J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 31, No. 3, June 2015, pp. 102~108 ISSN 1229-4845(Print) 2287-4666(Online) Journal of the Korean Society of Tribologists & Lubrication Engineers http://journal.kstle.or.kr DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle.2015.31.3.102 세탁기용고무회전씨일의밀봉성능에관한연구 김태형 평화오일씰공업 ( 주 ) 기술연구소 A Study on Sealing Performance of Elastomeric Rotary Lip Seals for Washing Machines Tae-Hyung Kim R&D Center, Pyung Hwa Oil Seal Industry Co., Ltd., Daegu 711-855, Korea (Received April 9, 2015; Revised May 8, 2015; Accepted May 11, 2015) Abstract In this research, we experimentally investigated the sealing performance of elastomeric rotary lip seals for washing machines. In general, NBR is used as a material for elastomeric rotary lip seals in washing machines, but the mixing formula of the rubber material can affect the sealing performance. In this study, we manufactured rotary lip seals using three kinds of NBRs with a different mixing formula, and examined the sealing performance using an acceleration test mode. The results of an SEM investigation into the surfaces of three kinds of specimens showed a much smaller wear volume and better sealing performance for the specimens with smaller particle sizes of mixing composition than for the specimen with the larger. Repeated deformation and recovery by the shaft-to-seal eccentricity on rotation were shown to cause a phase difference in the rubber material, and we measured the recovery ratio to find the influence of this phase difference on the sealing performance. As another method for checking the phase difference, we also measured tan ä, and a lower tan ä was revealed as the recovery ratio increased for each specimen. Specimens with a higher recovery ratio (lower tan ä) were shown to have a better sealing performance. Consequently, specimens with a smaller particle size in the mixing composition had a better sealing performance because they show a higher recovery ratio. Keywords NBR( 니트릴고무 ), elastomeric rotary lip seal( 고무회전씨일 ), abrasive wear( 연삭마모 ), recovery ratio( 탄성회복율 ), tan δ( 탄젠트델타 ) 1. 서론 씨일 (seal) 은유동하는다양한유체를밀봉하기위한장치 [1] 로서이와관련한성능연구는윤활유또는유압실린더등의유압작동오일과같은밀봉대상물을중심으로씨일의재료, 작동오일의성질, 운동방식의특성, 표면거칠기의영향등에대해광범위하게이루어지고있다 [2-4]. Corresponding author : taehyung.kim@ph.co.kr Tel: +82-53-610-9125, Fax: +82-504-600-9110 이논문은한국윤활학회 2015 년도춘계학술대회 (2015. 04. 16~17/ 전북대학교공과대학 ) 발표논문임. 현재까지진행된대부분의연구가오일밀봉에필요한메커니즘의규명에집중되고있는반면에물의침입을막거나누수방지에필요한씨일의성능연구는부족한부분이많이있었다. 가장널리사용되고있는고무재료의하나인 NBR(Nitrile Butadiene Rubber) 과관련된연구도윤활유등의오일밀봉에적합한재료배합에대한연구는활발하게진행되었으나, 세탁기및식기세척기등물과같은유체를밀봉하기위한재료연구는거의전무한실정이다. Ayala 등 [5] 은연삭입자슬러리 (abrasive slurry) 의침투를방지하고자하는고무씨일과축의접촉면에서연 102
세탁기용고무회전씨일의밀봉성능에관한연구 103 2. 연구방법및내용 Fig. 1. Schematic structure of washing machines and seal application. 삭입자들이마모에미치는영향을실험적으로연구하였고, Degrange 등 [6] 은점탄성관점에서 NBR의마모특성을금속볼과고무재료의접촉을통하여고찰하였다. 하지만, 이러한연구는밀봉대상물이물과같은유체가아니고재료의특성에초점을맞추고있어서물을밀봉하기위한씨일의밀봉성능을파악하기에는부족함이있었다. 대표적인수밀시스템인세탁기의경우일조식전자 동세탁기는전세계적으로 2014년기준연간 7,000만대이상양산되고있으나 [7], 베어링, 씨일, 클러치, 모터, 플라스틱부품등과관련된세탁기부품의기술은아직도연구되고개선되어야할부분이많이남아있다. 특히, Fig. 1과같이세탁기하단부에장착되는씨일 (seal) 은세탁및탈수과정에서클러치 / 모터축이회전할때수조의물이베어링 / 클러치측으로누수되지않도록밀봉하는중요한기능성부품으로밀봉성능이저하되면수분이베어링과클러치에침투하여부식을발생시키므로세탁기의수명에직접적인영향을줄수있다. 세탁수조의세제와물의누수를방지하는씨일의수명은형상디자인뿐만아니라적용고무재질의종류, 윤활작용을위하여씨일립 (seal lip) 사이에도포하는그리이스 (grease), 상대부표면거칠기등의여러가지인자들에의해서영향을받게된다. 본연구에서는세탁에서사용하는분말세제를이용하여세탁과정을가속화할수있는시험모드를제안하고실제로전자동세탁기에적용되고있는씨일을이용하여물을밀봉하기위해갖추어야할고무재질의특성을고찰하였다. 2-1. 시험편 일반적으로세탁기용씨일은 Fig. 2에서나타난것과같이밀봉을위해 3~4개의립 (lip) 이축과접촉하며고무재질의점탄성성질을보완하여축편심에대한추종성을확보하기위해 1~2개의가터스프링 (garter spring) 을가지고있다. 본연구에서사용된시험편은전자동세탁기에실제적용되고있는 Fig. 2와같은씨일제품을 3가지종류의고무재료를이용하여제작되었다. 적용된고무재질은밀봉장치의재료로가장널리사용되는 NBR로서니트릴고무의함량은유사하지만, 충진재의경우시편 A에서는다량의실리카와소량의카본블랙, 시편 B에서는유사한비율의실리카와카본블랙, 시편 C에서는다량의카본블랙과극소량의실리카를이용하여 3가지의재료를배합하였다. 충진재의크기는실리카는약 20~100 µm, 카본블랙은약 5~10 µm의분포를가진다. Table 1은본연구에사용된 NBR 재료의기본물성을나타낸것이다. 사용된시편의모든립사이에는수세성이우수한 Fig. 2. Assembly of rotary lip seal with shaft in washing machines. Table 1. Basic properties of rubber materials Classification A B C 100% modulus (MPa) 2.8 3.8 6.7 Elongation (%) 366 451 239 Tensile strength (MPa) 14.3 12.5 15.0 Hardness (Shore A) 65 70 80 Compression set (%) (100 o C 70 hr) 15 19 14 Vol. 31, No. 3, June, 2015
104 김태형 Table 2. Test conditions for sealing performance Shaft eccentricity Housing eccentricity Rotating speed Temperature Water level Detergent Dust Duration time 0.2 mm T.I.R. 0.2 mm T.I.R. 2,000 rpm Room temperature Fully submerged Synthetic detergent power 15% wt. JIS grade #8 2% wt. 168 hrs (7 days) Test cycle 바륨계그리이스를체적의약 60~80% 정도로충진하여사용하였다. 2-2. 시험방법세탁기는세탁, 헹굼및탈수과정을기본으로하여대략 1 사이클이 50~60분에걸쳐이루어진다. 세탁과헹굼과정은약 120~150 rpm으로양방향회전하며, 탈수과정은 1,200 rpm으로한방향으로회전하게된다. 실제세탁용액속에는용해되지않은세제의입자와세탁물에서발생한외부먼지가혼합되어밀봉성능에영향을미칠수있다. Table 2는본연구에서진행된시험조건으로서회전속도뿐만아니라제품장착시발생하는편심및밀봉대상물을, 현실보다는훨씬가혹한환경을구현하여단시간내에각씨일들의밀봉성능을평가하고자하였다. 세탁기수조와축의베어링사이에서원심력, 관성및초기조립공차에의한편심이씨일의밀봉거동에주는영향을고찰하기위하여씨일을하우징에조립할때와회전축을장착할때에의도적으로각각 0.2 mm 의편심을부과하였다. Fig. 3. Schematic diagram of the test apparatus. 밀봉성능을평가하였다. 시험시교반모터에부착된프로펠러를이용하여액체를지속적으로교반시킴으로서과포화액체가특정지점에퇴적되는것을방지하였다. 3. 결과및고찰 3-1. 밀봉시험결과및마모량분석 Fig. 4는밀봉시험후씨일을분해하여각각의립 2-3. 시험장치 Fig. 3은본연구에사용된시험장치의개략도를나타낸것이다. 실제와동일한치수의하우징에씨일을조립하고회전축에장착한다음물과먼지, 합성세제가과포화혼합된액체를씨일이완전침수될때까지수조에채운다음모터로회전축을회전시켜씨일의 Fig. 4. Photographs of grease status on the lips of rotary lip seals after sealing performance test. J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., 31(3) 2015
세탁기용고무회전씨일의밀봉성능에관한연구 105 사이에도포된그리이스의변색및외부이물침입정도와누수여부를관찰한사진이다. 시편 A는밀봉기능을하지못하고누수가발생하였으며세탁액이도포된그리이스전체와혼입되면서그리이스가검게변색되었다. 시편 B와 C는누수는발생하지않아시험시간동안씨일이밀봉기능을할수있었던것으로판단되지만, Fig. 4에나타난것처럼시편 B의경우는 4개의립중에서일정부분세탁액이침투하였으나최종립을관통하지못하여누수가발생하지않은것으로생각된다. 반면에시편 C의경우는최초립은제외한나머지부분에서는그리이스의오염이관찰되지않고거의초기색상을그대로유지하였고누수또한발생하지않았다. 누수와씨일의마모형태의상관성을확인하기위하여시편의각각의립에대해서마모량을 Fig. 5와같이비교하였다. 밀봉시험후마모가발생한시편의형상을형상측정기를이용하여축방향으로측정하고측정된형상을원래단면과중첩시켜마모가발생하였거나영구변형 된형상및면적을측정한후면적을씨일의회전중심축으로회전시켜마모체적을계산하였다. Fig. 5에서나타난것과같이세종류의시험편에서각각의립에대해마모량은큰차이를보였으며, 마모량이크게발생할수록밀봉성능은저하되는것으로나타났다. 특히, 과포화세탁액에혼합된세제입자와인공먼지입자를 1차로거르는역할을하는립 1과고무재료의탄성복원능력을보완하도록스프링이장착되어있는립 2는밀봉에서가장중요한역할을하고있으므로시험편 A의경우립 1과 2에서발생한과대마모가밀봉성능저하의가장중요한이유로추정된다. 시험편 A는다른시험편에비해립 3과 4에서도많은마모가발생하고있는데, 이는립 1과 2의밀봉성능이저하되면서세제입자와인공먼지입자가그부분까지도침투하여마모를야기한것으로생각된다. 립 3과립 4는립두께가길고얇기때문에접촉력이낮아마모량이다른립에비해크게나타나지는않았으나, 접촉시변형이크게발생하는형상으로장시간접촉하여구동함으로써영구변형이발생하였다. 영구변형이큰재료의경우장기적으로밀봉에필요한립의접촉력을감소시켜밀봉성능을저하시키게되므로특히유동성이좋고점성이매우낮은물과같은유체를밀봉하게될때는절대적으로불리해진다. 따라서, 시험편 A의경우영구변형과함께마모량도크게발생하였으므로물과같은저점성유체가지속적으로유동하고있는위치에서는밀봉재료로서적합하지않은것으로판단된다. Fig. 5. Wear volume comparison of the sealing lips for each specimen. 3-2. 마모면의미시적관찰전자주사현미경을이용하여본시험에사용된시험편 A, B, C에대하여밀봉시험전과후의표면을 Fig. 6과같이관찰하였다. 시험전시편의표면을촬영한사진에서나타난바와같이고무를배합할때투입되는충진재의입자크기가시험편에따라현격한차이를보였다. 시험편 A 의표면에서는약 50~100 µm 크기의입자들이다수충진되어있으며, 큰입자는고무재료사이에제대로분산되지않고외부하중에의해쉽게탈락될수있는형상을가지고있다. 반면에, 시험편 B에서는 10~20 µm의입자들이표면에산재되어있고시험편 C에서는충진입자가거의 10 µm이하의크기를가지고있으며표면에산재된빈 Vol. 31, No. 3, June, 2015
106 김태형 것으로 판단된다. 3-3. 탄성 회복율 Fig. 6. SEM photographs on the surfaces of specimens before and after sealing performance test. 도 또한 매우 적게 나타났다. 밀봉 시험이 완료된 이후의 마모면 표면을 관찰한 결과 시험편 A의 경우 100 µm 정도의 큰 충진 입자 들이 탈락하면서 깊게 패인 자국을 남기게 되고, 그 주변의 가황 결합된 고무까지도 쉽게 마모되게 됨으로 마모면이 윤활이 되지 않은 면과 같이 매우 거칠게 나 타난다. 하지만, 매우 작은 직경의 충진 입자로 배합된 시험 편 B와 C는 밀봉 시험이 진행되었음에도 불구하고 큰 입자의 탈락 등으로 인한 과대 마모는 발생하지 않고 매끄러운 마모면을 보이고 있으며 상대적으로 경도가 낮은 고무표면에는 과포화 세탁용액 속에 포함되어 있 는 용해되지 않은 세제입자 및 인공먼지에 의한 연삭 마모가 관찰되었다. 또한, 시험편 B의 경우 충진된 입자가 탈락한 흔적 이 시험편 C에 비해 상대적으로 크게 나타나고 있으 며 이는 재료배합 시 사용된 충진된 입자의 크기가 시 험편 C에 비해 크고 표면에 분포되어 있는 빈도도 많 기 때문에 이러한 현상이 발생한 것으로 생각된다. 따라서 Fig. 6에서 관찰된 것과 같이 충진된 입자들 의 크기는 마모량과 마모형태에 큰 영향을 주고 있는 J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., 31(3) 2015 고무 회전 씨일은 일반적으로 고무 재질과 축의 간 섭량에 의한 접촉 압력과 밀봉을 위해 립이 가져야 할 적합한 각도 및 립과 축의 접촉면에 적용된 윤활유의 성능 등에 의해서 밀봉 기능을 수행하게 된다. 오일을 밀봉하는 경우는 밀봉대상물인 오일이 접촉 면까지 침투하여 윤활작용을 하게 되지만, 물을 밀봉 하는 경우는 물이 접촉면까지 침입하지 못하도록 립 표면에 그리이스 도포와 같은 적절한 윤활막을 의도적 으로 형성시키고 유지시켜 주어야 한다. 하지만, 접촉면에 윤활막이 적절하게 유지되어 있고 설계적으로 씨일의 립이 밀봉에 적합한 각도를 가지고 있다 할지라도 Fig. 7에서와 같이 축의 편심량에 의해 서 립은 반경 방향으로 간섭량이 변경될 뿐만 아니라 축 방향으로도 미끄럼이 발생하게 되므로 초기에 예측 한 접촉 형상과 상이한 접촉 형태가 발생하고 마모량 이 증대되어 누수가 발생할 수 있다. 특히, 고무와 같이 점탄성을 가지는 재료에 하중에 의한 변형이 가해진 경우 하중이 제거되더라도 재료가 초기 상태로 회복하는 데는 위상차(phase difference)가 발생하게 된다. 하중이 반복적으로 작용할 경우 하중 작용 주기가 고무가 회복할 때 걸리는 위상차보다 빠 르다면 원래 상태로 완전히 회복하지 못하는 현상이 나타난다. 조립 공차 및 지지부 유격 등으로 발생할 수 있는 축의 편심으로 씨일에서는 고속으로 회전하는 축이 축 Fig. 7. Lip sliding of seals caused by shaft-to-seal eccentricity.
세탁기용고무회전씨일의밀봉성능에관한연구 107 Fig. 8. Elastic recovery ratio of the specimens after removing the normal load for IRHD. 과접촉하고있는립을매우빠른주기로반복변형을가하게되므로고무재료가원상회복을하지못하고밀봉에적합한접촉형상을유지하기어렵게된다. 따라서, 축및조립상의편심이클경우에는고무재료가편심에의해발생한변형을가능한한빨리탄성회복하여밀봉에적합한접촉형상을지속적으로유지하는것이밀봉성능에매우중요한요소로작용한다. 재료의탄성회복특성을정량적으로측정하기위하여 Fig. 8과같이시험편 A, B, C에대해서 IRHD (International Rubber Hardness Degree) 경도를측정하고하중이제거된다음재료가시간에따라회복되는탄성회복율을측정하였다. 본실험에서측정된 IRHD 경도의값은시험편 A, B, C에대하여각각 62.7, 70.0, 79.5를기록하였다. Fig. 8에서볼수있듯이, 15초가넘어서면세종류의시험편모두탄성회복율이 98% 를넘어서면서거의초기상태를회복하게된다. 하지만, 하중이제거된직후탄성회복율은시험편 A는약 94% 인반면에시험편 B와 C는 97% 이상을기록하였다. 초기탄성회복율이우수한시험편 B와 C가축의편심에대한대응성이우수할것으로판단되어상대적으로우수한밀봉성능을가지는것으로판단된다. 탄성회복력을이해하기위한다른방법으로써 tan δ를측정하였다. tan δ는점탄성재질의탄성모듈러스와점성모듈러스의비를나타낸것으로클수록감쇠능력이우수하고적을수록탄성회복력이우수하다는것을의미한다. Fig. 9. Change of tan δ value for the specimens with respect to frequency. tan δ는 Fig. 9에서와같이 0.01 Hz에서부터 100 Hz까지 10 Hz 간격으로상온에서측정을실시하였다. 주파수가높아짐에따라시험편 A의 tan δ가현격하게증가하는반면, 시험편 B와 C는상대적으로주파수전체영역에서비교적일정하게나타나고있다. tan δ 측정결과에서도탄성회복율과같이편심에대한추종능력은시험편 B와 C가 A보다우수한것으로판단되었다. 재료의배합상태와관련하여생각할때재료배합시충진입자의크기를조밀하게할수록탄성회복율이좋아지며축의편심이크게발생하는장소의밀봉재료로서더적합할것으로생각된다. 4. 결론 세탁기용고무회전씨일의밀봉성능에대한연구를충진입자의크기가각각다른세종류의 NBR을배합하여과포화세제와인공먼지의혼합물을밀봉대상물로이용하여진행하였다. 충진입자의크기가 50~100 µm인시험편의경우충진입자가탈락하면서깊은마모흔을형성하고주변의고무도탈락시키면서마모가과대하게발생하여밀봉대상물을충분히밀봉하지못하였다. 반면에충진입자가 10~20 µm 이하의크기를가지는두종류의시험편에서는마모량이크지않고매끄러운마모면을형성하였으며밀봉대상물의입자에의한연삭마모가발생하였으나, 밀봉성능은매우우수한것으로나타났다. 충진입자의크기가조밀한두종류의시험편은그렇지않은시험편에비해높은탄성회복율을가지므 Vol. 31, No. 3, June, 2015
108 김태형 로축의과대한편심에더용이하게대응할수있어서우수한밀봉성능을가지는것으로판단되었다. 또한, 이러한효과는 tan δ 측정결과를비교해볼때도동일하게나타났다. 충진입자의크기가큰시험편은 tan δ의값이 10 Hz이상의주파수영역에서부터크게나타남에따라축의편심에대한추종성능은상대적으로 tan δ의값이낮게측정되는다른두종류의시험편에비하여밀봉성능은미흡할것으로생각된다. References [1] Muller, H. K., Nau, B. S., Fluid Sealing Technology, Chap. 6, pp.73-94, Marcel Dekker, Inc., 1998.(ISBN 0-8247-9969-0) [2] Modifi, M., Kassfeldt, E., Prakash, B., Tribological Behaviour of an Elastomer Aged in Different Oils, Tribology International, Vol. 41, pp. 860-866, 2008. [3] Jia, X., Jung, S., Hass, W., Salant, R. F., Numerical Simulation and Experimental Study of Shaft Pumping by Laser Structured Shafts with Rotary Lip Seals, Tribology International, Vol. 44, pp. 651-659, 2011. [4] Xu, F., Yoshimura, K., Mizuta, H., Experimental Study on Friction Properties of Rubber Material : Influence of Surface Roughness on Sliding Friction, Procedia Engineering, Vol. 68, pp. 19-23, 2013. [5] Ayala, H. M., Hart, D. P., Yeh, O. C., Boyce, M. C., Wear of Elastomeric Seals in Abrasive Slurries, Wear, Vol. 220, pp. 9-21, 1998. [6] Degrange, J. M., Thomine, M., Kapsa, Ph., Pelletier, J. M., Chazeau, L., Vigier, G., Dudragne, G., Guerbe, L., Influence of Viscoelasticity on the Tribological Behaviour of Carbon Black filled Nitrile Rubber(NBR) for Lip Seal Application, Wear, Vol. 259, pp. 864-692, 2005. [7] QY Research Reports, Global and China Washing Machines Industry 2014 Market Research Report, 2014. J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., 31(3) 2015