볼트 연결 안정성에 대한 마찰 계수의 영향 이해

요약:

볼트 연결은 클램핑력을 적용하여 두 개 이상의 구성 요소를 단단히 결합하는 중요한 체결 방법입니다. 이 힘은 볼트의 장력과 그에 따른 결합 표면 사이의 압축에 의해 생성됩니다.

베어링 표면과 나사산의 마찰 계수는 클램핑력의 크기와 일관성을 결정하는 데 중추적인 역할을 합니다. 이러한 계수는 표면 마감, 재료 특성 및 윤활 조건과 같은 요소의 영향을 받습니다.

이 글에서는 대형 크레인의 선회 링에 사용되는 고강도 볼트의 조립 공정에 대해 설명합니다. 크레인 작동에 중요한 구성 요소인 선회 링은 안전하고 효율적인 하중 지지 및 회전 기능을 보장하기 위해 정확하고 안정적인 볼트 연결이 필요합니다.

이 연구는 설치 토크, 마찰 계수, 토크 계수 및 그에 따른 체결력 등 주요 매개변수 간의 이론적 관계를 종합적으로 분석하는 것으로 시작됩니다. 이러한 이론적 토대는 볼트 성능에 영향을 미치는 요인들의 복잡한 상호 작용을 이해하는 데 필수적입니다.

그 후, 이 연구에서는 완전히 윤활된 나사산만 윤활된 경우와 나사산과 베어링 표면이 모두 윤활된 경우의 두 가지 윤활 조건에서 체결 공정을 비교 테스트합니다. 이 실험적 접근 방식은 윤활이 패스너 설치 신뢰성과 토크 및 마찰 계수의 가변성에 미치는 중대한 영향을 보여줍니다.

연구 결과에 따르면 완전 윤활 조건에서 마찰 계수와 토크 계수 모두 분산이 감소하는 것으로 나타났습니다. 이러한 변동성 감소는 볼트 연결의 안정성과 신뢰성 향상으로 이어지며, 이는 대형 크레인의 구조적 무결성과 작동 안전성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

서문

볼트 연결은 호이스팅 기계에서 일반적으로 사용되는 기계적 연결 방식입니다. 특히 선회 링과 같은 주요 구성품의 고강도 볼트 연결은 호이스팅 기계의 전반적인 성능에 있어 신뢰성이 매우 중요합니다.

신뢰할 수 있는 볼트 연결 는 제품의 정상적인 작동을 위해 필수적이며, 연결에 실패하면 심각한 안전사고가 발생할 수 있습니다.

볼트 연결의 목적은 두 개 이상의 연결된 부품이 밀착되도록 하는 것입니다. 모션 하중을 지탱하려면 연결된 부품 사이에 충분한 체결력을 유지하여 안정적인 연결과 정상 작동을 보장해야 합니다.

체결력이 충분하지 않으면 두 부품 사이의 측면 미끄러짐이 발생하여 볼트에 불필요한 전단 응력이 가해져 볼트 파손으로 이어질 수 있습니다.

따라서 고강도 볼트 연결의 신뢰성과 안정성을 개선하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 부적절한 체결 매개변수 또는 공정 제어는 나사산 연결의 신뢰성에 부정적인 영향을 미치고 고장을 일으킬 수 있습니다.

이 기사에서는 체결력의 분산을 줄이고 체결 공정을 최적화하는 관점에서 이론적 분석과 테스트 데이터 비교를 통해 대형 호이스팅 장비의 선회 링용 고강도 볼트의 설치 토크와 체결 공정을 결정합니다.

1. 이론적 분석

1.1 토크 계수는 조임 토크와 체결력 사이의 관계를 기반으로 하는 다음 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다.

Where:

• K - 토크 계수;
• T - 조임 토크;
• F - 고정력;
• D - 스레드의 공칭 직경

1.2 GBT16823.3에 따르면 볼트의 토크는 다음을 충족해야 합니다.

Where,

• P: 나사 피치
• μth: 나사산 마찰 계수
• μb: 너트 또는 볼트 베어링 표면의 마찰 계수
• d2: 스레드의 피치 직경
• dh: 접촉하는 베어링 표면의 내경
• d0: 베어링 표면의 외경입니다.

볼트 설치 시 조임 토크 T는 세 부분으로 나눌 수 있습니다:

베어링 표면 마찰 토크(Tb)는 너트와 와셔 평면 사이의 마찰에 의해 소모되는 토크입니다.

나사산 토크(Tth)와 체결력(F)은 볼트 나사산과 너트(몸체) 나사산 사이의 마찰에 의해 소모됩니다.

패스너 연결을 설치하는 동안 이 두 가지 마찰원으로 인해 대부분의 설치 토크가 손실됩니다.

따라서 말단 마찰 계수(μb)와 나사산 마찰 계수(μth)가 클램핑력(F)에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

클램핑력은 마찰 계수에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

단면 마찰 계수(μb)와 나사산 마찰 계수(μth)의 분산은 클램핑력(F)의 안정성을 직접적으로 결정합니다. 그림 1을 참조하세요.

1.3 나사산 마찰 계수는 다음 공식을 사용하여 나사산 토크와 클램핑 힘의 관계를 통해 대략적으로 계산하고 결정할 수 있습니다.

1.4 베어링 표면의 마찰 계수는 다음 공식을 사용하여 베어링 표면의 마찰 토크와 클램핑력 사이의 관계를 기반으로 대략적으로 계산하고 결정할 수 있습니다.

토크 계수, 나사산 마찰 계수, 베어링 표면 마찰 계수는 조임 토크, 나사산 토크, 베어링 표면 마찰 토크, 클램핑력을 측정하여 결정할 수 있습니다.

2. 테스트 분석

다양한 조건에서 볼트 체결 시 토크 계수, 나사산 마찰 계수 및 베어링 표면 마찰 계수가 체결력에 미치는 영향을 다양한 시리즈의 선회 링 장착 볼트의 체결 과정을 테스트하여 분석 및 연구했습니다. 사용된 테스트 장비는 독일 Schatz에서 제조한 수직 마찰 계수 테스터이며, 테스트 방법은 GB/T 16823.3 표준을 따릅니다.

토크/각도 센서와 클램핑력 센서를 사용하여 총 토크, 나사산 토크, 베어링 표면 마찰 토크 및 클램핑력을 측정합니다. 토크 계수, 나사산 마찰 계수, 끝단면 마찰 계수는 테스트 장비에서 공식 (1), (3), (4)를 사용하여 자동으로 계산할 수 있습니다.

대형 크레인의 선회 링 설치용으로 선택된 볼트는 실제 조립 조건을 시뮬레이션하기 위해 테스트됩니다. 테스트 너트는 실제 너트로 교체하고 재료, 가공 장비 및 조립 공정이 최종 제품과 일치하는지 확인합니다.

볼트의 사양은 다음과 같습니다:

• 표준: DIN931
• 사이즈: M48-10.9
• 재질: 40CrNiMo
• 표면 마감: 다크로멧

해당 와셔는 다음과 같습니다:

• 표준: DIN6919
• 내경: 49mm
• 외경: 82mm

교체용 테스트 너트는 국산 960 재질로 제작되었습니다.

은 기반의 고온 고착 방지제가 윤활제로 사용됩니다.

윤활 상태가 마찰 계수, 토크 계수 및 연결 분산에 미치는 영향을 비교하기 위해 두 그룹의 비교 테스트를 실시했습니다.

한 그룹에서는 볼트의 나사산 부분에는 그리스를 고르게 도포했지만 와셔의 베어링 표면에는 그리스를 도포하지 않았습니다. 다른 그룹에서는 볼트의 나사산 부분과 와셔의 베어링 표면 윗면 모두에 그리스를 도포했습니다. 테스트 데이터는 표 1을 참조하세요.

표 1

그림 3과 4는 각각 나사산만 윤활한 경우와 완전 윤활한 경우의 두 가지 윤활 조건에서 베어링 표면의 마찰 계수(μ_b)와 나사산의 마찰 계수(μ_th)의 곡선을 보여줍니다.

그 결과 윤활 조건에서 나사산의 마찰 계수(μ_th)는 0.07~0.09 범위이며 비교적 안정적으로 유지되는 것으로 나타났습니다.

이에 비해 윤활 조건에서 베어링 표면의 마찰 계수(μ_b)는 8개 샘플 그룹 모두에서 0.08~0.1 범위의 값으로 비교적 안정적입니다. 반면 윤활을 하지 않은 경우 베어링 표면의 마찰 계수는 0.1에서 0.14 범위로 안정성이 떨어지고 8개 샘플 그룹 간에 큰 분산을 보였습니다.

그림 5는 나사산 윤활만 하는 경우와 완전 윤활하는 경우의 두 가지 윤활 조건에서 토크 계수(K)의 곡선을 보여줍니다.

그 결과, 완전 윤활 조건에서 8개 샘플 그룹의 토크 계수(K)는 0.11~0.12 범위로 안정적인 값과 최소한의 분산을 보였습니다.

반면 나사산 윤활 시료의 토크 계수(K)는 0.11~0.15로 더 넓은 범위를 가지며, 안정성이 떨어지고 분산이 더 큽니다.

그림 6과 7은 토크 클램핑 력의 곡선을 보여줍니다. 볼트 조임 프로세스는 각각 나사산 윤활만과 전체 윤활의 두 가지 윤활 조건에서 진행됩니다.

그 결과 동일한 체결 토크를 가했을 때 완전 윤활 상태에서의 체결력이 나사산 윤활만 했을 때보다 더 크고, 동일한 샘플 그룹 내에서 곡선의 분산이 더 작은 것으로 나타났습니다.

두 그룹의 비교 테스트 데이터에 따르면 베어링 표면에 윤활유를 도포하면 마찰 계수와 토크 계수가 약 15%까지 크게 감소하고 안정성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 이는 베어링 표면에 윤활제를 도포하는 것이 토크 계수를 줄이고 안정성을 높이는 데 효과적인 방법임을 보여줍니다.

3. 업계 현황

건설 기계에서 패스너는 일반적으로 간단하고 조작하기 쉬운 토크 방식을 사용하여 설치합니다. 설치 토크는 마찰 계수에 의해 결정되며 정확한 수치값이 중요합니다. 그러나 표준 편차라고 하는 마찰 계수의 분산을 무시하면 볼트 연결의 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

현재 국가 표준 GB/T 1231-2000은 철골 구조물의 고강도 볼트 연결 쌍에 대한 표준을 설정하고 있습니다. 토크 계수(K)는 0.11-0.15, 표준 편차 ≤ 0.01로 지정되어 있습니다.

많은 사용자가 토크 계수에만 초점을 맞추고 토크 계수가 결정되면 설치 토크를 즉시 설정하여 패스너 연결로 이어질 수 있다고 믿습니다. 그러나 표준 편차를 간과하는 경우가 많습니다. 표준 편차가 0.01을 초과하면 설치 중에 개별 볼트의 사전 조임력이 달라집니다. 표준 편차가 너무 크거나 너무 작으면 일부 패스너 연결 쌍이 과도하게 조여지거나 덜 조여져 설치의 신뢰성에 위험을 초래할 수 있습니다.

반면 토크 계수가 크고 표준 편차가 0.01 미만인 경우 연결 쌍의 분산이 최소화되고 각 패스너 쌍에 가해지는 힘이 상대적으로 균일합니다. 설치 중 토크 계수가 증가하면 토크 값이 높아질 수 있지만 과도하게 조이거나 느슨해지지 않으므로 설치의 신뢰성과 안전성이 향상됩니다.

결론적으로, 특정 관점에서 보면 토크 계수보다 표준 편차가 더 중요합니다.

4. 결론

나사산 마찰 계수, 베어링 표면 마찰 계수 및 토크 계수는 패스너 연결 쌍을 설치할 때 반드시 이해하고 숙지해야 하는 중요한 기술 매개 변수입니다. 현재 이러한 매개변수는 설치 시 대부분의 사용자가 널리 인식하고 고려하고 있습니다.

마찰 계수가 작을수록 토크 계수도 작아집니다. 설치 토크를 결정할 때 토크 계수가 작을수록 클램핑력이 커집니다.

반대로 토크 계수가 크면 체결력이 작아집니다. 토크 계수가 어느 정도 작으면 특정 토크에 의해 생성된 체결력이 볼트의 강도 한계를 초과하여 고강도 볼트가 늘어나거나 피로로 인해 파손될 수 있습니다.

반면 토크 계수가 너무 크면 생성된 체결력이 너무 작아지고 패스너 연결 쌍이 제대로 작동하지 않아 느슨해집니다.

윤활 상태는 나사산 마찰 계수, 베어링 표면 마찰 계수 및 토크 계수 값에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 제품 표면이 거칠고 가공 자국이 눈에 띄는 패스너 연결 쌍은 토크 계수 및 마찰 계수 값이 더 높습니다.

그러나 윤활 후에는 이러한 값이 크게 감소할 수 있습니다. 또한 윤활은 나사산 마찰 계수, 베어링 표면 마찰 계수 및 토크 계수의 분산에도 영향을 미칩니다. 윤활을 하면 이러한 값의 분산이 작아져 볼트 연결의 안정성과 신뢰성이 향상됩니다.