Component and Bench Tests of Polyurethane Hydraulic Reciprocating Seal for Accelerated Life Testing

부품 및 벤치 실험을 통한 폴리우레탄 유압 왕복 실의 가속 실험

Abstract

Hydraulic reciprocating seals have been widely used to prevent fluid leakage and to provide lubricant film on counter surface in various hydraulic system. The degradation of the seal may cause the catastrophic failure of the hydraulic system. To assess the durability of the seals and the compatibility with counter surface, accelerated life testing (ALT) has been typically employed from industry. However, ALT often takes up to a few months to cause a failure of the seals, and therefore, there is a need to develop more efficient ALT methods. In this work, the degradation characteristics of polyurethane (PU) seals from field test are investigated and they are compared to those from the component and bench tests, with an aim to contribute to the development of ALT method. From the comparison of the cross-sectional profiles of the sealing surface of the PU specimens before and after the tests, both wear and compression set are found to be responsible for degradation of the PU seals. It is also shown that the major wear mechanisms of the PU seals from the field is abrasive wear and formation of pits. The component and bench tests performed in this work are shown to reproduce such wear mechanisms, and therefore, those test methods can be used as an ALT method for PU seals. In particular, the bench test proposed in this work may be effectively utilized to assess the durability and the compatibility of the seals with the counter surface. The results of this work are expected to aid in the design of ALT for PU seal.

1. 서 론

기계 산업 전반에서 사용되는 유압시스템(hydraulic system)에서 기밀을 유지하는데 중요한 역할을 하는 기계 요소 중 하나는 유압 실(hydraulic seal)이다. 특히, 상대운동이 발생하는 유압 시스템의 경우, 유압 실은 기밀유지와 함께, 실린더, 또는 피스톤과 같은 기계요소의 표면에 적절한 윤활유를 공급하는 역할도 함께 수행해야 한다[1]. 이와 같은 기능을 효과적으로 구현하기 위해 현재 다양한 기하학적 형상을 가지는 유압 실이 사용되고 있다. 일반적으로 유압 실의 가격은 상대적으로 낮음에도 불구하고, 실의 파손(failure)은 유압 시스템 전체의 성능 저하, 나아가 작동 불능을 유발할 수 있으므로, 이들의 성능을 평가하고 향상시키기 위한 다양한 연구들이 이루어져 오고 있다[2-4].

Fig. 1은 유압 시스템의 개략도로서, 실제 유압 실에서는 기밀유지 및 성능 향상을 위하여 다양한 실이 사용되고 있다. 유압 실의 재료로는 상대 기계부품과의 정합 접촉(conformal contact)을 유지하기 위하여 고무, polytetrafluoroethylene(PTFE), polyurethane(PU) 등과 같은 다양한 폴리머 소재가 많이 사용되고 있으며[1], 이들은 낮은 기계적 강도로 인하여 파손되기 쉽다. 유압 실의 파손 기구는 압축에 의하여 소성변형이 유발되는 압축 셋(compression set)을 비롯하여, 팽창(swelling), 열화(thermal deterioration) 등으로 제시되고 있으며, 특히, 마멸에 의한 성능 감소 및 파손도 함께 보고되고 있다[5-7]. 이러한 관점에서, 기밀을 효과적으로 유지할 뿐만 아니라 원활한 유압 시스템의 작동을 위해서는 실의 tribological 특성을 이해하는 것이 요구된다.

Fig. 1.Schematic of hydraulic system.

유압 실의 내구성 또는 상대재료와의 호환성 등을 보다 적은 비용과 시간으로 평가하기 위하여 실제 현장에서는 가속 실험이 많이 이루어지고 있다[8, 9]. 가속 실험에서는 가속에 영향을 미치는 주된 실험 인자를 파악하고, 이를 증가, 또는 감소시킴으로써 가속효과를 얻는 것이 일반적이며, 이 때, 실제 발생하는 파손 현상에 대한 이해를 바탕으로 적절한 실험 방법이 선택되어야 한다. 특히, 마멸 가속실험의 경우, 실제 발생하는 마멸 기구(wear mechanism)를 파악하고 이를 효과적으로 재현하면서 가속시키기 위한 실험 방법이 적용되어야 한다. 예를 들어, 연삭마멸(abrasive wear)가 주된 마멸 기구라면, 이를 가속시키기 위하여 입자를 주입시키는 실험 방법 등을 적용할 수 있을 것이다[10, 11]. 현재 이루어지고 있는 유압 실의 가속 실험은, 많은 경우 수개월의 기간 및 그에 따른 비용이 소모되고 있는 실정이며, 가속 실험의 효율을 높이기 위해서는, 각 가속 인자의 영향을 체계적으로 파악하는 것과 더불어, 효과적인 가속 실험 방법을 개발하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 먼저 산업 현장(field)에서 채취한 유압 실을 관찰함으로써, 실제 작동 조건 및 환경에서 발생하는 파손 및 마멸 현상을 이해하고자 하였다. 또한, 유압을 가하며 실 부품을 평가하는 부품 실험(component test)과 기계적 하중을 가하며 유압 실 재료를 평가하는 벤치 실험(bench test)을 수행하였으며, 이 때 발생한 마멸 및 파손 특성을 산업 현장에서 발생한 결과와 비교 분석함으로써, 각 가속 실험 방법의 타당성을 파악하고자 하였다. 이를 통하여 궁극적으로는 보다 효과적인 유압 실의 가속 실험 방법 개발에 기여하고자 하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

2-1. 실험 시편

본 연구에서는 상대적으로 높은 기계적 강도 및 내마멸성으로 인하여 실 재료로서 많이 사용되고 있는 PU 링을 이용하였다. Fig. 2(a)와 (b)는 본 연구에 사용된 PU 시편들의 사진을 나타낸다. 벤치 실험을 위해서는, Fig. 2(b)에 제시된 바와 같이, Fig. 2(a)에 제시된 PU 링을 20개로 절단하여 이용하였다. 실린더와 접촉하는 PU 시편의 접촉면(sealing surface)은 Fig. 2(a)와 (b)에 제시한 바와 같다. Fig. 2(c)는 PU 시편 접촉면의 공초점 현미경(confocal microscopy) 이미지를 나타내며, 제작과정에서 발생하는 것으로 여겨지는 가로방향 표면 형상을 관찰할 수 있다. 실험에 사용된 PU의 탄성계수 및 경도는 각각 12 MPa과 94(Durometer A) 였으며, 접촉면의 표면 거칠기는 2.4 μm로 나타났다.

Fig. 2.Photographs of (a) polyurethane ring and (b) specimen, and (c) confocal microscopy image of sealing surface.

PU 시편과 상대운동을 하는 재료는 일반적으로 유압 실린더 소재로 많이 사용되는 크롬 도금 스테인리스 스틸을 이용하였다. 부품단위 실험에서는 실린더 형상의 시편을 이용하였으며, 벤치 실험을 위해서는 실린더를 Fig. 3과 같은 크기로 절단하여 사용하였다. 실린더의 경도는 약 680 HV, 평균 표면거칠기는 약 1.1 ìm로 측정되었다. 스테인리스 스틸과 PU의 기계적 특성을 고려할 때, 실린더의 마멸 또는 표면 파손은 미비할 것으로 예상되었으며, 윤활유에 의하여 재료전이가 억제될 것으로 기대되었으므로[12], 본 연구에서는 실린더의 마멸 및 파손은 고려되지 않았다. 실험에 사용된 윤활유는 실제 유압 시스템에서 주로 사용되는 ISO VG 46 윤활유를 이용하였다.

Fig. 3.Schematic of chrome electroplated stainless steel specimen used for the bench test.

2-2. 실험 방법

본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이, 부품 실험 및 벤치 실험을 수행하였으며, 각 실험에서 발생한 PU 시편과 산업 현장에서 채취한 PU 시편의 마멸 및 파손결과를 비교 분석하였다. 실험 전후 PU 시편의 접촉면을 공초점 현미경를 이용하여 관찰함으로써, 마멸 및 파손 특성을 이해하고자 하였으며, 실험 전후의 시편 접촉면의 평균 단면 프로파일을 비교함으로써, 마멸 및 파손 정도를 정량적으로 분석하였다[13]. 산업 현장에서 채취된 시편 및 부품 실험 후의 시편은 공초점 현미경 분석을 위해 절단하여 이용하였다. 부품 실험 및 벤치 실험 방법은 다음과 같다.

2-2-1. 부품 단위 실험

부품 단위 실험은 상용화된 유압 실 전용장치를 이용하였다. Fig. 4(a)는 실험장치의 개략도를 나타내며, 본 실험에서는 최대 약 20 MPa의 유압을 가하였으며, 최대 이송 속도는 약 200 mm/s로 설정하였다. 공급되는 유압의 온도는 110 ℃ 였으며, 1회 왕복운동시의 미끄럼거리는 400mm였으며, 총 미끄럼 거리 약 340 km 후에 시편의 파손을 관찰하였으며, 실험시편 장착 및 조건 설정 등 준비 후에 실제 왕복운동 실험에 소요된 시간은 약 940 시간이었다.

Fig. 4.Schematics of (a) component tester and (b) pin-on- plate reciprocating tribo-tester.

2-2-2. 벤치 실험

벤치 실험을 위해서는 Fig. 4(b)에 제시된 바와 같이 pin-on-plate reciprocating tribo-tester를 이용하였다. PU 시편을 고정하기 위한 홀더를 제작하여 사용하였으며, 왕복운동을 구현하기 위해 AC모터와 slidercrank mechanism을 이용하였다. 수직하중은 자중(dead weight)을 통하여 가해지며 250 N으로 설정하였다. 이 때 PU 시편의 접촉면에 작용하는 압력은 약 14 MPa로서, 부품단위 실험에서 작용하는 평균압력과 비슷한 수준으로 유지하였다. 이송속도는 실제 작동이 최대 수백 mm/s임으로 고려하여, 최대 속도 540 mm/s에서 왕복운동이 발생하도록 하였으며, 1회 왕복 운동의 미끄럼 거리는 약 320 mm 였다. 공급되는 유압의 온도는 부품단위 실험과 비슷한 수준인 100 ℃로 설정되었다. 약 270 km의 미끄럼 거리 후 시편의 파손을 관찰하였으며, 실험 시편 장착 및 조건 설정 등 준비 후, 실제 왕복운동 실험 소요 시간은 약 230 시간이었다.

 

3. 결과 및 고찰

Fig. 5는 산업 현장에서 채취한 PU 시편의 접촉면을 나타내는 공초점 현미경 이미지이다. Fig. 5(a)에 제시된 바와 같이, 연삭마멸에 의하여 미세한 스크래치(scratch)가 발생하였음을 알 수 있을 뿐만 아니라, Fig. 5(b)에 나타낸 바와 같이 미세한 피팅(pitting)이 형성된 것을 알 수 있는데, 이는 응착마멸(adhesive wear)에 의한 것으로 여겨진다. 이와 같은 PU 시편의 마멸 특성은 기존의 연구를 통하여 제시된 PU의 마멸 기구와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다[14, 15]. 이와 같이 두 가지 이상의 마멸 기구가 복합적으로 발생하는 것은 많은 기계 요소의 마멸에서 많이 관찰되는 현상으로써, 낮은 표면 경도를 가지는 PU 에서 스테인리스 스틸 표면 요철(asperity), 또는 침투 입자[16] 등에 의하여 연삭마멸이 발생하는 것으로 여겨지며, 접촉면에 작용하는 압력 및 온도 상승 등에 의하여 응착이 발생함에 따라, 국부적인 피팅이 발생하는 것으로 유추할 수 있다. 그러나 Fig. 5에 나타난 표면 형상을 실험전의 형상(Fig. 2(c))과 비교할 때, 가공시 발생한 것으로 여겨지는 가로방향의 패턴이 비교적 잘 남아있는 것으로부터 마멸은 심하게 진행되지 않았음을 알 수 있다.

Fig. 5.Confocal microscopy images of the polyurethane specimen obtained from the field. (a) shows the ign of abrasive wear and (b) shows the pits formed on the sealing surface.

Fig. 6은 부품 실험후 발생한 PU 시편 접촉면의 마멸 특성을 나타내는 공초점 현미경 이미지들을 나타낸다. Fig. 6(a)에 제시된 바와 같이, 폭이 상대적으로 작은 스크래치가, 산업 현장 시편에 비하여 보다 많이 발생하였음을 알 수 있다. 또한, Fig. 6(a)의 결과로부터, 피팅도 함께 발생한 것을 함께 알 수 있다. Fig. 6(b)에 제시된 결과는, Fig. 6(a)에 나타난 스크래치에 비하여 상대적으로 완만한 형상의 그루브(grooves)가 형성되었음을 알 수 있는대, 이로부터 표면의 소성변형이 발생한 것을 추정할 수 있다. Fig. 6에 제시된 결과로부터, 산업 현장에서 얻은 결과에 비하여 PU 시편의 마멸이 상대적으로 많이 진행되었음을 알 수 있으며, 이는 압력, 온도, 이송 속도 등이 지속적으로 변하는 산업 현장에서의 실제 작동 조건과는 달리, 부품 실험의 경우 상대적으로 높은 압력과 온도가 지속적으로 작용하기 때문으로 생각된다.

Fig. 6.Confocal microscopy images of the polyurethane specimen after the component test. (a) and (b) show the sign of abrasive wear and the pits formed on the sealing surface.

Fig. 7은 벤치 실험으로부터 발생한 PU 시편의 접촉면 마멸을 나타낸다. 앞선 두 실험 방법에서와 마찬가지로, 미세한 스크래치와 국부적인 피팅을 관찰할 수 있으며, 특히, 벤치 실험의 경우, 상대적으로 크게 형성된 스크래치도 관찰할 수 있다. 이와 같은 실험 결과에서, 각 실험 결과 발생한 PU 시편의 전체적인 마멸 기구는 산업 현장에서 발생한 마멸 기구와 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있으며, 이로부터 두 가속 실험이 실제의 마멸 현상을 잘 재현하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 7.Confocal microscopy images of the polyurethane specimen after the bench test. (a) and (b) show the sign of abrasive wear and the pits formed on the sealing surface.

유압 실의 기밀 및 윤활 성능, 누유 여부는 접촉면의 높이 감소와 밀접한 관계를 가지고 있음을 고려하여, 본 연구에서는 공초점 현미경 데이터로부터 PU 시편 접촉면의 높이를 측정하여 비교하였다. 산업 현장 및 각 실험 후 얻은 PU 시편 접촉면의 평균 프로파일들은, 실험 전 시편과 비교하여 Fig. 8에 제시하였다. 산업 현장에서 얻은 시편의 평균 높이 감소는 약 60 μm로 나타났으며, 시편의 한쪽에서 특히 높이 감소가 큰 것을 알 수 있다. 산업 현장에서 얻은 시편의 마멸이 많이 진행되지 않았다는 결과(Fig. 5)를 고려할 때, 이러한 형상의 변형은 압축 셋에 의하여 주로 발생한 것으로 유추할 수 있다. 부품 실험과 벤치 실험을 통해 발생한 시편의 높이 감소는 각각 500 μm 및 420 μm로 나타났는데, 두 경우 모두 Fig. 8에 제시된 바와 같이 접촉부의 폭이 증가한 것으로부터, 압축 셋이 발생한 것을 알 수 있으며, 이는 특히, 부품 실험 결과에서 단면의 형상이 크게 변한 것으로부터 확인할 수 있다. 즉, 부품 실험 및 벤치 실험에서 상대적으로 높은 온도와 압력이 지속적으로 가해짐에 따라 마멸과 압축 셋이 모두 가속되는 것을 알 수 있으며, 이는 연구 결과와 잘 일치한다[13].

Fig. 8.Cross-sectional profiles of the sealing surface of the polyurethane specimens before and after the tests. Arrow indicates the increase in the width of sealing surface due to the compression set.

Fig. 8에 제시된 결과로부터, 부품 실험 및 벤치 실험에서 발생한 PU 시편 접촉면의 높이 감소율은 각각 1.5 μm/km 및 1.6 μm/km로 계산되었다. 부품 실험과 벤치 실험이 비슷한 높이 감소율을 나타내고 있으나, 벤치 실험의 경우 비슷한 실험효과를 얻는 동시에 실험에 소요된 시간을 약 0.25배로 단축시킬 수 있는 것을 알 수 있는데, 이는 벤치 실험의 경우 상대적으로 최대속도가 더 큰 것과 더불어, 1회 왕복시의 미끄럼 거리가 상대적으로 더 작으므로, 결과적으로 표면간 상호작용이 더 많이 발생하는 저속에서의 미끄럼 거리가 더 크기 때문으로 생각된다. 두 실험에서의 최대 이송 속도의 차이, 총 미끄럼 거리의 차이는 각 실험에서의 마멸 기구, 마멸의 진전의 차이를 유발할 수 있을 것이다. 그러나, 본 연구에서의 실험 조건하에서 발생하는 마멸 기구는 유사한 것으로 나타났으며, 이는 본 연구에서 사용된 실험조건에서는 폴리우레탄 유압 실과 스테인리스 스틸간 마멸 기구에는 큰 차이가 없다는 것을 의미할 것이다. 결론적으로 본 연구에서 수행된 부품 실험 및 벤치 실험을 통하여 산업 현장에서 발생하는 PU 유압 실의 마멸 기구를 잘 재현 할 수 있는 것으로 여겨지며, 특히 보다 많은 시간이 소요되는 부품 실험 이전에, 본 연구에서 제시하는 벤치실험을 통하여 유압 실의 내구성 및 상대재료와의 호환성을 효과적으로 미리 검증해 볼 수 있을 것으로 기대된다.

 

4. 결 론

본 연구는 산업 현장에서 발생하는 PU 유압 실의 마멸 및 파손 특성을 이해하고, 이를 가속시키기 위한 적절한 가속 실험 방법을 개발하기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 실제 산업 현장에서 PU 시편을 채취하여 분석하였으며, 부품 및 벤치 실험을 수행하여, 각 시편의 접촉면 마멸 기구를 서로 비교하였다. 부품 및 벤치 실험 결과 발생한 PU 시편의 근본적인 마멸 기구는 산업 현장에서 발생한 마멸 기구와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 정성적 비교 결과로부터 PU 시편의 마멸 기구는 연삭마멸 및 응착마멸로 인한 피팅 발생으로 유추할 수 있었으며, 마멸과 동시에 압축 셋이 발생하는 것을 알 수 있었다.

PU 시편 접촉면의 높이 감소는 그 성능에 크게 영향을 미칠 것으로 사료됨에 따라, 접촉면의 높이 감소를 통하여 그 정도를 비교하였으며, 부품 실험과 벤치 실험의 경우 유사한 높이 감소율을 나타났다. 그러나, 실험에 소요된 시간을 고려할 때, 벤치 실험을 통하여 보다 적은 시간과 비용으로, 유압 실의 내구성 및 상대재료와의 호환성을 미리 검증해 볼 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 실험적 접근은 상호보완적으로 이루어져야 될 것으로 생각되며, 궁극적으로 유압 실의 가속 실험 방법 개발 및 디자인에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에서는 산업 현장 및 각 실험 방법에서 유발된 마멸 기구를 정성적으로 주로 비교하였으므로, 향후 정량적인 가속효과를 보다 명확하게 도출하기 위한 연구가 요구될 것이다.