단단한 그립력의 유지 비결

볼트는 우리의 일상 생활에서 많은 중요한 제품들을 체결하는 매우 중요한 부품입니다. 모든 유형의 날씨 조건, 극심한 마모조건, 때로는 부적절한 체결방법으로 설치가 되더라도 풀리지 않아야 할 정도로 견고해야 합니다. 현장에서는 항상 위와 같은 문제들에 직면하며, 항상 위의 문제들에 맞서 싸워야 합니다. 그렇기에, 가끔씩 볼트가 풀리거나 느슨해지는 경우가 있습니다. 시간의 흐름에 따라서 볼트-조인트의 이러한 작은 변화들이 모이면서 시스템 결함으로 변화하며, 결국엔 엄청난 비용을 초래하고 많은 시간을 소요하게 만들 뿐 아니라, 최악의 경우 위험한 사고를 초래할 수 있습니다.

수년 동안, 물리학자와 조인트 전문가들은 볼트-조인트의 이완 및 크리프에 대한 문제의 방지를 위한 해결책을 마련하기 위해 노력해 왔습니다. 최근에는 전문가들은 바람과 같은 자연현상에 의한 진동과 동하중으로 볼트가 풀릴 수 있는 중공업분야에서 볼트-조인트에 대한 사용을 조사하고 있습니다.

Thonnerieux는 만약 고객이 적절하고 안전한 볼트 솔루션의 설치가 이뤄지지 못해 발생한 ‘침하’ 또는 ‘이완’ 문제를 직면했다면 그 다음 과제는 ‘어떻게 문제를 해결할 것인가’ 라고 말합니다. "만약 고객이 볼트-조인트부에 접근할 수 있어, 문제점을 파악했다면 볼트을 다시 조일 수 있지만, 이는 시간이 많이 걸리는 과정이 될 것입니다. 수 많은 케이스에서, 아쉽게도 사용자들은 문제가 심각해질 때까지 볼트의 문제점을 파악하지 못합니다."

오스트리아 회사 ‘Mosdorfer’에서 22년 이상 전력산업의 가공 송전선 설비를 다루는 일을 해온 ’Wolfgang Troppauer’씨는 크리프와 체계적이지 못한 체결기술의 조합이 어떻게 아시아 지역의 송전설비 선로사고 위험성을 높였는지에 대한 직접적인 경험을 했습니다. 이는 300년 이상된 된 회사가 크리프 문제를 매우 심각하게 받아들이고 있는 이유 중 하나입니다.

“일반적으로 유럽지역에서는 작업자들의 훈련수준이 높으며, 송전선로의 부품 설치 시 케이블 카트를 사용하여 도체에 댐핑 시스템을 설치하므로 다른 나라에 비해 작업하기가 훨씬 수월합니다.” 다른 일부 나라에서 현장 설치 작업 시, 작업자가 선로위에 직접 올라가서 30~40M를 공중에서 작업해야 합니다. 만약 볼트를 제대로 체결하지 않았다면 클램프 파트에서 풀림이 생기게 되며, 도체가 손상되어 시스템에 문제가 생길 수 있습니다. 이런 비용절감에 따라 발생하는 문제점들은 결국 제품의 고장 위험을 높이게 됩니다.

Mosdorfer사의 핵심 제품 중 하나는 스페이서 댐퍼 입니다. 스페이서 댐퍼는 도체가 전송선에서 서로 일정 거리를 유지하도록 번들 구성으로 고정되어 도체의 전기 에너지를 분산시키는데 사용되는 제품입니다. Troppauer씨는 “스페이서 뎀퍼는 매우 중요한 선로의 부품으로써, 만약 선로의 전기에너지를 감쇠시키지 않고, 바람의 영향으로 전기가 유도되어 소멸되지 않을 경우, 최악의 시나리오로써 선로는 몇 시간 혹은 몇일 동안 정전이 발생할 수 있습니다. “라고 말합니다.

스페이스 댐퍼는 도체부에 볼트로 고정되는 클램프 부가 있습니다. 또한 연결된 힌지 조인트부는 볼트 및 너트로 체결되어 있습니다. 일반적으로 도체는 바람의 영향 때문에 진동이 생길 수 밖에 없느 환경에 있습니다. 즉, 연결이 견고하지 않다면 볼트가 풀릴 위험이 있습니다. 도체선로는는 대략적으로30~80M 높이의 두 타워 사이에 고정되어 심한 온도차이와 정적하중 상태에 노출되어 있습니다. 예를들어, 점심시간과 같은 전력 피크 시간에는 선로가 매우 뜨거운 온도범위에 있지만, 밤에는 전력 수요감소와 낮은 온도의 영향으로 인해서 선로가 냉각됩니다. 이는 섭씨 50도에서 70도 사이의 온도차의 형성을 의미하며, 이로 인해 빠르게 크리프가 문제가 발생될 수 있습니다.

도체의 크리프 원인은 지속적인 온도변화로 인한 클램프 파트의 직경의 감소와 볼트 축력의 손실에 있습니다. 또한 도체가 비교적 저렴하면서 가볍고 높은 내식성과 높은 전도성을 가진 알루미늄으로 만들어진다는 점도 크리프 문제를 악화시킵니다.

“저희 비지니스에는 수백만 개의 볼트 접속부가 있기 때문에 ‘이완’이 형성된다면 볼트가 풀릴 가능성이 있습니다. 볼트가 ‘이완’에 의해 너무 많이 풀리게 되면, 도체의 클램프 부가 느슨해져서 움직임이 발생할 수 있습니다. 단 1mm의 움직임만으로도 알루미늄 도체가 손상되는 매우 심각한 문제가 발생할 수 있습니다.” 라고 Troppauer씨는 말합니다.

“이 문제에 대해서 더 깊게 파고들어보니, 크리프 문제를 해결하기 위해서는 와셔에 추가적인 탄성이 필요하다는 것을 알게 되었으며, 이런 중요 어플리케이션 설치과정에서 발생하는 결함에 더해 혹독한 날씨와 높은 부하 상태 또한 견딜 수 있는 제품을 야 했습니다.” 라고 그는 덧붙혔습니다.

Nord-Lock그룹은 최근 독특한 쐐기 효과 디자인과 탁월한 스프링 효과를 결합하여 특허를 받은 X 시리즈 와셔를 출시했습니다. X 시리즈 와셔는 볼트 조인트의 자연적 풀림 현상으로부터 보호하고 헐거워짐으로 인한 프리로드 손실을 보완하도록 설계되었습니다. X 시리즈 와셔 개발을 주도하고 있는 Maxime Thonnerieux는 "X 시리즈 와셔는 완벽한 신뢰를 갖는 시스템을 설계하려는 우리의 목표의 결과입니다."라고 말합니다. "X 시리즈는 진동 및 동하중조건 외에도 도장 또는 분말 코팅된 표면, 연질 금속, 복합 재료 및 폴리머와 같은 다양한 까다롭고 어려운 응용 분야에서 사용이 필요한 고객에게 제공될 수 있습니다."

Wolfgang Troppauer와 그의 팀은 현재 오스트리아의 Mosdorfer 진동 테스트 연구소에서 풀림방지 기능과 새로운 X-시리즈 와셔의 정적 및 동적 거동 테스트를 진행하고 있습니다. 이 최종 결과는 2013년에 나올 것입니다.

“대부분의 제품이 30년에서 50년의 수명을 목표로 설계되었기 때문에 30년의 환경에서 시뮬레이션을 수행해야 합니다. 일단 고전압 라인에 설치된 후엔 전력라인을 끄고 몇 시간 동안이나 전력 없이 사람들을 방치하는게 쉽지 않기 때문입니다.” 라고 Troppauer는 설명합니다. 그리고 지금까지 X시리즈의 테스트 결과는 유망해 보인다고 덧붙혔습니다.

헐거워짐 현상에 대한 설명

헐거워짐 현상은 물체의 회전운동이 없는 상황에서 소성 변형으로 인한 축력손실을 의미하며, 여러가지 원인에 의해 발생할 수 있습니다. 아래는 헐거워짐 현상을 유발하는 세 가지 메커니즘입니다.

1. 침하. 이는 조인트의 접촉 표면의 소성변형으로 인해 발생합니다. 침하는 클램프길이에 영향을 줌으로 볼트 길이를 측정하여 프리로드 손실을 감지할 수 있습니다.

2. 이완. 시간이 지남에 따라 재료의 탄성거동이 소성거동으로 바뀌는 재료의 결정격자의 거동변화를 의미합니다. 이완은 고정된 부재 또는 볼트의 길이에 영향을 주지 않으므로 축력 손실을 감지할 수 없습니다. 따라서 볼트로 고정된 조인트에 발생하는 이완현상은 치명적일 수 있습니다.

3. 크리프. 부재가 시간이 지남에 따라 추가적인 소성변형을 야기하는 재료의 결정격자의 재구성을 의미합니다. 크리프는 부재와 볼트의 길이에 영향을 줍니다. 축력 손실은 볼트의 길이를 측정하여 감지할 수 있습니다.

볼트-조인트에서는 크리프와 이완 현상이 동시에 발생하기 때문에 두 가지 문제는 동일한 범주에 속합니다. 시간 경과에 따른 재료의 결정변형으로 인한 소성 변형으로 인한 프리로드 손실입니다.

MOSDORFER에 관한 사실​

Mosdorfer사는 1712년에 설립되어 처음에는 칼과 칼날을 만들다가 2차 세계대전 이후 기계 부품 제조로 전환했습니다. Mosdorfer는 오버헤드 트랜스미션용 부품을 전문으로 하며 전 세계 유틸리티 및 전력망 회사, 계약 회사 및 도매업체에 제품을 공급합니다. 본 회사는 1kV에서 최대 1200kV의 전압을 위한 30,000가지가 넘는 다양한 종류의 오버헤드 전송 라인 피팅을 생산합니다. 또한 저전압 라인용 저온 강철 피팅, 진동 댐퍼, 롤러 서스펜션 클램프도 제조합니다. Mosdorfer는 전 세계에 고객을 보유하고 있지만 유럽, 극동, 인도, 미국, 남미 및 캐나다에 주력하고 있습니다. 본사의 경우 오스트리아 비엔나에서 남쪽으로 2시간 거리에 위치해 있습니다.

웨지 기술과 스프링 기술의 결합

Nord-Lock의 특허 받은 X 시리즈 와셔는 자연적인 볼트 풀림을 방지하는 쐐기 잠금 기술과 침하 및 이완으로 인한 헐거워짐을 방지하는 독점적인 스프링 효과를 함께 제공합니다. 이러한 독특한 조합은 X 시리즈가 중요 볼트 조인트에 최고의 안전성을 제공하는 솔루션임을 의미합니다.

기본 Nord-Lock 와셔와 마찬가지로 한 쌍의 각 와셔 한면에는 캠이, 다른 한면에는 세레이션이 있어 마찰력이 아닌 인장력을 통해 볼트 조인트를 고정합니다. 또한 X 시리즈 와셔의 원뿔형 형상은 볼트 조인트에 탄성을 형성하여 축력 손실을 보완하고 헐거워짐을 방지합니다.

X시리즈의 매커니즘

패스너를 체결 시 와셔가 평평해지면서 세레이션이 모재의 접촉면에 맞물리게 됩니다. 와셔의 캠 각도(α)가 나사산 피치(β)보다 크기 때문에 쐐기 잠금 효과로 고정 장치가 회전하지 않습니다. 조임 직후 조인트가 정착하여 패스너가 표면 재료에 안착되게 됩니다. 와셔는 즉시 편향되고 스프링 효과(Fs)가 볼트의 이완 운동(ΔL)을 상쇄하여 조인트 내 축력 손실을 막습니다.

이러한 여러 기능들이 볼트 조인트에 지속적으로 작용하면서 프리로드를 유지하고 자발적인 볼트 풀림을 방지하며, 진동, 동적 부하, 안착 및 이완을 위한 효과적인 솔루션 역할을 수행합니다.”