나사 체결 기술의 그 트러블은 어떤 것들이 있을까?
1 나사 체결 기술의 과제
나사는 자동차, 건설기계, 산업차량, 철도, 일반기계, 전기・전자기계, 유압기계, 항공기, 플랜트장치 등 많은 공업제품에 사용되며, 중요한 역할을 맡고 있습니다. 나사는 기원전6-4세기에는 양수(揚水)기술과 염색기술에 나선의 기능이 활용되어, 나사 원리가 최초로 알려졌습니다.
이와 같이 나사는 2천년이상의 긴 역사를 가지고 기계 요소로 활용 되었을 뿐만 아니라 하기 신문 기사등에서도 볼수 있듯이 현재에도 체결불량 풀림 강도부족등의 트러블이 끊이질 않습니다.
하기 내용은 볼트 너트에 관한 사고를 정리한 내용입니다. 단 하나의 나사의 트러블이 이러한 사고로 이어져 인명 피해까지 속출하는 경우는 앞으로도 있어선 안됩니다. 트러블에 대한 종류와 문제의식에 대하여 각별히 주의를 해야될 부분입니다.
① 터널천장붕락사고(1) 아사히 신문 2012년12월3일 (그림 설명 생략)
사고원인 : 천장을 고정하는 볼트 탈락 / 9명의 인명 피해발생
② 롤러코스터 샤프트용 볼트의 피로파괴(2) 아사히 신문 2007년5월6일
사고원인 : 대차 샤프트 고정용 축 볼트 파손 / 24명의 인명 피해발생
③ 나와공항에서 항공기 화상사고(3) 일본경제신문 2007년9월3일
사고원인 : 연료 탱크 주변 볼트탈락으로 연료탱크 외벽파손 / 항공기 파손
④ 탱크바닦의 나사 풀림 (후쿠시마 제1원자력)(4) 아사히 신문 2013년9월21일
사고원인 : 지진으로 인한 충격 및 파손 플랜지 체결너트 / 누설
⑤ 팬터그래프 볼트 체결미스(5) 아사히 신문 2010년2월2일
사고원인: 체결미스 / 신칸선 63대 지연
롤러 코스터 사고로는 나사부의 피로 파괴가 원인으로 탈선해서 소중한 목숨을 잃었습니다.
팬터그래프의 볼트 체결 미스로 운송이 반나절 이상 늦어졌습니다. 원인은 기술적 문제든, 관리 보수적 문제든 나사의 트러블은 제품뿐만 아니라 많은 사람들이 손해를 봅니다.
볼트 하나의 가격은 불과 어느정도 안되지만 경우에 따라선 목숨까지 위태롭게 만들 수도 있습니다.
어느 선배가 이전부터 말했는데
「기껏 해봐짜 나사잖아」
「왜 지금까지도 나사의 트러블이 발생하는거야? 」
「왜 지속적으로 주의를 기울여야 되는거야? 」
그건 나사가 그 형상으로 부터 본질적으로 강도상의 문제와 풀림의 문제를 가지고 있기 때문입니다.
기계등에 사용되는 나사 체결체의 적절한 체결 상태로는 일반적으로 충분한 체결력으로 체결한 상태로 가동중에 풀림 혹은 피로 파괴 등을 일어나는 것이 없다고 여겨지고 있습니다.
나사 사용자 측에서 본 나사 체결 과제는 표 1과 같이 정리할수 있습니다.
이 중에서 특히 나사 체결기술에 제휴한 기술자가 습득했으면 하는 기본 과제는 표2와 같이 생각할 수 있습니다.
하기 내용은 나사트러블의 주요원인을 정리했습니다.(6)
1977년의 일본 국내조사에 의하면 체결부족 43%, 풀림 20%, 피로파괴 12%, 지연파괴4% 등 나타내고 있습니다.
본 보고로는 나사/볼트풀림, 파손의 원인 및 그 방지법, 특히 적절한 체결방법등을 이하와 같이 해설합니다.
또한 그림1은 건설기계의 한 종류로 굴착기의 구조부품을 가르키는 것으로 각 부품의 조립 및 연결에는 다수 볼트가 사용되며, 경우에 따라서는 그 갯수가 2000개 이상이 됩니다. 볼트의 내구성 신뢰 및 풀림에 대한 신뢰성의 확보가 중요한 과제입니다.
표 1. 나사 체결체의 과제
| 과제 | 상세 내용 |
|---|---|
| 1.어떻게 해야 체결 신뢰성을 확보/유지 할수있을까 | (1) 높은 초기 축력이 필요함. 그 때문에 높은 축력을 얻기위해 소성역 체결방법등이 이미 실용화 됨. 그러나 대부분은 편차가 큰 토크법이 활용적임. 토크법으로는 체결 신뢰성의 확보가 필요함. (2) 게다가 체결과정에서 나사부와 볼트 머리 밑부분의 Necking파손등을 유발함. (3) 회전각 법,토크 구배 법등의 소성역체결법에 따른 체결신뢰성 확보도 유효함. |
| 2.어떻게 해야 파손을 방지할까 (피로파괴.지연 파괴등) | (1) 항상 고응력으로 사용됨. 반복하중을 받는구간. (2) 목 밑부분, 나사부등에 높은 응력집중이 있음. (3) 이 때문에 피로파괴.지연파괴등을 유발함. (4) 설계.시험 기준에 필수 나사체결체에 더한 부하의 측정・해석법의 확립이 필요. (5) 나사 체결체의 피로수명측정법(피로한계설계, 유한수명설계)등의 확립이 필요. |
3. 어떻게 해야 풀림을 방지 할수있을까 | (1) 축력, 굴림 모멘트 및 비틀림 토크등이 가해짐. (2) 나선 형상 및 함몰의 진행에 따라 본질적으로 풀림을 유발하기 쉽다. (3) 풀림 실험의 확립과 풀림방지책의 확립. (4) 실제 기계에 따른 각종 풀림방지의 풀림 수명측정법. 잔류축력예측법의 확립이 필요. |
4. 그 밖에 | (1) 많은 종류가 있음. (보통나사/가는나사 강도구분, 표면처리등) (2) 제품 1대에 다수사용됨. (3) 오랫동안 안전하게 사용하기위해서는 적절한 보수 처리가 필요. |
표 2. 나사 트러블의 주요원인
| 기본 사항 | 상세 항목 |
|---|---|
| 1. 나사기술의 역사와 과제 | ① 나사의 기술역사, 나사의 트러블, 나사기술의 과제 | 2. 나사의 규격 | ① 규정의 변환 ② 기본규격, 관련규격 | 3. 나사부품의 종류와 사용방법 | ① 나사부품의 종류와 재료 ② 나사의 제조 | 4. 나사부품의 기계적성질 | ① 기계적 성질, 열처리 ② 표면처리 | 5. 나사의 파손 | ① 정적강도 ② 전단파괴, 지연파괴 | 6. 외력과 내력과의 관계 | ① 체결선도 ② 내력계수 ③ 착력점위치의 영향 | 7. 피로파괴 | ① 나사의 피로강도 ② S-N선도와 피로한도 ③ 마이너 측 | 8. 나사의 체결 기본 | ① 나사의 역학 ② 토크법 ③ 체결공구 | 9. 특수 나사의 체결 | ① 스텐레스 플라스틱 ② 텝핑나사의 체결 | 10. 소성 체결 | ① 소성역 체결법의 안전성 ② 회전각법 ③ 토크근배법 | 11. 나사의 풀림과 방지법 | ① 풀림의 메커니즘 ② 풀림방지 방법과 부품 ③ 풀림 시험기 | 12. 나사 체결체 설계 | ①설계지침 ② 피로한도설계 ③ 유한수명 설계 ④ 설계사례 |
그림 1. 굴삭기의 주요 구성 부품
2 나사체결체의 체결신뢰성의 향상(7)(8)
체결 토크T 와 축력P 의 관계는 일반적으로 삼각나사로 식 (4)와 같이 나타냅니다.
T = (K1 + K2 + K3)Pd = KPd ･･･････ (4)
P : 축력, T : 체결 토크, d : 유효경, d2 : 나사 유효경, dw : 등가좌면직경, μs : 나사산 마찰계수, μw : 좌면 마찰계수,
α : 나사산 반각, β : 나사 리드각, K1 : 나사산 간의 토크계수, K2 : 축력토크계수, K3 : 좌면 토크계수, K : 토크계수
토크계수 K는 마찰계수에 따라 크게 편차가 생기고, 평균적으로 대략 0.2 정도입니다.
또한 K1 : K2 : K3＝4 : 1 : 5 정도이다. 즉 토크 법에서는 체결 토크의 대부분이 나사산과 좌면의 마찰에 소비하고, 10%정도밖에 축력 발생에 기여하지 않습니다. 이러한 이유가 토크법이 정밀도가 안나오는 점입니다.
그러나 아직까지도 생산현장 등에는 공구등이 간편한 토크법에 의존할수 밖에 없는 현실입니다.
표 3는 마찰계수의 측정예입니다(9). 윤활 상태에 따라 마찰계수는 크게 변동합니다.
체결토크 기준등을 작성할 경우 볼트의 강도구분 별 윤활조건 별로 각각 규정이 필요합니다.
표 3. 각종 윤활 상태에 따른 마찰계수
체결 신뢰성의 향상을 위해서 얼마나 높은 체결력을 발생시켜 그 축력을 유지하는지가 과제입니다. 체결 신뢰성을 향싱시키는 방법으로 회전각 법과 토크 균배 법등이 실용화 되어 중요 볼트 체결에 사용됩니다. 그러나 공구가 고가이며 현장에서 채용이 되기 어려운 점이 있습니다. 이 문제로부터 아직까지도 많은 체결작업에서 토크법으로 채용됩니다. 토크법은 축격 대신에 체결 토크를 지표로 체결을 행하는 방법입니다.
전술과 같이, 볼트 체결시 체결토크는 축력을 발생하는 데도 10%정도 밖에 기여하지 않기 때문에 오차가 큰 체결 방법입니다. 그림 2은 토크법의 기초도입니다. 가로축은 체결토크, 세로축은 축력을 나타내며 작업자는 목표 체결토크 Tmean 을 목표로 체결을 행합니다. 그런데 체결공구의 관리 상태와 작업자의 작업자세 등에서 실제 토크는 편차를 가집니다. 볼트 너트의 나사면 및 좌면의 마찰계수, 그 윤활상태 표면 정밀도 상태등에서 편차가 생깁니다. 그 결과 어느 한쌍의 나사 체결에서는 그림 점선과 원으로 가르키는 위치에 축력을 얻을수 있지만, 공장등에서는 몇 백, 천개 이상의 다수의 나사 체결 작업에 얻은 초기 축력은 나사부 좌면에서 마찰계수의 차이 및 공구등의 관리 상태에 따라 그래프 상에 마름모 꼴 범위의 편차가 나타나게 됩니다. 그러나 다수의 체결에 있어서 체결토크와 마찰계수등의 나사 체결의 여러 계수의 편차를 독립한 확립 변수로서 취급함에 따라 장래 마름모꼴의 편차가 그림 상에 나타낸듯이 타원형으로 취급된다는 것을 알았습니다. 이에 따라 체결 토크의 표준치와 얻은 축력을 10% 늘릴수 있는 것을 알게되었습니다. 또한 이러한 편차 범위도 장래의 마름모꼴 범위에 대하여 조금더 작게 평가 할 수 있습니다.
그림 2. 종래의 토크법 사고방식과 신뢰 한계 타원형
참고문헌
(1) Nine people killed in tunnel collapse, Asahi Shimbun, December 3, 2012.
(2) The Death of a Coaster Riding Woman, Asahi Shimbun, May 6, 2073.
(3) Nihon Keizai Shimbun, September 3, 2007.
(4) Unscrew the bottom of the tank, Asahi Shimbun, September 21, 2013.
(5) The Shinkansen accident was a maintenance error, Asahi Shimbun, February 2, 2010.
(6) Ohashi Bridge, Screw Conclusion Guidebook (Conclusion Edition), Journal of the Japan Screw Research Association, Vol.23, No. 1 (1992), pp. 3.
(7) Improving the reliability of screw fastening by Haruyama, Manabe, and Reliability Limit Elliptical Method (first part) (second part), Journal of the Japan Screw Research Association, Vol. 45, No. 11, No. 12 (2015).
(8) Hareyama, S., Manabe, K., Kobayashi, S., Improvement of Tightening Reliability of Bolted Joints Using Elliptical Confidence Limit in Calibrated Wrench Method, SAE Technical Paper 2020-01-0218.
(9) p.195 of the previously mentioned (11)．