KR850001613B1 - 대형 구조물용 피로 시험기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

대형 구조물용 피로 시험기

제1도는 본 발명의 전체 구조 사시도.

제2도는 본 발명의 유압 회로도.

제3도는 본 발명의 작동 계통도.

제4도는 본 발명의 작동 입력부의 파형 설명도.

제5a도-제5d도는 본 발명의 하중장치 실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

5,5' : 유압 이동 실린더 8,8' : 유압 고정실린더

9 : 유압 엑츄에이터 14 : 로우드 셀

15 : 연결구 a : 로우드 비임

15' : 어댑터

본 발명은 반복 피로 하중을 받는 대형 기계 구조물에 직접 실제 하중과 유사한 하중을 가하여 줌으로서 기계구조물의 내구성을 시험할 수 있는 대형 구조물용 피로 시험기에 관한 것이다.

구조물의 내구성 시험은, 날로 복잡해지고 있는데, 특히 대형화 하고 있는 기계 구조물에 있어서 피로 파괴에 의한 재산상, 인명상의 손실을 극소화하기 위해 구조물의 안전 수명을 예측하거나 피로 파괴의 원인을 사전에 탐지 예방하기 위한 수단으로 평가받고 있다.

그런데 종래의 소형 구조물용 피로시험기는 소재의 피로 특성을 파악하기 위한 재료 시험기로서 일정한 형상 및 축소된 크기의 시편을 대상으로 재료의 S-N곡선(응력-수명곡선)을 얻기 위한 것이여서 실제 기계구조물 전체의 수명예측이나 내구성 평가에는 거의 부적합하다.

본 발명은 상기한 바와같은 점을 고려하여 대형 구조물이나 기계부품에 직접 반복 피로 하중을 가할수 있게끔 제작한 장치로서 액슬 및 액슬하우징, 판스프링, 오일잭등과 같은 중요 기계부품의 수명을 손쉽게 진단할 수 있게하고 특히, 조기피로 파손시 그 주요원인이 되는, 1) 설계불량, 2) 소재불량, 3) 열처리 불량, 4) 용접 및 조립불량 등을 규명하여 예방책을 강구할 수 있게 함으로서 자동차등 기계 공업의 품질 및 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있는 것이다.

이하 본 발명의 구조 및 특성을 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 구조는 크게 프레임, 유압시스템, 제어 시스템의 세부분으로 나누어 지는데, 제1도와 같이 프레임은 테스트 베드(1) 상단에 경질 크롬도금으로 표면처리된 4개의 원형 칼럼 (2)(2')을 수직으로 고정하고 여기에 알루미늄계 부싱이 삽입되어 있는 크로스헤드(4)를 끼워 넣어 칼럼(2)(2')을 따라 이동시킬 수 있게 하며, 이때 크로스 헤드(4)의 이동을 위해 2개의 유압 이동실린더(5)(5')를 크로스 헤드(4)와 테스트 베드(1)에 서로 대각선 위치에서 수직으로 연결하는데, 실린더는 고정부위(6)에서 피스턴을 아래로 향하게 고정하고 피스턴 로드의 끝단(7)은 테스트 베드(1)상단에 핀 조인트(7')로 연결한다.

크로스 헤드 양단에 부착되어 있는 8개의 유압 고정실린더(8)(8')는 유압 액츄에이터(hydraulic Actuator)(9)가 작동할수 있게끔 크로스 헤드(4)를 칼럼(2)(2')에 고정시키는 역할을 하는 것으로 피스턴 로드끝에 너트(10)(10')체결을 하여 크로스 헤드(4)와 칼럼(2)(2')간의 공국여유에 따라 체결력을 증가시킬 수 있게 한다.

이들 유압 이동 실린더(5)(5')와 고정실린더(8)(8')의 작동은 밸브 다기관(11)에 설치되어 있는 유량 조절밸브(12)에 의하여 조정이 되게 한다.

크로스 헤드(4)의 상단에는 서보 밸브(13)가 장치된 동하중 ±50ton 용량의 유압 액츄에이터(9)를 설치하고 피스턴 로드끝에는 하중감지 장치인 로우드 셀(14)와 경사하중을 물리적으로 상쇄시켜주는 연결구(15)를 연결하였으며, 그 아래에 여러 가지의 하중 장치의 로우딩 비임(a)을 연결할 수 있게 어댑터(15')를 체결한다.

제2도는 프레임과 유압 시스템과의 유압 선도를 나타내는데, 유압 이동 실린더(5)(5')와 고정 실린더(8)(8')의 동작은 유압 선도에서 보는 바와같이 밸브 다기관(12)에 설치되어 있는 3개의 유량 조절밸브(11)에 의하여 조정된다.

맨 좌측의 것이 상방향 이동 유량 조절밸브, 가운데 것이 하방향이동 유량 조절밸브, 맨 우측의 것이 고정유량 조절밸브인데, 크로스헤드(4)를 상하로 이동시키고자 할경우 고정유량 조절밸브를 완전히 열은 다음(압력 지시계가 0으로 떨어짐)상 또는 하방향 유량 조절밸브를 열어서 원하는 만큼 이동시킨다.

이동 유량 조절밸브를 잠그면 크로스헤드(4)가 정지하고 다시 고정 유량 조절밸브를 잠그면(압력 지시계가 정격압력 150kg중/cm²를 가리킴) 크로스 헤드(4)는 원형 칼럼 (2)(2')에 완전히 고정된다.

한편 유압 액츄에이터(9)와 유량 조절 다기관(25)사이에는 4개의 유압라인 즉 유압을 가하여 주는 압력라인(pressure line), 공급된 유량이 되돌아 오는 회유라인(return line), 서보밸브(13)를 통하여 액츄에이타에 가해지는 유압을 조절해 주는 파일롯트 압력 라인(pilot pressure line) 그리고 여분의 유량이 흘러나오는 배유라인(drain line)으로 구성되어 있으며 액츄에이터(9)의 서보밸브(13)와 유량 조절 다기관(25)의 솔레노이드 밸브의 작동에 의해 원하는 유압만큼 액츄에이터(9)의 피스톤에 가하여 지게된다.

제3도의 유압 액츄에이터(9)는 작동 입력부(16)에서 조정되는 여러가지 입력 파형에 따라 작동하는데 전기라인과 유압라인의 유기적 작동관계를 설명하면 제어기(26)에는 하중, 행정, 변형률의 세가지 모우드가 있어 임의로 선택할 수 있으며 전기적 신호에 의한 유압 공급원 및 액츄에이타 가동 장치가 있다.

가동이 되면 유압은 유압공급원으로부터 유량 조절다기관(25)을 거쳐 유압라인을 통해 액츄에이터(9)에 공급되며 입력부(16)의 명령에 의해 액츄에이타(9)의 서보밸브(13)가 작동함으로서 원하는 입력이 이루어진다.

또한 로드셀(14)을 통한 하중 피이드백, 액츄에이타(9)의 변위 감지기를 통한 행정 피이드백, 익스턴소미터(extensomter)를 통한 변형률 피이드백의 전기적 제어가 동시에 이루어진다.

이때 입력 및 피이드백 된 출력은 디지탈 지시계에서 숫자로 X-Y기록계(18) 및 오실로스코프(17)에 의하여 각각 그래프 및 영상화면으로 기록되며 파형의 반복회수는 싸이클 지시계(19)에서 기록된다.

한편 제어기(26)에는 제어장치 및 유압 장치에서의 갑작스런 변동으로 인한 위험을 방지하기 위하여 각각에 자동 안전장치(20)가 달려있다.

즉, 일정한 사이클이 지나 액츄에이터(9)의 작동을 중단하고자 할 경우 자동으로 제어가 되고, 만약에 시험도중 시편에 크랙이 발생하거나 장치에 이상이 생겼을 경우 자동 안전장치(20)가 작동하여 기계와 시편을 보호하게 된다.

제4도는 작동 입력부(16)에서 조정가능한 여러가지 형태의 입력 파형도로서 제어기(26)의 입력부(16)에서 가하여 줄수 있는 파형의 형태는 1 주기별로 볼때 세개의 기본 파형 즉, 정현파, 삼각파, 사각파에 대해 각각의 모우드 별로 가하여 질수 있는데, 첫번째 모우드는 0상태에서 파형이 어느정도까지 증가되는 상태를 나타내고, 두번째 모우드는 하중이 어느만큼 증가한후 다시 0상태로 떨어진 상태를 나타내는 것으로 반파(half wave)형이다.

그리고 세번째 모우드는 하중이 어느만큼 증가하다가 반대로 감소한후 다시 증가하여 0상태로 오는 것으로 완전한 파형(full wave)을 나타낸다.

따라서 구조물의 피로, 내구성 시험의 경우 하중형태에 따라 1주기 파형중 하나 혹은 둘이상이 조합하여 반복적으로 가하여지게 되는 것이다.

즉, 세개의 기본모우드와의 조합에 의한 여러가지 파형의 형태로 또는 이들의 역파형으로 전기적 신호에 의해 유압 액츄에이터(9)에 가해지는데 압력부(16)를 마이크로 컴퓨터와 연결할시보다 다양하고 복잡한 파형의 입력도 가능하다.

입력 주파수는 시편의 변위량에 따라 0.01-80Hz까지 조정 가능하며 입력 파형과 이에 상응하는 출력 파형은 X-Y기록계(18)나 오실로스코프(17)의 영상 화면을 통하여 볼수 있다.

하중 확정결과 처리로서는 입력 파형에 의한 하중출력은 로우드셀(14)에 의하여 피이드백 되는데 로우드셀(14)내의 스트레인 게이지에서의 미소한 전기적 변화량으로 나타나며 최대 진폭점 및 최소 진폭점의 전압이 제어기(26)에 부착되어 있는 디지탈 지시계에 나타나도록 되어 있어 이 값을 하중-전압 특성 곡선에 의거 환산하면 하중량을 측정할 수 있다.

따라서, 여기서 측정된 하중량과 싸이클 지시계(19)에 기록된 반복 회수로서 시험된 구조물의 하중-수명곡선을 산출하거나 일정 하중에서 임의의 수명까지의 파손 여부를 가려내는 내구성능 평가가 이루어지게 된다.

제1도와 제5도에서 보는 하중장치는 본 발명의 실시예로서 제1도와 제5a도는 자동차의 리어액슬 하우징을 시험하기 위한 것으로 4점 동시 굽힘 피로 시험장치인데 로우딩 비임(a)의 상단은 어댑터(15')를 통하여 로우드셀(14)과 연결되어 있으며, 하단의 그립(21)은 테스트 베드(1)위에 고정되는 받침대(22)(22')상단의 그립(23)(23')과 함께 액슬하우징이 움직이지 못하도록 잡아주는 역할을 한다.

이 그립들은 로우딩 비임(a)을 따라 좌우로 이동되지만 액슬 하우징의 형상 및 크기에 따라 쉽게 교체될 수 있게 하였다.

제5b도는 판스프링을 시편으로 3점 굽힘 하중장치이고, 제5c도는 크랭크 샤프트를 시편으로 비틀림 피로 하중장치이며, 제5d도는 어떤 시편의 인장압축 피로 하중장치로서 여러종류의 피로 시험이 가능할뿐 아니라 시편의 형상, 크기에 따라서 그립을 적의 제작하여 교체시킴으로서 대부분의 기계 부품의 내구성능 시험이 가능케 한다.

도면중 미설명 부호 3은 전선, 24는 유압시스템의 작동이 정지하고 있을 때는 크로스 헤드(4)가 자중에 의해 미끄러지는 것을 방지하는 고정구로서 시험기가 작동중 유압 고정실린더(8)의 이상으로 크로스 헤드(4)가 갑자기 큰 충격을 받을 경우 이를 지지하기 위한 것이다.

이와같이된 본 발명은 프레임이 크로스헤드 슬라이딩 방식으로 되어 있기 때문에 시편 구조물의 크기에 따라 크로스 헤드(4)의 위치를 신속하고도 쉽게 이동시킬 수 있으며, 따라서 용접 구조물에 의한 일체식이나 나선형 칼럼에 의한 기계식에 비해 작업이 용이하고 작업 시간을 단축할 수 있으므로 대용량에 적합하며 크로스 헤드 고정 방식을 유압식에다 너트식을 병용함으로서 칼럼(2)(2')과의 공국여유가 많이 생겨 유압에 의한 힘만으로는 체결력이 부족할시 너트(10)(10')를 조임으로서 공국 여유를 줄여줄수 있는 장점도 있다.

또, 크로스헤드(4)에 삽입된 알루미늄계 부싱과 칼럼(2)(2')표면의 경질 크롬 도금은 클랭핑전의 잦은 슬라이딩과 클랭핑후의 반복 피로 하중에 의해 나타나는 프렛팅 피로 현상으로 말미암아 크로스헤드(4)의 접촉면이 쉽게 마멸되는 것을 방지하고 클램핑시의 마찰력을 증대시킬 수 있게 하였다.

또, 유압 이동실린더(5)(5')를 거꾸로 하여 크로스 헤드(4)에 장착함으로서 작업 공간을 테스트 베드(1)바로 위까지 확장하여 굽힘 피로 시험이 용이하고 칼럼(2)(2')길이도 단축시킬 수 있게 되어 전체 프레임의 강성도를 증가시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 유압 액츄에이터(9)에 연결되는 하중 장치를 여러가지로 변환시킬 경우 굽힘 피로 시험뿐 아니라 인장, 압축 및 비틀림 피로 시험도 가능케하며, 시편의 형상에 따라 로우딩 비임(a)을 적절히 제작하여 교체시키면 어떠한 형태의 시편도 시험가능하고 특히, 대형 구조물의 시험에 적합한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. (정정) 테스트 베드(1) 상단에 4개의 원형 칼럼(2)(2')을 수직으로 고정하고 여기에 크로스 헤드(4)를 삽입하되 테스트 베드(1)와 크로스 헤드(4)사이에 유압 이동 실린더(5)(5')를 부착하고 유압 고정 실린더(8)(8')로서 크로스 헤드(4)를 칼럼(2)에 고정하며, 크로스 헤드(4)상단에 부착시킨 유압 액츄에이터(9) 아래에 경사하중 상쇄용 연결구(15) 및 그 아래에 로우드셀(14)를 장치하고 그 아래의 교체가능케한 로우딩비임(a)를 통하여 구조물이 실제로 받는 것과 유사한 하중의 형태로 하중을 가하여 시편 구조물의 내구성을 시험할 수 있게한 대형 구조물용 피로시험기.

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