기계적 피로란 무엇인가요? 순환 응력 파괴 • 파쇄기, 팬, 멀처, 콤바인, 샤프트, 원심분리기, 터빈 및 기타 여러 로터의 동적 밸런싱을 위한 휴대용 밸런서, 진동 분석기 "밸런셋" 기계적 피로란 무엇인가요? 순환 응력 파괴 • 파쇄기, 팬, 멀처, 콤바인, 샤프트, 원심분리기, 터빈 및 기타 여러 로터의 동적 밸런싱을 위한 휴대용 밸런서, 진동 분석기 "밸런셋"

기계적 피로란 무엇인가? 순환 응력 파괴

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기계적 피로 이해

정의: 기계적 피로란 무엇인가?

기계적 피로 (재료 피로 또는 간단히 피로라고도 함)는 재료가 반복적인 응력 또는 변형 사이클을 받을 때 발생하는 점진적이고 국소적인 구조적 손상으로, 각 사이클의 최대 응력이 재료의 최대 인장 강도 또는 항복 강도보다 훨씬 낮더라도 발생합니다. 피로는 미세한 균열을 유발하고 수천 또는 수백만 사이클에 걸쳐 심화시켜 결국 아무런 경고 없이 완전한 파괴로 이어집니다.

피로는 샤프트, 기어, 베어링, 패스너, 구조 요소 등 회전 기계 부품에서 가장 흔한 고장 모드입니다. 피로 고장은 정적 하중에서는 안전한 응력 수준에서 갑자기 발생하고, 종종 눈에 띄는 사전 경고 없이 발생하기 때문에 특히 심각합니다. 안전한 기계 설계 및 작동을 위해서는 피로에 대한 이해가 필수적입니다.

피로 과정

피로 파괴의 3단계

1단계: 균열 시작

  • 위치: 응력 집중(구멍, 모서리, 표면 결함)에서 시작됩니다.
  • 기구: 국소적인 소성 변형은 미세한 균열을 생성합니다(일반적으로 < 0.1mm)
  • 지속: 매끄러운 표면의 경우 총 피로 수명은 50-90%가 될 수 있습니다.
  • 발각: 매우 어렵고 일반적으로 서비스에서 감지할 수 없음

2단계: 균열 확산

  • 프로세스: 균열은 스트레스 주기마다 점진적으로 커집니다.
  • 비율: 파리 법칙을 따릅니다. 응력 강도 계수에 비례하는 속도
  • 모습: 매끄럽고 일반적으로 반원형 또는 타원형 균열 전면
  • 해변 표시: 균열 성장 단계를 보여주는 동심원 패턴(파괴 표면에서 볼 수 있음)
  • 지속: 총 수명은 10-50%일 수 있습니다.

3단계: 최종 골절

  • 균열은 남아 있는 재료가 하중을 지탱할 수 없는 임계 크기까지 커집니다.
  • 잔여 단면의 갑작스럽고 치명적인 골절
  • 파괴 표면이 거칠고 불규칙함(매끄러운 피로 영역과 대조)
  • 일반적으로 정상 작동 중 경고 없이 발생합니다.

회전 기계의 피로

샤프트 피로

  • 원인: 굽힘 응력 불균형, 정렬 불량, 또는 횡하중
  • 스트레스 순환: 회전축은 매 회전마다 완전한 반전을 경험합니다.
  • 일반적인 위치: 키웨이, 직경 변경, 숄더, 프레스 핏
  • 일반적인 삶: 10⁷ ~ 10⁹ 사이클(작동 연수)
  • 발각: 샤프트 균열 진동 시그니처(2× 구성 요소)

베어링 피로

  • 기구: 헤르츠 응력에 의한 구름 접촉 피로
  • 결과: 스폴링 베어링 레이스 또는 롤링 요소
  • L10 생명: 베어링 10%가 파손되는 통계적 수명(설계 기준)
  • 발각: 베어링 결함 주파수 진동 스펙트럼에서

기어 이빨 피로

  • 굽힘 피로: 치아 뿌리 필렛에서 균열이 시작됩니다.
  • 접촉 피로: 표면 침식 및 박리
  • 사이클: 모든 메시 참여는 하나의 사이클입니다.
  • 실패: 치아 파손 또는 표면 악화

패스너 피로

  • 교대로 하중을 받는 볼트 진동
  • 균열은 일반적으로 너트의 첫 번째 나사산에서 시작됩니다.
  • 눈에 띄는 경고 없이 갑작스럽게 볼트가 고장났습니다.
  • 장비 붕괴 또는 분리로 이어질 수 있습니다.

구조적 피로

  • 반복 하중을 받는 프레임, 받침대, 용접부
  • 진동은 교대로 응력을 생성합니다.
  • 용접부, 모서리, 기하학적 불연속부의 균열
  • 지지 구조의 점진적인 실패

피로 수명에 영향을 미치는 요인

스트레스 진폭

  • 피로수명은 응력 진폭에 따라 기하급수적으로 감소합니다.
  • 일반적인 관계: 생활 ∝ 1/스트레스⁶ ~ 1/스트레스¹⁰
  • 스트레스를 조금만 줄여도 수명이 극적으로 연장됩니다.
  • 진동을 최소화하면 구성품 피로 수명이 직접 연장됩니다.

평균 응력

  • 교대 응력과 결합된 정적(평균) 응력은 생명에 영향을 미칩니다.
  • 평균 응력이 높을수록 피로 강도가 감소합니다.
  • 사전 하중 또는 사전 응력을 받은 구성 요소는 더 취약합니다.

응력 집중

  • 기하학적 특징(구멍, 모서리, 홈)은 응력을 집중시킵니다.
  • 응력 집중 계수(Kt)는 공칭 응력을 곱합니다.
  • 균열은 거의 항상 응력 집중에서 시작됩니다.
  • 넉넉한 반경으로 디자인하고 날카로운 모서리는 피하세요

표면 상태

  • 표면 마감은 피로 강도에 영향을 미칩니다(매끄러움 > 거칠음)
  • 표면 결함(흠집, 긁힘, 부식 구덩이)은 균열을 유발합니다.
  • 표면처리(숏피닝, 질화)로 피로저항성 향상

환경

  • 부식 피로: 부식성 환경은 균열 성장을 가속화합니다
  • 온도: 온도가 높아지면 피로 강도가 감소합니다.
  • 빈도: 매우 높거나 매우 낮은 사이클 속도는 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

예방 전략

설계 단계

  • 응력 집중을 제거하거나 최소화합니다(넓은 필렛을 사용하세요)
  • 적절한 피로 여유를 위한 설계(일반적으로 안전 계수 2-4)
  • 피로 특성이 좋은 재료를 선택하세요
  • 고응력 영역을 식별하기 위한 유한 요소 분석
  • 가능하면 날카로운 모서리와 스트레스가 많은 부위의 구멍은 피하십시오.

조작

  • 중요 구성 요소의 표면 마감 개선
  • 표면처리(숏피닝, 표면경화)
  • 최적의 피로 강도를 위한 적절한 열처리
  • 응력 방향에 수직인 가공 표시를 피하십시오.

작업

  • 진동 감소: Good 균형, 정밀 정렬로 교대 응력 최소화
  • 과부하를 피하세요: 설계 한계 내에서 작동
  • 공명 방지: 다음에서 작동하지 마십시오. 임계 속도
  • 부식 제어: 보호 코팅, 부식 방지제

유지

  • 균열에 대한 정기 검사(시각적, NDT 방법)
  • 균열 발생을 조기에 경고하기 위해 진동을 모니터링합니다.
  • 계산된 피로 수명이 끝나면 구성 요소를 교체하십시오.
  • 표면 손상을 신속하게 수리하십시오(균열이 시작되는 부위일 수 있음)

기계적 피로는 회전 기계의 근본적인 고장 모드로, 누적된 순환 손상으로 인해 갑작스럽고 종종 치명적인 고장을 유발합니다. 피로 메커니즘을 이해하고, 교번 응력을 최소화하도록 설계하며, 적절한 균형과 정렬을 통해 낮은 진동 수준을 유지하는 것은 피로 고장을 방지하고 기계 부품의 길고 안정적인 사용 수명을 보장하는 데 필수적입니다.

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