[논문]소방용 스프링클러 분기관의 설계 개선 및 제조공정

전병윤; 신상현; 이민철; 서관수; 전만수

소방용 스프링클러 분기관의 설계 개선 및 제조공정
A New Design of Sprinkler Branch Outlet for Fire-Extinguishing Purposes and Its Manufacturing Process 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.20 no.4 = no.64, 2006년, pp.19 - 25

전병윤 (진ENG) , 신상현 (이스텍) , 이민철 (경상대학교 BK21) , 서관수 ((사)경상대 수송기계부품기술혁신센터) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부, 항공기부품기술연구소)

초록
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본 논문에서는 소방용 스프링쿨러 분기관의 새로운 설계와 이의 제조 공정 기술을 제시한다. 기존의 세조각 분기관이 냉간단조 기술의 적용으로 한 조각의 분기관으로 개선되었다. 새로운 분기관의 냉간단조 공정은 강소성 유한요소법에 바탕을 둔 단조시뮬레이션 기술을 이용하여 최적화되었다. 적용연구를 통하여 제안된 시스템이 훨씬 경제적이고 구조적으로 안전함이 입증되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new design of the sprinkler branch outlet for fire-extinguishing purposes is presented together with its manufacturing process. The conventional three-piece design is improved by a new one-piece design with the help of the manufacturing technology of cold forging. The forging process is simulated and optimized by the rigid-plastic finite element method and the design tryouts are thus minimized. It has been shown through its applications that the presented system is much more economical and structurally stronger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 분기관의 새 모델을 제시하고, 이를 제조하기 위한 신공법을 중점적으로 논하고자 한다. 그리고 실제 시공 사례를 제시함으로써 제시된 설계와 관련 부품 제조 기술의 타당성을 검증하고자 한다.
따라서 획기적인 개선책이 절실히 요구되고 있다. 본 논문에서는 분기관의 새 모델을 제시하고, 이를 제조하기 위한 신공법을 중점적으로 논하고자 한다. 그리고 실제 시공 사례를 제시함으로써 제시된 설계와 관련 부품 제조 기술의 타당성을 검증하고자 한다.
본 논문에서는 소방용 복합분기관의 설계 및 제조 기술16)을 제시하였다.
문제는 제조 기술에 있다. 본 논문에서는 품질, 가격, 시공의 용이성 등을 동시에 중족시킬 수 있는 신공법 을 제시한다. 신공법은 파이프의 절단, 윤활처리, 냉간 단조로 이루어져 있다.
그러므로 이 방법의 근본적 개선이 요구되고 있다. 이러한 취지하에 본 논문에서는 1조각 직접접합 형 분기관, 즉 복합분기관을 제안한다.

가설 설정

소재는 비 압축성 , 강소성 , 등방성 경 화(Isotropic hardening) 등의 성 질을 가지고 있고 von Mises 항복이론과 관련 유동법칙을 따르며, 접족면에서 일정전단마 찰법칙을 따른다고 가정한다. 그리고 자중 및 가속도 의 영향은 무시할 정도로 작다고 가정한다.
소재는 비 압축성 , 강소성 , 등방성 경 화(Isotropic hardening) 등의 성 질을 가지고 있고 von Mises 항복이론과 관련 유동법칙을 따르며, 접족면에서 일정전단마 찰법칙을 따른다고 가정한다. 그리고 자중 및 가속도 의 영향은 무시할 정도로 작다고 가정한다.

제안 방법

한편, 압출된 노즐부의 길이는 두께의 영향뿐만 아니라 압출금형의 각도 영향을 비교적 크게 받는다. 그러므로 두께와 압출금형의 각도가 압출된 노즐부의 길 이에 미치는 영향을 조사하기 위하여 다양한 조건 하 에서 유한요소해석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 정리하였다.
본 연구에서 단 조 공정의 설계 시 주요 고려 대상은 하나의 단조 공 정으로 분기관을 성형하는 것이다. 따라서 냉간단조 시, 상하부의 양단의 소성변형 량을 통제하는 기술이 핵심 기술이며, 2차원 및 3차원 단조 시뮬레이션 기술을 활용하여 최적의 조건을 찾았다. 이 목적으로 전술한 이론에 근거한 단조시뮬레이터 AFDEX15)를 사용하였다.
본 논문에서 제안된 복합분기관은 파이프를 냉간단 조 공법으로 성형함으로써 일체형으로 제조되었다는 것이 특징이다. 그 결과, 가격, 품질, 미관, 시공의 용 이성 등 다방면에서 적용사례를 통하여 기존의 방법에 비하여 월등한 경쟁력을 갖추고 있는 것으로 분석되었다.

대상 데이터

본 논문에서 제시하는 단조공정 관련 내용은 Fig. 3의 제품을 대상으로 한 것이다.
본 연구에서 개발한 복합분기관의 재료는 일반배관 용강관(KS D3507)이며, 변형저항식, 유효응력과 유효 변형률의 관계는 o = 61780'25 이다. 그리고 마찰계수 를 0.

이론/모형

4. Simulation result by the two dimensional rigid- plastic finite element method.
분기관은 현재 주문자 요구 제작 방식으로 제조되고 있으며, 종류가 다양하므로 단조 공정의 최적설계 및 시행착오의 최소화는 중요하다. 본 연구에서는 단조 공 정의 효율적 설계를 위하여 단조시뮬레이션 기술(2)을 사용하였다.
따라서 냉간단조 시, 상하부의 양단의 소성변형 량을 통제하는 기술이 핵심 기술이며, 2차원 및 3차원 단조 시뮬레이션 기술을 활용하여 최적의 조건을 찾았다. 이 목적으로 전술한 이론에 근거한 단조시뮬레이터 AFDEX15)를 사용하였다. Fig.

성능/효과

본 논문에서 제안된 복합분기관은 파이프를 냉간단 조 공법으로 성형함으로써 일체형으로 제조되었다는 것이 특징이다. 그 결과, 가격, 품질, 미관, 시공의 용 이성 등 다방면에서 적용사례를 통하여 기존의 방법에 비하여 월등한 경쟁력을 갖추고 있는 것으로 분석되었다. 특히, 대규모의 제조시 원가경쟁력이 월등히 개선 될 것이며, 제안된 분기관의 채택이 점증할 것으로 기 대된다.
기존의 파이프연결형 분기관은 주조품의 기공 및 편 석, 용접 및 체결 부위의 결함 등으로 누수와 파열로 인한 품질 문제가 빈번하게 발생하고 있으나, 본 논문 에서 제시한 제품은 냉간 단조품으로 기존 방식에 비해 강도가 현저히 개선되고 부품의 단순화로 누수 및 파열의 위험으로부터 안정성을 확보할 수 있다.
기존의 분기관은 모두 2조각 또는 3조각으로 이루어져 있고, 체결부는 주조 또는 열간단조 후 후속 기계 가공이 필요하며 시공 시 결합하는데 많은 공수가 필요한 반면, 복합분기관은 스프링클러 헤드의 조립에 필요한 나사가공만을 필요로 한다. 따라서 본 논문에서 제시한 복합분기관은 품질, 재료의 회수율, 시공 및 유 지보수의 용이함, 부품 가격 및 시공비 등 모든 면에서 획기적이다.
기존의 분기관은 소품종 대량생산 방식으로 제조되었기 때문에 사용자의 선택 폭이 매우 좁아 사용자의 특수 상황 을 반영할 수 없음으로 인하여 부실시공으로 연결되는 경우가 많았다. 따라서 본 논문에서 제안한 방법은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 다양한 길이의 분기관을 주문자 요구 방식으로 제조가 가능하며, 단조의 특성상 짧은 시간에 많은 양을 생산할 수 있는 장점이 있다.
본 논문에서 제시한 분기관의 설계 및 제조 기술을 활용하면, 다품종 소량생산이 가능하므로 맞줌형 분기 관의 제조가 가능하다. 즉, 각각의 시설물에 적합한 분 기관의 주문 생산이 가능하다는 장점이 있다.
이 결과에 의하면, 외경이 16.9mm일 경우 금형 각 도는 75도 전후에서 최적의 상태를 나타내는 반면, 추 가적인 금형 각도의 증가에 따라 압출된 노즐부의 길 이가 급격히 줄어들고 80도가 되면 노즐부가 형성되지 않음을 알 수 있다. 따라서 설계 시에 몇 가지 요구조 건들이 상호 연계되어 있으므로 설계요구조건을 중족 시키기 위한 단조 시뮬레이션 기술은 성공적인 복합분 기관 제조공정의 개발과 최적설계를 실시하는데 매우 효과적이며, 특히 고객 주문형 복합분기관의 개발 및 공급을 위하여 필수적인 기술이다.
제안된 방법에서는 스프링클러 헤드의 부착을 위한 나사가공만 필요로 하므로 후가공의 최소화가 이루어졌으며, 이로 인해 재료 수율이 97%에 이르므로 기존 시스템의 재료 수율 80%에 비하면 획기적인 결과이다.

후속연구

1% 이하로 떨어뜨릴 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 파 이프제는 고급 소재이고 단조를 통하여 품질이 일반적으로 개선되므로 기존의 제품에 비하여 품질 수준도 월등히 개선될 것으로 예상된다.
제조원가 측면에서도 매우 유 리하다고 사료된다. 단조는 대량생산이 주목적이지만, 현재 타 방식이 비경제적이기 때문에 다품종 소량생산 으로도 경제성 확보가 가능할 것으로 판단된다.
그 결과, 가격, 품질, 미관, 시공의 용 이성 등 다방면에서 적용사례를 통하여 기존의 방법에 비하여 월등한 경쟁력을 갖추고 있는 것으로 분석되었다. 특히, 대규모의 제조시 원가경쟁력이 월등히 개선 될 것이며, 제안된 분기관의 채택이 점증할 것으로 기 대된다.

참고문헌 (16)

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Banny Forge, http://www.bonneyforge.com
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상세보기
C. C. Chen and S. Kobayashi, 'Rigid-Plastic FEA of Ring Compression, Appl. of Num. Methods to Forming Process', ASME, AMD 28, pp.163-174 (1978)
전만수, 이형일, 연속체역학에서 유한요소법까지, Prentice Hall(2000)
AFDEX, Metal Forming CAE LAb, Gyeongsang National University
S. H. Shin, B. Y. Jun, M. S. Joun, M. C. Lee, and H. K. Moon, Patented Number: 10-2004-0043175

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