[논문]응력완화와 립 시일의 성능의 관계에 대한 연구

유명호; 이택성

응력완화와 립 시일의 성능의 관계에 대한 연구
A Study on the Relationship between Stress Relaxation and Performance of a Lip Seal 원문보기

A lip seal is widely used not only to prevent leakage of fluids from an actuator or a rotating shaft but also to exclude outside substances. Recently, TPU(Thermoplastic Polyurethane), which is one of the sealing materials, has been frequently used due to its excellent mechanical properties and wear resistance. The material constants for finite element analysis through the experiment on stress relaxation are presented. The reaction forces of a shaft as well as the contact pressures of a lip seal under condition before and after stress relaxation using finite element analysis were obtained, The results show that stress relaxation has not a little effect on the performance of a lip seal.

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문제 정의

본 연구에서 응력 완화가 립시일의 성능에 미치는 영향을 보기 위해 시일 재료 중 내마모성과기계적 성질이 우수하여 최근에 시일의 재료로 점차 사용빈도가 증가하는 TPU 에 대하여 응력완화시험을 하고 유한요소해석에 적용할 재료 상수를 추출하였다. 그리고 외부 이물질 유입에 대한 밀봉성능을 확인하기 위해 유한요소해석을 통하여 응력완화 전과 응력 완화 후의 시일립의 접촉압력 (contact pressure)과 축(shaft)의 반력을 계산하고 비교 분석하였다.

가설 설정

3) 시일의 최대 접촉 압력의 감소율은 재료의 응력 완화율이상의 값이 된다.

제안 방법

그리고 외부 이물질 유입에 대한 밀봉성능을 확인하기 위해 유한요소해석을 통하여 응력완화 전과 응력 완화 후의 시일립의 접촉압력 (contact pressure)과 축(shaft)의 반력을 계산하고 비교 분석하였다.
본 연구에서는 립시일 재료인 TPU 에 대한 응력완화 시험을 하고 이를 바탕으로 유한요소해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
5mm 이 동 시켜 립 시일을 강체인 홈 안으로 밀어넣도록 설정하였다. 시일의 소재인 TPU는 변형체(deformable body)로 하고, 하단의 강체인 축(shaft)은 축 길이에수직한 방향으로 주립과 0.8mm, 보조립 0.3mm 의 간섭량을 갖도록 이동시켜 해석하였다.
실제 시일 조립 상태를 유한 요소해석의 경계조건으로 재현하기 위하여 강체(rigid body)로 설정된 밀판(pushing plate)을 축길이 방향으로 6.5mm 이 동 시켜 립 시일을 강체인 홈 안으로 밀어넣도록 설정하였다. 시일의 소재인 TPU는 변형체(deformable body)로 하고, 하단의 강체인 축(shaft)은 축 길이에수직한 방향으로 주립과 0.
2와 같이 인장시험기, 레이저 변위 측정장치(laser extensometer), 데이터 저장장치로 구성하였다. 응력 완화시험 (stress relaxation test) 시험속도는 lOOtnm/min 이며, 상온에서 7, 2어)sec (22℃ X 2Hr) 동안 진행하였고 시험기의 로드셀(load cell)의 용량은 L000N 이며 시험시편의 표선거리를 20mm 로 하였다. 표선의 변위를 측정하기 위하여 MTS 사의 비접촉 레이저 변위 측정장치가 사용되었으며 시험방법은 ASTMD412 규격을 따랐다.
유한요소 모델의 요소망의 요소 수는 4228 개, 절점수는 8720개 이다. 해석을 위한 재료 물성치는 Table 3의 재료상수를 TPU 부분에 적용하였고 각각 응력 완화가 발생하기 전과 응력완화가 발생한 후의 2가지 경우로 해석하였다. TPU 와 축(shaft) 간 마찰계수는 0.

대상 데이터

립시일의 전체적인 치수는 현재 산업 현장에서 사용 중인 시일을 참고하여 설정하였다.
본 연구에서 사용한 재질은 Table 1과 같은 물리적인 특성을 보이며 (주)에스제이테크에서 현재 시일 양산에 적용하고 있다. 시편은 양산의 성형조건과 유사한 판상의 상태로 사출성형기로 제조하였으며 시편의 두께는 1.
8mm이다. 성형된 판상 재료에서 절단 칼을 이용하여 Fig. 1과 같이 ASTMD412 규격의 시편을 절취하였다.
양산에 적용하고 있다. 시편은 양산의 성형조건과 유사한 판상의 상태로 사출성형기로 제조하였으며 시편의 두께는 1.8mm이다. 성형된 판상 재료에서 절단 칼을 이용하여 Fig.
응력 완화시험 장치는 Fig. 2와 같이 인장시험기, 레이저 변위 측정장치(laser extensometer), 데이터 저장장치로 구성하였다. 응력 완화시험 (stress relaxation test) 시험속도는 lOOtnm/min 이며, 상온에서 7, 2어)sec (22℃ X 2Hr) 동안 진행하였고 시험기의 로드셀(load cell)의 용량은 L000N 이며 시험시편의 표선거리를 20mm 로 하였다.

이론/모형

재료상수는 Fig. 4의 응력-변형 데이터를 이용하여 최소자승법(least square method)으로 구할 수 있으며, 본 연구에서는 MARC mentat8를 이용하여 응력완화 전과 후에 대하여 각각 Table 3과 같이 결정하였다.
7과 같이 2차원 축대칭 요소(2D axisymmetric element)를사용하였다. 적용된 요소(element)는 MSC MARC 의 full- Hermann formulation quad 82를 사용하였고, 자동요소 생성기능을 이용하여 요소망을 생성하였다. 립 시일에서 비교적 큰 변형이 발생하는 주립 (main lip)과 보조립(sub lip)은 절점 간격 0.
응력 완화시험 (stress relaxation test) 시험속도는 lOOtnm/min 이며, 상온에서 7, 2어)sec (22℃ X 2Hr) 동안 진행하였고 시험기의 로드셀(load cell)의 용량은 L000N 이며 시험시편의 표선거리를 20mm 로 하였다. 표선의 변위를 측정하기 위하여 MTS 사의 비접촉 레이저 변위 측정장치가 사용되었으며 시험방법은 ASTMD412 규격을 따랐다.

성능/효과

1) TPU 재료는 변형 후 초기 500초 이내에 급격한 응력 완화를 보이며 이후 완만하고 직선적인 응력 감소 특성이 나타난다. 이런 특성은 변형률 수준에 관계없이 나타난다.
2) 재료의 응력 완화는 시일의 밀봉 성능 지표인 시일과 축 사이의 최대 접촉 압력을 감소시킨다.
따라서 재질의 응력 완화 현상은 립 시일 설계 시 반드시 고려되어야 할 사항임을 확인하였다.
응력 완화 시험 결과인 Fig. 3에서 보는 바와 같이 4가지 각각의 다른 변형률 상태에서 모두 유사한 완화 현상을 보였다. 응력이 급격하게 떨어지는 구간은 시험 시작 초기부터 약 500sec까지 이며 이후부터는 직선에 가깝고 기울기가 완만한 안정된 완화 경향을 보이고 있다.
522MPa 이다. 즉 재료의 응력 완화에 따라 최대 등가 응력은 32.4% 감소하고 축접촉부의 등가응력은 31.9% 감소한다.

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