에서 결정된 운동마찰력을 반영하여 시편에 가하는 타겟 하중을 보정하는 제5단계를 포함하는 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법.
  2. 제1항에 있어서, 제5단계는 측정된 하중과 시간을 축으로 하는 그래프에서 양방향의 포화된 하중의 절대값을 평균한 것을 운동마찰력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법.
  3. 제2항에 있어서, 제5단계에서 시편에 가해지는 타겟 하중은 설정 하중 + 운동마찰력인 것을 특징으로 하는 오토클레이브 구동요소의 마찰력 보정방법.
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