선박 추진용 유압작동식 다판 마찰클러치 조립축 크랙 현상 고장탐구
A study on root cause analysis of hydraulically acutuated type multi-disc friction clutch shaft crack for ship propulsion
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초록
본 연구는 선박용 추진동력을 제어하는 유압작동식 습식, 다판 마찰클러치 조립축의 운용중 발생된 크랙현상에 대한 원인분석 내용을 수록하였다. 클러치 손상은 클러치 조립축의 크랙에 기인된 윤활 및 냉각 오일과 클러치 제어용 오일의 누설로 인한 슬립, 발열이 원인임을 연구한 바 있다. 본 연구에서는 클러치 조립축의 크랙이나 절단이 발생된 동형선박의 사례를 조사, 분석한 결과, 클러치 조립축은 해석 대비 클러치 축으로 과도한 비틀림진동 토크가 입력되어 고주기피로에 의해 파괴되었다. 크랙은 키이웨이 홈 부위에서 시작되어 45°각도로 나선형으로 진행되었으며, 크랙이 확장됨에따라 컵과 콘형(Cup and cone type)의 형태로 절손되었다. 실선 비틀림 진동 계측결과 토크 변동은 MIL-STD-167-2에 규정된 비틀림진동 기준을 초과하였으며, MIL-STD-17859D에 규정된 감속기어 축 안전율을 초과하였다. 선박 추진용 클러치축 입력단에 고무 탄성커플링을 설치할 경우, 비틀림진동이 설계단계의 해석대비 계측결과 강성이 큰 경우가 발생되어 크랙이나 절단사고를 일으킬 수 있다. 따라서, 크랙이나 절단사고를 예방하기 위해서는 설계단계의 피로강도 해석과 시운전단계의 비틀림진동 계측 및 평가가 수행되어야 한다.
Abstract
This paper provides a root-cause analysis of the cracks in hydraulically actuated, wet-type, multi-disc friction -clutch shaft in running ships. It was previously determined that the root causes of clutch failure were slipping and heating caused by leaking clutch-control oil and cooling oil due to a crack in the clutch shaft assembly. Investigating a series of ships revealed that the clutch shaft-assembly cracks or fracture were caused by excessive torsional vibrations or torque inputs and were ultimately fractured by high-cycle fatigue. The crack initiated around the keyway, extended spially for 45º, and ended with a cup-and-cone-type fracture. The torque variation exceeded the military standard for mechanical vibrations of shipboard equipment (MIL-STD-167-2) torsional vibration limit, and the reduction-gear-shaft safety value was less than the criterion in military standard for propulsion gear assemblies (MIL-STD-17859D). If a rubber elastic coupling was installed at the inlet side of the clutch shaft in a ship-propulsion system, the clutch shaft could fracture or undergo crack damage from excessively greater stiffness than the design-stage analysis allowed for. Thus, a fatigue analysis at the design stage and a torsional-vibration measurement and evaluation at the sea-trial stage should be conducted to protect the clutch shaft from fractures or crack damage.
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