마모 입자가 음향방출신호에 미치는 영향에 관한 연구

DOI https://doi.org/10.9725/kts.2019.35.5.317

마모 입자가 음향방출신호에 미치는 영향에 관한 연구

한재호¹ㆍ신동갑²ㆍ김대은^3†

1연세대학교 대학원 기계공학과 석사과정생

2연세대학교 대학원 기계공학과 박사과정생

3연세대학교 기계공학과 정교수

Investigation of the Effect of Wear Particles on the Acoustic Emission Signal

Jae-Ho Han¹, Dong-Gap Shin² and Dae-Eun Kim^3†

1M.S. Student, Graduate School, Dept. of Mechanical Engineering, Yonsei University

2Ph.D. Student, Graduate School, Dept. of Mechanical Engineering, Yonsei University

3Professor, Dept. of Mechanical Engineering, Yonsei University

(Received September 7, 2019 ; Revised October 1, 2019 ; Accepted October 3, 2019)

Abstract − In spite of progress in tribological research, machine component failure due to friction and wear has been reported frequently. This failure may lead to secondary damage that can cause huge expense for main- tenance and repair. To prevent economic loss, it is important to detect and predict the initial failure point. In this sense, various researchers have been tried to develop Condition Monitoring (CM) method using Acoustic Emis- sion (AE) generated while the materials undergo failure. In this study, effect of particles on friction and wear was investigated using the pin-on-plate friction test and AE signal was recorded with a band-width type AE sensor.

The experiments were performed in dry and lubricant conditions using steel and glass as specimens. After the experiment, 3D laser microscope image was captured to evaluate the wear behavior quantitatively. The AE signal was analyzed in time-domain and frequency-domain. The amplitude was compared with the frictional results.

The results of this study showed that particle generation accelerate wear, generate high magnitude AE signal and change the frequency characteristics of the signal. Also, lubricant condition test results showed low coefficient of friction, low wear rate, and low magnitude of AE signal compared to the dry condition. It is expected that the results of this study will aid in better assessment of wear in CM technology.

Keywords − acoustic emission(음향방출), wear(마모), friction(마찰), particle(입자), condition monitoring(상태진단)

1. 서 론

맞닿아 움직이는 기계 부품의 표면에는 진동에 의해 국 부적인 응력 집중이 발생하여 마모 또는 균열이 발생한 다[1-3]. 기계 부품의 마모 또는 균열은 기계부품의 성능

저하또는전체시스템의파손으로이어질수있기때문 에 기계 시스템의 이상을 감지하여 대처하는 것은 매우 중요하다[4]. 기계 부품의 파손 시 축적된 변형에너지가 탄성파의 형태인 Acoustic Emission (AE) 신호로 방출되 는데[5], 이를 계측하여 기계 부품의 파괴를 예측 및 판 단 할 수 있다. 선행 연구 사례에서 AE 신호를 통해 풍 력발전기, 발전소 설비 등과 같은 주변 노이즈가 심한 환 경에서도기계부품에발생하는파괴를검출할수있음

†Corresponding author: kimde@yonsei.ac.kr Tel: +82-2-2123-2822, Fax: +82-2-365-0491 http://orcid.org/0000-0002-6095-5138

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이검증되었다[6,7]. 또한, 기계부품의파괴를검출하 는것외에도 AE 신호를분석하여파괴가발생한위치

를예측가능성이검증되었다[8]. 이와같은시스템의

이상을 검진하기 위해 다양한 형태로 나타나는 재료의 파괴 메커니즘과 AE 신호에 대한 폭넓은 이해가 필요하 다. 하지만 주변 노이즈의 영향에 대해 민감하게 반응하 는 AE 신호를 분석하는 기법은 확립되지 않았고 실험적 인 방법을 통해 파손을 분석하고 있는 실정이다[9].

이와관련하여최근발표된논문에의하면접촉하여 상대운동하는기계부품에서마모가발생하였을때[10].

신호의세기가급격하게증가하다감소하는경향의 AE

신호가발생함을확인할수있었다. 그리고평평한시편 과굴곡진시편의마찰시험결과를비교하였을때, 굴곡 진 표면에서 마찰 현상의 변화에 따라 발생하는 AE 신 호의 주파수 대역의 변화를 관찰 할 수 있다[11]. 접촉면 에 연삭이 발생 하는 경우 AE신호의 peak값이 0.25 MHz ~ 1 MHz 주파수 대역에 넓게 분포하는 특성 을 나타내었고, 응착이 발생하는 경우 AE 신호의 peak 값이약 1.1 MHz에서관찰되었다[10]. 또한이러한마모 에의하여발생한입자가접촉면사이에서운동함에따 라 AE 신호의세기가증가하는경향이나타났다[5]. 접 촉면에인위로마이크로입자를투입하여마모입자의 운동에의한 AE 신호특성을분석한결과마모입자의 운동에의해약 300 kHz 주파수대역에서 AE 신호의 Peak값이 발생하였다[12]. 한편, 반복 운동으로 인한 재 료에 균열이 발생할 때 200~400 kHz 주파수 대역의 AE 신호가 발생함과 동시에 균열의 크기에 따라 AE 신호의

count와 신호의 세기가 변화하는 모습을 보였다[13].

본 연구에서는 다양한 재료의 파괴 메커니즘 중 접촉 면 사이에서 발생한 마모 입자가 마찰 현상과 AE 신호 에미치는영향을파악하기위해마찰시험을진행하였 다. 마찰시험중에는 AE 센서를시편에부착하여 AE 신 호를확보하였고이를마찰시험결과와비교하였다. 또 한 AE 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)를통해시 간 도메인, 주파수도메인에서 분석하였다. 실험 후에는 마모 입자가 마모에 미치는 영향을 파악하기 위해 3D 공 초점 레이저 현미경을 활용해 마모 형상을 확보하였다.

이를 통해 마찰 현상에 있어 마모 입자가 마찰, 마모 특 성과 AE 신호에 미치는 영향을 파악하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시편 준비

본연구에서는마모입자발생이마찰계수, AE 신호

에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig. 1에 나타낸 Pin- on-plate 방식의 마찰시험을 진행하였다. 50 × 50 mm 크 기의 SUS 304와 micro slide glass를 준비하였고, 상대 면으로는 5 mm의 직경의 SUJ2 ball을 사용하였다. 그리 고, 마모 입자를 모사하기 위하여 0.6 µm 크기의 silicon carbide 마이크로 입자를 시편에 도포하여 사용하였다. 마 지막으로윤활제는 40^oC에서 68 cSt의점도특성을나 타내는 polyvinylether를사용하였다.

2-2. 마찰시험

마찰시험은 건식조건, 윤활조건, 마이크로 입자를 시편 에 도포한 건식 및 윤활 조건에서 진행하였다. 윤활조건 은 마찰시험에서 발생하는 마모 입자를 윤활제의 영향으 로 마모 트랙 외부로 벗어나도록 하기 위해 윤활제 약

0.1 g을 시편 전체에 넓게 도포하여 실험을 진행하였다.

또한, 마모 입자가 마찰 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 마모 트랙을 따라 마이크로 입자를 투입하여 마찰 시험을진행하였다. 마이크로입자를사용한건식조건

에서는마이크로입자 1 mg을시편에고르게분포하여

마찰시험을진행하였고, 마이크로입자를사용한윤활조 건에서는 1 mg의마이크로입자와윤활제를 1:1의무게 비율로 혼합하여 시편에 고르게 도포한 상태에서 실험을 진행하였다. 그리고 마찰시험 중 마모 입자가 마찰 계수, AE 신호에 미치는 영향을 명확히 파악하기 위해 SUS 304의 건식조건 마찰시험 결과에 비해 다수의 마모 입자 가 발생할 수 있는 glass 시편을 사용하여 마찰시험을 진 행하였다. 마찰시험은 Fig. 1과 같은 매크로 스케일의 Pin-on-plate 방식의마찰테스터기를사용하였고, 각조건 에대해최소 3번이상의반복시험을통해실험결과의 경향성을검증하였다. 마찰시험의조건은 Table 1에나 타내었다.

Fig. 1. Pin-on-plate type tribotest with AE sensor.

2-3. Acoustic Emission system

마찰시험중 AE 신호의계측은신호의시간도메인

변수외에도주파수도메인변수를관찰하기위해 band

width 타입의 AE 센서를 사용하였다. 또한, 선행 연구자

료를 바탕으로 마모 입자의 발생으로 인해 발생하는 AE 신호의 주파수 대역이 300 kHz 임을 확인하였으며 실험 에 사용한 AE 센서는 0.1-1 MHz의 주파수 대역에서 감 도 특성이 우수한 WSα모델을 사용하였다. AE 센서에 서 계측된 신호는 pre-amplifier에서 신호를 40 dB로 증 폭하여 A/D 컨버터로전달하였다. A/D 컨버터(Physical Acoustic, PAC 社)는샘플링주파수가 10 MHz까지계

측가능 PCI-2 보드를사용하여 AE 신호를계측하였

다. 마찰시험을진행하기전에, ASTM의규격에따라 Pencil Lead Break 테스트를 진행하여 90 dB 이상의 AE 신호가 계측됨을 확인하였다[14]. 또한 background noise 측정 후 FFT를 통해 Fig. 2와 같이 약 36 kHz 주 파수 대역에서 Peak값이 발생함을 확인하였다. 또한, background noise 측정결과, 최대 24 dB의 신호가 계측 됨을 확인하여 background noise 신호 세기의 약 1.5배 인 35 dB의 threshold를 설정하여 마찰시험을 진행하였 다. 마찰시험후계측된 AE 신호데이터는시간도메인

변수인 amplitude의최대값과평균값의경향성을분석하

였고, FFT를통한주파수도메인에서의신호의변화를

관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 마찰시험 결과

SUS 304 시편의 건식조건, 윤활 조건, 마이크로 입자

를 시편에 도포한 조건, 마이크로 입자와 윤활제를 혼합 하여 시편에 도포한 조건에 대한 마찰시험 결과를 Fig. 3 에 나타내었다. 마찰시험 결과, 건식 조건에서의 마찰계 수는 Fig. 3(a)에서 볼 수 있듯이 0.41로 가장 높게 나타 났고, amplitude는최대 87 dB까지계측되었으며마찰 시험시작부터약 25 cycle까지감소하다이후서서히증 가하는경향을나타냈다. 시편에윤활제를도포한조건 에서는 AE 신호계측이불가능하여, 별도의방음부스 를설치한뒤 background noise가최대 19 dB이측정되 는 환경에서, threshold를 20dB로 설정하여 실험을 진행 하였다. 윤활조건의 마찰시험 결과는 Fig. 3(b)에 나타내 었다. 마찰계수가 0.12수준으로 건식 조건에 비해 약 71%낮은 결과를 보였다. 윤활제를 사용한 마찰시험의 경 우 amplitude는 최대 49 dB까지 계측 되었으며 평균적으 로건식조건에비하여약 50% 낮은측정값이나타났다. 이는윤활제가마모로인해발생한마모입자를마모트 랙에서제거함으로써마모입자간상대운동이줄어들 었기때문인것으로판단된다. 그리고건식조건에서마 이크로입자를시편에도포한실험에서는 Fig. 3(c)에서 볼수있듯이마찰계수는 0.41, amplitude는최대 87 dB, 평균적으로 39 dB의 결과를 나타내었다. 이는 건식조건과 매우 유사한 결과로 시편과 ball의 상대운동으로 인해 도 포하였던 마이크로 입자가 마모 트랙에서 제거되면서 건 식조건과 유사한 조건에서 마찰시험이 진행된 것으로 판 단된다. Fig. 3(d)의 마이크로 입자와 윤활제를 혼합하여 시편에 도포한 조건에서의 마찰계수는 45 cycle까지 증 가하다큰폭으로감소하는모습을나타냈다. 이후약 250 cycle까지실험이진행되었을때마찰계수는 0.27으 로윤활조건실험의마찰계수보다 2배이상높게나타 났다. AE signal의 amplitude는실험시작시점부터증가 하다, 45 cycle 이후 39 dB수준으로 발생하였다.

glass 시편에 대한 마찰 테스트 결과를 Fig. 4에 나타내 었다. 실험 결과, 마찰계수는 0.93으로 나타났고 amplitude 는 평균적으로 48 dB에서 최대 92 dB까지 계측되었다.

이는 SUS 304 시편의 건식조건 실험 결과에 비해 평균 amplitude이 약 23% 높게 측정되었다. 그리고 glass시편 을 사용한 경우 약 100 cycle 이후 amplitude가 크게 감 소하는경향을나타내었다. 이는마찰시험초기 SUS304 시편에비해취성이강한 glass 시편이빠르게마모됨에 따라마모입자의상대운동으로높은 amplitude가계측 Fig. 2. Frequency spectrum of background noise.

Table 1. Tribotest condition

Condition Value

Normal load 20 N (2 kgf)

Sliding speed 5 mm/s

Sliding stroke 20 mm

Cycle 250 cycle

Lubricant type polyvinylether

된것으로판단된다. 또한약 100 cycle 이후 glass 시편 의마모가진행됨에따라접촉면적증가, 접촉압력의감 소로 인해 마모의 진행이 지연되고, 이로 인해 마찰 초 기에 비해 적은량의 마모입자가 발생 및 상대 운동하면

서 낮은 amplitude값이 계측된 것으로 판단된다.

3-2. 마모 측정 결과

마찰시험이후 3D 공초점레이저현미경을사용하여

각실험 조건에따른마모율을 Fig. 5(a)나타내었으며

Fig. 5(b), (c)에윤활조건과윤활제와마이크로입자를혼 합하여시편에도포한조건의마모형상을나타내었다. 마모율은 취성이 높은 Glass 시편에서 가장 높게 측정이 되었다. SUS 304시편의 마모율은 윤활제가 사용되지 않은 조건에서 높게 측정되었다. 또한, 윤활제를 사용하 지 않은 조건에서 마이크로 입자를 시편에 도포한 경우, 마모율이 가장 높게 측정되었지만 윤활제를 사용한 조 건에서마이크로입자를시편에도포한경우마모율이 가장낮게측정되었다. 이는 Kim. H. G. 외 5명이수행 한연구결과와유사한결과로, 윤활제와마이크로입자 를혼합하여시편에도포한경우상대운동시마이크로 입자가구름운동을하면서접촉면을보호하는효과를 나타낸 것으로 보인다[15].

Fig. 3. Coefficient of friction and AE amplitude result in different tribotest conditions: (a) dry condition, (b) lubricant condition, (c) artificially spread particle on specimen condition, (d) lubricant and particle mixed condition.

Fig. 4. Coefficient of friction and Amplitude result of glass specimen.

3-3. 주파수 분석 결과

마찰시험 중 기록된 AE 신호를 FFT를 통해 주파수 스펙트럼을 얻었다. Fig. 6에 SUS 304 시편의 조건과 윤 활 조건의 주파수 스펙트럼을 나타내었다. 윤활 조건의 마모 입자를 마모 트랙에서 제거한 실험 결과를 보면, 80~300 kHz, 450~600 kHz 주파수대역에 peak 값이분포 된모습이나타났다. 또한약 12 cycle 지점에서 0~70 kHz

주파수대역에서 peak값이발생하기시작하였지만전반

적으로일정한신호가발생하였다. 반면건식조건의실 험 결과에서는 30 cycle 이후 110~300 kHz에서 peak값 이 발생하기 시작하는 모습을 볼 수 있다. 또한 80 kHz

이하, 140~210 kHz의주파수영역에서 peak값이발생하 는 윤활 조건과의 차이를 확인 할 수 있다. 이러한 차이 는 마모 트랙에서 마모 입자를 제거하기 위해 윤활제를 사용했음을 고려하였을 때, 마모 입자의 유무에 따라 나 타나는 차이라고 판단할 수 있다.

4. 결론 및 고찰

본연구에서는마모입자가마찰과 AE 신호에미치 는영향을분석하기위해마찰시험을진행하여다음과 같은결론을얻었다.

1) Pin-on-plate 마찰시험결과, 접촉면사이에마모입 자가 있는 경우 마찰계수가 높게 측정되었다. 또한, 윤 활제를 사용한 경우 마찰계수가 낮게 측정되었고, 마모 율이 낮게 측정되었다.

2) 또한, 윤활제를 사용한 경우 AE 신호의 amplitude 가 낮게 측정되는 경향을 확인 할 수 있었다. 이는 마모 트랙에서마모입자를제거하는효과로인해나타난결 과로판단된다.

3) 반면, 윤활제와마이크로입자를혼합하여시편에 도포한조건에서는윤활제를사용한조건에비해낮은 마모율이나타났지만, 높은 amplitude가측정되었다. 이 를 통해 마모율과 amplitude의 상관관계가 낮다고 판단 Fig. 5. (a) Wear rate result and wear track profiles

of (b) SUS 304 + lubricant condition, (c) SUS 304 + lubricant, particle condition.

Fig. 6. Frequency spectrum result of (a) bare condition, (b) lubricant condition.

되고, 마찰상태에서발생하는 AE 신호는접촉면사이 의마모입자량에비례한다고판단할수있다.

4) SUS 304 시편을사용한경우에비해 glass 시편을 사용한 경우 마찰계수, 마모율, amplitude가 높게 측정되 었다. 이는 마찰시험 결과 SUS 304시편에 비해 마모율 이 높은 glass 시편에서 다량의 마모 입자가 발생하였고, 접촉면 사이에서 마모 입자의 상대운동으로 인해 높은

amplitude가 발생한것으로 판단된다.

5) 건식조건과윤활조건의 FFT 분석결과 80 kHz, 140~210 kHz 사이주파수대역에서차이를나타내었다. 이는마찰에의해발생한마모입자의영향으로발생한 것으로판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 2019년도 한국연구재단의 ‘재도약연구’의 지원을 받아 연구되었음. No.2019R1H1A2039657

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