KR20010102724A - 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 방법과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시험장비의 일종인 일정하중 동시 크리프 시험장치의 기능을 향상시키고 제작비를 절감하여 경제성을 부여한 것이다.

일반적으로 크리프 시험 장치는 기본적으로 시험시간 동안 목적온도의 정확성과 균일성을 유지하여야 하며, 또한 설정작용하중이 일정하게 시험편에 작용하여야 한다.

그러나 기존의 레버 암 식(lever arm) 일정하중 크리프 시험기 중 수동식인 경우는 시험기간 동안 시험편의 변위량 만큼 레버 암(lever-arm)이 지면방향으로의 처짐이 발생하게 되어 하중이 변하기 때문에 정확한 실험결과를 얻을 수 없다.

반면에 자동식은 정확한 레버-비(lever ratio)로 이루어진 레버 암(lever-arm)이 항상 수평을 유지하여 일정하중이 작용하도록 할 수는 있으나, 수평센서와 자동구동기구(automatic drawhead system) 등이 추가로 필요하기 때문에 제작비의 상승과 기계구조의 복잡화 등이 단점으로 대두된다.

따라서 본 발명에서는 크리프 시험 규격 ASTM E 139를 만족시키면서 단식 크리프 시험기보다 크리프 시험 결과의 생산속도가 여섯 배나 빠르고, 제작비가 저렴하면서 구조가 간단한 다중 레버 암 식 일정하중 동시 크리프 시험 방법과 장치이다.

Description

다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 방법과 장치{ Creep testing method and equipment with multi-lever arm and load cell }

본 발명은 여러 개의 로드셀과 레버 암을 방사형으로 장착한 다중 레버 암 식 일정하중 동시 크리프 시험방법과 장치에 관한 것이다.

한 개의 고온 전기로 내에 여섯 개의 레버 암(lever arm)을 60˚의 등각도를 이루면서 방사형으로 설치되어 있고, 각 레버 암(lever arm)의 끝단에 수준기 (level vial)와 당김 봉(pull rod)에 로드 셀(load cell)을 장착하고, 당김 봉(pull rod)와 로드 셀(load cell)사이에 턴버클(turnbuckle)를 설치하여 크리프 시험 동안 일정한 하중을 여섯 개의 시험편에 작용시켜 동시에 크리프 시험을 수행할 수 있는 다중 레버 암 일정하중 동시 크리프 시험 방법과 장치에 관련된다.

기존의 레버 암(lever arm) 크리프 시험기는 두 가지 형태가 있다.

하나는 시험하는 동안 시험편의 변위량 만큼 레버 암(lever-arm)이 지면으로의 처짐이 불가피하게 발생되게 설계된 수동식과 다른 또 하나는 정확한 레버-비(lever ratio)로 일정하중이 작용하도록 구동기구에 의해 레버 암(lever-arm)이 항상 수평을 유지하도록 설계된 자동식이 있다.

크리프 시험은 특성상 시험시간의 변화에 따라서 설정온도의 정확성과 균일성을 유지하여야 하며, 또한 설정작용하중이 일정하게 시험편에 작용하여야 하나, 전자는 엄밀히 말하면 시험하는 동안 하중이 변하기 때문에 정확한 실험결과를 얻을 수 없으며, 후자는 전자의 단점을 보완할 수는 있으나 상대적으로 수평센서와자동구동기구(automatic drawhead equipment) 등이 추가로 필요하기 때문에 제작비의 상승과 기계구조의 복잡화 등이 단점으로 대두된다.

또한 전술한 두 종류의 크리프 시험기를 멀티-레버암 방식으로 제작된 시험기들은 레버 암이 일렬로 조합한 형태를 하고 있기 때문에, 레버 암에 각각 연결된 당김 봉의 개수에 비례하여 고온전기로의 크기가 커져야하는데 이럴 경우에 시험편에 균일한 온도를 유지시키기가 어렵고, 그렇지 않으면 당김 봉 개수만큼의 전기로를 부착하여야 하는데 이럴 경우에도 전기적 소모와 더불어 생산비가 많이 든다.

또한 레버 비(lever ratio)에 의해 당김 봉에 연결된 시험편에 전달되는 크리프 인장하중은 시험이 진행됨에 따라 시험편이 길이방향으로 늘어나는데, 이로 인하여 수평의 유지하던 레버 암이 지면방향으로 기울어지면서 모우멘트의 원리에 의해서 레버 암 길이의 감소를 초래하기 때문에 실제적으로 작용하중이 감소하게 된다.

그러나 자동식인 경우, 이를 보정하기 위해서 레벨 센서를 부착하여 수평으로부터 기울어진 레버 암의 각도를 검출하고, 자동 구동장치(automatic drawhead)를 작동시켜 레버 암을 수평으로 유지하는데, 이런 경우는 주로 단식 크리프 시험기(single station creep tester)에는 적합하지만, 다중 하중 방식 크리프 시험기(muti-station creep tester)에는 경제적이지 못하다.

이유로는 레버 센서를 통한 컴퓨터 제어와 자동 구동장치(automatic drawhead equipment)설치로 인한 제작비용 증가와 시험기 기계구조의 복잡화로 인한 시험기의 대형화가 불가피하다.

따라서 크리프 시험의 특성상 시험 요구 조건(ASTM E 139)을 만족하면서 제작비용이 저가이고, 단순한 구조의 시험기 제작이야말로 매우 경제적이고, 효율적이다.

본 발명은 종래 기술 항목에서 설명한 바와 같이, 기존 크리프 시험기의 단점을 보완할 수 있는 기계 구조가 간단하면서 크리프 시험기로서의 구비 조건을 만족시키는 경제적이고 생산적인 다중 일정하중 동시 크리프 시험 장치와 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명의 여섯 개의 로드셀(14)과 레버암(12), 한 개의 전기로(8)를 가진 다중레버 암 식 일정하중 동시 크리프 시험 장치의 평면도

도 2는 본 발명의 여섯 개의 로드셀(14)과 레버암(12), 한 개의 전기로(8)를 가진 다중레버 암 식 일정하중 동시 크리프 시험 장치의 정면도

도 3은 본 발명의 여섯 개의 로드셀(14)과 레버암(12), 한 개의 전기로(8)를 가진 다중레버 암 식 일정하중 동시 크리프 시험 장치의 우측면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(5) : 무게 추 (6) : 당김 봉

(7) : 전용테이블 (8) : 전기로

(10) : 상부 판 (12) : 레버 암

(13) : 무게 봉 (14) : 로드셀

(15) : 턴 버클 (16) : 수준기

본 발명에서는 다중 레버 암 식 일정하중 크리프 시험기(multi-lever arm type constant loading creep tester)가 시험기간 동안 일정하중을 유지하도록 다음과 같은 두 가지 방법을 응용하였다. 하나는 각각의 당김 봉(6)의 연결부에 로드셀(14)을 장착하여 크리프 시험 동안 작용하중의 변화를 실시간으로 감지하고, 콘트롤 박스(control box)의 상단에 있는 표시창(display)에 나타나도록 하여 감소된 하중의 변화량만큼 간단하게 무게 추(5,dead weight)를 더하여 일정하중을 유지하도록 하였다.

다른 또 하나의 방법은 레버 암(12) 끝단 측면부에 아주 간단한 수준기(16)를 부착하여 레버 암(12)의 수평상태를 직접 눈으로 확인할 수 있도록 하였다.

일반적으로 크리프 시험을 하는 동안 시험편의 길이방향으로의 변형에 의해 레버 암이 지면 방향으로 처지게 되는데, 이 처짐량을 보정해 주기 위하여 당김 봉(6) 연결 하단 부에 턴 버클(turnbuckle : 왼 나사와 오른 나사를 동시에 연결한 기구, 15)를 장착하여 턴 버클을 스패너 등으로 수준기의 수평상태를 보면서 레버 암의 수평을 유지하도록 하였다.

또한 크리프 시험에서 중요한 변수 하나가 시험편에서의 설정한 온도의 균일성이다. 따라서 시험편의 전체의 길이와 넓이의 공간에서 온도의 구배를 없애기 위하여 기존의 일체식 사각형 전기로(box furnace)와 당김 봉 개수만큼의 여러 개의 관상로(tube furnace) 대신에, 60˚의 등각도로 방사형으로 배열되어 있는 여섯 개의 레버 암에 연결된 당김 봉를 수용할 수 있도록 설계된 한 개의 절개형 3상 관상 전기로(split type three-zone electrical tube furnace, 8)를 설치하였다.

그리하여 시험편의 수직방향으로 균일 온도구역(uniform zone)이 15㎝ 이상이 되도록 하였다.

또한 절개형 관상로를 설치한 이유로는 시험편의 장착과 각각의 시험편의 표면온도를 측정할 수 있도록 시험편의 중앙부에 열전대(thermocouple)를 부착하게 되는데 이러한 작업을 용이하도록 작업공간을 확보하기 위해서 이다.

본 시험기에 부착된 전기로는 비교적 체적이 크기 때문에 무겁다. 일반적으로 다른 시험기에서는 크리프 시험기 본체의 어떤 한 기둥에 설치하는데, 이럴 경우 여러 번 전기로를 여닫다 보면 전기로 자중에 의한 편심이 발생하여 필연적으로 부싱(bushing)의 마모와 고정볼트의 느슨해짐 등으로 인하여 한 쪽으로 기울게 된다. 그러므로 시험편에 대한 균일 온도 유지에도 악 영향을 미치게 된다.

따라서 이를 보완하기 위하여 전기로의 설치 방법을 개선하였다.

즉 시험기 본체에 전기로를 받칠 수 있는 전용테이블(7)을 설치하고, 그 위에 두 개의 레일을 수평으로 나란히 장착하여 전기로의 바닥에 달린 로울러 (roller)가 그 레일을 따라 움직이도록 하여 전기로의 여닫이와 이동이 용이하도록 하였다.

이렇게 발명된 크리프 시험기가 시험되는 동안 시험에 관한 정보, 즉 작용하중, 온도, 시간, 시험편의 크리프 변형률 등이 실시간으로 데이터 어퀴시션 보드(data aquisition board)와 전용 프로그램을 사용하여 컴퓨터에 자동적으로 저장되고, 모니터에 표시되도록 하였다.

본 발명은 금속재료의 크리프 시험에 대한 규격인 ASTM E 139의 시험조건을 만족시키면서 동일 온도 최대 1000℃, 최대 작용하중 1000㎏까지의 시험능력을 갖춘 다중 레버 암 식 일정하중 크리프 시험기(multi-lever arm type constant loading creep tester)로서 6개의 시험편에 대해서 동시에 크리프 시험을 수행할 수 있는 크리프 시험기에 관한 것이다.

본 발명 방법은 최대 시험온도 1000℃, 최대 작용하중 1000kg에서 시험기간 동안 균일한 온도와 일정하중을 유지하도록 다음과 같은 두 가지 방법을 응용하였다.

하나는 여섯 개의 당김 봉(6)에 로드셀(14)을 장착하여 크리프 시험 동안 작용하중의 변화를 실시간으로 감지하고 인디케이터(indicator)에 표시되도록 하여 감소된 하중의 변화량만큼 간단하게 무게 추(dead weight, 5)를 더하여 일정하중을 유지하도록 하였다.

다른 또 하나의 방법은 레버 암 식 일정하중 크리프 시험기(lever arm type constant loading creep tester)의 경우, 기본적으로 레버 암(12)이 지면에 대해서 수평을 유지하고 있을 때 일정하중이 유지되므로, 레버 암 끝단 측면 부에 아주 간단한 수준기(level vial, 16)를 부착하여 레버 암(12)의 수평상태를 직접 눈으로 확인할 수 있도록 하였다.

이 때 크리프 시험동안 시험편의 길이방향으로의 변형에 의해 레버 암(lever arm, 12)이 지면 방향으로 처지게 되는데, 이 처짐량을 보정해 주기 위하여 당김 봉(6) 연결 하단 부에 턴버클(turnbuckle, 왼 나사와 오른 나사를 동시에 연결한 기구,15)를 장착하여 수준기의 수평상태를 보면서 턴버클(turnbuckle, 15)를 공구 스패너 등으로 레버 암(lever arm, 12)의 수평을 유지하도록 하였다.

또한 크리프 시험에서 중요한 변수 하나가 시험편에서의 설정한 온도의 균일성이다.

따라서 시험편의 전체의 길이와 넓이의 공간에서 온도의 구배를 없애기 위하여 기존의 일체식 직사각형 전기로, 또는 당김 봉 개수만큼의 관상로(tube furnace) 설치 대신에, 60˚의 등각도로 방사형으로 배열되어 있는 여섯 개의 레버 암(lever arm, 제 1도)에 연결된 당김 봉(6)을 수용할 수 있도록 설계된 한 개의 절개형 3상 관상 전기로(split type three-zone electrical tube furnace, 8)를 설치하여 시험편의 수직방향으로 균일 온도구역(uniform zone)이 15㎝ 이상이 되도록 하였다.

또한 절개형 관상로를 설치한 이유로는 시험편의 장착과 각각의 시험편의 표면온도를 측정할 수 있도록 시험편의 중앙부에 열전대(thermocouple)를 부착하게 되는데 이러한 작업을 용이하도록 작업공간을 확보하기 위해서 이다.

본 시험기에 부착된 전기로(8)는 비교적 체적이 크기 때문에 무겁다. 일반적으로 다른 시험기에서는 크리프 시험기 본체의 어떤 한 기둥에 설치하는데, 이럴 경우 여러 번 전기로를 사용하다보면 전기로 자중에 의한 편심이 발생하여 필연적으로 bushing의 마모와 고정볼트의 느슨해짐 등으로 인하여 한 쪽으로 기울게 된다. 그러므로 시험편에 대한 균일온도 유지에도 악 영향을 미치게 된다.

따라서 이을 보완하기 위하여 전기로의 설치 방법을 개선하였다. 즉 시험기 본체에 전기로 테이블(7)을 설치하고, 그 위에 두 개의 레일을 수평으로 나란히 장착하여 전기로의 바닥에 달린 로울러(roller)가 그 레일을 따라 움직이도록 하여 전기로의 여닫이와 이동이 용이하도록 하였다.

이렇게 발명된 크리프 시험기가 시험되는 동안 시험에 관한 정보, 즉 작용하중, 온도, 시간, 시험편의 크리프 변형률 등이 실시간으로 데이터 어퀴시션 보드와 전용 프로그램을 사용하여 컴퓨터에 자동적으로 저장되고, 모니터에 표시되도록 하였다.

본 발명은 3 부분(몸체부(도 1, 도 2, 도 3), 전기로(8), 제어 및 실험결과 자료처리부(control & data aquisition system)으로 구성되어 있으며, 서로 분리되어 있다.

도면 중 미설명 부호 1은 레벨풋(Level Foot), 2는 베드, 3은 웨이트 테이블, 4는 버텀 테이블, 9는 서포트바, 11은 레벨 브라켓이다.

[실시 예 1] : 레버 암의 수평유지로 시험편에 일정하중을 작용시키는 경우

본원에 발명된 시험기는 레버 비(lever ratio)가 10 : 1로 설계되었으며, 레버 암(12)이 시험기 본체 상부 판(top frame, 10)과 항상 수평을 이룰 때, 시험편에 일정한 작용하중이 유지된다.

기존의 레버 암 식 크리프 시험기 중에서 수동의 경우는 일정하중을 유지시킬 수 없기 때문에 신뢰성이 부족하다.

자동의 경우는 정확한 일정하중을 유지시킬 수는 있지만 레벨 센서(level sensor)과 자동구동 장치(automatic drawhead system) 등이 추가로 필요하기 때문에 제작비의 상승과 기계구조의 복잡화가 필연적이다.

따라서 본원에서는 레버 암(12)의 수평을 확인하는 방법으로 레버 암(12)의 끝단 부에 전통적으로 사용해오는 간단하고, 값이 저렴한 수준기(level vial, 16)를 수평으로 부착하여 수평상태를 관찰한다.

수준기의 수포가 수준기 중앙눈금에 위치할 때까지 당김 봉(6)에 연결된 턴버클(15)을 공구 스패너로 돌려 조정함으로써 일정하중 유지 시험조건을 만족시킨다.

[실시 예 2] : 로드셀을 이용한 인디케이터(indicator)의 하중 지시 값으로 일정하중을 유지시키는 경우

레버 비(lever ratio) 10 : 1로 설계된 본 시험기의 레버 암(12)은 크리프 시험이 진행되는 동안 시험편의 길이방향으로의 변형이 생기기 때문에 지면으로 처짐이 생긴다.

따라서 레버 암(12)의 수평길이가 처짐 각도(θ)의 코사인θ 값만큼의 감소효과를 초래하기 때문에 모우멘트 원리에 의해 작용 하중의 감소를 발생시킨다.

이 때 당김 봉(6)에 부착된 로드셀(14)을 통해 나타난 인디케이터 (indicator)의 지시 값을 확인함으로써 쉽게 정량적으로 하중의 변화 값을 알 수 있다. 따라서 감소된 작용하중 값은 도입된 레버 비(10 : 1)에 의한 값으로 환산하여 그에 맞은 무게 추(dead weight, 5)를 무게 봉(weight rod, 13)에 더함으로써 일정한 하중 값을 간단하게 유지시킨다.

[실시 예 3] : 여섯 개의 레버 암 과 로드셀 설치

크리프시험은 특성상 대부분 장시간의 시험을 요구하기 때문에 시험결과의 생산속도가 늦다. 따라서 본원에 발명된 크리프 시험기는 여섯 개의 레버 암(제1도, 12)과 로드셀(14)을 60°의 등각도로 방사형으로 설치하여 동일 시험 온도에서 동시에 여섯 개의 크리프 시험을 수행할 수 있어 시험결과의 생산속도가 6배나 빠르다.

[실시 예 4] : 여섯 개의 시험편을 동시에 크리프 시험을 수행할 수 있는 한 개로 이루어진 절개형 관상로 설치

기존의 크리프 시험기는 대부분 당김 봉(6)에 장착된 크리프 시험편 마다 목적온도까지 가열시키기 위해 시험편의 개수만큼의 전기로를 각각 설치하여 전기적인 소모를 가져왔다.

따라서 본원에 발명된 크리프 시험기의 한 개의 절개형 관상로(8)로서 60°의 등각도로 방사형으로 설치된 여섯 개의 당김 봉(6)에 연결된 시험편을 동시에 목적온도까지 가열하여 시험기간 동안 일정하게 유지하게 하여 전기적인 소모를 감소시켰다.

본 발명은 크리프 시험규격(ASTM E 139)을 만족하면서 여섯 개의 시험편에 대해서 동시에 크리프 시험을 할 수 있는 다중 일정하중 동시 크리프 시험 장치이다.

그러므로 시험편의 형상만 다른 즉, C.T 시험편(compact tension specimen)에 대한 고온 파괴인성시험(fracture toughness test)에도 적용할 수 있을 것이다.

크리프 시험에 대한 ASTM E 139규격을 만족하면서 동시에 여섯 개의 크리프 시험편에 대해서 동일한 온도에서 동시에 시험을 수행할 수 있으므로 크리프 시험 결과의 생산속도가 6배나 빠르기 때문에 생산적이며, 효과적이다.

비교적 가격이 저렴한 로드셀과 수준기, 그리고 턴버클(turnbuckle)을 간단하게 설치함으로써, 레버 암의 수평유지를 위해 필요한 자동구동장치가 필요한 기존의 자동식 일정하중 크리프 시험기와 같은 성능을 갖기 때문에 시험장비의 제작비용을 절감시킬 수 있어 경제적이다.

여섯 개의 전기로를 가지고 시험할 수 있는 것을 오직 한 개의 전기로만으로 동시에 여섯 개의 시험편에 대해서 가열할 수 있으므로 전기적인 비용을 절감할 수 있어 경제적이다.

Claims (6)

1. 일정하중 동시 크리프 시험장치에 있어서,

   여섯 개의 당김 봉(6)에 장치된 로드 셀(14)과, 상기 당김 봉와 연결된 레버 암(12)에 무게 봉(13)으로서 현가 설치된 무게 추(5)와, 상기 레버암 측면부에 부착된 수준기(16)와, 상기 당김 봉의 하단부에 연결된 턴버클(15)과, 시험편이 안치되는 테이블(7)의 중앙부에 설치된 전기로(8)와, 상기 시험기구가 전기적으로 연결되며 데이터 어퀴시션 보드 전용 프로그램이 수록된 컴퓨터로서 구비된 것을 특징으로 하는 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 장치
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 당김 봉(6)에 로드 셀(14)을 장착하여 시험편에 작용하는 실제의 하중을 측정하되, 크리프 시험 동안 시험편에 일정한 하중을 유지시킬 수 있게 무게추 (5)를 설치한 것을 특징으로 하는 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 장치
3. 일정하중 동시 크리프 시험 방법에 있어서,

   당김 봉(6)과 로드 셀(14) 사이에 턴버클(15)과 레버 암 끝단에 수준기(16)를 이용하여 눈으로 쉽게 확인하여 크리프 시험 동안 일정하중을 유지시키는 것을 특징으로 하는 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 방법
4. 일정하중 동시 크리프 시험 방법에 있어서,

   여섯 개 이상으로 레버 암(12)과 당김 봉(6)를 일정한 등각도 간격으로 설치함으로서, 한 개의 절개형 관상로내에서 동시에 여섯 개의 시험편에 대해서 크리프 시험을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 방법
5. 일정하중 동시 크리프 시험 방법에 있어서,

   크리프 시험기 본체 중간에 별도의 전기로 받침 판과 그 위에 레일과 전기로 (8) 밑면에 로울러(roller) 부착하여 시험편을 착탈할 때 전기로(8)의 여닫음과 이동을 용이하게 한 것을 특징으로 하는 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 방법
6. 일정하중 동시 크리프 시험방법에 있어서,

   데이터 어퀴시션 보드와 전용 프로그램을 내장된 컴퓨터를 이용한 자동 시험자료 획득 시스템과 실시간 시험조건 표시기능을 부여시킨 것을 특징으로 하는 다중의 로드 셀과 레버 암을 장착한 크리프 시험 방법