Current Issue

KS B 1010세트 체결축력의 온도 의존성 실험에 대한 KS기준은 Table 1에 나타내고 있다. 상온에서 세트의 체결축력 실험은 10℃ - 30℃에서 사용하도록 규정되어 있기 때문에 20℃(상온)에서 수행하고, 0℃(저온) 및 60℃(고온)의 극한온도에서도 수행하려 한다. 세트의 실험은 강구조설계^[7]에 나타낸 축력계(TMC-400)와 전동식 토크렌치(MTS-​80L)를 사용한다.

체결축력 시험은 KS B 2819(2013)^[8], JSS II 09(2015)^[9]에 따른다. 체결은 홈이 파단될 때까지 연속 시행하며, 파단 홈의 파단 후 체결축력을 측정한다. 축력계의 눈금량은 측정하려고 하는 축력 1 % 이하로, 그 오차는 측정하려고 하는 축력값의 범위 내에서 각 눈금이 표시하는 값의 2 % 이하로 한다. 표면 온도계의 눈금량은 2℃ 이하로 하고, 온도는 -5℃ - 65℃ 범위 내에서 2℃ 이하로 한다. 저온 및 고온의 체결축력 실험은 실험 종료 시까지 볼트 세트 제품의 실험온도인 0℃, 60℃를 유지하기 위해서 0℃ 시험체는 6시간 이상 냉동하고, 60℃ 시험체는 시험로를 이용하여 해동온도에서 6시간 이상 보관하고, 볼트 심부와 표면 온도가 요구하는 온도를 유지할 수 있도록 하였다.

세트 체결축력의 계절별 온도 의존성 실험은 각각 2월, 5월, 8월, 11월에 대해서 수행하고자 한다. 계절별 세트의 체결축력의 변동성을 평가하기 위하여 D사에서 생산한 T/S고장력볼트의 사이즈별 목길이(3 types)에 따라 체결축력 실험을 수행하였다. 실험은 1로트에서 무작위로 5개의 볼트를 선정하여 실험에 의한 축력값의 평균을 산출하여 요구되는 축력값에 만족여부를 평가하였다. Fig. 1에서는 계절별 T/S고장력볼트 체결축력의 온도 의존성 평가를 위한 실험과정을 보여주고 있다.

Fig. 1. 
Procedures of clamping force of T/S bolt set according to the season

T/S고장력볼트의 도입 축력과 너트의 회전각 관계를 볼트의 호칭별로 측정하였다. 세트 체결성능실험은 토크실험기에서 각도를 확인하면서 15°씩 연신율과 변형도 게이지의 데이터를 수집하였다. 축력은 볼트의 축부에 부착한 스트레인게이지에서 산출하였다. 즉, 축력은 스트레인게이지에서 측정한 변형도에 볼트단면적과 영계수(인장 실험에서 산출)를 곱해서 산출한다. 또한, Fig. 2에서는 축력-너트 회전각 실험 순서를 나타내고 있다. 축력과 회전각 실험 전에 볼트길이를 측정한 후 Table 2에서 나타낸 것과 같이 1차 체결하고, 여장길이를 측정한 후 900°까지 가력하여 볼트의 파단 유무를 확인한다. 마지막으로, 실험 후에 볼트길이를 측정한다.

Fig. 2. 
Procedures of clamping force to nut rotation relation test

제품의 기계적 성질은 KS규준에 따라 실험하였을 경우, 아래의 인장 하중(최소) 미만에서 파단되는 일이 없고, 인장 하중을 증가시켰을 때 볼트 머리가 떨어져 나가서는 안 된다. 제품의 인장실험 결과는 Table 3과 Fig. 3에서 나타내고 있으며, 모든 시험편에서 KS규준을 충족하고 있는 것으로 나타났다. M16시험체와 M20시험체의 인장하중은 166 kN - 175 kN, 262 kN - 274 kN으로 KS규준치인 157 kN 이상, 245 kN 이상 조건을 모두 충족하는 것으로 나타났다. 또한 M22시험체와 M24시험체의 인장 하중은 325 kN - 336 kN 262 kN - 392 kN으로 KS규준치인 303 kN 이상, 353 kN 이상으로 조건을 충족하고 있었다.

Fig. 3. 
Fracture condition of T/S bolt set specimens

온도별 T/S고장력볼트 체결축력의 평균치와 표준편차는 Table 4, Fig. 5, Fig. 6에 나타내고 있다. 또한, 체결축력 실험 후 사이즈별 파단면 사진은 Fig. 4에 나타내고 있다. 실험 결과, 모든 시험체는 실험온도와 관계없이 각 제품의 체결축력 관련 KS 규준을 모두 만족시키는 것으로 나타났다. 그림에서 알 수 있듯이 실험온도별 각 시험체의 체결축력의 평균치와 표준편차는 실험온도가 낮을수록 하한치에 가까운 값을 나타내고 있었다.

Fig. 4. 
Fracture condition after clamping force test according to the temperature dependence

Fig. 5. 
Clamping force of T/S bolts according to the temperature dependence

Fig. 6. 
Clamping force standard deviation of T/S bolts according to the temperature dependence

계절별 세트 체결축력의 변동성을 파악하기 위한 체결축력 실험을 수행하였으며, 그 실험결과는 Table 5와 Fig. 7에 나타내고 있다. 또한, 체결축력 실험 시 외기온도는 Table 5에 나타내고 있다.

Fig. 7. 
Clamping force according to the season

계절별 체결축력 실험결과, M16시험체와 M20시험체의 체결축력 평균치(체결축력 표준편차)는 각각 117.9 kN - 129.9​(3.32 - 5.57) kN, 185.4 kN - 200.4(3.51 - 6.43) kN으로 나타났다. 또한, M22 시험체와 M24 시험체의 체결축력의 평균치​(표준편차)는 222.9 kN - 249.9(3.12 - 7.09) kN, 270.6 kN - 287.8(4.65 - 9.0) kN으로 나타났다.

이상에서 나타낸 것과 같이 T/S고장력볼트의 체결축력의 평균치와 표준편차는 계절 및 T/S고장력볼트 사이즈와 관계없이 모든 제품에서 KS 규준을 만족시키는 것으로 나타났다. 그러나, 그림에 나타낸 것과 같이 2월(겨울)에 수행한 체결축력 평균치가 다른 계절에 수행한 체결축력 평균치보다 낮은 값을 나타냈으며, 이는 온도의 영향에 기인하는 것으로 판단된다.

T/S고장력볼트의 호칭별 도입축력과 너트의 회전각 실험결과는 Table 6과 같다. 여기서, 연신율은 변위계의 파단을 방지하기 위해서 800°까지만 측정하였다. 900° 이상까지 회전시킨 세트의 축력과 연신율은 T/S고장력볼트의 크기에 의해 영향을 받지만 길이에 의한 영향은 작은 것으로 판단된다. Table 6에서 CASE1과 CASE2로 각각 실험한 결과 M16과 M20의 평균 축력은 각각 165 kN, 249 kN이다. 또한 M22와 M24의 평균축력은 321 kN, 370 kN이다. 세트 체결성능 실험에서 측정된 결과는 볼트 실험편의 인장 실험 시 축력의 95 % 이내이다. 성장은 볼트 크기가 커질수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한 세트 체결성능 실험 후 파괴상황은 Fig. 8에 나타내고, 체결축력과 너트 회전각과의 관계는 Fig. 9에 나타낸다. 볼트 나사부에서 늘어난 후 국부적인 수축 파단이 관찰되었으며, 볼트의 머리부 파단 및 표면에 균열은 관찰되지 않았다.

Fig. 8. 
Fracture condition after clamping force–nut rotation test

Fig. 9. 
Clamping force–nut rotation angle test results