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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정성균, 신기훈
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수8
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고무 부품은 철도 차량, 자동차 등 여러 산업분야에서 방진고무, 현가장치, 오일 씰 등 다양하게 사용되고 있으며, 현재까지도 고무의 물성 평가 및 사용 수명예측에 많은 연구가 진행되고 있다. 대부분의 연구에서는 고온 조건에서의 수명을 평가하여 상온에서의 수명을 예측하는 아레니우스 모델을 적용하여 고무의 수명을 평가하였다. 하지만 실제 고무 부품은 압축 혹은 인장을 받은 상태로 오랜 시간동안 놓이게 된다. 따라서 고무의 실제 환경 조건을 고려하고자 본 연구에서는 고무의 응력완화를 이용해서 연신율을 가속 스트레스로 설정하여 정상사용조건에서의 수명을 예측하고자 하였다.
가속수명시험 방법에는 가장 널리 사용되는 가속수명시험(ALT : Accelerated Life Test)과 가속열화시험(ADT : Accelerated Degradation Test)가 있으며, 가속수명시험 모델로는 아레니우스(Arrhenius) 모델, 역승(Inverse power) 모델 등이 있다. 고무 수명 평가에서는 ALT를 이용하여 각각의 모델에 데이터를 적용하여 수명을 예측하였다.
연구에 사용된 고무 시편은 차량 댐퍼에 사용되는 NR55(Shore hardness 55) 천연고무로 가속수명시험에 앞서 인장 물성평가를 진행하였다. 인장 물성 평가는 고무 시편이 파단 될 때까지 인장시키는 시험과 반복적으로 로딩(loading)-언로딩(unloading)을 인가하는 시험을 진행하였다. 고무 시편이 파단 될 때까지 최대 하중은 25.51 kgf, 최대 신장율은 530.99%가 나왔다. 로딩-언로딩을 반복적으로 인가하는 시험에서는 고무의 특징인 Mullins effect를 관찰 할 수 있었으며, 5회에서 6회 로딩-언로딩을 반복하였을 때 고무의 물성 변화가 안정되는 것을 알 수 있었다.
고무의 응력완화를 측정하기 위한 시험기를 설계 제작하였다. 제작한 시험기는 로드셀(load cell) 및 수신기를 이용하여 지속적으로 데이터를 취득할 수 있도록 설계하였으며, 고무의 특성 변화 편차를 최소한으로 줄이기 위하여 고무시편을 최대 6개까지 장착하여 시험 가능하도록 만들었다. 제작한 시험기를 이용하여 고무 시편 4개를 동시에 물려 일정 기간 동안 시험을 진행하였다.
NR55 고무 시편의 사용수명을 평가하기 위해 연신율 30%에서 응력완화가 일어났을 때를 실제 사용조건으로 가정하였다. 힘의 측정값이 초기값 대비 75%가 되는 시간을 사용수명으로 정의하여 실험을 진행하였다. 인장시험에서 얻은 NR55 고무 시편의 최대 연신율 531%에 가까운 연신율 조건을 사용할 경우 보다 이상적인 가속수명시험이 될 수 있다. 또한 시편별 특성 편차를 줄이기 위해서 여러 개의 시편을 동시에 장착하여 시험하였다. 본 연구에서는 최대 연신율 531%보다 작은 가속수명시험 조건인 100%, 200%, 300% 연신율로 각 시험기별로 4개씩의 고무 시편을 장착하고 인장시켜 일정기간 동안 힘의 변화를 측정하였다. 측정한 데이터를 이용하여 가속수명시험 모델을 적용하여 30%에서의 수명을 예측하였으며, 역승(Inverse power) 모델을 적용하였을 때 가장 오차가 적게 발생하였다.
본 연구를 통해 유도한 역승기반 고무수명예측 모델은 향후 실질적인 사용조건에서 인장 혹은 압축 하중을 받고 있는 다양한 고무부품의 수명예측에 적용이 가능하여, 산업 안전성 및 신뢰성 확보에 기여할 것으로 판단된다.
가속수명시험 방법에는 가장 널리 사용되는 가속수명시험(ALT : Accelerated Life Test)과 가속열화시험(ADT : Accelerated Degradation Test)가 있으며, 가속수명시험 모델로는 아레니우스(Arrhenius) 모델, 역승(Inverse power) 모델 등이 있다. 고무 수명 평가에서는 ALT를 이용하여 각각의 모델에 데이터를 적용하여 수명을 예측하였다.
연구에 사용된 고무 시편은 차량 댐퍼에 사용되는 NR55(Shore hardness 55) 천연고무로 가속수명시험에 앞서 인장 물성평가를 진행하였다. 인장 물성 평가는 고무 시편이 파단 될 때까지 인장시키는 시험과 반복적으로 로딩(loading)-언로딩(unloading)을 인가하는 시험을 진행하였다. 고무 시편이 파단 될 때까지 최대 하중은 25.51 kgf, 최대 신장율은 530.99%가 나왔다. 로딩-언로딩을 반복적으로 인가하는 시험에서는 고무의 특징인 Mullins effect를 관찰 할 수 있었으며, 5회에서 6회 로딩-언로딩을 반복하였을 때 고무의 물성 변화가 안정되는 것을 알 수 있었다.
고무의 응력완화를 측정하기 위한 시험기를 설계 제작하였다. 제작한 시험기는 로드셀(load cell) 및 수신기를 이용하여 지속적으로 데이터를 취득할 수 있도록 설계하였으며, 고무의 특성 변화 편차를 최소한으로 줄이기 위하여 고무시편을 최대 6개까지 장착하여 시험 가능하도록 만들었다. 제작한 시험기를 이용하여 고무 시편 4개를 동시에 물려 일정 기간 동안 시험을 진행하였다.
NR55 고무 시편의 사용수명을 평가하기 위해 연신율 30%에서 응력완화가 일어났을 때를 실제 사용조건으로 가정하였다. 힘의 측정값이 초기값 대비 75%가 되는 시간을 사용수명으로 정의하여 실험을 진행하였다. 인장시험에서 얻은 NR55 고무 시편의 최대 연신율 531%에 가까운 연신율 조건을 사용할 경우 보다 이상적인 가속수명시험이 될 수 있다. 또한 시편별 특성 편차를 줄이기 위해서 여러 개의 시편을 동시에 장착하여 시험하였다. 본 연구에서는 최대 연신율 531%보다 작은 가속수명시험 조건인 100%, 200%, 300% 연신율로 각 시험기별로 4개씩의 고무 시편을 장착하고 인장시켜 일정기간 동안 힘의 변화를 측정하였다. 측정한 데이터를 이용하여 가속수명시험 모델을 적용하여 30%에서의 수명을 예측하였으며, 역승(Inverse power) 모델을 적용하였을 때 가장 오차가 적게 발생하였다.
본 연구를 통해 유도한 역승기반 고무수명예측 모델은 향후 실질적인 사용조건에서 인장 혹은 압축 하중을 받고 있는 다양한 고무부품의 수명예측에 적용이 가능하여, 산업 안전성 및 신뢰성 확보에 기여할 것으로 판단된다.
목차
I. 서 론 11.1 연구배경 11.2 연구목적 2II. 이론적 고찰 32.1 가속수명시험 개요 32.2 스트레스 부과 방법 42.3 가속수명시험 모델 52.3.1 아레니우스(Arrhenius) 모델 52.3.2 역 거듭제곱(Inverse power) 모델 5III. 실험 장치 및 실험 방법 63.1 고무 시편 63.2 NR55 고무 물성 평가 83.3 실험 장치 및 조건 113.3.1 응력완화 시험기 제작 113.3.2 실험 조건 13IV. 실험 결과 및 고찰 144.1 실험결과 144.2 가속수명시험 모델 164.3 아레니우스 모델을 이용한 수명예측 결과 184.4 역승모델을 이용한 수명예측 결과 214.5 역승모델을 이용한 응력완화 선도 예측 254.6 고찰 294.6.1 시험 오차 31V. 결 론 32참고문헌 33영문초록(Abstract) 35
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