WO2011062322A1 - 초고주기 피로시험장치 - Google Patents

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WO2011062322A1
WO2011062322A1 PCT/KR2010/000082 KR2010000082W WO2011062322A1 WO 2011062322 A1 WO2011062322 A1 WO 2011062322A1 KR 2010000082 W KR2010000082 W KR 2010000082W WO 2011062322 A1 WO2011062322 A1 WO 2011062322A1
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test piece
piezoelectric transducer
horn
test
amplification
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PCT/KR2010/000082
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박인규
조인식
이창순
편영식
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선문대학교 산학협력단
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    • G—PHYSICS
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    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
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    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0073—Fatigue

Definitions

  • the present invention relates to an ultrahigh cycle fatigue test apparatus, and more particularly, to an ultrahigh cycle fatigue test apparatus using a piezoelectric transducer.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus or the ultrasonic fatigue test apparatus is a device that generates a vibration having a frequency in the ultrasonic range using a piezoelectric transducer and applies it to the test piece to perform a fatigue test. It is used for fatigue testing of parts where resistance to fatigue stress such as blades is important.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of an ultra-high cycle fatigue test apparatus using a piezoelectric transducer according to the prior art
  • Figure 2 is a displacement and strain occurring in the longitudinal direction of the test piece in the ultra-high cycle fatigue test apparatus of FIG. The graph shown.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 10 by connecting the upper end of the piezoelectric transducer 12, the piezoelectric transducer 12 and the test piece (S) provided in the upper region of the test piece piezoelectric transducer An amplification horn 13 for amplifying the vibration generated by the (12) and transmitting it to the test piece (S) and a power generator 11 for applying a predetermined power to the piezoelectric transducer (12).
  • the piezoelectric transducer 12 converts electrical energy into mechanical energy by using a material having a piezoelectric effect, and converts mechanical energy into electrical energy.
  • the length is reduced. Mechanical vibration is generated in the direction (up and down direction).
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 10 having the configuration as described above transmits vibration to only one end of the test piece (S) by one piezoelectric transducer 12 and the amplification horn 13, As shown in FIG. 2, the displacement and strain occurring in the longitudinal direction of the test piece S do not form a symmetrical waveform with respect to the center of the test piece S. As shown in FIG. Accordingly, the ultra-high cycle fatigue test apparatus 10 according to the prior art has a problem that the irregular fatigue stress is applied to the center of the test piece (S) to reduce the reliability of the fatigue test.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 10 is a cantilever shape in which the mounted test piece (S) is provided with one end of the fixed end and the other end of the free end, it is prescribed to the test piece (S) Difficult to apply the tensile or compressive force of the was limited in terms of the variety of fatigue test.
  • An object of the present invention is to provide an ultra-high cycle fatigue testing apparatus that can improve the reliability of the fatigue test by applying regular fatigue stress to the test piece.
  • the present invention transmits vibration to a specimen through a pair of piezoelectric transducers and amplification horns symmetrically disposed on both sides of the specimen, so that displacements and strains occurring in the longitudinal direction of the specimen are symmetrical with respect to the center of the specimen. It is formed so that regular fatigue stress is applied to the specimens, thereby improving the reliability of the fatigue test.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of an ultra-high cycle fatigue test apparatus using a piezoelectric transducer according to the prior art.
  • Figure 2 is a graph showing the displacement and strain occurring in the longitudinal direction of the test specimen in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an ultrahigh cycle fatigue test apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the displacement and strain occurring in the longitudinal direction of the test specimen in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG.
  • FIG. 5 is a partial perspective view illustrating a vibration detection module for detecting vibration characteristics generated in a test piece of the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 3 and a camera module for photographing a crack propagation process of the test piece.
  • FIG. 6 is a partial perspective view illustrating an example of a cooling module for cooling a test piece in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 3.
  • FIG. 7 is a partial perspective view illustrating another example of a cooling module for cooling a test piece in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 3.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a temperature pressure regulating chamber and a corrosion chamber further provided in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 1 to create various fatigue test environments.
  • the object is, according to the present invention, a first piezoelectric transducer provided in one region of the test piece; A first amplifying horn which connects the first piezoelectric transducer to one end of the test specimen and amplifies the vibration generated by the first piezoelectric transducer and transmits the vibration to the test specimen; A second piezoelectric transducer in the other region of the test piece; And a second amplifying horn connecting the second piezoelectric transducer to the other end of the test piece and amplifying the vibration generated by the second piezoelectric transducer to transmit the amplified horn to the test piece. Is achieved by.
  • first piezoelectric transducer and the second piezoelectric transducer may generate vibrations of substantially the same frequency, and the first amplification horn and the second amplification horn may have substantially the same natural frequencies.
  • the first amplifying horn and the second amplifying horn may have substantially the same material, size, and shape.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus may further include a vibration detection module for detecting at least one of the amplitude and frequency of the vibration generated in the test piece.
  • the vibration detection module may include an optical sensor or a laser sensor disposed between the first amplification horn and the second amplification horn to irradiate light toward at least one of the first amplification horn and the second amplification horn. have.
  • the frequency detected by the vibration detection module When the frequency detected by the vibration detection module is out of a predetermined range, it may be determined that a crack has occurred in the test piece, and the power applied to the first piezoelectric transducer and the second piezoelectric transducer may be cut off.
  • the ultra-high cycle fatigue testing apparatus further includes a drive module for moving at least one of the first amplification horn and the second amplification horn to adjust the distance between the first amplification horn and the second amplification horn. can do.
  • the ultra-high cycle fatigue testing apparatus may further include a camera module provided in an adjacent region of the test piece and photographing a crack propagation process of the test piece in a state where a predetermined tensile force is applied to the test piece by the driving module. .
  • the camera module may start photographing when the frequency detected by the vibration detection module is out of a predetermined range.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus further includes a cooling module provided to surround the test piece to eject a gas for cooling the test piece, wherein the cooling module has a plurality of gas ejection holes formed on a side facing the test piece. And a cooling block having a ring shape.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus further includes a cooling module provided to surround the test piece to eject a gas for cooling the test piece, wherein the cooling module has a plurality of gas ejection holes formed on a side facing the test piece. And, it may include a cooling block having a '' 'shape.
  • the ultra-high cycle fatigue testing apparatus further includes a temperature pressure adjusting chamber which is provided to seal a predetermined area including the test piece, and is provided with a heater for adjusting an internal temperature and a pressure pump for adjusting an internal pressure. Can be.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus may further include a corrosion chamber in which a corrosion solution for corroding the test piece is accommodated, and an electrode port for applying a current to the test piece immersed in the corrosion solution is formed.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an ultrahigh cycle fatigue test apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 includes a first piezoelectric transducer 111, a first piezoelectric transducer 111, and a test specimen S provided in an upper region of the test specimen S.
  • the first amplification horn 113 connecting the upper end of the first power source, the first power generator 141 for applying a predetermined power to the first piezoelectric transducer 111, the second piezoelectric transducer provided in the lower region of the test piece ( 112, a second amplifying horn 114 connecting the lower end of the second piezoelectric transducer 112 and the test piece S, and a second power generator 142 applying a predetermined power to the second piezoelectric transducer 112.
  • the first piezoelectric transducer 111, the first amplifying horn 113, the second piezoelectric transducer 112, and the second amplifying horn 114 may be disposed on a coaxial line.
  • the first piezoelectric transducer 111, the first amplifying horn 113, the second piezoelectric transducer 112, and the second amplifying horn 114 are vertically arranged.
  • 111, the first amplifying horn 113, the second piezoelectric transducer 112, and the second amplifying horn 114 may be arranged horizontally.
  • a piezoelectric transducer is a mechanism for converting electrical energy into mechanical energy using a piezoelectric material and converting mechanical energy into electrical energy.
  • Piezoelectric transducers are mainly made of materials such as barium titanate or zirconic acid.
  • the first piezoelectric transducer 111 is provided in the upper region of the test piece S, and generates electric vibration in the longitudinal direction (up and down direction) when electric power is applied by the first power generator 141.
  • the vibration generated by the first piezoelectric converter 111 has a frequency of approximately 20 kHz
  • the second power generator 141 is configured to apply appropriate power thereto to the first piezoelectric converter 111.
  • the frequency of the vibration generated by the first piezoelectric transducer 111 is not limited to this embodiment and may be variously selected.
  • the first amplification horn 113 connects the first piezoelectric transducer 111 and the test piece S to amplify the amplitude of the vibration generated by the first piezoelectric transducer 111 and transmits the amplitude to the test specimen S.
  • the upper end of the first amplification horn 113 is coupled to the lower end of the first piezoelectric transducer 111 and the lower end of the first amplification horn 113 is coupled to the upper end of the test piece (S).
  • the first amplification horn 113 to which the first piezoelectric transducer 111 is coupled is mounted to the first support table 121 as shown in FIG. 3.
  • the vibration generated in the first piezoelectric transducer 111 itself is small in amplitude, when the first piezoelectric transducer 111 is directly connected to the specimen S, the displacement of the magnitude required for the fatigue test in the specimen S is measured. Difficult to generate For this reason, the first piezoelectric transducer 111 and the test piece S are connected to the first amplification horn 113 and the amplitude of the vibration generated by the first piezoelectric transducer 111 is passed through the first amplification horn 113. Amplify and deliver to the specimen (S).
  • the first amplifying horn 113 amplifies the vibration generated in the first piezoelectric transducer 111 by using a resonance phenomenon, a natural frequency (unique) capable of resonating by the vibration of the first piezoelectric transducer 111 Frequency, the material, size and shape of the first amplifying horn 113 should be designed.
  • the degree of amplifying the amplitude of the vibration generated in the first piezoelectric transducer 111 varies depending on the material, size, and shape of the first amplifying horn 113, and generates a displacement of up to 50 ⁇ m in the test piece S. It is desirable to select the material, size and shape so that it can be made.
  • the second piezoelectric transducer 112 is provided in the lower region of the test piece S, and generates electric vibration in the longitudinal direction (up and down direction) when electric power is applied by the second power generator 142.
  • the second piezoelectric transducer 112 preferably generates vibrations having substantially the same frequency as the aforementioned first piezoelectric transducer 111.
  • the first piezoelectric transducer 111 is selected to generate a vibration having a frequency of 20 kHz
  • the second piezoelectric transducer 112 is also preferably selected to generate a vibration having a frequency of 20 kHz. This is to more easily match the resonance of the vibration system including the first amplification horn 113, the test piece (S) and the second amplification horn 114, details of which will be described later.
  • the second amplification horn 114 connects the second piezoelectric transducer 112 and the test piece S to amplify the amplitude of the vibration generated by the second piezoelectric transducer 112 and transmits the amplitude to the test piece S.
  • the upper end of the second amplification horn 114 is coupled to the lower end of the test piece S
  • the lower end of the second amplification horn 114 is coupled to the upper end of the second piezoelectric transducer 112.
  • the second amplifying horn 114 to which the second piezoelectric transducer 112 is coupled is mounted to the second support table 123 as shown in FIG. 3.
  • the vibration generated in the second piezoelectric transducer 112 since the vibration generated in the second piezoelectric transducer 112 itself has a small amplitude, when the second piezoelectric transducer 112 is directly connected to the test specimen S, the test specimen S ), It is difficult to produce the displacement of the size required for fatigue testing. For this reason, the second piezoelectric transducer 112 and the test piece S are connected to the second amplifying horn 114 and the amplitude of the vibration generated by the second piezoelectric transducer 112 is passed through the second amplifying horn 114. Amplify and deliver to the specimen (S).
  • the second amplification horn 114 amplifies the vibration generated in the second piezoelectric transducer 112 using a resonance phenomenon, similar to the first amplification horn 113 described above, the second piezoelectric transducer 112
  • the material, size, and shape of the first amplifying horn 113 should be designed to have a natural frequency (a natural frequency) capable of resonating by the vibration of the first amplification horn 113.
  • the second amplification horn 114 has a natural frequency (intrinsic frequency) substantially the same as the first amplification horn 113 described above.
  • the second amplification horn 114 preferably has substantially the same material, size, and shape as the first amplification horn 113 so as to have a natural frequency substantially the same as that of the first amplification horn 113.
  • the first amplification horn 113 and the second amplification horn 114 are configured to have substantially the same natural frequency, and as described above, the first piezoelectric transducer 111 and By constructing the second piezoelectric transducer 112, the first piezoelectric transducer 111 and the first amplifying horn 113 disposed in the upper region around the test piece S and the second piezoelectric transducer 112 disposed in the lower region. ) And the second amplification horn 114 have the same vibration characteristics. Accordingly, the resonance of the vibration system including the first amplifying horn 113, the test piece S and the second amplifying horn 114 can be more easily matched. In addition, the waveform of the vibration transmitted to the test piece S by the first amplifying horn 113 and the waveform of the vibration transmitted to the test piece S by the second amplifying horn 114 coincide with each other.
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 may include a first piezoelectric transducer to adjust a gap between a lower end of the first amplification horn 113 and an upper end of the second amplification horn 114.
  • a driving module for moving the first amplification horn 113 in the vertical direction together with the 111 may be further included.
  • the drive module is provided with a pair of hydraulic cylinders (131, 133) as shown in FIG.
  • the pair of hydraulic cylinders 131 and 133 are fixedly installed on the second support table 123 on which the second amplification horn 114 is mounted, and the flexible cylinder rods 131a and 133a are mounted on the first amplification horn 113. Coupled to the first support table 121.
  • the first amplifying horn 113 can move upward and downward with the first piezoelectric transducer 111 coupled to the upper end thereof.
  • the distance between the lower end of the first amplification horn 113 and the upper end of the second amplification horn 114 may be adjusted within a predetermined range by driving the pair of hydraulic cylinders 131 and 133.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 is a distance between the first amplification horn 113 and the second amplification horn 114 using a drive module provided with a pair of hydraulic cylinders (131, 133). Since the predetermined tensile force or compressive force can be applied to the mounted specimen (S), the fatigue test can be performed while the initial tensile or compressive force is applied to the specimen (S), thereby ensuring the diversity of the fatigue test. can do.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 by adjusting the interval between the first amplifying horn 113 and the second amplifying horn 114, the first amplifying horn 113 and the second amplifying horn ( There is an advantage that it is easy to mount or detach the mounted test piece S of the test piece S between the 114).
  • the driving module for adjusting the distance between the first amplifying horn 113 and the second amplifying horn 114 may include a first amplification of the first amplifying horn 113 and the second amplifying horn 114.
  • the driving module may be configured to move both the first amplifying horn 113 and the second amplifying horn 114 in the vertical direction.
  • the driving module is not limited to the hydraulic cylinder method disclosed in this embodiment, and the driving method using a ball screw and a linear motion guide or a linear motor and a LM guide. Of course, the driving method can be applied.
  • Figure 4 is a graph showing the displacement and strain occurring in the longitudinal direction of the test specimen in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG.
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 according to the present embodiment, displacement and strain occurring in the longitudinal direction of the test piece S are symmetrical with respect to the center of the test piece S. It can be seen that the waveform is formed. This is due to a pair of piezoelectric transducers 111 and 112 and amplification horns 113 and 114 in which the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 according to the present embodiment is disposed symmetrically about the test specimen S at both ends of the test specimen S. This is because the vibrations of the same waveform are transmitted.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 the test piece (S) in the conventional ultra-high cycle fatigue test apparatus for transmitting vibration only to one end of the test piece (S) by one piezoelectric transducer and amplification horn. Since the displacements and strains occurring in the longitudinal direction do not form a symmetrical waveform with respect to the center of the test piece S, irregular fatigue stress is applied to the center of the test piece S, thereby reducing the reliability of the fatigue test. Can be. That is, the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 according to the present embodiment can improve the reliability of the fatigue test by applying a regular fatigue stress to the test piece (S).
  • FIG. 5 is a partial perspective view illustrating a vibration detection module for detecting vibration characteristics generated in a test piece of the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 3 and a camera module for photographing a crack propagation process of the test piece.
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 may further include a vibration detection module 150 for detecting vibration characteristics generated from the test piece S.
  • a vibration detection module 150 for detecting vibration characteristics generated from the test piece S.
  • the vibration detection module 150 detects the characteristics of the vibration generated in the test piece S during the fatigue test, that is, the amplitude and / or frequency of the vibration. As shown in FIG. 3, the vibration detection module 150 is disposed between the first amplification horn 113 and the second amplification horn 114, and the bottom surface of the first amplification horn 113 or the second amplification horn ( It may be provided as a photo sensor or a laser sensor for irradiating light toward the upper surface of the 114. However, the vibration detection module 150 may be implemented in other manners than the optical sensor and the laser sensor of this embodiment.
  • the vibration detection module 150 is most preferably configured to directly detect the vibration characteristics of the test piece (S), but both ends of the test piece (S) in the ultra-high cycle fatigue testing apparatus 100 according to the present embodiment, respectively Since it is coupled to the first amplification horn 113 and the second amplification horn 114, it is difficult to detect the vibration characteristics of the test piece (S) by irradiating light directly to the test piece (S) using an optical sensor or a laser sensor. Accordingly, in the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 according to the present embodiment, the vibration detection module 150 includes the first amplification horn 113, the test piece S, and the second amplification horn 114 as one resonant vibrometer.
  • the amplitude of the vibration generated in the test piece S taking into account that the vibration characteristics of the test piece S are substantially the same as those of the first amplifying horn 113 or the second amplifying horn 114. And / or to detect the amplitude and / or frequency of vibrations occurring in the first amplifying horn 113 or the second amplifying horn 114 to detect the frequency.
  • the vibration characteristic of the test piece S detected by the vibration detection module 150 is used as data for determining a time point at which a crack occurs in the center of the test piece S.
  • the amplitude and frequency of the vibration generated in the test piece S are different from those before the crack is generated, so that the vibration of the test piece S detected by the vibration detection module 150 is different. If the amplitude and frequency of the vibration are out of a predetermined range, it can be determined that a crack has occurred in the test piece (S).
  • the frequency of the vibration is significantly different than the amplitude of the vibration when the crack occurs in the test piece (S)
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 may further include a camera module 160 for photographing a crack propagation process of the test piece S.
  • a camera module 160 for photographing a crack propagation process of the test piece S.
  • the camera module 160 is provided in an adjacent region of the test piece S to photograph a central portion of the test piece S in which a crack is to be generated. At this time, in order for the crack generated in the center portion of the test piece (S) to propagate, a tensile force must be applied to the test piece (S) by the above-described drive module (131,133). That is, the camera module 160 photographs a propagation process of cracks generated in the test piece S in a state where a predetermined tensile force is applied to the test piece S by the driving modules 131 and 133.
  • the camera module 160 since the camera module 160 is to photograph the crack propagation process of the test piece (S), rather than photographing the test piece (S) from the start of the fatigue test, the frequency detected by the vibration detection module 150 in advance If it is out of a predetermined range, that is, it is efficient to start photographing the test piece S after the crack has occurred in the test piece S.
  • the camera module 160 may be implemented as an infrared camera or a video scope.
  • FIG. 6 is a partial perspective view illustrating an example of a cooling module for cooling a test piece in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 3
  • FIG. 7 is a view of a cooling module for cooling a test piece in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 3. It is a partial perspective view for demonstrating another example.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 may further include a cooling module provided to surround the test piece (S) to eject a gas for cooling the test piece (S) during the fatigue test.
  • the cooling module illustrated in FIG. 6 includes a cooling block 170 having a ring shape in which a plurality of gas ejection holes 171 are formed on the side facing the test piece S and surround the test piece S.
  • One side of the cooling block 170 is connected to a gas injection tube 173 for injecting gas cooled by an air cooler (not shown) into the cooling block.
  • an air cooler not shown
  • cooled air or cooled nitrogen may be used.
  • the cooling block 170 shown in FIG. 6 has a ring shape surrounding the test piece S, the test piece S can be cooled uniformly as a whole, thereby further improving the reliability of the fatigue test.
  • the cooling module illustrated in FIG. 7 includes a cooling block 180 having a 'c' shape in which a plurality of gas ejection holes 181 are formed on a side facing the test piece S and surround the test piece S.
  • One side of the cooling block 180 is connected to a gas injection tube 183 for injecting gas cooled by an air cooler (not shown) into the cooling block.
  • the cooling block 180 illustrated in FIG. 7 is provided to surround the test piece S, and the first amplifying horn 113 may have an open structure on one side while allowing the test piece S to be uniformly cooled as a whole.
  • the replacement of the test piece (S) is easy because it does not interfere with the test piece (S) in the process of mounting or mounting the test piece (S) of the test piece (S) between the second amplification horn (114).
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a temperature pressure regulating chamber and a corrosion chamber further provided in the ultrahigh cycle fatigue test apparatus of FIG. 1 to create various fatigue test environments.
  • the temperature pressure control chamber 190 is provided to seal a predetermined region including the test piece S.
  • the temperature pressure control chamber 190 includes a heater 193 for adjusting the temperature therein and a pressure pump 191 for adjusting the pressure therein.
  • the heater 193 may include a heat generating resistor such as a coiled nichrome wire or the like, or a paste composition.
  • the pressure pump 191 extracts the air in the temperature pressure control chamber 190 to the outside through the connection pipe 191a to form a low pressure state including a vacuum or the temperature pressure control chamber 190 through the connection pipe 191a. ) Compressed air can be put inside to create high pressure state.
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 can perform a fatigue test in various temperature pressure environments such as a high temperature and high pressure state.
  • the sight glass 192 may be provided so that the experimenter can visually observe the fatigue test process as shown in FIG.
  • the corrosion chamber 195 contains a corrosion solution for corrosion of the test piece S therein.
  • the corrosion solution may include an acid solution such as nitric acid and sulfuric acid.
  • the corrosion chamber 195 is provided to surround the test piece S at the position where the test piece S is mounted so that the test piece S can be immersed in the corrosion solution.
  • the corrosion chamber 195 is disposed inside the temperature pressure regulating chamber 190.
  • the corrosion chamber 195 may be provided with an electrode port 195a for applying a current to the test piece S and the reference piece (not shown) immersed in the corrosion solution.
  • the reference piece is provided in the corrosion chamber 195 and may be made of platinum, graphite, or the like. Accordingly, an electrode (not shown) is connected to the electrode port 195a of the corrosion chamber 195, for example, a positive electrode is connected to the test piece S, and a negative electrode is connected to the reference piece.
  • an electrode (not shown) is connected to the electrode port 195a of the corrosion chamber 195, for example, a positive electrode is connected to the test piece S, and a negative electrode is connected to the reference piece.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 further includes a temperature pressure regulating chamber 190 and a corrosion chamber 195, thereby providing various fatigue test environments.
  • the present invention is applicable to the technical field of the fatigue test apparatus for performing a fatigue test by applying vibration to the test piece.

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Abstract

본 발명에 의한 초고주기 피로시험장치는 시험편의 일측 영역에 마련되는 제1 압전 변환기; 제1 압전 변환기와 시험편의 일단부를 연결하고, 제1 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편에 전달하는 제1 증폭 호른; 시험편의 타측 영역에 제2 압전 변환기; 및 제2 압전 변환기와 시험편의 타단부를 연결하고, 제2 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편에 전달하는 제2 증폭 호른을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 시험편에 규칙적인 피로 응력을 가하여 피로 시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

초고주기 피로시험장치
본 발명은, 초고주기 피로시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 압전 변환기를 이용한 초고주기 피로시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 초고주기 피로시험장치 혹은 초음파 피로시험장치는 압전 변환기(Piezoelectric Transducer)를 이용하여 초음파 범위의 주파수를 갖는 진동을 발생시키고 이를 시험편에 인가하여 피로 시험을 수행하는 장치로, 열차의 차륜, 터빈 블레이드 등의 피로 응력에 대한 저항이 중요시되는 부품에 대한 피로 시험에 활용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 변환기를 이용한 초고주기 피로시험장치의 일 예를 개략적인 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 초고주기 피로시험장치에서 시험편의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 초고주기 피로시험장치(10)는, 시험편의 상측 영역에 마련되는 압전 변환기(12), 압전 변환기(12)와 시험편(S)의 상단부를 연결하여 압전 변환기(12)에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편(S)에 전달하는 증폭 호른(13) 및 압전 변환기(12)에 소정의 전력을 인가하는 전력 발생기(11)를 포함한다. 여기서, 압전 변환기(12)는 압전효과를 가진 재료를 사용해서 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하고, 또 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 것으로, 전력 발생기(11)에 의해 전력이 인가되면 길이 방향(상하 방향)으로 기계적인 진동을 발생시킨다.
그런데, 위와 같은 구성을 갖는 종래 기술에 따른 초고주기 피로시험장치(10)는 하나의 압전 변환기(12) 및 증폭 호른(13)에 의해 시험편(S)의 일단부에만 진동을 전달하기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 시험편(S)의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률이 시험편(S)의 중심에 대해 대칭적인 파형을 이루지 못하고 있다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 초고주기 피로시험장치(10)는 시험편(S)의 중심에 불규칙적인 피로 응력이 가해져 피로 시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 초고주기 피로시험장치(10)는 장착된 시험편(S)이 그 일단은 고정단으로 그 타단은 자유단으로 마련되는 외팔보(Cantilever) 형태이기 때문에, 시험편(S)에 소정의 인장력 또는 압축력을 인가하기 어려워 피로 시험의 다양성 측면에서 한계가 있었다.
본 발명의 목적은, 시험편에 규칙적인 피로 응력을 가하여 피로 시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 초고주기 피로시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 시험편의 양측에 대칭적으로 배치되는 한 쌍의 압전 변환기 및 증폭 호른을 통해 시험편에 진동을 전달함으로써, 시험편의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률이 시험편의 중심에 대해 대칭적인 파형으로 형성되어 시험편에 규칙적인 피로 응력이 가해지므로 피로 시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 변환기를 이용한 초고주기 피로시험장치의 일 예를 개략적인 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 초고주기 피로시험장치에서 시험편의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 초고주기 피로시험장치에서 시험편의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 3의 초고주기 피로시험장치의 시험편에서 발생하는 진동 특성을 검출하기 위한 진동검출모듈 및 시험편의 크랙 전파 과정을 촬영하기 위한 카메라 모듈을 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 6은 도 3의 초고주기 피로시험장치에서 시험편을 냉각시키기 위한 냉각 모듈의 일 예를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 7은 도 3의 초고주기 피로시험장치에서 시험편을 냉각시키기 위한 냉각 모듈의 다른 예를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 8은 다양한 피로 시험 환경을 조성하기 위해 도 1의 초고주기 피로시험장치에 더 구비되는 온도압력 조절챔버 및 부식 챔버를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 시험편의 일측 영역에 마련되는 제1 압전 변환기; 상기 제1 압전 변환기와 상기 시험편의 일단부를 연결하고, 상기 제1 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 상기 시험편에 전달하는 제1 증폭 호른; 상기 시험편의 타측 영역에 제2 압전 변환기; 및 상기 제2 압전 변환기와 상기 시험편의 타단부를 연결하고, 상기 제2 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 상기 시험편에 전달하는 제2 증폭 호른을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제1 압전 변환기와 상기 제2 압전 변환기는 실질적으로 동일한 주파수의 진동을 발생시키고, 상기 제1 증폭 호른과 상기 제2 증폭 호른은 실질적으로 동일한 고유주파수를 가질 수 있다.
상기 제1 증폭 호른과 상기 제2 증폭 호른은 실질적으로 동일한 재질, 크기 및 형상을 가질 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 상기 시험편에서 발생하는 진동의 진폭 및 주파수 중 적어도 어느 하나를 검출하기 위한 진동검출모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 진동검출모듈은, 상기 제1 증폭 호른과 상기 제2 증폭 호른 사이에 배치되어 상기 제1 증폭 호른 및 상기 제2 증폭 호른 중 적어도 하나를 향해 빛을 조사하는 광 센서 또는 레이저 센서를 포함할 수 있다.
상기 진동검출모듈에 의해 검출되는 주파수가 미리 정해진 범위를 벗어나면, 상기 시험편에 크랙이 발생한 것으로 판단하고 상기 제1 압전 변환기 및 상기 제2 압전 변환기에 인가되는 전력을 차단할 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 상기 제1 증폭 호른 및 상기 제2 증폭 호른 사이의 간격을 조정하기 위해, 상기 제1 증폭 호른 및 상기 제2 증폭 호른 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 구동 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 상기 시험편의 인접 영역에 마련되고, 상기 구동 모듈에 의해 상기 시험편에 미리 설정된 인장력이 가해진 상태에서 상기 시험편의 크랙 전파 과정을 촬영하기 위한 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 카메라 모듈은, 상기 진동검출모듈에 의해 검출되는 주파수가 미리 정해진 범위를 벗어나면, 촬영을 시작할 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 상기 시험편을 에워싸도록 마련되어 상기 시험편을 냉각시키기 위한 기체를 분출하는 냉각 모듈을 더 포함하며, 상기 냉각 모듈은, 상기 시험편과 마주하는 측면에 다수의 기체분출공이 형성되고, 링 형상을 갖는 냉각 블럭을 포함할 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 상기 시험편을 에워싸도록 마련되어 상기 시험편을 냉각시키기 위한 기체를 분출하는 냉각 모듈을 더 포함하며, 상기 냉각 모듈은, 상기 시험편과 마주하는 측면에 다수의 기체분출공이 형성되고, 'ㄷ'자 형상을 갖는 냉각 블럭을 포함할 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 상기 시험편을 포함한 소정의 영역을 밀폐하도록 마련되고, 내부의 온도를 조절하기 위한 히터 및 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 펌프가 구비되는 온도압력 조절챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 초고주기 피로시험장치는, 내부에 상기 시험편을 부식시키기 위한 부식 용액이 수용되고, 상기 부식 용액에 잠긴 상기 시험편에 전류를 인가하기 위한 전극 포트가 형성되는 부식 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 시험편(S)의 상측 영역에 마련되는 제1 압전 변환기(111), 제1 압전 변환기(111)와 시험편(S)의 상단부를 연결하는 제1 증폭 호른(113), 제1 압전 변환기(111)에 소정의 전력을 인가하는 제1 전력 발생기(141), 시험편(S)의 하측 영역에 마련되는 제2 압전 변환기(112), 제2 압전 변환기(112)와 시험편(S)의 하단부를 연결하는 제2 증폭 호른(114), 및 제2 압전 변환기(112)에 소정의 전력을 인가하는 제2 전력 발생기(142)를 포함한다. 이때, 제1 압전 변환기(111), 제1 증폭 호른(113), 제2 압전 변환기(112) 및 제2 증폭 호른(114)은 동축선상에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에서는 제1 압전 변환기(111), 제1 증폭 호른(113), 제2 압전 변환기(112) 및 제2 증폭 호른(114)이 수직으로 배치되지만, 이와 다르게 제1 압전 변환기(111), 제1 증폭 호른(113), 제2 압전 변환기(112) 및 제2 증폭 호른(114)은 수평으로 배치되어도 무방하다.
여기서, 압전 변환기(Piezoelectric Transducer)는 압전효과를 가진 재료를 사용해서 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하고, 또 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 기구이다. 압전 변환기는 주로 티탄산바륨이나 지르콘산과 같은 재료로 만들어진다.
제1 압전 변환기(111)는 시험편(S)의 상측 영역에 마련되고, 제1 전력 발생기(141)에 의해 전력이 인가되면 길이 방향(상하 방향)으로 기계적인 진동을 발생시킨다. 본 실시예에서 제1 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동은 대략 20kHz의 주파수를 가지며, 제2 전력 발생기(141)는 이에 적절한 전력을 제1 압전 변환기(111)에 인가하도록 구성된다. 다만, 제1 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동의 주파수는 본 실시예에 한정되지 아니하고 다양하게 선택될 수 있을 것이다.
제1 증폭 호른(113)은 제1 압전 변환기(111)와 시험편(S)을 연결하여 제1 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동의 진폭을 증폭시켜 시험편(S)에 전달한다. 구체적으로, 제1 증폭 호른(113)의 상단부는 제1 압전 변환기(111)의 하단부에 결합되고 제1 증폭 호른(113)의 하단부는 시험편(S)의 상단부에 결합된다. 제1 압전 변환기(111)가 결합된 제1 증폭 호른(113)은, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 지지 테이블(121)에 장착된다. 제1 압전 변환기(111) 자체에서 발생하는 진동은 그 진폭이 작기 때문에 제1 압전 변환기(111)를 시험편(S)에 직접 연결할 경우에 시험편(S)에서 피로 시험을 위해 요구되는 크기의 변위를 발생시키기 어렵다. 이러한 이유로, 제1 압전 변환기(111)와 시험편(S)을 제1 증폭 호른(113)으로 연결하고 제1 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동의 진폭을 제1 증폭 호른(113)을 통해 증폭시켜 시험편(S)에 전달하는 것이다.
한편, 제1 증폭 호른(113)은 공진 현상을 이용하여 제1 압전 변환기(111)에 발생하는 진동을 증폭시키는 것이므로, 제1 압전 변환기(111)의 진동에 의해 공진할 수 있는 고유주파수(고유진동수)를 갖도록, 제1 증폭 호른(113)의 재질, 크기 및 형상을 설계하여야 한다. 또한, 제1 증폭 호른(113)은 그 재질, 크기 및 형상에 따라 제1 압전 변환기(111)에서 발생하는 진동의 진폭을 증폭하는 정도가 달라지는데, 시험편(S)에서 최대 50㎛의 변위를 발생시킬 수 있도록 그 재질, 크기 및 형상을 선택하는 것이 바람직하다.
제2 압전 변환기(112)는 시험편(S)의 하측 영역에 마련되고, 제2 전력 발생기(142)에 의해 전력이 인가되면 길이 방향(상하 방향)으로 기계적인 진동을 발생시킨다. 이때, 제2 압전 변환기(112)는 전술한 제1 압전 변환기(111)와 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 진동을 발생시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 제1 압전 변환기(111)가 20kHz의 주파수를 갖는 진동을 발생시키는 것으로 선택된다면, 제2 압전 변화기(112) 또한 20kHz의 주파수를 갖는 진동을 발생시키는 것으로 선택되는 것이 바람직하다. 이는 제1 증폭 호른(113), 시험편(S) 및 제2 증폭 호른(114)을 포함한 진동계의 공진을 보다 용이하게 맞추기 위한 것인데, 이에 대한 자세한 사항은 후술하기로 한다.
제2 증폭 호른(114)은 제2 압전 변환기(112)와 시험편(S)을 연결하여 제2 압전 변환기(112)에 의해 발생하는 진동의 진폭을 증폭시켜 시험편(S)에 전달한다. 구체적으로, 제2 증폭 호른(114)의 상단부는 시험편(S)의 하단부에 결합되고 제2 증폭 호른(114)의 하단부는 제2 압전 변환기(112)의 상단부에 결합된다. 제2 압전 변환기(112)가 결합된 제2 증폭 호른(114)은, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 지지 테이블(123)에 장착된다. 전술한 제1 압전 변환기(111)와 마찬가지로, 제2 압전 변환기(112) 자체에서 발생하는 진동은 그 진폭이 작기 때문에 제2 압전 변환기(112)를 시험편(S)에 직접 연결할 경우에 시험편(S)에서 피로 시험을 위해 요구되는 크기의 변위를 발생시키기 어렵다. 이러한 이유로, 제2 압전 변환기(112)와 시험편(S)을 제2 증폭 호른(114)으로 연결하고 제2 압전 변환기(112)에 의해 발생하는 진동의 진폭을 제2 증폭 호른(114)을 통해 증폭시켜 시험편(S)에 전달하는 것이다.
한편, 제2 증폭 호른(114)은 전술한 제1 증폭 호른(113)과 마찬가지로, 공진 현상을 이용하여 제2 압전 변환기(112)에 발생하는 진동을 증폭시키는 것이므로, 제2 압전 변환기(112)의 진동에 의해 공진할 수 있는 고유주파수(고유진동수)를 갖도록, 제1 증폭 호른(113)의 재질, 크기 및 형상을 설계하여야 한다.
여기서, 제2 증폭 호른(114)은 전술한 제1 증폭 호른(113)과 실질적으로 동일한 고유주파수(고유진동수)를 갖는다. 예컨대, 제2 증폭 호른(114)은 제1 증폭 호른(113)과 실질적으로 동일한 고유주파수를 갖도록, 제1 증폭 호른(113)과 실질적으로 동일한 재질, 크기 및 형상을 갖는 것이 바람직하다.
이처럼, 실질적으로 동일한 고유주파수를 갖도록 제1 증폭 호른(113) 및 제2 증폭 호른(114)을 구성하고, 전술한 바와 같이 실질적으로 동일한 주파수의 진동을 발생시키도록 제1 압전 변환기(111) 및 제2 압전 변환기(112)를 구성함으로써, 시험편(S)을 중심으로 상측 영역에 배치된 제1 압전 변환기(111) 및 제1 증폭 호른(113)과 하측 영역에 배치된 제2 압전 변환기(112) 및 제2 증폭 호른(114)이 상호 동일한 진동 특성을 갖게 된다. 이에 따라, 제1 증폭 호른(113), 시험편(S) 및 제2 증폭 호른(114)을 포함한 진동계의 공진을 보다 용이하게 맞출 수 있게 된다. 또한, 제1 증폭 호른(113)에 의해 시험편(S)에 전달되는 진동의 파형과 제2 증폭 호른(114)에 의해 시험편(S)에 전달되는 진동의 파형은 상호 일치하게 된다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 제1 증폭 호른(113)의 하단부와 제2 증폭 호른(114)의 상단부 사이의 간격을 조정하기 위해 제1 압전 변환기(111)와 함께 제1 증폭 호른(113)을 상하 방향으로 이동시키기 위한 구동 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 구동 모듈은, 도 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 유압 실린더(131,133)로 마련된다. 한 쌍의 유압 실린더(131,133)는 제2 증폭 호른(114)이 장착된 제2 지지 테이블(123)에 고정 설치되고, 신축 가능한 실린더 로드(131a,133a)가 제1 증폭 호른(113)이 장착된 제1 지지 테이블(121)에 결합된다. 한 쌍의 유압 실린더(131,133)의 실린더 로드(131a,133a)의 신축 동작에 의해 제1 증폭 호른(113)은 그 상단부에 결합된 제1 압전 변환기(111)와 함께 상하 방향으로 이동할 수 있게 된다. 이에 따라, 제1 증폭 호른(113)의 하단부와 제2 증폭 호른(114)의 상단부 사이의 간격은 한 쌍의 유압 실린더(131,133)의 구동에 의해 일정 범위 내에서 조정될 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 한 쌍의 유압 실린더(131,133)로 마련되는 구동 모듈을 이용하여 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114) 사이의 간격을 조정함으로써, 장착된 시험편(S)에 소정의 인장력 또는 압축력을 인가할 수 있으므로, 시험편(S)에 초기 인장력 또는 압축력을 인가한 상태에서 피로 시험을 수행하는 것이 가능하여 피로 시험의 다양성을 확보할 수 있다. 아울러, 본 실시예에 따라 초고주기 피로시험장치(100)는 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114) 사이의 간격을 조정함으로써 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114) 사이에 시험편(S)의 장착하거나 장착된 시험편(S)을 분리하기가 쉽다는 이점이 있다.
한편, 본 실시예에서 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114) 사이의 간격을 조정하기 위한 구동 모듈은 제1 증폭 호른(113) 및 제2 증폭 호른(114) 중 제1 증폭 호른(113)만 상하 방향으로 이동시키도록 구성되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 구동 모듈은 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114)을 모두 상하 방향으로 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 더 나아가, 구동 모듈은 본 실시예에서 개시한 유압 실린더 방식에 한정되지 아니하고, 볼 스크루(Ball Screw)와 LM 가이드(Linear Motion Guide)를 이용한 구동 방식 또는 리니어 모터(Linear Motor)와 LM 가이드를 이용한 구동 방식 등이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 4는 도 3의 초고주기 피로시험장치에서 시험편의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)에서 시험편(S)의 길이 방향으로 발생하는 변위(Displacement) 및 변형률(Strain)은 시험편(S)의 중심에 대해 대칭적인 파형을 이루고 있음을 알 수 있다. 이는 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)가 시험편(S)을 중심으로 상하 대칭으로 배치되는 한 쌍의 압전 변환기(111,112) 및 증폭 호른(113,114)에 의해 시험편(S)의 양단부에 각각 동일한 파형의 진동이 전달되기 때문에 얻을 수 있는 결과이다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는, 하나의 압전 변환기 및 증폭 호른에 의해 시험편(S)의 일단부에만 진동을 전달하는 종래의 초고주기 피로시험장치에서 시험편(S)의 길이 방향으로 발생하는 변위 및 변형률이 시험편(S)의 중심에 대해 대칭적인 파형을 이루지 못함으로 인해 시험편(S)의 중심에 불규칙적인 피로 응력이 가해져 피로 시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 시험편(S)에 규칙적인 피로 응력을 가하여 피로 시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 3의 초고주기 피로시험장치의 시험편에서 발생하는 진동 특성을 검출하기 위한 진동검출모듈 및 시험편의 크랙 전파 과정을 촬영하기 위한 카메라 모듈을 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 시험편(S)에서 발생하는 진동 특성을 검출하기 위한 진동검출모듈(150)을 더 포함할 수 있다.
진동검출모듈(150)은 피로 시험 중 시험편(S)에서 발생하는 진동의 특성, 즉 진동의 진폭 및/또는 주파수를 검출한다. 진동검출모듈(150)은, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114) 사이에 배치되어 제1 증폭 호른(113)의 하단면 또는 제2 증폭 호른(114)의 상단면을 향해 빛을 조사하는 광 센서(Photo Sensor) 또는 레이저 센서(Laser Sensor)로 마련될 수 있다. 다만, 진동검출모듈(150)을 본 실시예의 광 센서, 레이저 센서 이외의 다른 방식으로 구현될 수 있다.
한편, 진동검출모듈(150)은 시험편(S)의 진동 특성을 직접 검출하도록 구성되는 것이 가장 바람직하나, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)에서 시험편(S)의 양단부는 각각 제1 증폭 호른(113) 및 제2 증폭 호른(114)에 결합되므로, 광 센서 또는 레이저 센서를 이용하여 시험편(S)에 직접 빛을 조사하여 시험편(S)의 진동 특성을 검출하기에는 어려움이 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)에서 진동검출모듈(150)은 제1 증폭 호른(113), 시험편(S) 및 제2 증폭 호른(114)이 하나의 공진 진동계를 이루는 점, 즉 시험편(S)의 진동 특성이 제1 증폭 호른(113) 혹은 제2 증폭 호른(114)의 진동 특성과 거의 일치하는 점을 감안하여, 시험편(S)에서 발생하는 진동의 진폭 및/또는 주파수를 검출하기 위해, 제1 증폭 호른(113) 또는 제2 증폭 호른(114)에서 발생하는 진동의 진폭 및/또는 주파수를 검출하도록 구성되는 것이다.
이러한 진동검출모듈(150)에 의해 검출된 시험편(S)의 진동 특성은 시험편(S)의 중심에 크랙(Crack)이 발생한 시점을 판단하기 위한 데이터로 사용된다. 다시 말해서, 시험편(S)에 크랙이 발생하게 되면 시험편(S)에서 발생하는 진동의 진폭 및 주파수는 크랙 발생 이전과 대비하여 달라지므로, 진동검출모듈(150)에 의해 검출되는 시험편(S)의 진동의 진폭 및 주파수가 미리 정해진 범위를 벗어나면 시험편(S)에 크랙이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이때, 시험편(S)에 크랙 발생시 진동의 진폭보다는 진동의 주파수가 현저하게 달라지므로, 진동의 진폭보다는 진동의 주파수에 기초하여 시험편(S)에 크랙이 발생한 시점을 판단하는 것이 더 바람직하다. 예컨대, 본 실시예에서는 진동검출모듈(150)에 의해 검출되는 시험편(S)의 진동 주파수가 20kHz±500Hz 범위를 벗어나면, 시험편(S)에 크랙이 발생한 것으로 판단하고, 제1 압전 변환기(111) 및 제2 압전 변환기(112)에 인가되는 전력을 차단한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 시험편(S)의 크랙 전파 과정을 촬영하기 위한 카메라 모듈(160)을 더 포함할 수 있다.
카메라 모듈(160)은 시험편(S)의 인접 영역에 마련되어 크랙이 발생할 시험편(S)의 중심 부분을 촬영한다. 이때, 시험편(S)의 중심 부분에 발생하는 크랙이 전파하기 위해서는 전술한 구동 모듈(131,133)에 의해 시험편(S)에 인장력이 가해져야 한다. 즉, 카메라 모듈(160)은 구동 모듈(131,133)에 의해 시험편(S)에 미리 설정된 인장력이 가해진 상태에서 시험편(S)에 발생하는 크랙의 전파 과정을 촬영한다. 한편, 카메라 모듈(160)은 시험편(S)의 크랙 전파 과정을 촬영하기 위한 것이므로, 피로 시험의 시작부터 시험편(S)을 촬영하는 것보다는, 진동검출모듈(150)에 의해 검출되는 주파수가 미리 정해진 범위를 벗어나면, 즉 시험편(S)에 크랙이 발생한 이후부터 시험편(S)에 대한 촬영을 시작하는 것이 효율적이다. 이러한 카메라 모듈(160)은 적외선 카메라(Infrared Camera) 또는 비디오 스코프(Video Scope) 등으로 구현될 수 있다.
도 6은 도 3의 초고주기 피로시험장치에서 시험편을 냉각시키기 위한 냉각 모듈의 일 예를 설명하기 위한 부분 사시도이고, 도 7은 도 3의 초고주기 피로시험장치에서 시험편을 냉각시키기 위한 냉각 모듈의 다른 예를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
일반적으로 시험편(S)에 지속적인 피로 응력을 인가하면, 시험편(S)에 열이 발생하게 되는데, 이러한 열은 피로 시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 시험편(S)을 에워싸도록 마련되어 피로 시험 중 시험편(S)을 냉각시키기 위한 기체를 분출하는 냉각 모듈을 더 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 냉각 모듈은 시험편(S)과 마주하는 측면에 다수의 기체분출공(171)이 형성되고 시험편(S)을 에워싸는 링 형상을 갖는 냉각 블럭(170)을 포함한다. 냉각 블럭(170)의 일측에는 에어 쿨러(미도시) 등에 의해 냉각된 기체를 냉각 블럭에 주입하기 위한 기체주입튜브(173)가 연결된다. 이때, 기체로는 냉각된 공기 또는 냉각된 질소 등이 사용될 수 있다. 이처럼, 도 6에 도시된 냉각 블럭(170)은 시험편(S)을 에워싸는 링 형상을 갖기 때문에, 시험편(S)을 전체적으로 균일하게 냉각시키는 것이 가능하여 피로 시험의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 7에 도시된 냉각 모듈은 시험편(S)과 마주하는 측면에 다수의 기체분출공(181)이 형성되고 시험편(S)을 에워싸는 'ㄷ'자 형상을 갖는 냉각 블럭(180)을 포함한다. 냉각 블럭(180)의 일측에는 에어 쿨러(미도시) 등에 의해 냉각된 기체를 냉각 블럭에 주입하기 위한 기체주입튜브(183)가 연결된다. 이처럼, 도 7에 도시된 냉각 블럭(180)은 시험편(S)을 에워싸도록 마련되어 시험편(S)을 전체적으로 균일하게 냉각시킬 수 있으면서도, 일측이 개방된 구조를 가지기 때문에 제1 증폭 호른(113)과 제2 증폭 호른(114) 사이에 시험편(S)의 장착하거나 장착된 시험편(S)을 분리하는 과정에서 시험편(S)과 간섭하지 않아 시험편(S)의 교체 작업이 수월하다는 이점이 있다.
도 8은 다양한 피로 시험 환경을 조성하기 위해 도 1의 초고주기 피로시험장치에 더 구비되는 온도압력 조절챔버 및 부식 챔버를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 8을 참조하면, 온도압력 조절챔버(190)는 시험편(S)을 포함한 소정의 영역을 밀폐하도록 마련된다. 온도압력 조절챔버(190)는 그 내부의 온도를 조절하기 위한 히터(193)와, 그 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 펌프(191)를 포함한다. 히터(193)는 코일 형태의 니크롬선 등의 발열 저항체나 페이스트 조성물로 이루어지는 발열 저항체를 포함할 수 있다. 압력 펌프(191)는 연결 관로(191a)를 통해 온도압력 조절챔버(190) 내부의 공기를 외부로 뽑아내어 진공을 포함한 저압 상태를 조성하거나, 연결 관로(191a)를 통해 온도압력 조절챔버(190) 내부에 압축공기를 집어넣어 고압 상태를 조성할 수 있다. 이러한 온도압력 조절챔버(190)에 의해 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 예컨대 고온고압 상태 등의 다양한 온도압력 환경에서 피로 시험을 수행할 수 있게 된다. 한편, 온도압력 조절챔버(190)의 일측에는, 도 8에 도시된 바와 같이 피로 시험 과정을 실험자가 육안으로 관찰할 수 있도록 시창(192)이 마련될 수 있다.
도 8을 참조하면, 부식 챔버(195)는 그 내부에 시험편(S)을 부식시키기 위한 부식 용액이 수용된다. 이때, 부식 용액은 질산, 황산 등의 산성 용액을 포함할 수 있다. 부식 챔버(195)는 시험편(S)이 부식 용액에 잠길 수 있도록 시험편(S)이 장착된 위치에서 시험편(S)을 에워싸도록 마련된다. 부식 챔버(195)는 온도압력 조절챔버(190)의 내부에 배치된다. 이러한 부식 챔버(195)에 의해 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 다양한 부식 환경에서 피로 시험을 수행할 수 있게 된다. 한편, 부식 챔버(195)에는, 도 8에 도시된 바와 같이, 부식 용액에 잠긴 시험편(S) 및 기준편(미도시)에 전류를 인가하기 위한 전극 포트(195a)가 형성될 수 있다. 이때, 기준편은 부식 챔버(195) 내에 마련되며 백금, 흑연 등으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 부식 챔버(195)의 전극 포트(195a)에 전극(미도시)을 접속하여 예컨대 시험편(S)에는 (+) 전극을 접속하고 기준편에는 (-) 전극을 접속하여 부식 챔버(195)에 수용된 부식 용액을 활성화함으로써, 시험편(S)의 부식 속도를 증가시켜 피로 시험의 소요 시간을 단축할 수 있게 된다.
이처럼, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 온도압력 조절챔버(190) 및 부식 챔버(195)를 더 구비함으로써, 다양한 피로 시험 환경을 조성할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명은 시험편에 진동을 인가하여 피로시험을 수행하는 피로시험장치의 기술분야에 적용 가능하다.

Claims (13)

  1. 시험편의 일측 영역에 마련되는 제1 압전 변환기;
    상기 제1 압전 변환기와 상기 시험편의 일단부를 연결하고, 상기 제1 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 상기 시험편에 전달하는 제1 증폭 호른;
    상기 시험편의 타측 영역에 제2 압전 변환기; 및
    상기 제2 압전 변환기와 상기 시험편의 타단부를 연결하고, 상기 제2 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 상기 시험편에 전달하는 제2 증폭 호른을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전 변환기와 상기 제2 압전 변환기는 실질적으로 동일한 주파수의 진동을 발생시키고,
    상기 제1 증폭 호른과 상기 제2 증폭 호른은 실질적으로 동일한 고유주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 증폭 호른과 상기 제2 증폭 호른은 실질적으로 동일한 재질, 크기 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시험편에서 발생하는 진동의 진폭 및 주파수 중 적어도 어느 하나를 검출하기 위한 진동검출모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진동검출모듈은,
    상기 제1 증폭 호른과 상기 제2 증폭 호른 사이에 배치되어 상기 제1 증폭 호른 및 상기 제2 증폭 호른 중 적어도 하나를 향해 빛을 조사하는 광 센서 또는 레이저 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 진동검출모듈에 의해 검출되는 주파수가 미리 정해진 범위를 벗어나면, 상기 시험편에 크랙이 발생한 것으로 판단하고 상기 제1 압전 변환기 및 상기 제2 압전 변환기에 인가되는 전력을 차단하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 증폭 호른 및 상기 제2 증폭 호른 사이의 간격을 조정하기 위해, 상기 제1 증폭 호른 및 상기 제2 증폭 호른 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 구동 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시험편의 인접 영역에 마련되고, 상기 구동 모듈에 의해 상기 시험편에 미리 설정된 인장력이 가해진 상태에서 상기 시험편의 크랙 전파 과정을 촬영하기 위한 카메라 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 카메라 모듈은,
    상기 진동검출모듈에 의해 검출되는 주파수가 미리 정해진 범위를 벗어나면, 촬영을 시작하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  10. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 시험편을 에워싸도록 마련되어 상기 시험편을 냉각시키기 위한 기체를 분출하는 냉각 모듈을 더 포함하며,
    상기 냉각 모듈은,
    상기 시험편과 마주하는 측면에 다수의 기체분출공이 형성되고, 링 형상을 갖는 냉각 블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  11. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 시험편을 에워싸도록 마련되어 상기 시험편을 냉각시키기 위한 기체를 분출하는 냉각 모듈을 더 포함하며,
    상기 냉각 모듈은,
    상기 시험편과 마주하는 측면에 다수의 기체분출공이 형성되고, 'ㄷ'자 형상을 갖는 냉각 블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  12. 제1항, 제4항, 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시험편을 포함한 소정의 영역을 밀폐하도록 마련되고, 내부의 온도를 조절하기 위한 히터 및 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 펌프가 구비되는 온도압력 조절챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  13. 제12항에 있어서,
    내부에 상기 시험편을 부식시키기 위한 부식 용액이 수용되고, 상기 부식 용액에 잠긴 상기 시험편에 전류를 인가하기 위한 전극 포트가 형성되는 부식 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
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