BOLTED

볼트접합부 안전을 최적화하기 위한 토론의 장

Safe and effective wind turbine maintenance

NEARLY TWO YEARS AGO, US company All Energy Management (AEM) began developing retrofits and training com-panies that service a fleet of 1,000 wind turbines in the UK, the US, Canada and Italy.

When embarking on repair work, it was found that the pins attaching the turbine blades to the rotor were wearing prematurely, along with the rotor holes. Line boring and welding when up on the turbine tower was not possible due to weight and space constraints. The only solution was to replace the rotor and pins, which took roughly 10 working days and cost USD 15,000.

Subsequently, AEM began discussions with Expander about developing a solution that would increase speed, improve efficiency and maintenance safety, and ultimately reduce costs. AEM developed a system to bore the holes out before installing the pins to ensure a reliable connection. Sets of three pivot pins and three different oversized sleeve options were supplied by Expander, which fitted perfectly into the holes depending on the degree of wear.

Fewer parts meant faster and simpler installation, while the Expander System also provided a perfect fit into the borehole, eliminating further movement causing wear. AEM has now been using the solution for over a year and is delighted with the results. “Instead of taking three days with four workers onsite to repair a turbine, it now takes us less than a day with only two workers required,” says Ian Sleger, Operations Manager. “The guys at Expander are really accommodating and the solution has freed us up to concentrate on other matters.”

안전한 무인 헬리곱터

세계에서 가장 까다로운 환경에서 작동하도록 제작된 스웨덴 기업 CybAero의 첨단 무인 APID One 헬리콥터는 고객의 필요에 맞게 손쉽게 맞춤화가 가능합니다.

 

그 개념은 네 가지 주요 요소인 헬리콥터 플랫폼, 페이로드, 데이터 링크 및 지상국을 기초로 합니다. 헬리콥터에는 여러 센서를 장착할 수 있으며 센서 시스템을 쉽고 빠르게 변경할 수 있도록 설계되었습니다. 센서에는 비디오 카메라, 스피커, 투광기, 적외선 카메라, 전자광학 카메라와 빛 감지 및 범위/합성 개구 레이더가 포함됩니다.

이렇게 모듈화되었기 때문에 UAV(무인항공기)는 전력선 점검, 시간이 중요한 탐색 및 구조 작업, 국경 감시 등의 다양한 용도에 적합합니다. 이러한 분야의 경우 안전에 대해서는 어떠한 타협도 없어야 합니다. CybAero는 중요한 비행 임무의 원활한 수행을 위해 Nord-Lock Group 의 쐐기형 풀림 방지 기술을 이용합니다.

Nord-Lock Group은 2009년부터 APID One 헬리콥터의 테일 붐, 배기 시스템 및 메인 로터 허브에 사용되는 쐐기형 풀림 방지 와셔를 공급해 왔습니다. 이러한 분야에서는 각 부품이 진동, 열 및 큰 힘에 노출되는데 이 요소들이 볼트 풀림의 주요 원인으로 알려져 있습니다.

CybAero의 CEO인 Mikael Smith씨는 이렇게 설명합니다. “우리는 우수한 내진동성 때문에 Nord-Lock의 기술을 선택했습니다. 강력한 볼트 체결은 마모와 파손의 감소로 이어지며 이는 다시 서비스 수명의 연장과 풀림 가능성 감소 및 유지 보수 필요성의 최소화로 이어집니다.”

간편한 조작

접근이 어려운 곳에 접근해야 하며 시간이 중요한 업무에 투입되는 APID One 무인 항공기에 있어 간편한 조작 방법은 핵심 기능입니다. 캐노피, 에어프레임 및 항공 전자 부품은 패키징과 운송이 용이함과 동시에 유지 보수 및 정비가 간편하도록 설계되었습니다. CybAero는 Nord-Lock 제품을 사용하여 서비스 수명을 더 연장했을 뿐만 아니라 유지 보수의 필요성 및 제품의 결함, 풀림 가능성도 줄였습니다. 아래 사진에 보이는 로터 헤드가 Nord-Lock 와셔로 고정되었습니다.

 

미래 운송 수단 가속화

2018년 Bolted #1에 최초 기재된 기사

2015년, 미래 운송 기술 기업인 Tesla 및 SpaceX 를 운영하는 엘론 머스크가 Hyperloop Pod Competition을 개최했습니다. 이 대회에서는 대학생들이 전 세계 주요 도시를 잇는 대형 터널 망에서 공중 부양하여 거의 초음속으로 운행하는 포드에 사람이 승차하여 이동하는 머스크의 꿈인 Hyperloop를 위한 최고의 운송 포드 설계를 겨룹니다.

2017년 대회에서는 뮌헨기술대학의 WARR Hyperloop 팀이 레이저 소결 처리된 티타늄 트로피를 거머쥐었습니다. 이 팀은 이 대회에서 Nord-Lock 쐐기형 풀림 방지 와셔로 포드의 각 볼트를 고정함으로써 하이퍼루프 포드의 세계 신기록을 세웠습니다.

30-STRONG WARR Hyperloop 팀은 여러 개의 팀으로 나뉘어 CAD 설계와 구조 및 조달, 재무 및 마케팅을 각각 담당했습니다. CAD 디자인 및 구조팀의 팀장인 Florian Janke 씨는 미래의 초고속 운송 시스템에 대한 머스크의 비전, 특히 언젠가는 사람들이 뮌헨에서 베를린까지 30 분 만에 이동할 수 있다는 아이디어에서 영감을 얻었다고 말했습니다.

그러면서“ 머스크가‘ SpaceX competitions’ 를 개최했을 때 꼭 참가해야 했습니다. Hyperloop Pod Competition의 모든 단계를 잘 해냈습니다. 최대 속도를 주로 보는 마지막 단계에서는 324km/ h를 달성했습니다.”라고 말했습니다.

WARR Hyperloop 팀의 경량 포드는 500 미터 터널에서 310km/h에 도달한 캘리포니아의 Hyperloop One이 세운 기록을 깼습니다. Janke 씨는 이렇게 설명했습니다“. 1.2km라는 상대적으로 짧은 터널에서 이렇게 빠른 속도로 실험할 때는 당연히 가속과 진동이 심합니다. 강력하게 체결되는 볼트가 필수적이었기 때문에 볼트를 제자리에 잘 고정해 주는 Nord-Lock 쐐기형 풀림 방지 와셔를 사용했습니다. 이 와셔는 완벽했습니다.”

WARR 팀은 다음번에 열리는 3차 Hyperloop 대회에 등록했고 이미 예선을 통과했습니다. 일부 팀원은 새로운 2018 팀에서 새로운 역할을 맡아 활동하지만 대부분은 학업을 계속하고 있습니다. 일부는 무역 전시회를 다니면서 2017년에 우승한 포드를 전시하고 있습니다.

금전적 지원 및 여러 부품 의 조달을 위해 많은 제조사와 함께 일했기 때문에 일부 팀원은 이 회사에서 면접을 보고 취업을 고려 중입니다.

New issue of Bolted magazine out now!

The 2018 March issue of Bolted magazine is available now! As with every edition we have filled the magazine with interesting cases and insights from the world of bolting.

In this issue of Bolted, we take a closer look at what goes into the manufacturing process of traditional bolts – from raw steel to tailor-made applications.

We ask expert Filemon Schöffer about the potentials with 3D-printing, and we meet German company “MMG” who is a world leader in production of propellers for large container ships.

And of course a lot more.

Bolted magazine is available in 9 languages – Read them now:
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볼트 체결 전문가의 최고의 조언

BOLTED 지는 일본 최고의 볼트 전문가인 Tomotsugu Sakai 박사를 만나 귀중한 인터뷰 기회를 가졌습니다. 그의 저서 Bolted Joint Engineering - Fundamentals and Applications (볼트 체결 공학의 기본과 응용)는 볼트 체결에 대한 완벽한 분석으로 엄청난 지지와 인정을 받고 있습니다.

2017년 Bolted #1에 최초 기재된 기사

본인 저서에서도 다룬 이상적인 체결을 어떻게 정의하십니까?
“이상적으로, 체결은 특수 설계된 부품보다는 광범위하게 이용 가능한 표준화된 화스너의 사용을 기반으로 해야 합니다. 더욱 중요한 것은, 이상적인 체결은 어떤 문제도 발생하지 않는 완벽한 볼트 체결 설계를 보장해야 한다는 점이죠. 문제가 하나라도 발생하면 제품 설계 전체가 쓸모없게 됩니다. 모든 측면에 주의를 기울여야 하죠. 저는 ‘어떤 생략도 없는 평가’를 가장 중요하게 여깁니다.”

윤활제 사용이 볼트 체결에 유리합니까?
“네. 만약 체결하는 물체들이 서로 미끄러지지 않는다면 마찰 계수를 낮추는 것이 모든 측면에서 바람직합니다. 만약 체결물이 ‘풀림 환경’(loosening environment)에서, 낮은 마찰계수를 가진다면 반드시 풀림으로 이어지는 것은 아니지만 풀릴 가능성은 매우 커집니다.
특정 임계치를 초과하는 힘으로 서로 반복해서 미끄러진다면 체결부는 ‘풀림 환경’에 있는 것입니다.”

어떻게 외부 힘이 미끄러짐을 일으키는지 전단 방향, 축 방향 그리고 비틀림을 바탕으로 설명해 주실 수 있나요?
“외부 힘이 전단 방향으로 작용했다면 이 힘은 미끄러짐을 일으킵니다. 만약 축 방향으로 작용했다면 체결된 물체들은 서로 분리될 것입니다. 이런 상황에서는 마찰 계수가 낮을수록 더 많은 풀림이 일어날 것입니다.

볼트 체결 공학의 기본과 응용을 쓸 때, 저는 접촉면에서 체결물의 미끄러짐 현상을 관례적인 관점인 ‘거시 미끄러짐 (macro-slip)’을 사용하여 설명하였습니다. 이런 유형의 미끄러짐은 0.1mm 정도로 눈으로 확인할 수 있습니다. 1988년에 너무 경미하여 눈으로 확인할 수 없는 ‘미시 미끄러짐 (micro-slip)’이 실제로 거시 미끄러짐 이전에 발생하여 회전 풀림을 일으킨다는 것을 발견하였습니다. 축력을 서서히 감소시키는 이 ‘미시 미끄러짐’ 현상은 Journal of the Japan Society for Precision Engineering(일본 정밀 공학 학회지)에 자세히 소개되었습니다.”

“이전 실험 방식으로는 체결물이 서로 접촉한 상태에서 접촉면의 특정 면과 다른 면의 미끄러짐 정도를 측정할 수 없었습니다. 그러나 유한 요소 법인 FEM을 사용한 후 이 모든 값을 계산할 수 있게 되었습니다. 약 2000년경부터 이 측정법은 화스너 산업에서 사용됐고 오늘날 나사산을 가진 화스너에 대한 대부분의 연구에서 사용되고 있습니다. Satoshi Izumi 박사 외 저자들이 쓴 2006년도 논문에서 분명하고 가시적인 거시 미끄러짐보다는 비가시적이고 극미한 미시 미끄러짐으로 인해 점진적인 회전 풀림이 발생한다는 것을 발표했습니다. 미시 미끄러짐이 반복 발생할 때 그것은 1,000번에 1도, 또는 한 번에 1/1000도만큼 극미한 회전 풀림이 발생한다는 사실을 이 논문을 통해 처음 읽었을 때 저는 큰 충격을 받았습니다.

1/1000도의 회전은 결코 눈으로 관찰할 수가 없습니다. 오직 유한 요소법을 사용하여 계산한 연구 결과를 통해서만 미시 미끄러짐이 회전 풀림을 일으킨다는 것을 알 수 있었습니다. 저는 혼란스러웠습니다! [웃음] 그 결과 미끄러짐 정도의 측정 개념이 엄청나게 바뀌었습니다. 저는 미시 미끄러짐이 자연적으로 프레팅 마모에 이른다고 생각해 본적은 있지만, 그것이 회전 풀림을 일으킬 수 있다고 고려해 본적도, 이것을 시험할 방법도 전혀 없었습니다. 이 모든 것은 경이로운 경험이었습니다.” 라고 인터뷰를 진행한 Nord-Lock Japan의 Marketing Coordinator인 Keisuke Okada씨가 말합니다.

팩트 미시 미끄러짐
육안으로 관찰할 수 없는 미끄러짐. 체결력이 서서히 감소하여 결국 가시적인 회전 풀림인 거시 미끄러짐에 이를 수 있습니다. 체결부 재질의 침하와 이완 또한 체결력을 감소시킬 수 있습니다. Nord-Lock Group은 두 가지 형태의 미끄러짐 모두를 해결할 수 있는 X-series 와셔를 개발해왔습니다.
이 와셔의 스프링 효과로 모든 종류의 체결력 손실에 대응할 수 있으며, 쐐기형 잠금 효과는 자연 발생하는 볼트 풀림을 방지합니다.

인물: TOMOTSUGU SAKAI 박사

  • 1941 – 일본, 오카자키 시 출생.
  • 1979 – Toyota Motor Corporation에서 근무. 이후 주로 강도 및 내구성 시험 및 다양한 자동차 부품의 연구 및 개발에 참여, 공학 박사 학위 취득.
  • 2001 – Toyota Techno Service Corp로 이전하여 나사산이 있는 화스너에 대한 교육 및 기술 자문 활동.
  • 2007 – 퇴직 후 Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineerin(사자키 볼트체결공학 자문소)를 설립하여 오늘날까지 볼트 체결에 대한 교육 및 기술 자문을 제공.

원자력 안전을 위한 완벽한 3 중 보호

23 2월 2018
댓글

문장: Ulrich Schamari

사진: ILLUSTRATIONS: Daher Nuclear Technologies

2017년 Bolted #2에 최초 기재된 기사

어려움

독일 Frankfurt am Main 근처 Hanau에 위치한 Daher Nuclear Technologies GmbH사는 방사성 물질 운송을 위한 컨테이너를 개발합니다. 이 컨테이너는 완벽히 안전해야만 합니다.

우라늄 헥사플루오라이드의 운송을 위한 컨테이너를 새롭게 설계할 때에도 도로, 철도 및 해상 운송을 위한 국제 원자력 기구 (IAEA)의 권고를 포함한 국내외적 요구 사항을 고려해야 했습니다. 엄격한 요구 사항을 준수하는 새 컨테이너는 사고 상황에서 발생할 수 있는 기계적 하중 및 고열을 견딜 수 있어야 합니다.

기계적 사고 하중은 못 위로 120 센티미터 낙하, 9 미터 낙하, 1 미터 낙하로 이어지는 일련의 실험에 따라 정의되었습니다. 뒤따른 열 실험에서는 컨테이너의 안전이 위협받지 않도록 컨테이너가 밀봉된 상태를 유지해야만 합니다.

해결책

컨테이너를 트럭에 적재하고 운송하는 중에 어떠한 상황에서도 체결된 볼트가 느슨해 지거나 분실되지 않도록 Daher사는 컨테이너의 잠금 장치를 설계했습니다. 최적의 솔루션에 대해 집중적으로 검색하던 중 NL16-254SMO 타입의 Nord-Lock 쐐기형 풀림 방지 와셔를 찾았습니다. 이 와셔는 Daher사의 3 중 잠금 시스템에서 중요한 부품입니다. 잠금 장치는 볼트로 고정되어 있으며 이 볼트는 다른 볼트로 고정되어 있습니다. Nord-Lock의 쐐기형 풀림방지 와셔는이 두 번째 볼트 아래에 장착됩니 다. 각 컨테이너에는 6 개의 잠금 장치가 있으며 각 잠금 장치에는 한 쌍의 Nord-Lock 와셔가 장착되어 있습니다.

결과

Nord-Lock 의 쐐기형 풀림 방지 기술 덕분에 Daher사의 원자력 산업용 운송 컨테이너의 잠금 시스템은 더 이상 진동이나 응력으로 마모되지 않고 단단하고 안전하게 잠겨 있습니다. Daher사는 또한 Nord-Lock 제품의 사용으로 절감된 비용과 쉬워진 유지보수에 대해 매우 만족하였습니다. 쐐기형 풀림 방지 와셔는 필요하면 언제든 교체가 가능하여 운송 컨테이너가 최상의 상태를 유지할 수 있습니다. 컨테이너의 사용기한이 30 년 이상 될 수 있었던 것 역시 Nord-Lock 와셔가 일조하였습니다.

내피로성을 향상시킨 전문가들

First published in Bolted #2 2015.

A: 볼트 접합부의 피로 성능은 정적 성능과 비교해서 아주 작습니다. 피로 저항을 향상 시킴으로써, 설계자는 나사산의 성능을 증가시키고 나사산에 발생하는 교번 응력을 줄일 수 있습니다.

나사산의 성능을 향상하기 위해선, 절삭 공정이 아닌 압연 나사 사용이 권장됩니다. 볼트 접합부의 성능을 향상하기 위해선, 더 큰 한 개의 화스너보다 여러 개의 작은 화스너를 활용하는 것이 좋습니다.

또한 나사산의 하중분포를 향상시키고 볼트 접합부에 탄성력을 더해줄 수 있는 Flexnut 나 Superbolt MJT(다중 잭볼트 화스너)와 같은 개량된 접합부를 사용함으로써 성능을 향상시킬 수 있습니다.

피로 하중을 개선하는 최고의 방법은 나사산에 가해지는 교번응력을 줄이는 것입니다. 세 가지 주요 방법으로 조립체 설계, 조립체 체결, 조립체 고정이 있습니다.

조립체 설계 과정에서 볼트 접합부의 하중분포를 향상시켜주며 각 접합부에 전달되는 외부 하중 수준을 줄일 수 있습니다. 이를 향상시키기 위해 다음을 명심해야 합니다.

1. 가능한 가장 높은 예압 사용
2. 편심을 가지기 위해 볼트 크기 최소화
3. 최대한 넓은 표면적 사용
4. 최대한 긴 클램프 길이 사용
5. 대부분의 경우 작용하중보다 높은 예압 사용

기타 조립체의 설계 선택사양으로 넥-다운 스터드 혹은 볼트를 사용하거나 완화, 크리핑 그리고 온도차에 의한 연신 효과가 발생하지 않는 탄성 와셔를 사용하는 것입니다.

조립체 체결과 관련하여 필요한 예압을 달성하는 것이 교번응력을 줄이는 데 있어 가장 중요한 요소입니다. 높은 정확도를 가진 교정 공구 사용을 권장합니다. 정확한 예압을 얻으며 동시에 고착현상의 위험을 줄일 수 있도록 윤활유를 적절히 사용하는 것이 좋습니다. 볼트가 균일하지 않은 하중으로 체결되는 위험을 줄이고 전반적인 볼트 접합부의 무결성을 보장할 수 있도록 올바른 체결 절차를 따라야 합니다.

조립체 안전과 관련하여, 볼트 접합부가 예압을 잃지 않도록 체결하는 것을 권장합니다. 또한 조립체가 부식과 같은 환경적 요소에 의해 피로균열이 발생하지 않도록 고정해야 합니다. 부품과 화스너의 적절한 재질 및 코팅을 선택하여 이를 보장할 수 있습니다.

 

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