4-2-4 축의 응력증가 요소

Stress Raisers in Shafts

대부분의 축 손상은 응력 집중을 일으키는 어떤 조건에 주로 기인하는데, 국부적으로 응력 값은 만족할 만한 운전 수명에 일치하는 하중 사이클 수에 재료가 견딜 수 있는 값 이상으로 상승한다. 재료의 피로 강도를 초과하여 반복 응력을 받는 재료의 작은 면적에서 균열이 시작된다. 불규칙한 작은 표면처럼 사소한 결함에서 응력이 높으면 축의 피로 강도가 상당히 감소할 수도 있다. 비틀림 및 굽힘 피로에 가장 취약한 지역은 축 표면이 급격히 변화하는 곳으로 파손 유발은 응력방향에 대한 불연속 위치에 따라 달라진다.

대부분의 가장 단순한 축은 유공(Oil Hole)이나 Keyway를 갖거나 축직경이 변화하지 않는다. 유공의 위치 및 마무리 상태, 직경 변화 상태, 그리고 Keyway 모양과 형식은 응력집중과 피로 Notch 인자의 크기에 상당한 영향을 주는데, 그 값은 1.0에서 5.0의 범위 또는 10 이상의 값을 갖는다.

응력 증가 요소는 다음과 같이 분류된다 :

⑴ 단계별 직경 변화, 넓은 일체형 Collar, 구멍, 모서리, Keyway, 홈, 나사선, Spline, 압입 또는 수축 맞춤시의 부착물 등의 불균일한 축의 형태.

⑵ Seam, Nick, Notch, 가공 마크, 표식 마크, 단조 Lap, Pitting과 부식과 같은 제조 관행 또는 운전 손상으로 일어난 표면의 비연속성.

⑶ 다공, 수축, 조잡한 비금속 함유물, 균열, 기공 등의 내부의 비연속성.

대부분 축은 1차 응력 증가 요소(1항 참조)에 의해 시작되고 2차 응력 증가 요소(2, 3항)가 파괴를 유발한다. 그 예로, 축 직경의 변화는 천이 지역에서 응력 집중을 야기하고 이곳의 표면이 균일하지 않거나 또 다른 불연속이 존재하면, 비연속적인 주위의 응력은 급격히 증가된다.

1. 축 직경의 변화

Changes in Shaft Diameter

축의 직경이 작은 쪽 부위에서의 직경의 변화는 응력을 집중시킨다.

갑작스런 축직경의 변화 및 직경의 3단계 변화에 의한 응력집중 효과는 그림 2-10과 같다. 그림 2-10a의 Shoulder와 축이 교차하는 모서리 즉 직경이 큰 부분에서 작은 부분으로 변화하는 데에서 응력이 집중된다. 그림 2-10d의 반경이 큰 필렛은 응력이 최소한 제한되어 분포되지만, 그 필렛은 작은 직경의 단면과 접선이 되어야 하고 그렇지 않으면 반경이 큰 필렛의 유리한 효과를 감소시키는 날카로운 교차부분이 생긴다.

그림 2-10 축 직경 변화시 Fillet 반경 크기가 응력집중에 주는 효과

2. 압입 수축 조립

Press and Shrink Fitting

압입과 수축으로 치차, 풀리, 임펠러 부품을 축에 조립하나, 굽힘응력을 받을 때는 응력이 증가될 수 있다. 그림 2-11a는 압입부에서 Plain 축의 응력 흐름선이고, 압입요소 및 반경이 큰 Fillet을 사용하여 축을 키우면 그림 2-11b와 같은 응력 분포가 생긴다. Shoulder부에 반경이 작은 Fillet을 사용하면 그림 2-11a와 유사한 응력 형태를 보인다.

그림 2-11 힘 하중을 받을 때 압입된 요소를 갖는 회전축의 두 가지 형태의 응력 분포도

3. 종방향의 홈

Longitudinal Grooves

Keyway, Spline과 같은 종방향의 홈은 축이 비틀림 하중을 받을 때 손상되는데, 일반적으로 이들 손상은 응력 집중으로 인해 날카로운 모서리에서 작은 균열이 시작되는 곳에서의 피로 파괴로 일어난다. 균열은 단면이 부서질 때까지 응력이 반복됨에 따라 점점 커진다. Keyway의 날카로운 모서리는 평균 공칭응력의 10배정도 국부응력을 발생한다.

둥근 Key가 사용 가능한 곳에서 반쪽 둥근 Keyway를 사용하거나 Keyway에 완만한 Fillet 반경을 사용함으로서 이런 종류의 손상을 피할 수 있다. Keyway 깊이의 약 1/2이 되는 반경을 갖는 Fillet을 사용하면 좋은 결과를 얻는다. 반조각의 둥근 Keyway는 평균응력의 2배 정도의 국부응력을 발생하므로 사각 모양의 Keyway보다 큰 하중을 전달한다. 사각의 Keyway를 갖는 많은 축은 응력이 낮거나 완만한 반경의 Fillet을 사용하기 때문에 운전중 파괴되지 않는다.

그림 2-12는 Keyway이나 Spline을 갖는 축의 응력장(Stress Field)과 이에 상응하는 비틀림 피로균열을 나타내며, 그림 2-12a는 Keyway 한 모서리의 Fillet은 곡선인 반면 다른 쪽 Fillet은 한 개의 균열이 생기는 날카로운 형태를 보인다. 여기서 주시해야 할 것은 이 균열은 초기 응력장에 거의 수직으로 발달한다는 것이다. 그림 2-12b의 Keyway의 날카로운 양쪽 Fillet은 응력장에서 균열의 Cross 효과가 일어나는 조건인 원래 응력장을 따르지 않는 2개의 균열을 발생시킨다. 그림 2-12c에서는 교번 비틀림을 받는 Spline 축은 Spline 바닥 모서리를 따라 발달한 균열을 볼 수 있는데, 이것은 국부적으로 높게 분포한 응력장이 균열의 성장에 영향을 크게 미치는 예이다.

그림 2-12 Keyway나 Spline을 갖는 축의 비틀림 피로 균열과 응력장

4. 생산공정에 의한 고장

Failures Due to Manufacturing Processes

제작 중이거나 축이 기계에 조립되면서 생성된 불연속면은 응력 집중점으로 작용하여 축의 손상을 유도한다. 이러한 응력상승을 유발하는 운전이나 조건은 다음과 같다:

⑴ 공구 마크, Scratch와 같은 응력상승을 유발하는 생산 공정.

⑵ 부적절한 Grinding, 용접 정비, 전기 가공, 아크 불똥과 같이 면의 높은 인장 응력을 유발하는 생산 공정.

⑶ 표면과 평행하지 않는 단조 흔적(Flow Line) 같이 금속을 취약케 하는 공정, 즉 수소 취성을 야기하는 도금 또는 탈탄을 야기하는 열처리.

높은 압축 잔류응력이 축 표면에 가해지게 되면 피로 강도가 증가되지만, 표면을 롤링 또는 광택, Shot Peening, Tumbling, 주조, 유도 경화, 케이싱 경화를 통해 해결할 수 있다.

5, 야금학적 인자들의 영향

Influence of Metallurgical Factors

기공이나 함유 물질, 적층, 단조, 폭발, 내부 불연속은 어떤 조건하에서 응력 집중 인자로 작용하여 피로 파괴를 유발한다.

불연속에 의한 영향을 이해하려면 응력이 처음 재료의 강도를 초과하는 표면이나 내부 등 어느 위치에서도 파괴가 일어날 수 있음을 알아야 한다. 응력은 표면에서 최대인 반면, 중앙이나 중립 축에서는 0 이므로 비틀림이나 굽힘시 응력 기울기를 고려해야 하고 인장시 응력은 단면을 가로질러 일정하게 작용한다.

굽힘이나 비틀림 인장 하중으로 응력이 크게 일어나는 지역에서 앞에서 말한 불연속이 나타나면 균열이 시작되지만, 중립축 근처와 같이 응력이 낮은데서 불연속이 있으면 덜 유해하다. 마찬가지로, 높은 인장의 반복응력을 받는 축은 중립축이 존재하지 않기 때문에 심한 결함이 없어야 한다. 강도에 비해 응력이 높으면, 결함은 응력 집중 인자가 되어 피로 균열의 발생지가 될 수 있다.

주응력에 평행한 비금속 함유 물질은 주응력에 90°인 피로 저항만큼 크게 영향을 미치지 않는다.

6. 불연속 표면

Surface Discontinuities

분쇄기(Mill) 운전시 Lapping, Folding, 난류 유동이 발생할 때 재료의 열간 소성작업에 의해 여러 가지 표면 결함이 발생하며, 이에 의한 불연속 표면을 Lap, Seam, Cold Shut이라 말하며 Fillet과 나사 전조(Thread Rolling) 같이 냉간 작업 시에도 발생한다. 또 다른 표면 결함은 작업중 압력이 높게 작용할 때 내부 이물질에서 발달하는데, 예를 들면 산화물이나 모재 Chip이 때로 표면에 압연되고 단조될 때이다. 대부분의 불연속은 최종 공정전 금속 내부에 나타나지만, 표면 쪽으로 개방된다. 액체 침투 및 자분탐상 검사 같은 표준 비파괴 시험으로 면의 불연속을 쉽게 알아내지만, 탐지되지 않으면 불연속은 부식이나 균열의 초기 발생지로 작용되기도 한다.

피로 균열 시작은 축의 수명 조절 인자이므로 표면 결함을 없게 하는 것이 가혹한 조건에서 운전되는 기계에서 점점 중요하게 인식되고 있다. 마찬가지로, 표면 근처의 내부 결함은 순환 하중일 때 성장하여 임계 크기에 달하면 균열을 발생시킨다. 전통적으로 피로 수명을 고려하여 설계한 축에서 결함이 있으면 균열이 조기 발생되어 운전 수명은 상당히 단축된다. 표면이나 표면하의 결함은 축이 연성에서 취성으로 변하는 천이온도 이하에서 운전된 시간이 짧더라도 취성 파괴를 발생할 수 있다. 운전 온도가 천이온도 이상이거나 결함이 임계결함 크기에 비해 작거나 특히, 순환 하중의 응력 범위가 크지 않을 때 운전 수명에는 영향을 주지 않는다.

7. 파손된 축의 조사

Examination of Failed Shafts

일반적으로, 손상된 축의 조사 절차는 표 2-2와 유사하지만, 앞의 사항을 종합해 볼 때 독특한 특징을 갖는 축은 특별한 주의가 요구된다.

Spline, Keyway, 십자 구멍과 축재료 변경, 기계 특성, 열처리, 시험 위치, 비파괴 시험, 기타 공정상 요구 조건과 같은 잠재적인 응력 증가 요소나 집중 인자에 주의해야 한다.

Shot Peening 같은 특수 처리나 마무리 작업, 압연, Burnishing, 판금, 금속 스프레이, 페인팅은 성능에 영향을 주므로 분석가는 이러한 것에 주의해야 한다.

기계적 조건.

축이 가공 기계에서 지지되거나 조립되는 방식과, 손상 부품과 관련 부재간의 관계는 가치 있는 정보가 될 수 있다. 기계 하중, 충격, 진동이나 열 증감으로 인한 처짐이나 비틀림으로 베어링의 Alignment 상태에 주는 어떠한 영향, 그리고 베어링이나 지지물의 수와 위치가 고려되어야 한다. 압착, 용접, 나사 접속, 스크류, Keyway같이 구동부나 종동부를 축에 연결하는 방법은 손상에 영향을 준다. 치차, 스플라인, 벨트, 체인, 토오크 변환기로 축에 동력을 전달하는가 또는 전달받는가에 따라 영향이 다르다.

운전 이력 (Operating History).

부품의 설치, 정기 정비 그리고 점검시 Assembly에 대한 운전 및 정비 기록을 점검해야 하며 이들 기록 또한 정비 운전이 제작자 권고 사항에 따라 수행되었는지를 보아야 한다. 전형적인 축 사고 사례 경우와 분석 예는 다음과 같다.

8. 보일러 Fan의 터빈 축 사고사례

The Case of the Boiler Fan Turbine Shaft Fracture

캐나다의 정유 공장에서 터빈 로터 축의 사고를 점검한 후 실험실에서 다음과 같이 조사보고 하였다. 정유 공장에서 제출한 F-703 터빈축의 파단면을 조사한 결과 파괴된 후 축이 접촉 및 상대 운동으로 상당히 손상되었음에도 불구하고 세 가지의 뚜렷한 영역이 나타났다.

⑴ Outer Ring은 Shaft의 축(Axis)에 수직한 표면에 약 5 ㎜ 폭이 비교적 손상이 안됐고, 정밀점검을 통해 상대운동에 의한 다소의 침식이 있음을 알았다.

⑵ 중앙으로 20 ㎜ 확장된 Mid-Radius Ring은 축의 반쪽(Halves) 두 부분의 접촉과 상대 운동으로 심하게 마멸되어 원래 손상의 특징은 불분명하게 되었으며 파손 윤곽은 얕은 “Cup and Cone” 형상을 보였다.

⑶ 직경이 약 25 ㎜인 중앙 부분은 축의 반쪽 두 부분의 상대 운동과 접촉에 의한 마멸로 표면에 연속 Gouging 또는 Ploughing이 야기되어 표면이 비교적 부드러워지고 빛이 났다.

축 표면은 심하게 긁히고 산화된 면은 마찰열에 의해 생길 가능성이 있지만 축이나 파괴면 어느 쪽에도 특징적인 부식물은 없었다.

축의 미세 조직이 다소 Proeutectoid Ferrite를 갖는 Tempered Martensite라는 금속 조직 테스트로 확인되었고 파단면은 마멸에 의한 마멸 변형 물질로 덮여 있었다. 그림 2-13a는 이들 물질이 표면에서 생성하고 또한 심한 마멸에 의해 내부층으로 침투된 것을 보여주며 일반적인 미세 조직임을 나타내고 있다. 표면 손상이 너무 심각하여 원래 입계 파단인지 입내 파단인지 구별할 수 없으며 손상면에 부식은 나타나지 않았다. 손상면의 변환 물질은 축의 긁힌 면에서 조각으로 나타나고 이 부산물의 형태는 운전중 축 표면의 긁힘 및 마멸 때문에 발생하였다.

평균 경도는 266 HV/10 즉 25 HRC이다. 축단면의 모서리나 중심의 경도에는 특별한 변화가 없었다.

전자 현미경으로 파단면을 시험한 결과 여러 면에서 대부분의 표면이 마멸되었음을 알 수 있었다. 파단 후, 마멸의 영향을 받은 몇몇 지역은 분명하지 않고 파단면은 부드럽고 별다른 특징이 없다. 축의 파단면이 심하게 마멸되어 손상의 성질을 결론적으로 말할 수 없으나, 어떤 특징으로 축이 피로에 의해 손상되었음을 암시한다. 회전축에 가해지는 굽힘 모멘트에 의한 균열 전파를 발생할 정도의 심한 응력 집중을 받으면 피로 균열은 여러 곳에서 시작되었음을 파단면 주변 외곽 지역을 보면 알 수 있다. 운전중에 축 표면이 긁혀서 응력집중이 발생되었다.

그림 2-13a 터빈 축 파손 형상 및 일반적인 미세구조. Etchant : 2% Nital (200×)

사용자측 기술자는 본 보고서를 이용하여 손상의 근본적인 원인 및 교정에 관심을 두고 그의 코멘트는 다음과 같다.

축이 회전시 굽힘 모멘트에 의한 균열이 발생되었다고 보고서에 제시했는데 가장 가능성 있는 손상 원인의 가정과 일치하고 있다. 이러한 파손은 그림 2-13b와 같이 터빈과 피니언 로터를 지지하는 3개의 슬리브 베어링을 세밀하게 얼라인먼트를 하면 피할 수 있다고 생각한다. 내부 Alignment 확인용으로 Blueing Pattern을 얻고자 베어링에 기준(Dummy) 축을 조립하는 맨드릴(Mandrel) 기술을 이용하고 있다. 맨드릴은 실제 베어링의 간극을 줄이기 위해서 저널 직경보다 커야 하며 베어링 캡은 마지막 조립할 때 조여야 한다. 이렇게 하면 수직방향뿐 아니라 다른 모든 방향에서 적절한 Alignment 상태가 된다.

그림 2-13b 내장된 기어 터빈의 수평 단면