KR20220045235A - 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재 - Google Patents
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Abstract
높은 신뢰성으로 간이하게 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재를 제공하는 것. 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재에 있어서, 슬라이딩 부재는, 금속, 합금, 및/또는 수지 재료로 제작된 단층 또는 복층의 구조체를 가지고 있으며, 자기 검지 재료는, 슬라이딩 부재를 구성하는 층 중 적어도 하나의 층 중에 매립되어 있으며, 자기 검지 재료는, 외부 에너지에 반응하여 신호 특성을 나타내는 적어도 1종류의 재료로 구성된다.
Description
본 발명은, 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기(自己) 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2는, 회전 베어링 애플리케이션용의 베어링 진단 장치와 AE 센서에 의한 검출 방법을 개시하고 있다. 또한, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4는, 슬라이딩 베어링용의 베어링 마모 감시 시스템과 RFID 센서에 의한 검출 방법을 개시하고 있다. 또한, 특허 문헌 5는, 슬라이딩 베어링의 손상 검출 방법을 개시하고 있으며, 특수 입자가 초래하는 전기적 신호가, 윤활 유로에 설치한 검출기에 의해 감시된다.
종래의 센서 기술은, 복잡한 생산 공정, 관측용의 추가 소프트웨어, 거대한 데이터 스토리지, 및, 생산 시와 데이터 관측 시에 고도로 훈련된 기술자를 필요로 한다. 이 때문에, 종래의 센서 기술의 적용이 제한되고 있다.
또한, 신호의 검출은 외란 요인(예를 들면, 구성물의 노이즈, 윤활유 중의 이물, 오염 등)에 의해 다대(多大)한 영향을 받을 가능성이 있다. 이 때문에, 정확하고 신뢰성이 있는 감시는 매우 어려워진다.
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2는 AE 센서를 사용하고 있지만, 그 관측 데이터는 실제의 엔진 환경(진동, 온도 변화, 복잡한 다층 구조의 슬라이딩 부재로의 통합 등)에 의해 다대한 영향을 받을 가능성이 있다.
특허 문헌 3 및 특허 문헌 4는 RFID 센서를 사용하고 있지만, 그것은 슬라이딩 부재의 슬라이딩 표면 처리(오버레이)에 통합되어 있다. 그러나, RFID 센서의 성질에 의해, 저온하에서의 생산을 강요당한다. 또한, 이 센서 사이즈는, 통상, 수십 ㎛이기 때문에, 얇은 슬라이딩 표면 처리에 통합하는 것은 매우 어렵거나 또는 불가능하다.
특허 문헌 5에서는, 베어링 재료에 포함되는 유전 입자가, 배유로(排油路)에 설치된 정전 용량 센서에 의해 검출된다. 구체적으로는, 베어링 메탈에 손상이 발생하였을 때에, 베어링 메탈 손상편(片)과 비유전율이 상이한 미립자가 배유에 포함되는 것이 되어, 배유로에 설치된 정전 용량 센서의 전극간의 전계가 변화되는 점에서, 미립자의 존재를 검출한다. 다만, 이 방법은, 이하의 이유로부터, 정확하고 신뢰성이 높은 측정이 곤란하다.
정전 용량 센서에 의한 측정은, 유로를 통과하는 쓰레기의 양에 매우 민감하며, 유량, 유온, 밀도, 기름의 열화, 및 오일 필터의 성능이, 측정 데이터의 변화의 원인이 될 수 있다. 이 때문에, 정확하고 혁신적인 감시를 하는 것은 불가능하다.
또한, 윤활유와 유전 입자의 유전율이 유사하기 때문에, 정전 용량 센서에 의한 검출 방법은, 윤활유와 유전 입자를 식별할 수 없다. 또한, 이 유전 입자가 금속 이물 중에 포함되어 있던 경우, 금속 이물 내의 유전 입자의 유무의 판별이 불가능하기 때문에, 충분히 유전 입자를 검출할 수 없다. 또한, 물비말의 기름으로의 혼입이, 금속 이물과 마찬가지로 유전 입자의 검출을 저해하는 정전 펄스를 생성할 가능성이 있다. 이 때문에, 정확하고 신뢰성이 있는 감시를 하는 것은 불가능하다.
또한, 이 정전 용량 센서에 의한 방법은, 배유로의 파이프에 센서가 내장되어 있기 때문에, 정기적인 메인터넌스를 필요로 한다. 그렇지 않으면, 센서의 열화 및 신호 검출 정밀도의 대폭적인 저하가 예상된다. 또한, 센서가, 복잡한 엔진 오일 윤활 장치 중에 장착되어 있기 때문에, 그 메인터넌스를 위해 다대한 비용이 필요해질 가능성이 있다.
본 발명은, 높은 신뢰성으로 간이하게 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재에 있어서,
슬라이딩 부재는, 금속, 합금, 및/또는 수지 재료로 제작된 단층 또는 복층의 구조체를 가지고 있으며,
자기 검지 재료는, 슬라이딩 부재를 구성하는 층 중 적어도 하나의 층 중에 매립되어 있으며,
자기 검지 재료는, 외부 에너지에 반응하여 신호 특성을 나타내는 적어도 1종류의 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 자기 검지 재료는, 0.1㎛ 내지 100㎛의 사이즈를 가지는 입자이다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 자기 검지 재료는, 0.2㎛ 내지 10㎛의 사이즈를 가지는 입자이다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 자기 검지 재료는, 자기 검지 재료가 매립된 슬라이딩 부재 중 적어도 하나의 층에 대하여, 50vol% 이하의 함유량으로 포함된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 슬라이딩 부재가, 슬라이딩 부재의 상이한 깊이의 층 중에, 서로 상이한 신호 특성을 나타내는 자기 검지 재료를 각각 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 자기 검지 재료는, 외부 에너지에 반응하여 현저한 시각적 특징을 가지는 신호 특성을 나타낸다.
또한, 본 발명의 다른 양태는, 상기 서술의 슬라이딩 부재를 복수 가지는 슬라이딩 장치에 있어서, 복수의 상기 슬라이딩 부재가, 서로 상이한 신호 특성을 나타내는 상기 자기 검지 재료를 각각 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 양태는, 상기 서술의 슬라이딩 부재 또는 상기 서술의 슬라이딩 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관이다.
또한, 본 발명의 다른 양태는, 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 방법에 있어서,
상기 서술의 슬라이딩 부재, 상기 서술의 슬라이딩 장치, 또는 상기 서술의 내연 기관을 제공하는 단계와,
내연 기관의 윤활유 시스템으로부터 샘플을 취하는 단계와,
샘플에 외부 에너지를 인가하는 단계와,
샘플 중의 자기 검지 재료를 검지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 슬라이딩 부재를 가지는 조립품의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 의한 슬라이딩 부재의 마모량 감시 시스템의 구체예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 의한 슬라이딩 부재의 마모량 감시 시스템의 구체예를 나타낸 개략도이다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 슬라이딩 부재를 가지는 조립품(100)의 모식도를 나타내고 있다. 조립품(100)은, 일례로서 내연 기관의 크랭크 샤프트를 가지는 슬라이딩 장치이다. 도 1에서는, 4개의 상이한 슬라이딩 부재(3a~3d)가 나타나 있다. 각 슬라이딩 부재는, 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료(1a~1d)를 포함한다. 각 슬라이딩 부재는, 금속, 합금, 및/또는 수지 재료로 제작된 단층 또는 복층의 구조체를 가지고 있다. 자기 검지 재료(1a~1d)는, 본 실시 형태에서는 입자 상태로, 슬라이딩 부재를 구성하는 층 중 적어도 하나의 층(본 예에서는, 하층(1)) 중에 매립되어 있다. 자기 검지 재료는, 외부 에너지에 반응하여 신호 특성을 나타내는 적어도 1종류의 재료로 구성되어 있다. 본 예에서는, 서로 상이한 신호를 발하는 자기 검지 재료(1a~1d)가 각 슬라이딩 부재에 포함되어 있다. 즉, 자기 검지 재료(1a~1d)는, 신호 검지 시에 각각 상이한 색을 나타낸다. 상층(2)이 마모 소멸되고, 하층(1)이 마모되기 시작한 경우에는, 자기 검지 재료(1a~1d)가 윤활유 내에 검지되는 것이 된다. 자기 검지 재료(1a~1d)의 신호의 색에 의해, 손상된 슬라이딩 부재를 특정할 수 있다.
이하에, 측정 방법의 일례를 나타낸다.
1. 샘플 수집
신호 검지용의 샘플은, 엔진 운전중 또는 보수중에 액체 또는 오일 슬러지의 상태로 회수된다. 예를 들면, 액체의 상태에 관하여, 샘플은, 윤활유 공급 시스템 중의 오일 공급 밸브로부터 회수된다. 슬러지의 상태에 관하여, 샘플은, 오일 필터로부터 회수된다. 이 오일 샘플 또는 오일 슬러지 샘플은 목적에 따라, 일정 시간마다 또는 특정의 운전 시간에 회수된다.
2. 샘플 준비
오일 샘플의 경우, 투명한 보틀에 오일 샘플을 부어, 3,000rpm 내지 5,000rpm으로 원심 분리시킨다. 원심 분리는, 5,000rpm으로 10분간 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 오일 샘플 중의 함유물(자기 검지 재료를 포함함)을 완전히 보틀의 바닥에 침전시킨다.
오일 슬러지 샘플의 경우, 샘플을 물리적으로 으깨어, 분말상으로 한다. 그리고, 배경이 되는 검은 종이 위로 분말상의 오일 슬러지 샘플을 산포(散布)한다. 산포 두께는, 1㎜ 내지 2㎜가 바람직하다.
3. 신호 검지
신호 검지에는 수동식의 조명원을 사용한다. 조명 장치는, 50W 이상의 출력을 필요로 하고, 100W 이상의 출력이 바람직하다. 샘플을 5분 내지 10분 동안 비춘다(10분 동안이 바람직하다). 오일 샘플이나 슬러지 샘플 내의 자기 검지 재료가, 높은 여기(勵起) 에너지를 보지(保持)함으로써, 다양한 색의 광을 방출한다. 여기서, 방출되는 광은, 특정의 파장의 조명원으로부터의 여기 에너지에 반응하여 특정의 파장(색)을 발하는 것에 의한 것이다.
본 측정 방법에 의하면, 엔진 시스템과 완전히 분리된 환경에서 측정이 가능하기 때문에, 각종 외란(엔진 노이즈, 진동, 온도 변화 등)의 영향을 받지 않아, 정확하고 신뢰성이 높은 측정이 가능해진다.
본 발명에 의해, 슬라이딩 부재의 상태에 대하여, 연속적인 감시를 행하는 것이 가능하다. 여기서, 연속적이란, 예를 들면 5,000시간마다 샘플을 회수하여 분석하면, 슬라이딩 부재의 연속적인 마모량 추적 조사가 가능해진다는 의미이다. 또한, 본 발명에 의해, 엔진 시스템 내의 상이한 몇 개의 슬라이딩 부재의 마모를 검지하는 것이 가능하다.
자기 검지 재료는, 예를 들면, 특정의 외부 자극에 반응하여 특정의 신호 특성을 나타내는 입자이다. 여기서, 특정의 외부 자극은, 전장, 자장, 전자파, 초음파, 특히, 자외선을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는다. 특정의 신호 특성이란, 예를 들면, 1개 또는 복수의 발광색을 나타낸다고 하는 것이며, 발광은, 현저한 시각적 특징을 가진다. 현저한 시각적 특징이란, 시각적으로 분명히 알 수 있다고 하는 것이다. 자외선 여기에 의해 발광하는 시판의 자기 검지 재료의 대표예를 이하에 나타낸다.
입자 타입 1(1a); Al2SrO4:RE (황녹)
입자 타입 2(1b); BaMg2Al16O27:RE (파랑)
입자 타입 3(1c); Y2O3:RE (빨강)
입자 타입 4(1d); Gd2O2S:RE (초록)
입자 타입 5(1e); Y3Al5O12:RE (노랑)
여기서, RE란, 희토류 원소를 나타내고 있다.
자기 검지 재료는, 0.1㎛ 내지 100㎛의 사이즈를 가지는 입자인 것이 바람직하다. 이 이유는, 0.1㎛ 미만의 입자는 검출 곤란하며, 100㎛보다 큰 입자는 슬라이딩 부재의 기계적 특성을 악화시킬 가능성이 있기 때문이다.
다만, 검출 정밀도를 고려하면, 입자 사이즈의 하한측을 0.2㎛로 하는 것이 바람직하다. 또한, 슬라이딩 부재의 기계적 특성을 고려하면, 입자 사이즈의 상한측을 10㎛로 하는 것이 바람직하다. 특히, 일반적으로 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 두께를 가지는 오버레이층에 대하여, 10㎛를 초과하는 자기 검지 재료를 적용한 경우에는, 내부 응력에 의한 재료 성능의 저하가 우려되는 경우가 있다.
여기서, 입자 사이즈는, 임의의 입자 형상에 대하여 입자의 길이 방향으로 계측한 것으로 한다. 입자 사이즈는, 하기와 같은 당기술 분야에 있어서 일반적으로 알려지는 장치에 의해 측정 가능하다.
·시마즈제작소 레이저 회절식 입자경 분포 측정 장치(SALD-2300)
·Malvern Panalytical사 장치 라인업
또한, 자기 검지 재료는, 자기 검지 재료가 매립된 슬라이딩 부재의 층에 대하여, 50vol% 이하의 함유량으로 포함되는 것이 바람직하다. 여기서, 슬라이딩 부재의 층이란, 예를 들면, 베어링의 베어링 합금층, 중간층, 또는 오버레이층 등이다.
상한측에 관하여, 자기 검지 재료의 함유량을 50vol%보다 많게 한 경우에는, 일반적으로, 본래의 베어링 성능을 발휘시키기 어려울 가능성이 있다. 한편, 하한측에 관하여, 샘플 내에 1개의 입자(한없이 0에 가까운 vol%)라도 발광하고 있으면, 시각적인 판단이 가능하다(예를 들면, 오일 슬러지 샘플 중에 발광 입자를 발견할 수 있다). 발광의 포착 용이성의 관점에서, 0.5vol% 이상의 함유량으로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 「자기 검지 재료」라고 하는 용어에 관하여, 「자기」는, 매우 간이한 순서(본 예의 경우, 조명원으로서 자외선 라이트)만으로 신호 특성을 취득할 수 있다고 하는 의미를 포함하고 있다. 이것은, 예를 들면, 「자기 수복 재료」(외부로부터의 영향(온도 변화 등)을 받아 수복이 행해지는 재료)라고 하는 용어가, 순수하게 자기 내에서 완결되는 현상뿐만 아니라, 간이한 외부적 영향을 포함하는 현상에 대하여 사용되는 것과 마찬가지이다. 종래의 검지 재료와 같이 외관적인 변화가 보이지 않아, 센서 등의 복잡한 기구가 불가결한 것에 대한 대비로서, 「자기」라고 하는 표현을 사용했다.
또한, 슬라이딩 부재는, 단층 구조 또는 다층 구조이며, 다양한 종류의 기층(基層) 상에 오버레이층 등을 퇴적할 수 있다. 기층은, 청동, 놋쇠, 화이트 메탈(배빗 메탈), 알루미늄 합금, 철강, 및 그 밖의 기층을 포함하지만, 그것에 한정되는 것은 아니다. 자기 검지 재료는, 슬라이딩 부재의 사용 용도 등에 따라, 오버레이층 및 그 이외의 층에 임의로 포함시킬 수 있다.
슬라이딩 부재는, 이하의 재료 생산 방법에 의해 생산할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다: 소결, 주조, 압접, 진공 스퍼터링, 열간 및 냉간 분무, 소부(燒付), 몰드 및 전기 도금, 또는 이들의 조합.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 의한 슬라이딩 부재의 마모량 감시의 구체예를 나타낸 개략도이다. 본 예에서는, 슬라이딩 부재는, 초기의 스테이지 0(S0)에 3개의 층(2a~2c)에 의해 형성되어 있으며, 3개의 층의 두께는, 예를 들면 동일하게 설정되어 있다. 상이한 깊이의 3개의 층(2a~2c)의 중에는, 서로 상이한 신호 특성을 나타내는 자기 검지 재료(1a~1c)가 각각 포함되어 있다. 스테이지 1(S1)에 있어서, 자기 검지 재료(1a)가 매립된 층(2a)이 마모되기 시작한다. 스테이지 2(S2)에서는, 층(2a)이 다 마모되어 있으며, 이어서, 자기 검지 재료(1b)를 포함하는 층(2b)이 노출되어 있다. 마모 감시 시스템은, 오일 샘플 또는 오일 슬러지 샘플로부터 자기 검지 재료(1b)가 검출된 것에 의해, 초기 경고로서, 국소적인 에어리어에서 슬라이딩 부재의 1/3의 두께가 마모된 것을 경고한다. 마찬가지로, 스테이지 3(S3)에 있어서, 하층의 층(2c)에 포함되는 자기 검지 재료(1c)가 검출된 경우에는, 최종 경고로서, 국소적인 에어리어에서 슬라이딩 부재의 2/3의 두께가 마모된 것을 경고한다. 슬라이딩 부재의 층의 수, 및, 슬라이딩 부재의 각 층의 두께(비율)는, 적절히 설정하는 것이 가능하다. 본 발명에 의해, 슬라이딩 부재의 수명을 예측하는 것이 가능하다.
본 발명에 의해, 종래 기술에 대하여 이하의 이점이 얻어진다.
추가의 소프트웨어나 계속적인 기록 보관을 위한 방대한 데이터 스토리지 없이, 현장에서의 측정이 가능하다. 또한, 측정자에게의 고도한 훈련을 필요로 하지 않는다.
새로운 설비 및 순서 없이, 현재 행하고 있는 생산 공정으로의 적용이 가능하고, 현재의 생산 공정과의 양립이 용이하다.
이 검출 감시 방법은, 엔진 노이즈, 금속계 이물, 윤활유 오염, 진동, 온도 변화 등에 영향 받지 않아, 정확하고 신뢰성이 있다.
자기 검지 재료는 베어링 설계의 변경이나 추가의 센서 없이 슬라이딩 부재 중에 내장할 수 있다. 또한, 그것에 부수되는 추가의 메인터넌스를 필요로 하지 않아, 비용 대비 효과가 높다.
본 발명에서 서술된 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재는, 크랭크 샤프트, 캠 샤프트, 베어링, 부시, 스러스트 와셔, 및 피스톤 구성물(피스톤 링, 실린더 라이너의 슬라이딩 표면)을 포함하지만, 그것에 한정되지 않는다.
1 하층
1a~1d 자기 검지 재료
2 상층
2a~2c 슬라이딩층
3a~3d 슬라이딩 부재
100 조립품
1a~1d 자기 검지 재료
2 상층
2a~2c 슬라이딩층
3a~3d 슬라이딩 부재
100 조립품
Claims (9)
- 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 자기 검지 재료를 포함하는 내연 기관의 슬라이딩 부재에 있어서,
상기 슬라이딩 부재는, 금속, 합금, 및/또는 수지 재료로 제작된 단층 또는 복층의 구조체를 가지고 있으며,
상기 자기 검지 재료는, 상기 슬라이딩 부재를 구성하는 층 중 적어도 하나의 층 중에 매립되어 있고,
상기 자기 검지 재료는, 외부 에너지에 반응하여 신호 특성을 나타내는 적어도 1종류의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기 검지 재료는, 0.1㎛ 내지 100㎛의 사이즈를 가지는 입자인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기 검지 재료는, 0.2㎛ 내지 10㎛의 사이즈를 가지는 입자인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 검지 재료는, 상기 자기 검지 재료가 매립된 상기 슬라이딩 부재의 상기 적어도 하나의 층에 대하여, 50vol% 이하의 함유량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬라이딩 부재가, 상기 슬라이딩 부재의 상이한 깊이의 층 중에, 서로 상이한 신호 특성을 나타내는 상기 자기 검지 재료를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 검지 재료는, 상기 외부 에너지에 반응하여 현저한 시각적 특징을 가지는 상기 신호 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩 부재를 복수 가지는 슬라이딩 장치에 있어서, 복수의 상기 슬라이딩 부재가, 서로 상이한 신호 특성을 나타내는 상기 자기 검지 재료를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 장치.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩 부재 또는 제 7 항에 기재된 슬라이딩 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
- 슬라이딩 부재의 손상을 감시하기 위한 방법에 있어서,
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩 부재, 제 7 항에 기재된 슬라이딩 장치, 또는 제 8 항에 기재된 내연 기관을 제공하는 단계와,
상기 내연 기관의 윤활유 시스템으로부터 샘플을 취하는 단계와,
상기 샘플에 상기 외부 에너지를 인가하는 단계와,
상기 샘플 중의 상기 자기 검지 재료를 검지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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