볼트 · 너트의 풀림 사례


A. 설비 고장 유형

B. 체결부 불량원인

C. 체결부 파손 유형
1. 체결력을 감안한 구조 설계 1.1 현상

진동 및 충격에 의한 허용하중 부족으로 Bolt 풀림.

[ 조건 ] Bolt 의 허용외력 M6 = 1.9 kN
L1 = 30 mm, L2 = 30 mm, L3 = 30 mm, L3 = 28 mm


1.2분석

[그림 1] 에서
M6 사용 : 허용하중 F1 = L2 x 1.9 kN / L1 = 30 mm x 1.9 kN / 30 mm = 1.9 kN


1.3 개선

[그림 2] 에서
M6 사용 : 허용하중 F2 = L3 x 1.9 kN x 2 개 / L1 = 30 mm x 1.9 kN x 2 / 30 mm = 3.8 kN
M8 사용 : 허용하중 F2 = L3 x 2.5 kN x 2 개 / L1 = 30 mm x 2.5 kN x 2 / 30 mm = 5.0 kN

[그림 3] 에서
M6 사용 : 허용하중 F3 = L4 x 1.9 kN x 2 개 / L1 = 28 mm x 1.9 kN x 2 / 30 mm = 3.54 kN M8 사용 : 허용하중 F3 = L4 x 2.5 kN x 2 개 / L1 = 28 mm x 2.5 kN x 2 / 30 mm = 4.67 kN


1.4 효과

(1) Bolt 의 크기 및 수량이 같은 경우라도 배치에 따라 허용하중이 달라진다.
[그림 2] M6 / [그림 1] M6 = 3.8 / 1.9 = 2.0 배

(2) Bolt 의 크기에 따라 허용하중은 크게 변한다.
[그림 2] M8 / [그림 2] M6&n 5.0 / 3.8 = 1.32 배

(3) Bolt 의 크기에 및 배치 변경
[그림 2] M8 / [그림 1] M6&n 5.0 / 1.9 = 2.6 배

2. 카운터 보어용 Spring Washer 사용

2.1 현상 : 자리파기를 구멍이 있는 경우 [그림 2]

Spring Washer 가 없어 진동 및 충격에 의한 Bolt 풀림.


2.2분석

(1) Spring Washer 자리파기 구멍보다 크기 때문에 Spring Washer 사용 불가 [그림 2]
(2) 체결 자리면이 평면일 경우 Spring Washer 를 사용하고 있음. (상태 양호) [그림 1]

2.3 개선

(1) 카운터 보어용 Spring Washer 를 사용하여 진동 및 충격 흡수. [그림 4]
(2) 체결 자리면이 평면일 경우 기존과 동일 [그림 3]

2.4 효과 : 진동 및 충격에 의한 Bolt 풀림 방지.
3. Bolt 체결 깊이 확보.
3.1 현상

(1) Bolt 가 자리면에 채결되지 않고 Tap Hole 의 불완전 나사부에 체결되어 Bolt 풀림. [그림 1]
(2) Bolt 가 2~3 산 (T2) 만이 체결되어 나사 산이 전단됨. [그림 2].

3.2분석 : Bolt 길이 선정이 잘못됨.

(1) Bolt 의 길이가 길다. [그림 1]
(2) Bolt 의 길이가 짧다. [그림 2]


3.3 개선

(1) Bolt 체결 깊이 1.2 d < T3 < 1.5 d 로 체결.
(2) 설계 시 Bolt 의 표준 길이 확인 및 조립도에 Bolt 사양 (길이) 정확히 명기.
(3) 표준 길이 적용이 불가할 경우 자리파기 깊이를 조정할 것.


3.4 효과 : Bolt 체결 깊이 확보로 체결력 향상.
4. Link Ball, Cam Follower 체결 구조 개선.
사용 부품 THK (삼익) Catalogue
호칭번호나사항복점 강도&nb
RBL 8M 8 x 1.25670 kg

d (Bolt 골지름) &nn.0 - 1.25 = 6.75 mm&n L = 20mm
σal (피로 한도) = M / Z = (P = 30 kg/mm2)


4.1 현상
Link Ball , Cam Follower 불완전 나사부에 체결되어 나사 풀림 및 파손.

4.2분석 피로파괴 검토 [그림1]
Pal = (σal · π · d3) / (L · 32) = {30 kg/mm2 · π · (6.75 mm)3} / (20 mm · 32) = 45.3 kg
4.3 개선

(1) 불완전 나사부에 체결되지 않도록 구멍가공 [그림3]
(2) Nut 를 이용한 체결로 변경 [그림4]
(3) 피로한도 검토 (형태가 BOLT와 동일함)

A (Bolt 유효단면적) = (π · d2 / 4) = π · (6.75 mm)2/ 4.0 = 35.8 mm2

σs (항복응력) = 90 kg/mm2
[정하중을 받는 경우 BOLT의 피로한도]

Ps=0.5 · A · σs = 0.5 · 35.8 mm2· 90 kg/mm2 = 1611 kg
[동하중을 받는 경우 BOLT의 피로한도]

Pd = 0.4 Ps = 644 kg


4.4 효과
기존 체결에 비교 하여 644kg / 45kg = 14.3 배
[주의] Bolt 형태의 나사로 된 제품 (Bolt, Link ball , Cam follower...)은 머리 밑부분이 밀착되지 않으면 굽힘에 의한 피로파괴가 발생됨으로

(1) 머리 밑면을 밀착시켜 설계할 것.
(2) 머리 밑면을 밀착 상태를 조립 시 필히 확인할 것.


5. Loader 및 Lift 체결 구조 개선
5.1 현상 : Loader 및 Lift 에 F(하중)+W(중량) 이 작용하여 Bolt 가 파손됨.
5.2분석 : &Bolt (M10) 허용하중 = 6.8 kN
5.3 개선 : Nut 체결 [그림 2]&n 및 Flange를 이용한 체결 [그림 3]로 변경.
Nut (M16) 허용하중 = 17 kN

5.4 효과
haft 에 Bolt 를 사용하는 것보다는 Shaft 에 나사를 가공하는 것이 나사를 크게 할 수 있어 허용하중을 증가시킬 수 있다.
[그림 2] / [그림 2] = 17 / 6.8 = 2.5 배
6. Dog 체결 구조 변경
6.1 현상

(1) M6 고정 나사 풀림 ⇒ Dog 위치 변동 발생 [그림 1]
(2) Bolt 로 Slot 을 조임⇒ Dog에 미끄럼 현상 발생. [그림 2]


6.2분석

(1) 체결 공간 부족으로 고정나사를 사용했으나 풀림 발생
(2) 마찰에 의한 고정으로 미끄럼 현상 발생


6.3 개선

Dog 의 안쪽에 나사 가공으로 나사 산에 의해 미끄럼 현상 방지.


6.4 효과 : Slot 형 [그림2] 비교하여 체결력 증가로 풀림 방지.
7. Jig 용 회전 방지 Pin 풀림 방지

7.1 현상 : Jig 용 회전 회전방지용 멈춤 나사 풀림.
7.2 분석
(1)멈춤 나사에 체결면이 없어 체결이 안됨.
(2) 풀림 방지액 (록 타이트)을 도포 했으나 장시간 사용 시 풀림 발생.

7.3 개선 : 2 개의 멈춤 나사 (조정나사 + 고정나사)로 체결.
조정나사로 위치를 조정한 후 고정나사로 조임.
7.4 효과 : 풀림 방지액 (록 타이트)을 도포와 비교하여 체결력 증가. (5 배)
참고 : 풀림 방지액 도포는 정상체결의 15~20% 효과.

8. Plunger 고정 나사 풀림 방지
8.1 현상 Plunger 고정 나사 풀림.

8.2분석
(1) Plunger의 나사에 체결면이 없어 체결이 안됨.
(2) 풀림 방지액 (록 타이트)을 도포 했으나 장시간 사용 시 풀림 발생.
8.3 개선
(1)Plunger 뒤쪽에 고정나사로 체결. [그림 2]
Plunger의 위치를 조정한 후 고정나사로 조임.
(2) 너트를 이용한 체결. [그림 3]
Plunger의 위치를 조정한 후 고정 Nut 로 조임.

8.4 효과
풀림 방지액 (록 타이트)을 도포와 비교하여 체결력 증가. (5 배)
참고 : 풀림 방지액 도포는 정상체결의 15~20% 효과.

9. Spindle의 베어링(Tapered Roller Bearing) 체결 너트 풀림 방지.
9.1 현상
(1)Nut 의 체결력이 강하여 베어링 회전이 안됨. [그림 1]
(2) Bearing 예압량으로 체결했으나 장시간 사용으로 Nut 풀림 방생. [그림 2]

9.2분석
Bearing 예압량 (0.5 kN)과 Nut 의 체결력 (27 kN)의 상이로 체결이 안됨.

9.3 개선
2 개의 Nut 를 사용한 체결 [그림 3], Bearing 측의 Nut 를 예압량 F3 = 0.5 kN 체결하고
후면의 Nut 와 전면의 Nut 를 F4 = 27 kN 으로 체결.

9.4 효과
Bearing 에 적정 예압(0.5 kN) 이 작용하며, Nut 에는 정상적인 체결력(27 kN) 이 작용함.
10. Jig 의 구면 Washer 풀림 방지.
10.1 현상
(1) Nut를 정상체결 [그림 1]
체결은 되나 회전이 되지 않아 좌우가 균등하게 Clamping 안됨.
(2) 멈춤 나사의 체결력만으로 체결되어 나사 풀림. [그림 2]

10.2분석
(1) ZM 30 의 체결력 = 59 kN ⇒ 회전불가
(2) 멈춤 나사(M6) 체결력 = 3.4 kN ⇒ 너트 풀림.

10.3 개선 : Shaft 를 2 단으로 가공하여 체결면을 확보한 후 ZM20 으로 체결 (체결력 = 38 kN)

10.4 효과 나사의 정상적인 체결로 체결력 향상. ([그림 3]/[그림 2] = 38.0 / 3.4 = 11 배)

11. Cylinder 연결부 풀림 방지
11.1 현상
(1) Cylinder Rod Nut 의 체결면에 틈새 발생으로 Nut 풀림.
(2) Cylinder Rod 굽힘 발생.
(3) Bushing 및 Packing 의 마모로 누유 발생.
11.2분석
(1) Cylinder 와 작동체 간의 편심 및 편각 발생.

11.3 개선
(1) Floating Joint 를 이용하여 Cylinder 와 작동체 간의 편심 및 편각을 방지함.

11.4 효과
(1) 나사의 정상적인 체결로 Nut 풀림 방지.
(2) Cylinder Rod 굽힘 방지로 부드러운 작동.
(3) Bushing 및 Packing 의 마모 방지로 누유 방지 및 Cylinder 수명 향상.

12. Motor Adjusting 풀림 방지
12.1 현상
(1) Nut를 정상체결 [그림 1]
- 장시간 사용 시 Cushion 고무 균열로 너트 풀림 발생.
- 약하게 조일 경우 너트 풀림 발생
(2) 2개의 너트를 이용한 체결.
- Motor의 진동을 흡수하지 못하고 상하 진동발생.

12.2분석
(1)Nut를 정상체결 [그림 1]
- 체결은 되나 Cushion 고무가 완전히 압착되어 장시간 사용시 균열이 생김.
- 약하게 조일 경우 체결력 부족으로 너트 풀림 발생
(2) 2 개의 너트를 이용한 체결.
- Motor의 진동을 흡수하지 못함. (Cushion 고무의 탄성으로 상하 진동발생)
12.3 개선
Cushion 고무를 제거함.
Motor 의 진동은 Unit 의 중량에 비하여 미세함으로 진동이 일어나지 않음.

12.4 효과
(1) Motor Adjusting 너트 풀림 방지.
(2) Motor Adjusting 진동 방지.

13. 볼트의 재사용 회수의 제한
13.1 현상 : 볼트의 경우 반복사용으로 풀림 발생.

13.2분석 : 풀었다 조였다를 반복함에 따라 변형량(볼트의 늘어남)이 누적되어 축력이 저하됨.

13.3 개선 : 재 사용 횟수를 1~2 회로 한정.
13.4 효과 : 볼트의 반복사용으로 인한 풀림 문제 보완.