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

마모 입자가 음향방출신호에 미치는 영향에 관한 연구

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 maintenance 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 Emission (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

1. 서 론

맞닿아 움직이는 기계 부품의 표면에는 진동에 의해 국부적인 응력 집중이 발생하여 마모 또는 균열이 발생한다[1-3]. 기계 부품의 마모 또는 균열은 기계부품의 성능저하 또는 전체 시스템의 파손으로 이어질 수 있기 때문에 기계 시스템의 이상을 감지하여 대처하는 것은 매우 중요하다[4]. 기계 부품의 파손 시 축적된 변형에너지가 탄성파의 형태인 Acoustic Emission (AE) 신호로 방출되는데[5], 이를 계측하여 기계 부품의 파괴를 예측 및 판단 할 수 있다. 선행 연구 사례에서 AE 신호를 통해 풍력발전기, 발전소 설비 등과 같은 주변 노이즈가 심한 환경에서도 기계 부품에 발생하는 파괴를 검출 할 수 있음이 검증 되었다[6,7]. 또한, 기계 부품의 파괴를 검출하는 것 외에도 AE 신호를 분석하여 파괴가 발생한 위치를 예측 가능성이 검증 되었다[8]. 이와 같은 시스템의 이상을 검진하기 위해 다양한 형태로 나타나는 재료의 파괴 메커니즘과 AE 신호에 대한 폭넓은 이해가 필요하다. 하지만 주변 노이즈의 영향에 대해 민감하게 반응하는 AE 신호를 분석하는 기법은 확립되지 않았고 실험적인 방법을 통해 파손을 분석하고 있는 실정이다[9].

이와 관련하여 최근 발표된 논문에 의하면 접촉하여 상대 운동하는 기계부품에서 마모가 발생하였을 때[10]. 신호의 세기가 급격하게 증가하다 감소하는 경향의 AE 신호가 발생함을 확인할 수 있었다. 그리고 평평한 시편과 굴곡진 시편의 마찰시험 결과를 비교하였을 때, 굴곡진 표면에서 마찰 현상의 변화에 따라 발생하는 AE 신호의 주파수 대역의 변화를 관찰 할 수 있다[11]. 접촉면에 연삭이 발생 하는 경우 AE신호의 peak값이 0.25 MHz~1MHz 주파수 대역에 넓게 분포하는 특성을 나타내었고, 응착이 발생하는 경우 AE 신호의 peak값이 약 1.1 MHz에서 관찰되었다[10]. 또한 이러한 마모에 의하여 발생한 입자가 접촉면 사이에서 운동함에 따라 AE 신호의 세기가 증가하는 경향이 나타났다[5]. 접촉면에 인위로 마이크로 입자를 투입하여 마모 입자의 운동에 의한 AE 신호 특성을 분석한 결과 마모 입자의 운동에 의해 약 300 kHz 주파수 대역에서 AE 신호의 Peak값이 발생하였다[12]. 한편, 반복 운동으로 인한 재료에 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 접촉면 사이에서 발생한 마모 입자가 마찰 현상과 AE 신호에 미치는 영향을 파악하기 위해 마찰시험을 진행하였다. 마찰시험 중에는 AE 센서를 시편에 부착하여 AE 신호를 확보하였고 이를 마찰시험 결과와 비교하였다. 또한 AE 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 시간 도메인, 주파수도메인에서 분석하였다. 실험 후에는 마모 입자가 마모에 미치는 영향을 파악하기 위해 3D 공초점 레이저 현미경을 활용해 마모 형상을 확보하였다. 이를 통해 마찰 현상에 있어 마모 입자가 마찰, 마모 특성과 AE 신호에 미치는 영향을 파악하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

 

2-1. 시편 준비

본 연구에서는 마모 입자 발생이 마찰계수, AE 신호에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig. 1에 나타낸 Pin-on-plate 방식의 마찰시험을 진행하였다. 50 × 50 mm 크기의 SUS 304와 micro slide glass를 준비하였고, 상대면으로는 5mm의 직경의 SUJ2 ball을 사용하였다. 그리고, 마모 입자를 모사하기 위하여 0.6 µm 크기의 siliconcarbide 마이크로 입자를 시편에 도포하여 사용하였다. 마지막으로 윤활제는 40o C에서 68 cSt의 점도 특성을 나타내는 polyvinylether를 사용하였다.

 

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

 

2-2. 마찰시험

마찰시험은 건식조건, 윤활조건, 마이크로 입자를 시편에 도포한 건식 및 윤활 조건에서 진행하였다. 윤활조건은 마찰시험에서 발생하는 마모 입자를 윤활제의 영향으로 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 마찰시험을 진행하였다. 마이크로 입자를 사용한 건식조건에서는 마이크로 입자 1mg을 시편에 고르게 분포하여 마찰시험을 진행하였고, 마이크로 입자를 사용한 윤활 조건에서는 1mg의 마이크로 입자와 윤활제를 1:1의 무게비율로 혼합하여 시편에 고르게 도포한 상태에서 실험을 진행하였다. 그리고 마찰시험 중 마모 입자가 마찰 계수, AE 신호에 미치는 영향을 명확히 파악하기 위해 SUS304의 건식조건 마찰시험 결과에 비해 다수의 마모 입자가 발생할 수 있는 glass 시편을 사용하여 마찰시험을 진행하였다. 마찰시험은 Fig. 1과 같은 매크로 스케일의 Pin-on-plate 방식의 마찰테스터기를 사용하였고, 각 조건에 대해 최소 3번 이상의 반복 시험을 통해 실험 결과의 경향성을 검증하였다. 마찰시험의 조건은 Table 1에 나타내었다.

 

Table 1. Tribotest condition

 

2-3. Acoustic Emission system

마찰시험 중 AE 신호의 계측은 신호의 시간 도메인변수 외에도 주파수 도메인 변수를 관찰하기 위해 band width 타입의 AE 센서를 사용하였다. 또한, 선행 연구자료를 바탕으로 마모 입자의 발생으로 인해 발생하는 AE 신호의 주파수 대역이 300 kHz 임을 확인하였으며 실험에 사용한 AE 센서는 0.1-1 MHz의 주파수 대역에서 감도 특성이 우수한 WSα모델을 사용하였다. AE 센서에서 계측된 신호는 pre-amplifier에서 신호를 40 dB로 증폭하여 A/D 컨버터로 전달하였다. A/D 컨버터(Physical Acoustic, PAC 社)는 샘플링 주파수가 10 MHz까지 계측 가능 PCI-2 보드를 사용하여 AE 신호를 계측하였다. 마찰시험을 진행하기 전에, ASTM의 규격에 따라 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 주파수 대역에서 Peak값이 발생함을 확인하였다. 또한, background noise 측정결과, 최대 24 dB의 신호가 계측됨을 확인하여 background noise 신호 세기의 약 1.5배인 35 dB의 threshold를 설정하여 마찰시험을 진행하였다. 마찰시험 후 계측된 AE 신호 데이터는 시간 도메인변수인 amplitude의 최대값과 평균값의 경향성을 분석하였고, FFT를 통한 주파수 도메인에서의 신호의 변화를 관찰하였다.

 

Fig. 2. Frequency spectrum of background noise.

 

3. 결과 및 고찰

 

3-1. 마찰시험 결과

SUS 304 시편의 건식조건, 윤활 조건, 마이크로 입자를 시편에 도포한 조건, 마이크로 입자와 윤활제를 혼합하여 시편에 도포한 조건에 대한 마찰시험 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 마찰시험 결과, 건식 조건에서의 마찰계수는 Fig. 3(a)에서 볼 수 있듯이 0.41로 가장 높게 나타났고, amplitude는 최대 87 dB까지 계측 되었으며 마찰시험 시작부터 약 25 cycle까지 감소하다 이후 서서히 증가하는 경향을 나타냈다. 시편에 윤활제를 도포한 조건에서는 AE 신호 계측이 불가능하여, 별도의 방음 부스를 설치한 뒤 background noise가 최대 19 dB이 측정되는 환경에서, threshold를 20dB로 설정하여 실험을 진행하였다. 윤활조건의 마찰시험 결과는 Fig. 3(b)에 나타내었다. 마찰계수가 0.12수준으로 건식 조건에 비해 약71%낮은 결과를 보였다. 윤활제를 사용한 마찰시험의 경우 amplitude는 최대 49 dB까지 계측 되었으며 평균적으로 건식 조건에 비하여 약 50% 낮은 측정값이 나타났다. 이는 윤활제가 마모로 인해 발생한 마모 입자를 마모트랙에서 제거함으로써 마모 입자간 상대 운동이 줄어들었기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 건식 조건에서 마이크로 입자를 시편에 도포한 실험에서는 Fig. 3(c)에서 볼 수 있듯이 마찰계수는 0.41, amplitude는 최대 87 dB, 평균적으로 39 dB의 결과를 나타내었다. 이는 건식조건과 매우 유사한 결과로 시편과 ball의 상대운동으로 인해 도포하였던 마이크로 입자가 마모 트랙에서 제거되면서 건식조건과 유사한 조건에서 마찰시험이 진행된 것으로 판단된다. Fig. 3(d)의 마이크로 입자와 윤활제를 혼합하여 시편에 도포한 조건에서의 마찰계수는 45 cycle까지 증가하다 큰 폭으로 감소하는 모습을 나타냈다. 이후 약 250 cycle까지 실험이 진행되었을 때 마찰계수는 0.27으로 윤활 조건 실험의 마찰 계수보다 2배 이상 높게 나타났다. AE signal의 amplitude는 실험 시작 시점부터 증가하다, 45 cycle 이후 39 dB수준으로 발생하였다.

 

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.

glass 시편에 대한 마찰 테스트 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 실험 결과, 마찰계수는 0.93으로 나타났고 amplitude는 평균적으로 48 dB에서 최대 92 dB까지 계측되었다. 이는 SUS 304 시편의 건식조건 실험 결과에 비해 평균 amplitude이 약 23% 높게 측정되었다. 그리고 glass시편을 사용한 경우 약 100 cycle 이후 amplitude가 크게 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 마찰시험 초기 SUS304 시편에 비해 취성이 강한 glass 시편이 빠르게 마모됨에 따라 마모 입자의 상대운동으로 높은 amplitude가 계측된 것으로 판단된다. 또한 약 100 cycle 이후 glass 시편의 마모가 진행됨에 따라 접촉면적 증가, 접촉압력의 감소로 인해 마모의 진행이 지연되고, 이로 인해 마찰 초기에 비해 적은량의 마모입자가 발생 및 상대 운동하면서 낮은 amplitude값이 계측된 것으로 판단된다.

 

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

 

3-2. 마모 측정 결과

마찰시험 이후 3D 공초점 레이저 현미경을 사용하여 각 실험 조건에 따른 마모율을 Fig. 5(a) 나타내었으며 Fig. 5(b), (c)에 윤활조건과 윤활제와 마이크로 입자를 혼합하여 시편에 도포한 조건의 마모 형상을 나타내었다. 마모율은 취성이 높은 Glass 시편에서 가장 높게 측정이 되었다. SUS 304시편의 마모율은 윤활제가 사용되지 않은 조건에서 높게 측정되었다. 또한, 윤활제를 사용하지 않은 조건에서 마이크로 입자를 시편에 도포한 경우, 마모율이 가장 높게 측정되었지만 윤활제를 사용한 조건에서 마이크로 입자를 시편에 도포한 경우 마모율이 가장 낮게 측정되었다. 이는 Kim. H. G. 외 5명이 수행한 연구 결과와 유사한 결과로, 윤활제와 마이크로 입자를 혼합하여 시편에 도포한 경우 상대 운동 시 마이크로입자가 구름 운동을 하면서 접촉면을 보호하는 효과를 나타낸 것으로 보인다[15].

 

Fig. 5. (a) Wear rate result and wear track profiles of (b) SUS 304 + lubricant condition, (c) SUS 304 + lubricant, particle condition.

 

3-3. 주파수 분석 결과

마찰시험 중 기록된 AE 신호를 FFT를 통해 주파수 스펙트럼을 얻었다. Fig. 6에 SUS 304 시편의 조건과 윤활 조건의 주파수 스펙트럼을 나타내었다. 윤활 조건의 마모 입자를 마모 트랙에서 제거한 실험 결과를 보면, 80~300 kHz, 450~600 kHz 주파수 대역에 peak 값이 분포된 모습이 나타났다. 또한 약 12 cycle 지점에서 0~70 kHz 주파수 대역에서 peak값이 발생하기 시작하였지만 전반적으로 일정한 신호가 발생하였다. 반면 건식 조건의 실험 결과에서는 30 cycle 이후 110~300 kHz에서 peak값이 발생하기 시작하는 모습을 볼 수 있다. 또한 80 kHz이하, 140~210 kHz의 주파수 영역에서 peak값이 발생하는 윤활 조건과의 차이를 확인 할 수 있다. 이러한 차이는 마모 트랙에서 마모 입자를 제거하기 위해 윤활제를 사용했음을 고려하였을 때, 마모 입자의 유무에 따라 나타나는 차이라고 판단할 수 있다.

 

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

 

4. 결론 및 고찰

본 연구에서는 마모 입자가 마찰과 AE 신호에 미치는 영향을 분석하기 위해 마찰시험을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) Pin-on-plate 마찰시험 결과, 접촉면 사이에 마모 입자가 있는 경우 마찰계수가 높게 측정되었다. 또한, 윤활제를 사용한 경우 마찰계수가 낮게 측정되었고, 마모율 이 낮게 측정되었다.

2)또한, 윤활제를 사용한 경우 AE 신호의 amplitude가 낮게 측정되는 경향을 확인 할 수 있었다. 이는 마모트랙에서 마모 입자를 제거하는 효과로 인해 나타난 결과로 판단된다.

3)반면, 윤활제와 마이크로 입자를 혼합하여 시편에 도포한 조건에서는 윤활제를 사용한 조건에 비해 낮은 마모율이 나타났지만, 높은 amplitude가 측정되었다. 이를 통해 마모율과 amplitude의 상관관계가 낮다고 판단되고, 마찰 상태에서 발생하는 AE 신호는 접촉면 사이의 마모 입자량에 비례한다고 판단할 수 있다.

4) SUS 304 시편을 사용한 경우에 비해 glass 시편을 사용한 경우 마찰계수, 마모율, amplitude가 높게 측정되었다. 이는 마찰시험 결과 SUS 304시편에 비해 마모율이 높은 glass 시편에서 다량의 마모 입자가 발생하였고, 접촉면 사이에서 마모 입자의 상대운동으로 인해 높은 amplitude가 발생한것으로 판단된다.

5) 건식 조건과 윤활 조건의 FFT 분석 결과 80 kHz, 140~210 kHz 사이 주파수 대역에서 차이를 나타내었다. 이는 마찰에 의해 발생한 마모 입자의 영향으로 발생한 것으로 판단된다.