선회 베어링 볼트 장력 조절 vs 토크 렌치: 채굴용 굴삭기 턴테이블에 일관된 예압을 제공하는 방법은 무엇일까요?

선회 베어링 볼트 장력 조절 vs 토크 렌치: 채굴용 굴삭기 턴테이블에 일관된 예압을 제공하는 방법은 무엇일까요? | Yining Hydraulic

요약 — 핵심 요점

토크 렌치 방식은 가해지는 토크의 85~90%가 볼트를 늘리는 데 사용되지 않고 나사산과 볼트 머리 아래 마찰을 극복하는 데 사용되기 때문에 예압 정확도가 +/-25~35%에 불과합니다. 반면 볼트 장력 조절 방식은 유압을 이용하여 볼트를 직접 늘리기 때문에 정확도가 +/-5~10%에 그칩니다.
채굴용 굴삭기 회전판의 선회 베어링 볼트(M36-M56, 10.9 또는 12.9 등급)의 경우, 유압식 볼트 장력 조절만이 원형으로 배열된 모든 볼트에 일관된 예압을 제공하는 유일한 방법입니다.토크 조임 방식은 일반적으로 가장 조인 볼트와 가장 느슨한 볼트 사이에 40~60%의 예압 차이를 발생시켜 베어링 레이스에 불균형적인 하중을 가하고 베어링의 조기 고장을 초래합니다.
볼트 장력 조절 절차는 한 번에 끝내는 것이 아니라 3~4회에 걸쳐 진행해야 합니다. 이는 원형으로 배열된 각 볼트에 장력을 가하면 접합부 압축으로 인해 인접한 볼트의 장력이 10~15% 정도 완화되기 때문입니다.— 재조임 과정을 생략하면 외부 볼트의 예압이 지정된 값의 60~70% 수준으로 유지됩니다.

선회 베어링에서 볼트 예압의 일관성이 중요한 이유: 베어링 고장이 발생할 때까지 아무도 알아채지 못하는 불균일한 하중 문제

저는 이닝 유압에서 15년간 선회 구동 시스템을 설계해 왔는데, 선회 베어링 볼트 연결부가 사양 의도와 현장 시공 간의 가장 큰 차이를 보이는 부분이라고 생각합니다.200톤급 채굴용 굴착기 턴테이블의 선회 베어링은 직경 2~3미터의 원형 볼트 패턴으로 배열된 40~60개의 고강도 볼트(일반적으로 M42~M56, 10.9 또는 12.9 등급)로 고정됩니다.각 볼트는 지정된 예압을 유지해야 합니다. 일반적으로 볼트의 항복강도의 60~70%에 해당하는 예압이며, M48 Class 10.9 볼트의 경우 400~600kN에 해당합니다. 이는 굴착기 버킷이 완전히 하중을 받고 확장될 때 발생하는 전복 모멘트로 인해 베어링 레이스가 장착면에서 들뜨는 것을 방지하기 위함입니다. 예압이 일정하지 않으면 베어링 레이스에 불균일한 접촉 압력이 가해지고, 하중을 받을 때 레이스가 국부적으로 변형되어 "브리넬링" 현상이 발생합니다. 이 현상으로 인해 구름 요소가 레이스 표면을 움푹 들어가게 하고, 박리가 시작되어 2,000~5,000 작동 시간 내에 베어링이 완전히 파손됩니다.

예압 일관성 문제: 토크 렌치 방식은 볼트 헤드 또는 너트에 토크를 가하는데, 가해진 토크와 그에 따른 볼트 장력 사이의 관계는 두 접촉면, 즉 나사산 접촉면과 헤드(또는 너트) 아래 접촉면의 마찰 계수에 따라 달라집니다.토크-장력 관계는 T = K × F × d로 나타낼 수 있습니다. 여기서 T는 가해지는 토크, K는 너트 계수(윤활 처리된 강철 나사산의 경우 일반적으로 0.15~0.22), F는 볼트의 장력, d는 볼트의 공칭 직경입니다. 문제는 K가 상수가 아니라는 점입니다. K 값은 나사산 표면 마감, 윤활 상태, 볼트가 이전에 조여진 적이 있는지 여부(재사용된 나사산은 표면의 요철이 평평해져서 K 값이 더 높음), 나사산에 이물질이 있는지 여부에 따라 볼트마다 달라집니다.현장 조건에서 K 값의 변동에 대한 합리적인 추정치는 +/-15~25%이며, 이는 동일한 적용 토크에 대해 볼트 예압의 변동이 +/-15~25%임을 직접적으로 의미합니다.볼트 직경(d)이 48mm이고 계수(K)가 0.18인 볼트에 500kN의 예압이 필요한 경우, 필요한 토크 T는 T = 0.18 × 500,000 × 0.048 = 4,320Nm입니다. 만약 볼트 원 전체에 걸쳐 계수(K)가 실제로 0.15에서 0.22 사이로 변한다면, 동일한 4,320Nm의 토크는 410kN에서 600kN 사이의 예압을 발생시키며, 이는 가장 느슨한 볼트와 가장 꽉 조여진 볼트 사이의 46%의 차이를 의미합니다.VDI 2230체계적인 볼트 체결 계산 기준에 따르면, 토크 제어 조임 방식은 통제된 실험실 조건에서도 예압 편차가 +/-25~35%에 불과하며, 현장 조건에서는 일반적으로 이 편차가 +/-35~50%까지 증가합니다.

유압 볼트 장력 조절: 직접 인장 방식으로 마찰 변수를 제거하는 방법

유압식 볼트 장력 조절은 토크를 장력으로 변환하는 과정을 완전히 생략하고, 알려진 유압을 장력 조절 장치에 직접 가하여 볼트 스터드를 탄성적으로 늘립니다.텐셔너는 볼트 스터드 연장부에 나사로 고정되는 나사산 풀러가 있는 유압 실린더, 볼트가 너트 위로 노출된 나사산 길이가 볼트 직경 이상이어야 텐셔너가 볼트를 단단히 고정할 수 있는 브리지, 그리고 볼트가 늘어난 후 손으로 너트를 조일 수 있는 소켓으로 구성됩니다. 작동 순서는 다음과 같습니다. 텐셔너를 볼트에 설치하고, 지정된 값(텐셔너의 유효 피스톤 면적에서 계산 가능)까지 유압을 가합니다. 볼트가 탄성적으로 늘어나고(일반적인 선회 베어링 볼트의 경우 0.1~0.3mm 늘어남), 텐셔너 본체를 통해 소켓을 사용하여 너트를 손으로 조입니다. 유압을 해제하면 볼트가 원래 길이로 돌아가려고 하지만 너트가 이를 막아 볼트에 지정된 예압을 발생시킵니다.

유압식 장력 조절의 예압 정확도는 +/-5~10%인 반면, 토크 렌치 방식의 예압 정확도는 +/-25~35%입니다.볼트 장력은 유압으로 제어되며, 이 압력은 장력 펌프의 압력 게이지 또는 변환기를 통해 +/-1~2%의 정확도로 측정 및 조절됩니다. 볼트의 탄성 계수(합금강의 경우 영률, 207 GPa)는 동일한 열처리 로트에서 생산된 볼트의 경우 +/-2% 이내로 일정합니다. 유일한 변수는 유효 체결 길이(너트와 첫 번째 체결 나사산 사이의 볼트 길이)이며, 이는 나사산 체결 깊이와 볼트 그립 길이에 따라 +/-3~5%의 오차 범위 내에서 변동합니다.인장 예압의 잔류 오차는 두 가지 원인에서 발생합니다.(1) 장력 해제 후 볼트 이완(텐셔너를 제거하면 조인트가 압축되어 볼트 장력이 5-10% 감소함 - 이는 장력 조절 과정에서 5-10%의 과장력을 가함으로써 보정됨), (2) 인접 볼트 상호 작용(볼트 #2에 장력을 가하면 볼트 #1의 장력이 10-15% 감소하는데, 이는 볼트 #2의 장력이 조인트를 더욱 압축하여 볼트 #1을 이완시키기 때문임 - 이는 3-4회의 장력 조절 과정을 통해 해결됨).ASME PCC-1볼트 체결 조립 지침에서 유압식 장력 조절은 ±10% 이상의 예압 정확도가 요구되는 대구경 볼트 체결부에 권장되는 방법입니다.

긴장감 조성 패스: 아무도 하고 싶어 하지 않지만 모두에게 필요한 3-4 패스 프로토콜

볼트를 원형으로 한 번씩 조이는 단일 장력 조절 과정에서 각 볼트에 순차적으로 장력을 가하면 접합부가 압축되고 이전에 장력이 가해진 볼트가 이완되기 때문에 30~50%의 예압 변화가 발생합니다.작동 원리는 다음과 같습니다. 볼트 1에 500kN의 장력을 가하면 볼트 1 주변의 접합부가 국부적으로 압축됩니다. 이때 볼트 2(볼트 1에 인접한 볼트)에 장력을 가하면 볼트 1과 2 사이 영역의 접합부가 추가로 압축되어 볼트 1의 체결부 두께가 약간 감소합니다. 이로 인해 볼트 1의 장력이 약 10~15% 정도 줄어듭니다. 원형으로 장력을 가해 나가는 과정에서 각 볼트의 장력은 점진적으로 감소하며, 가장 먼저 장력을 가한 볼트가 가장 큰 폭으로 장력을 잃습니다. 일반적으로 원형으로 연결된 모든 볼트에 장력을 가한 후에는 초기 장력의 50~60% 수준으로 감소합니다.

올바른 장력 조절 절차: 볼트 원을 따라 3~4회 왕복하며, 첫 번째 왕복 시에는 최종 장력의 50~60%로 조인트를 고정하고, 이후 왕복 시에는 최종 장력의 100%로 조입니다.1단계: 모든 볼트를 최종 예압의 60%까지 조입니다(예: 500kN 규격의 경우 300kN). 이 단계는 접합부를 부분적으로 밀착시켜 후속 단계에서 발생하는 이완 효과를 줄입니다. 2단계: 모든 볼트를 최종 예압의 100%까지 조입니다(500kN). 3단계: 모든 볼트를 최종 예압의 100%까지 다시 조입니다. 이 단계에서는 일반적으로 2단계에서 이완된 볼트의 장력이 10~15% 정도 회복되며, 접합부가 완전히 밀착되었으므로 3단계에서의 이완 효과는 3~5%로 줄어듭니다. 4단계(선택 사항이지만 중요한 접합부의 경우 권장): 모든 볼트를 최종 예압의 100%까지 다시 조이고, 조임과 검증 측정 사이에 볼트의 장력이 5% 이상 감소하지 않았는지 확인합니다(가능한 경우 초음파 볼트 연신율 측정기를 사용).인잉 유압당사의 선회 구동 장치 설치 절차에는 광산 장비의 모든 선회 베어링 볼트 연결부에 대한 필수 4단계 장력 조절 프로토콜이 포함되어 있으며, 모든 선회 구동 장치 납품 시 장력 조절 펌프, 장력 조절 장치 및 절차 문서를 함께 제공합니다.

볼트 준비: 완벽한 장력 조절 절차를 실패한 접합부로 바꾸는 세 가지 요인

유압식 장력 조절을 사용하더라도 볼트 준비 과정에서 발생하는 세 가지 요소로 인해 실제 예압이 규정값의 50~70%까지 감소할 수 있으며, 이 세 가지 요소는 현장 설치 시 흔히 간과됩니다.첫 번째 요소: 나사산 윤활 — 볼트 나사산과 너트 접촉면은 지정된 윤활제(일반적으로 이황화몰리브덴 페이스트, 고착 방지제 또는 볼트 제조업체에서 권장하는 윤활제)로 윤활되어야 조임 시 일정한 나사산 마찰을 유지할 수 있습니다. 나사산이 건조하거나 지정된 윤활제와 다른 윤활제를 사용하면 마찰 계수가 변하고 너트의 풀림 저항이 달라져 조임 해제 시 너트가 부분적으로 풀릴 수 있습니다. 두 번째 요소: 볼트 그립 길이 — 볼트 헤드와 첫 번째 체결 나사산 사이의 볼트 생크의 나사산이 없는 부분은 볼트 직경의 최소 3~4배 이상이어야 볼트가 적절한 스프링 상수로 탄성적으로 늘어날 수 있습니다. 그립 길이가 직경의 2배 미만인 볼트는 스프링 상수가 매우 높아 동일한 신장량을 얻기 위해 더 많은 조임력이 필요하고 이완에 더 민감합니다. 세 번째 요소: 접합면 평탄도 — 볼트 헤드와 너트 아래의 장착면은 접촉 직경보다 0.1mm 이내로 평평해야 합니다. 평평하지 않은 표면은 볼트에 인장 응력 외에도 굽힘 응력을 발생시켜 볼트의 유효 예압과 피로 수명을 30~50% 감소시킵니다.

장력 조절 후 검증: 볼트 예압은 초음파 볼트 게이지(펄스-에코 방식, 볼트 길이를 통과하는 초음파 펄스의 왕복 시간 측정)를 사용하여 볼트의 신장률을 측정함으로써 확인할 수 있습니다.장력 적용 전후의 신장률 측정은 볼트의 실제 변형률을 나타내며, 이 변형률에 볼트의 단면적과 영률을 곱하면 실제 예압이 계산됩니다. 이는 설치된 볼트의 예압을 직접 측정하는 유일한 방법입니다. 토크 측정(이탈 토크 확인)은 볼트에 장력이 가해진 후에는 예압과 상관관계가 없습니다. 왜냐하면 조임 과정에서 정지 마찰력(이탈 토크)이 동적 마찰력보다 크기 때문입니다.인잉 유압턴테이블 직경이 2.5미터를 초과하는 채굴용 굴삭기의 선회 베어링 볼트에 대해서는 초음파 볼트 신장률 검증을 권장합니다. 이러한 장비에서는 불균일한 예압으로 인해 베어링 레이스에 고르지 않은 하중이 가해지는데, 이는 베어링 고장이 시작될 때까지 감지할 수 없기 때문입니다. 관련 가이드도 참조하십시오.선회 기어박스 통합 및 장착볼트 체결부 안내를 추가로 제공합니다.

자주 묻는 질문

Q1: 채굴용 굴착기 턴테이블의 선회 베어링에서 볼트 예압의 일관성이 중요한 이유는 무엇입니까?: 불균일한 예압은 베어링 레이스 접촉 압력의 불균형을 초래하여 구름 요소가 레이스 표면을 움푹 들어가게 하는 브리넬링(brinelling)이라는 국부적인 레이스 변형을 일으킵니다. 이는 박리(spalling)를 유발하고, 결국 2,000~5,000 작동 시간 내에 베어링이 완전히 파손되는 결과를 초래합니다. 선회 베어링 볼트(M36-M56, Class 10.9/12.9)는 전복 모멘트 발생 시 레이스가 들뜨는 것을 방지하기 위해 항복강도의 60~70%에 해당하는 예압을 유지해야 합니다.
Q2: 선회 베어링 볼트 조임에 있어 유압식 볼트 장력 조절 방식이 토크 렌치 방식보다 가지는 주요 이점은 무엇입니까?: 유압식 장력 조절은 제어된 유압으로 볼트를 직접 늘려 ±5~10%의 정밀도로 예압을 조절합니다. 토크 렌치는 토크-장력 관계(T = K × F × d)에 의존하는데, 너트 계수 K는 나사산 마찰 차이로 인해 ±15~25%까지 변동합니다. 이로 인해 실험실 조건에서는 ±25~35%, 현장 조건에서는 최대 ±50%의 예압 오차가 발생합니다.
Q3: 선회 베어링 볼트 원을 조이는 데 필요한 장력 조절 횟수는 몇 회이며, 그 이유는 무엇입니까?: 3~4회의 패스가 필요합니다. 1차 패스에서는 최종 예압의 60%로 접합부를 고정합니다. 2차 패스에서는 최종 예압의 100%로 모든 볼트에 장력을 가합니다. 3차 패스에서는 최종 예압의 100%로 2차 패스 동안 접합부 압축으로 인해 발생한 이전 볼트의 10~15% 장력 완화를 복구합니다. 4차 패스(선택 사항)에서는 잔류 장력을 확인합니다. 한 번의 패스로 30~50%의 예압 변동이 발생할 수 있는데, 이는 각 볼트에 순차적으로 장력을 가할 때 이전에 장력을 가한 인접 볼트의 장력이 완화되기 때문입니다.
Q4: 현장 설치 시 유압식 장력 조절 정확도에 영향을 미치는 볼트 준비 요소는 무엇입니까?: 세 가지 요소: (1) 나사산 윤활에는 지정된 윤활유를 사용해야 합니다. 건조하거나 다른 윤활유를 사용한 나사산은 장력 해제 시 너트의 회전 저항을 변화시킵니다. (2) 볼트 그립 길이는 적절한 탄성 신장을 위해 볼트 직경의 최소 3-4배여야 합니다. (3) 접합면의 평탄도는 베어링 직경보다 0.1mm 이내여야 합니다. 평평하지 않은 표면은 굽힘 응력을 유발하여 유효 예압을 30-50% 감소시킵니다.
Q5: 유압식 장력 조절 후 실제 볼트 예압은 어떻게 확인할 수 있습니까?: 유일한 직접적인 방법은 초음파 볼트 신장 측정(펄스-에코 방식, 장력 가하기 전후 볼트를 통과하는 초음파 펄스의 왕복 시간 측정)입니다. 신장량에 볼트 단면적과 영률을 곱하면 실제 예압이 계산됩니다. 장력 가한 후에는 정적 이탈 마찰력이 예압과 상관관계가 없기 때문에 토크 검증(이탈 토크)은 신뢰할 수 없습니다.

외부 참조: VDI 2230 볼트 조인트 계산 · ASME PCC-1 볼트 체결 · DNV 분류 · ISO 4413 유압 시스템 · SAE 인터내셔널 · AGMA 표준 · ABS 규정

이닝 유압 현장 데이터 - 2019년 필바라 철광석 광산, 선회 베어링 볼트 고장 분석 (채굴 굴착기 8대):8대의 전기 로프 셔블(220톤급)로 구성된 장비에서 3년 동안 5번의 선회 베어링 교체가 발생했으며, 베어링 교체 비용은 1대당 18만 달러에 달했고, 이로 인해 셔블 가동 중단 시간은 10일이었습니다. 근본 원인 분석 결과, 볼트 체결 시 토크 렌치(텐셔너 사용 안 함)를 사용했으며, 볼트 원 전체에 걸쳐 측정된 예압 변동률이 42~58%에 이르는 것으로 나타났습니다. 베어링 레이스에는 볼트 예압이 규격의 60% 미만인 영역과 정확히 일치하는 불균일한 브리넬링 패턴이 관찰되었습니다. 4단계 유압식 텐셔닝 프로토콜로 전환한 후, 해당 장비들은 이후 4년 동안 선회 베어링 고장이 단 한 건도 발생하지 않았습니다. 텐셔닝 장비 비용은 셔블당 1만 2천 달러였으며, 베어링 교체 비용 18만 달러와 비교하면 첫 번째 고장을 예방하는 것만으로도 투자 수익(ROI)을 달성할 수 있었습니다.

지난 15년간 선회 구동 장치 시운전 경험을 바탕으로 마지막으로 한 가지 주의사항을 말씀드리겠습니다. 선회 베어링 볼트는 제거한 후에는 절대로 재사용하지 마십시오. 최대 예압을 받은 볼트는 처음 몇 개의 나사산에서 소성 변형이 발생하는데, 사용한 볼트를 다시 조이면 소성 변형 영역으로 인해 유효 체결 길이가 늘어나면서 예압이 예측 불가능하게 변합니다. 일반적으로 동일한 장력에서 새 볼트보다 15~25% 정도 낮아집니다.

선회 베어링 볼트 사양, 장력 조절 장비 권장 사항 또는 맞춤형 볼트 조인트 설계 검증에 대해서는 Yining Hydraulic의 엔지니어링 팀에 문의하십시오. 당사는 고객의 특정 선회 구동 모델에 맞는 장력 조절 장비와 절차 문서를 준비해 놓았습니다.