4. 축의 응력증가 요소

Stress Raisers in Shafts

 

대부분의 축 손상은 응력 집중을 일으키는 어떤 조건에 주로 기인하는데, 국부적으로 응력 값은 만족할 만한 운전 수명에 일치하는 하중 사이클 수에 재료가 견딜 수 있는 값 이상으로 상승한다. 재료의 피로 강도를 초과하여 반복 응력을 받는 재료의 작은 면적에서 균열이 시작된다. 불규칙한 작은 표면처럼 사소한 결함에서 응력이 높으면 축의 피로 강도가 상당히 감소할 수도 있다. 비틀림 및 굽힘 피로에 가장 취약한 지역은 축 표면이 급격히 변화하는 곳으로 파손 유발은 응력방향에 대한 불연속 위치에 따라 달라진다.

대부분의 가장 단순한 축은 유공(Oil Hole)이나 Keyway를 갖거나 축직경이 변화하지 않는다. 유공의 위치 및 마무리 상태, 직경 변화 상태, 그리고 Keyway 모양과 형식은 응력집중과 피로 Notch 인자의 크기에 상당한 영향을 주는데, 그 값은 1.0에서 5.0의 범위 또는 10 이상의 값을 갖는다.

응력 증가 요소는 다음과 같이 분류된다 :

⑴ 단계별 직경 변화, 넓은 일체형 Collar, 구멍, 모서리, Keyway, 홈, 나사선, Spline, 압입 또는 수축 맞춤시의 부착물 등의 불균일한 축의 형태.

⑵ Seam, Nick, Notch, 가공 마크, 표식 마크, 단조 Lap, Pitting과 부식과 같은 제조 관행 또는 운전 손상으로 일어난 표면의 비연속성.

⑶ 다공, 수축, 조잡한 비금속 함유물, 균열, 기공 등의 내부의 비연속성.

대부분 축은 1차 응력 증가 요소(1항 참조)에 의해 시작되고 2차 응력 증가 요소(2, 3항)가 파괴를 유발한다. 그 예로, 축 직경의 변화는 천이 지역에서 응력 집중을 야기하고 이곳의 표면이 균일하지 않거나 또 다른 불연속이 존재하면, 비연속적인 주위의 응력은 급격히 증가된다.

 

4.1 軸 直徑의 變化 (Changes in Shaft Diameter)

4.2 壓入 및 收縮 組立 (Press and Shrink Fitting)

4.3 縱 方向의 홈 (Longitudinal Grooves)

4.4 生産 工程에 의한 故障 (Failures Due to Manufacturing Processes)

4.5 冶金學的 因子들의 影響 (Influence of Metallurgical Factors)

4.6 不連續 表面 (Surface Discontinuities)

4.7 破損된 軸의 調査 (Examination of Failed Shafts)

4.8 보일러 Fan의 터빈 축 破壞事例

 

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