KR20210156390A

KR20210156390A - 저온 초고주기 피로시험장치

Info

Publication number: KR20210156390A
Application number: KR1020200073792A
Authority: KR
Inventors: 구병춘; 이찬우; 권석진
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-12-27

Abstract

본 발명은 저온 초고주기 피로시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시험편(S)에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동발생기(110)와, 상기 진동발생기(110)를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력발생기(120)와, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 수치 변화를 반영하여 시험편(S)의 동적탄성계수를 산출하는 동적탄성계수 산출모듈(140)과, 상기 동적탄성계수 산출모듈(140)에 의해 산출되는 동적탄성계수에 기초하여 피로시험 결과를 도출하는 제어모듈(150)을 포함하는 초고주기 피로시험장치(10)에 있어서, 상기 시험편(S) 및 진동발생기(110)의 일 부분을 수용하는 소정의 시험공간을 갖는 메인챔버(200)와; 상기 메인챔버(200)의 일측에 구비되어 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200)로 공급하는 저온공급부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치에 관한 것이다.

Description

저온 초고주기 피로시험장치{Low-temperature ultra-high cycle fatigue testing device}

본 발명은 초고주기 피로시험장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 추운 지방의 극한 지역에 대응되는 시험환경에서 피로 시험의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 저온 초고주기 피로시험장치에 관한 것이다.

일반적으로, 초고주기 피로시험장치 혹은 초음파 피로시험장치는 압전변환기(piezoelectric transducer)를 이용하여 초음파 범위의 주파수를 갖는 진동을 발생시키고 이를 시험편(specimen)에 전달하여 피로시험을 수행하는 장치로, 열차의 차륜, 레일, 터빈 블레이드 등의 피로 응력에 대한 저항이 중요시되는 부품에 대한 피로시험에 활용되고 있다.

한편, 초고주기 피로시험장치에서 S-N 곡선(S-N Curve) 등의 피로시험결과를 도출하기 위해서는, 시험편의 탄성계수 혹은 동적탄성계수를 알아야 하는데, 이러한 동적탄성계수는 시험편의 형상 및 밀도 등에 따라 다른 값을 갖는다.

일반적으로 피로시험 중 시험편은 그 길이 방향으로 늘어나는 것을 포함하여 치수 변화가 발생함은 물론, 온도 상승에 따른 시험편의 밀도 변화가 발생하는데, 종래의 초고주기 피로시험장치는 이와 같이 피로시험 중 발생하는 시험편의 치수 변화(혹은 형상 변화) 및 밀도 변화를 무시하고 일률적인 탄성계수를 적용하여 피로시험결과를 도출하고 있는 바, 이에 의해 피로시험의 정확성 및 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 극복하고자 특허문헌 1은 시험편에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동발생기; 상기 진동발생기를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력발생기; 피로시험 중 발생하는 상기 시험편의 치수변화를 반영하여 상기 시험편의 동적탄성계수를 산출하는 동적탄성계수 산출모듈; 및 상기 동적탄성계수 산출모듈에 의해 산출되는 상기 동적탄성계수에 기초하여 피로시험결과를 도출하는 제어모듈을 포함하는 초고주기 피로시험장치를 제안하여 피로시험의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있었다.

그러나, 특허문헌 1을 통해 피로시험 결과를 얻었다 하더라도 지역별 온도차이에 따라 극한의 자연환경을 고려하지 않아 피로시험의 정확성 및 신뢰성을 갖는다고 할 수 없다.

즉, 극한지역에 노출되어 장기간 피로손상이 누적될 수 있는 시험환경을 인위적으로 구현한 피로시험장치의 제안이 필수적이다.

대한민국 등록특허 제1304878호 대한민국 공개특허 제2013-0017532호 대한민국 등록특허 제1403030호 대한민국 등록특허 제1041899호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 액화질소를 이용하여 극한지역에 해당하는 -30 ~ -60 ℃범위 내에 온도를 유지할 수 있는 챔버를 제안하여 추운 지방의 극한 지역에 대응되는 시험환경에서 피로 시험의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 저온 초고주기 피로시험장치를 제공하는데 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은, 시험편(S)에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동발생기(110)와, 상기 진동발생기(110)를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력발생기(120)와, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 수치 변화를 반영하여 시험편(S)의 동적탄성계수를 산출하는 동적탄성계수 산출모듈(140)과, 상기 동적탄성계수 산출모듈(140)에 의해 산출되는 동적탄성계수에 기초하여 피로시험 결과를 도출하는 제어모듈(150)을 포함하는 초고주기 피로시험장치(10)에 있어서, 상기 시험편(S) 및 진동발생기(110)의 일 부분을 수용하는 소정의 시험공간을 갖는 메인챔버(200)와; 상기 메인챔버(200)의 일측에 구비되어 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200)로 공급하는 저온공급부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 저온공급부(300)는, 외부 라인에 연결되어 소정의 액화질소를 수용하는 보조챔버(310)와; 상기 메인챔버(200)와 보조챔버(310)의 사이에 개폐가 가능하게 구비되어 강제 송풍 시 보조챔버(310)에 수용된 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200) 측으로 유입시키는 댐퍼(320)와; 상기 보조챔버(310)의 일측에 형성되어 외부 공기를 흡입하여 메인챔버(200)로 액화질소의 기화에너지를 강제 송풍시키는 송풍팬(330)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 댐퍼(320)는, 상기 송풍팬(330)의 강제 송풍 외에 보조챔버(310)의 외부로 기화에너지가 유동되지 않도록 부직포 또는 판막으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 메인챔버(200)의 내부에는, 상기 저온공급부(300)를 통해 공급되는 기화에너지에 의해 -30 ~ -60 ℃범위 저온을 유지할 수 있도록 메인챔버(200)의 내부 온도를 감지하여 상기 저온공급부(300)의 신호를 전달하는 온도센서(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 메인챔버(200)의 일측에는, 시험편(S)을 용이하게 인출할 수 있으며, 피로시험 중 내부 상황을 확인할 수 있는 투시창(220)을 갖는 개폐도어(210)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 저온 초고주기 피로시험장치에 따르면, 저온 환경 (-30℃~-60℃)에서 시편의 피로특성을 평가할 수 있으며, 초고주기(20 kHz) 가진이 가능한 피로시험기로 시험시간 단축이 가능한 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 저온 초고주기 피로시험장치에 따르면, 피로시험 중 발생하는 시험편의 치수 변화를 실시간으로 반영하여 시험편의 동적탄성계수를 산출하고 이에 기초하여 피로시험결과를 도출함으로써, 피로시험 중 발생하는 시험편의 치수 변화 혹은 형상 변화를 무시하고 일률적인 탄성계수를 적용하여 피로시험결과를 도출하는 것에 의해 피로시험의 정확성 및 신뢰성이 떨어지는 종래의 저온 초고주기 피로시험장치의 문제점을 해결할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치를 개략적으로 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치의 구성 및 작동관계를 나타내는 블록도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치의 변위측정센서를 통해 시험편의 변위 데이터를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 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 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

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 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 저온 초고주기 피로시험장치의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 저온 초고주기 피로시험장치(10)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 진동발생기(110), 전력발생기(120), 변위측정센서(130), 동적탄성계수 산출모듈(140), 제어모듈(150)을 포함할 수 있다.

여기서, 동적탄성계수 산출모듈(140) 및 제어모듈(150)은 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 이를 구동하기 위한 소프트웨어 혹은 프로그램의 기능적, 구조적 결합에 의해 구현될 수 있다.

다시 말해, 동적탄성계수 산출모듈(140) 및 제어모듈(150)은 도 1에 도시된 바와 같이 진동발생기(110), 전력발생기(120), 변위측정센서(130) 등과 연결된 단말기(100)를 구성하는 하드웨어와 이에 설치된 소프트웨어 프로그램의 형태로 구현될 수 있다.

그리고, 진동발생기(110)는 시험편(S)에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가한다. 진동발생기(110)는 전력발생기(120)에 의해 소정의 전력이 인가되면 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 발생시킨다. 이때, 진동발생기(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수가 높을수록 주어진 피로시험에 소요되는 시간이 단축되므로, 진동발생기(110)는 초음파 범위에 속하는 진동을 발생시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 진동발생기(110)는 20 내지 100 kHz 범위의 주파수를 갖는 진동을 발생시킬 수 있다. 다만, 진동발생기(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수는 전술한 주파수 범위에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 시험편(S) 및 진동발생기(110)의 일 부분을 수용하는 소정의 시험공간을 갖는 메인챔버(200)와; 메인챔버(200)의 일측에 구비되어 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200)로 공급하는 저온공급부(300)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 저온공급부(300)는 외부 라인에 연결되어 소정의 액화질소를 수용하는 보조챔버(310)와; 상기 메인챔버(200)와 보조챔버(310)의 사이에 개폐가 가능하게 구비되어 강제 송풍 시 보조챔버(310)에 수용된 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200) 측으로 유입시키는 댐퍼(320)와; 상기 보조챔버(310)의 일측에 형성되어 외부 공기를 흡입하여 메인챔버(200)로 액화질소의 기화에너지를 강제 송풍시키는 송풍팬(330)을 포함할 수 있다.

그리고, 보조챔버(310)에 질소탱크(340)를 라인으로 연결하고, 연결된 라인에는 제어모듈(150)의 신호에 따라 개폐하여 액화질소를 보조챔버(310)로 제공할 수 있는 밸브(350)를 포함할 수 있다.

이때, 액화질소에 의한 냉각으로 발생할 수 있는 밸브(350)의 작동 오류를 방지할 수 있도록 밸브(350)에 히터(360)를 더 적용할 수 있다.

한편, 진동발생기(110)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 압전변환기(111, piezoelectric transducer) 및 증폭혼(113, amplifying horn)을 포함할 수 있다. 압전변환기(111)는 전력발생기(120)와 전기적으로 연결되어 전력발생기(120)로부터 소정의 전력을 공급받는다.

압전변환기(111)는 압전 효과를 가진 재료, 즉 압전소자(piezoelectric device)를 사용하여 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다.

압전변환기(111)는 압전소자를 포함하여 전력발생기(120)로부터 전기적 에너지(전력)를 공급받아 이를 기계적 에너지(기계적 진동)로 변환한다. 증폭혼(113)은 압전변환기(111)에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편(S)에 전달한다.

증폭혼(113)은 압전변환기와 시험편(S)을 연결하되 공진 현상을 이용하여 압전변환기(111)에 의해 발생하는 진동을 증폭시킨다. 일반적으로, 압전변환기(111) 자체에서 발생하는 진동은 그 진폭이 작기 때문에 압전변환기(111)를 증폭혼(113)을 생략하고 시험편(S)에 연결할 경우에는 시험편(S)에서 피로 시험을 위해 요구되는 크기의 변위를 발생시키기 어렵다.

이러한 이유로, 증폭혼(113)은 압전변환기(111)와 시험편을 연결하고, 압전변환기(111)에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편(S)에 전달하는 것이다.

한편, 진동발생기(110)는 본 실시예에서 사용되는 압전변환기(111) 대신에 자기변형 변환기(magnetostrictive transducer)를 포함할 수 있다. 자기변형 변환기는 자기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 자기변형소자(magnetostrictive device)를 포함하여 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 발생시킨다.

여기서, 자기변형소자는 자기적 에너지를 기계적인 에너지(변위 혹은 응력 등)로 변환하는, 즉 주위에 자계가 인가되면 전체 에너지를 최소로 보존하기 위하여 길이가 변화하는 특성을 갖는 소자로, Tbx Dy1-x Fey의 화학식(x = 0.27 ~ 0.3, y = 1.9 ~ 2.0)을 갖는 단결정 합금인 테르페놀-디(Terfenol-D)가 대표적이다.

이러한 자기변형소자는 압전소자에 비해 낮은 입력 전력으로 큰 변위를 얻을 수 있으며 발생하는 진동의 주파수를 다양하게 설정할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 자기변형 변환기는 증폭혼(113)이 필수적으로 요구되는 압전변환기(111)와 다르게, 증폭혼(113)을 선택적으로 사용할 수 있다는 이점도 있다.

이러한 자기변형소자가 구비된 자기변형 변환기는 전술한 압전변환기(111)와 마찬가지로, 전력발생기(120)와 전기적으로 연결되어 전력발생기(120)로부터 소정의 전력을 공급받도록 구성된다.

자기변형 변환기에 전력이 인가되면, 막대 형상의 자기변형소자의 주위에 자계가 형성되고, 형성된 자계에 의해 자기변형소자는 그 길이가 변화하여 기계적인 진동을 발생시킨다.

이를 위해 자기변형변환기는 자기변형소자의 주위에 자계를 형성하기 위한 수단, 예컨대 자기변형소자를 에워싸는 코일 등을 포함할 수 있다.

한편, 상기 댐퍼(320)는 상기 송풍팬(330)의 강제 송풍 외에 보조챔버(310)의 외부로 기화에너지가 유동되지 않도록 부직포 또는 판막으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 메인챔버(200)의 내부에는 상기 저온공급부(300)를 통해 공급되는 기화에너지에 의해 -30 ~ -60 ℃범위 저온을 유지할 수 있도록 메인챔버(200)의 내부 온도를 감지하여 상기 저온공급부(300)의 신호를 전달하는 온도센서(170)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 메인챔버(200)의 일측에는 시험편(S)을 용이하게 인출할 수 있으며, 피로시험 중 내부 상황을 확인할 수 있는 투시창(220)을 갖는 개폐도어(210)를 포함할 수 있다.

전력발생기(120, power generator)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 진동발생기(110)를 구동하기 위한 전력을 공급한다. 즉, 전력발생기(120)는 진동발생기(110)의 압전변환기(111)에 소정의 전력을 인가하여 압전변환기(111)가 기계적 진동을 발생하도록 한다.

한편, 전력발생기(120)는 진동발생기(110)에 공급되는 전력의 특성, 예컨대 전력의 주파수 및 크기 등을 피로 시험의 조건에 따라 변경할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 전력발생기(120)는 상용화된 제품으로 잘 알려져 있는 바, 그 세부 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

동적탄성계수 산출모듈(140)은 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화를 실시간으로 반영하여 시험편(S)의 동적탄성계수(Dynamic Young's modulus)를 산출한다.

시험편(S)의 동적탄성계수는 피로시험에서 S-N 곡선(S-N Curve) 등의 피로시험 결과를 도출하기 위해 반드시 필요한 요소로 시험편(S)의 재료 및 형상에 따라 달라진다.

이러한 동적탄성계수는 시험편(S)의 공진주파수, 형상 치수 및 밀도에 의해 산출할 수 있는데, 예컨대 사각봉 형상의 시험편의 경우의 동적탄성계수는 수학식 Ef = (2Lf0) 2ρ로 산출될 수 있다.

여기서, 'Ef'는 동적탄성계수, 'L'은 시험편의 길이, 'f0'는 시험편의 공진주파수, 'ρ'는 시험편의 밀도를 나타낸다. 참고로, 이처럼 재료의 공진주파수를 이용하여 동적탄성계수를 산출하는 방식은 콘크리트 분야에서 널리 알려져 있다.

한편, 일반적으로 초고주기 피로시험에서 시험편(S)의 공진주파수 및 밀도는 피로시험 중 고정된 값을 가지므로(단, 시험편의 온도에 따른 밀도 변화는 무시), 동적탄성계수는 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 형상 치수의 변화에 따라 달라진다고 볼 수 있다.

이때, 시험편(S)의 치수 변화는 피로시험 중 시험편(S)에 인가되는 반복적인 진동에 의한 시험편(S)의 변형에 의해 발생하는데, 시험편(S)의 변형은 주로 시험편(S)이 그 길이 방향(혹은 진동 방향)으로 늘어나는 것에 의해 이루어진다.

이에 따라, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화, 특히 시험편(S)의 길이에 있어서 치수 변화를 실시간을 확인할 수 있다면, 이를 이미 알고 있는 시험편(S)의 공진주파수와 밀도의 값과 함께 시험편(S)에 따라 미리 정해진 수학식에 대입함으로써 실시간으로 변화하는 동적탄성계수를 산출할 수 있는 것이다.

한편, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 실시간으로 변화하는 동적탄성계수를 산출하기 위해서는, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화를 실시간으로 확인하여야 하는데, 이를 위해 본 실시예에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 시험편(S)의 길이 방향(혹은 진동 방향)에 대해 시험편(S)의 변위를 측정하는 변위측정센서(130)를 활용한다.

즉, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 변위측정센서(130)로부터 수신한 변위 데이터를 분석함으로써 시험편(S)의 치수 변화를 찾아낼 수 있다. 더 구체적으로 말하자면, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 변위측정센서(130)로부터 수신한 시험편(S)의 길이 방향에 대한 변위 데이터를 분석함으로써 시험편(S)의 길이에 있어서 치수 변화를 찾아낼 수 있는데, 이러한 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3 및 도 4는 도 1의 저온 초고주기 피로시험장치(10)에서 변위측정센서를 통해 얻은 시험편의 변위 데이터를 나타내는 그래프이다.

변위측정센서(130)는 피로시험 중 시험편(S)에서 발생하는 진동의 특성, 즉 진동의 진폭 및 주파수를 검출하기 위한 것으로 통상의 피로시험장치에서 흔히 채용되는 구성요소이다.

참고로, 변위측정센서(130)에 의해 검출된 시험편(S)의 진동 특성은 전력발생기(120)를 제어하기 위한 피드백 데이터로 사용될 수 있다. 이러한 변위측정센서(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 시험편(S)의 하단과 약간의 간격을 두고 배치되어 시험편(S)을 향해 조사된 빛이 시험편(S)에 의해 반사되는 것을 검출할 수 있는 광 센서(photo sensor)로 제공될 수 있다.

한편, 변위측정센서(130)에 의해 검출된 빛의 세기는 전압의 크기로 표시될 수 있는데, 피로시험 중 시험편(S)이 소정의 진폭과 주파수로 진동하므로, 변위측정센서(130)를 통해 얻은 변위 데이터는 도 3에 도시된 바와 같이 시간에 따라 기준 전압값(Vc)을 중심으로 최대 전압값(Vmax)과 최소 전압값(Vmin) 사이에서 진동하는 형태로 나타난다.

이때, 피로시험에 의해 시험편(S)의 길이가 늘어나는 변형이 발생하면, 시험편(S)의 하단과 변위측정센서(130) 사이의 간격이 줄어들므로, 변위측정센서(130)를 통해 얻은 변위 데이터는 도 4에 도시된 바와 같이 시간에 따른 전압 크기의 그래프가 도 3의 그래프를 전체적으로 상향 이동한 형태로 나타난다.

즉, 도 4에서 기준 전압값(V'c), 최대 전압값(V'max) 및 최소 전압값(V'min)은 도 3에서 기준 전압값(Vc), 최대 전압값(Vmax) 및 최소전압값(Vmin) 각각에 대해 소정의 크기만큼을 더한 값을 갖는다. 따라서, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같은 변위측정센서(130)의 변위 데이터를 분석함으로써 시험편(S)의 길이가 얼마만큼 늘어났는지 시험편(S)의 치수 변화를 찾아낼 수 있는 것이다.

다만, 동적탄성계수 산출모듈(140)이 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화를 실시간으로 파악하는 방식은, 위와 같은 구성을 갖는 변위측정센서(130)에 의한 방식에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 실시예에서 변위측정센서(130)는 시험편(S)의 길이 방향(혹은 진동 방향)에 대한 시험편(S)의 변위를 측정하도록 구성되었지만, 더 정확한 시험편(S)의 치수 변화를 파악하기 위해서는 변위측정센서(130)가 시험편(S)의 길이방향 뿐만 아니라 다른 방향에 대한 시험편(S)의 변위를 측정하도록 복수로 마련되는 것이 바람직할 것이다.

제어모듈(150)은 도 2에 도시된 바와 같이 동적탄성계수 산출모듈(140)에 의해 산출되는 동적탄성계수에 기초하여 피로시험결과를 도출한다. 다시 말해서, 제어모듈(150)은 실시간으로 변화하는 동적탄성계수에 기초하여 S-N 곡선 등의 피로시험결과를 도출한다.

이때, 제어모듈(150)이 피로시험결과를 도출하는 과정은 실시간으로 변화하는 동적탄성계수를 적용한다는 점을 제외하고 통상의 저온 초고주기 피로시험장치(10)에서의 그것과 다르지 않으므로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다. 한편, 제어모듈(150)은 피로시험결과를 도출하는 과정을 담당하는 것 이외에도 피로시험장치의 각 구성요소들에 대한 전반적인 제어를 담당할 수 있다.

예컨대, 제어모듈(150)은 변위측정센서(130)에 의해 검출된 시험편(S)의 진동 특성에 관한 데이터 혹은 변위 데이터를 피드백 데이터로 활용하여 전력발생기(120)에서 발생하는 전력의 크기 및 주파수를 제어할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치(10)는, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화를 실시간으로 반영하여 시험편(S)의 동적탄성계수를 산출하고 이에 기초하여 피로시험결과를 도출함으로써, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화 혹은 형상 변화를 무시하고 일률적인 탄성계수를 적용하여 피로시험결과를 도출하는 것에 의해 피로시험의 정확성 및 신뢰성이 떨어지는 종래의 저온 초고주기 피로시험장치(10)의 문제점을 해결할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치(10)는 피로시험의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치(10)는, 피로시험 중 시험편(S)이 길이 방향으로 늘어나서 변위측정센서(130)와 부딪치는 상황을 미연에 방지할 수 있음은 물론, 시험편(S)과 변위측정센서(130) 사이의 간격을 항상 일정하게 유지하는 것이 가능하여 시험편(S)에 대한 변위 측정의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 온도센서(170)는 도 1에 도시된 바와 같이 시험편(S)과 인접한 영역에 설치되어 피로시험 중 변화하는 시험편(S)의 온도를 측정할 수 있다.

예를 들어, 온도센서(170)는 접촉 방식으로 시험편(S)의 온도를 측정하도록 구성될 수도 있지만, 시험편(S)에 온도 측정을 위한 부품이 직접 부착되는 경우에는 피로시험의 결과 혹은 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으므로, 비접촉식 방식으로 시험편(S)의 온도를 측정하도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 온도센서(170)는 비접촉 방식의 적외선 온도계로 마련되는 것이 바람직하다.

다만, 본 발명에서 온도센서(170)는 적외선 온도계에 한정되는 것은 아니고, 열화상 카메라를 포함하여 다양한 방식의 온도측정수단이 적용될 수 있음은 물론이다.

앞서 설명한 바와 같이, 시험편(S)의 밀도는 동적탄성계수를 결정하는 하나의 인자인데, 일반적으로 재료는 그 온도가 증가하면 그 밀도가 감소하는 경향을 보인다.

따라서, 더 정확한 동적탄성계수를 산출하기 위해서는 피로시험 중 시험편(S)의 온도에 따른 시험편(S)의 밀도 변화를 실시간으로 반영하여 동적탄성계수를 산출할 필요가 있다.

물론, 시험편(S)의 온도 변화가 일정 범위 내에 있다면 이에 따른 시험편(S)의 밀도 변화는 무시할 정도이지만, 시험편(S)이 과열되어 그 온도가 크게 상승한 경우에는 이에 따른 시험편(S)의 밀도 변화를 동적탄성계수의 산출에 반영하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 전술한 바와 같이 시험편(S)의 치수 변화를 반영하는 것과 함께 온도센서(170)에 의해 측정되는 시험편(S)의 온도에 따른 시험편(S)의 밀도 변화를 실시간으로 반영하여 시험편(S)의 동적탄성계수를 산출할 수 있다.

구체적으로, 동적탄성계수 산출모듈(140)은 시험편(S)의 재료에 따라 미리 구축된 온도별 밀도변화 테이블을 참조하여 온도센서(170)에 의해 측정되는 시험편(S)의 온도와 대응하는 시험편(S)의 밀도를 찾아내고, 이를 동적탄성계수를 결정하는 다른 인자들과 함께 미리 정해진 수학식에 대입함으로써, 온도에 따른 시험편(S)의 밀도 변화가 반영된 동적탄성계수를 산출할 수 있는 것이다.

이에 따라, 본 발명에 따른 저온 초고주기 피로시험장치(10)는, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 치수 변화는 물론 밀도 변화까지 반영하여 실시간으로 변화하는 동적탄성계수를 산출하고 이에 기초하여 피로시험결과를 도출함으로써, 피로시험의 정확성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

S:시험편
10:저온 초고주기 피로시험장치
110:진동발생기
111:압전변환기
113:증폭혼
120:전력발생기
130:변위측정센서
140:동적탄성계수산출모듈
150:제어모듈
170:온도센서
200:메인챔머
300:저온공급부
310:보조챔버
320:댐퍼
330:송풍팬
350:밸브
360:히터

Claims

시험편(S)에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동발생기(110)와, 상기 진동발생기(110)를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력발생기(120)와, 피로시험 중 발생하는 시험편(S)의 수치 변화를 반영하여 시험편(S)의 동적탄성계수를 산출하는 동적탄성계수 산출모듈(140)과, 상기 동적탄성계수 산출모듈(140)에 의해 산출되는 동적탄성계수에 기초하여 피로시험 결과를 도출하는 제어모듈(150)을 포함하는 초고주기 피로시험장치(10)에 있어서,
상기 시험편(S) 및 진동발생기(110)의 일 부분을 수용하는 소정의 시험공간을 갖는 메인챔버(200)와;
상기 메인챔버(200)의 일측에 구비되어 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200)로 공급하는 저온공급부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저온공급부(300)는,
외부 라인에 연결되어 소정의 액화질소를 수용하는 보조챔버(310)와;
상기 메인챔버(200)와 보조챔버(310)의 사이에 개폐가 가능하게 구비되어 강제 송풍 시 보조챔버(310)에 수용된 액화질소의 기화에너지를 메인챔버(200) 측으로 유입시키는 댐퍼(320)와;
상기 보조챔버(310)의 일측에 형성되어 외부 공기를 흡입하여 메인챔버(200)로 액화질소의 기화에너지를 강제 송풍시키는 송풍팬(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치
청구항 2에 있어서,
상기 댐퍼(320)는,
상기 송풍팬(330)의 강제 송풍 외에 보조챔버(310)의 외부로 기화에너지가 유동되지 않도록 부직포 또는 판막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 메인챔버(200)의 내부에는,
상기 저온공급부(300)를 통해 공급되는 기화에너지에 의해 -30 ~ -60 ℃범위 저온을 유지할 수 있도록 메인챔버(200)의 내부 온도를 감지하여 상기 저온공급부(300)의 신호를 전달하는 온도센서(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 메인챔버(200)의 일측에는,
시험편(S)을 용이하게 인출할 수 있으며, 피로시험 중 내부 상황을 확인할 수 있는 투시창(220)을 갖는 개폐도어(210)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초고주기 피로시험장치.