본 연구에서는 3가지의 서로 다른 단면형상을 갖는 밀봉 링의 변형거동 안정성을 FEM으로 해석하였다. NBR 소재로 제조한 밀봉 링의 변형거동 안정성을 고찰하기 위해 초기 압축률로 25%를 적용하였다. 작동유체의 압력을 최대 $25kgf/cm^2$까지 올렸을 때 발생한 최대변형률, 최대응력, 최대접촉법선응력을 해석하였다. FEM 결과에 의하면, 밀봉 링의 중심부에 빈 공간을 확보한 중공오링과 중공사각링의 최대 변형률은 기존 오링에 비해 높아졌지만, 최대응력과 최대접촉법선응력은 떨어지는 것으로 나타났다. 결국, 밀봉 링이 장수명의 내구 안정성을 확보하기 위해서는 중심부에 빈 공간을 확보하는 것이 권장된다. 그렇지만, 접촉식 밀봉 링의 밀봉 안전성을 확보하기 위해서는 밀봉 링을 하나의 몸체로 설계하는 것이 바람직하다.
본 연구에서는 3가지의 서로 다른 단면형상을 갖는 밀봉 링의 변형거동 안정성을 FEM으로 해석하였다. NBR 소재로 제조한 밀봉 링의 변형거동 안정성을 고찰하기 위해 초기 압축률로 25%를 적용하였다. 작동유체의 압력을 최대 $25kgf/cm^2$까지 올렸을 때 발생한 최대변형률, 최대응력, 최대접촉법선응력을 해석하였다. FEM 결과에 의하면, 밀봉 링의 중심부에 빈 공간을 확보한 중공오링과 중공사각링의 최대 변형률은 기존 오링에 비해 높아졌지만, 최대응력과 최대접촉법선응력은 떨어지는 것으로 나타났다. 결국, 밀봉 링이 장수명의 내구 안정성을 확보하기 위해서는 중심부에 빈 공간을 확보하는 것이 권장된다. 그렇지만, 접촉식 밀봉 링의 밀봉 안전성을 확보하기 위해서는 밀봉 링을 하나의 몸체로 설계하는 것이 바람직하다.
In this study, the deformation behavior stability of sealing rings with three different cross sectional areas has been presented using a FEM technique. To investigate the deformation behavior stability, the initial compression rate of 25% has been applied to the sealing ring, which is molded with a ...
In this study, the deformation behavior stability of sealing rings with three different cross sectional areas has been presented using a FEM technique. To investigate the deformation behavior stability, the initial compression rate of 25% has been applied to the sealing ring, which is molded with a nitrile butadiene rubber. The maximum strain, maximum stress, and maximum contact normal stress have been analyzed for the working fluid pressure of $25kgf/cm^2$. The FEM results show that the maximum strain of a hollow o-ring and a hollow rectangular ring with a hollow space in the center of a sealing ring is higher than that of a conventional o-ring, but the maximum stress and the maximum contact normal stress are low. In these results, the sealing rings with a hollow space in the center of the cross sectional area is recommended to increase an extended endurance stability of sealing rings. But, the solid sealing ring is designed to guarantee the sealing safety of a contact sealing ring.
In this study, the deformation behavior stability of sealing rings with three different cross sectional areas has been presented using a FEM technique. To investigate the deformation behavior stability, the initial compression rate of 25% has been applied to the sealing ring, which is molded with a nitrile butadiene rubber. The maximum strain, maximum stress, and maximum contact normal stress have been analyzed for the working fluid pressure of $25kgf/cm^2$. The FEM results show that the maximum strain of a hollow o-ring and a hollow rectangular ring with a hollow space in the center of a sealing ring is higher than that of a conventional o-ring, but the maximum stress and the maximum contact normal stress are low. In these results, the sealing rings with a hollow space in the center of the cross sectional area is recommended to increase an extended endurance stability of sealing rings. But, the solid sealing ring is designed to guarantee the sealing safety of a contact sealing ring.
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문제 정의
본 논문에서는 서로 다른 접촉 절단면을 갖는 밀봉 링 해석모델 3가지에 대한 변형거동 안정성 및 밀봉성을 FEM으로 해석하였다.
제안 방법
Fig. 2에서는 접촉식 밀봉 링을 사각 홈에 조립할 때의 초기 압축률 25%를 가한 상태에서 3가지의 밀봉 링 해석모델에 대한 변형률 거동특성을 FEM으로 해석하였다.
특히 밀봉 링의 형상변화는 밀봉 구조물과의 접촉조건이 달라지기 때문에 밀봉 링에 작용하는 변형률, 압축응력, 접촉법선응력이 변하게 된다. 따라서 밀봉 링을 사각형상의 홈에 조립하는 과정에 가해지는 초기 압축률과 작동유체의 유동제어 과정에 발생하는 내부압력의 변동에 따라 달라지는 변형거동 안정성과 밀봉성을 밀봉접촉 단면 형상의 설계변수로 설정하여 유한요소법으로 해석하고자 한다.
또한, Fig. 1(c)은 밀봉접촉을 하는 절단면 형상을 중공형상의 중간부에 보강용 바를 추가로 설치한 중공사각링으로 바꾸어 변형거동 안정성과 강도안전성을 함께 확보할 수 있도록 설계하였다.
4의 FEM 해석결과에서 초기 압축률이 증가될수록 최대접촉법선응력은 증가하는 경향을 나타내고 있다. 여기서, 변형거동성이 상대적으로 우수한 중공오링을 나타낸 해석모델 2에서 가장 낮은 밀봉력 해석결과를 제시 하였다. 또한, 탄성변형 거동성이 상대적으로 낮은 오링, 즉 해석모델 1의 경우는 초기 압축률이 8% 이상으로 증가되면서 더 큰 밀봉력을 보여주고 있다.
체크밸브에 설치된 접촉식 오링의 변형거동 안정성과 밀봉성을 고찰하기 위해 Fig. 1에서 제시한 접촉단면적 형상이 다른 3가지 해석모델에 작동유체의 유동압력 5kgf/cm2~25kgf/cm2을 적용하였을 때 각각의 밀봉 링에서 발생한 변형률, 압축응력, 접촉법선응력을 상대적으로 비교하고, 그 결과를 고찰하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 밀봉 링의 소재는 NBR이다. 이 밀봉소재는 상온에서 탄성거동 안정성이 대단히 우수하고, 가격이 저렴하기 때문에 배관이나 밸브 등의 밀봉재로 널리 사용되고 있다.
이론/모형
본 연구에서는 밀봉 링의 변형률, 압축응력, 접촉 법선응력 등과 같은 변형거동 안정성과 밀봉성을 해석하기 위해 FEM 프로그램 MARC[5]를 사용하였고, FEM 해석에 사용된 해석모델은 4절점 축대칭 솔리드 요소이다.
절단면 형상이 서로 다른 3가지의 밀봉 링을 사각 홈에 안전하게 설치할 수 있도록 제작된 홈은 KS규격[4]에 의한 고정용(평면) 오링 홈 치수(P계열)-P22를 따랐으며, 밀봉 링의 밀봉성을 확보하기 위해 적용한 초기 압축률은 25%이다.
성능/효과
중공사각링의 변형거동 안정성을 해석하기 위해 Fig. 2(a) 와 동일한 크기와 형상을 갖는 사각 홈에 조립한 상태에서 초기 압축률 25%를 가하였을 때 변형거동 안정성은 확보되었다. Fig.
71배나 높지만, Fig. 2(b)의 중공오링과는 거의 유사한 탄성거동 안정성을 보여 주고 있으며, 작동유체의 압력이 상승할수록 탄성변형은 더 크게 진행되는 것으로 나타났다.
FEM 해석결과에 의하면, 중심부가 원형단면의 빈공간으로 형성된 중공오링에서 가장 낮은 밀봉성을 나타내고, 중심부에 형성된 빈 공간에 보강용 바를 설치한 중공사각링에서는 중공오링보다 높은 밀봉성을 보여주고 있으며, 원형단면을 갖는 오링에서는 밀봉성을 가장 높게 유지하고 있다.
결국, 밀봉 링의 밀봉성을 높이기 위해서는 초기 압축률을 높이는 것이 바람직하고, 중공오링이나 중공사각링처럼 중심부에 빈 공간을 설치한 밀봉 링은 바람직하지 않은 것으로 나타났다. 다만, 밀봉 링에 가해지는 유체압력이 낮을 경우 밀봉 링의 변형거동 안정성을 높여 내구 밀봉성을 확보하기 위해서는 밀봉용 소재의 고탄성에 밀봉 링의 내부에 변형거동이 가능한 빈 공간을 확보해주는 설계기술이 중요하다.
1에서 제시한 해석모델 3가지에 대해 변형거동 안정성 측면에서 보면, 유체압력이 5kgf/cm2 이하로 낮아지면 중공오링을 대표하는 해석모델 2의 경우가 가장 유연한 것으로 나타났다. 또한, Fig. 1에서 제시한 3가지의 해석모델에 대한 밀봉성을 상대적으로 비교하면, 기존의 오링으로 표현되는 해석모델 1의 경우에서 가장 우수하고, 그다음으로는 해석모델 3인 중공사각링이고, 밀봉성이 가장 취약한 모델은 중공오링인 것으로 나타났다. 이러한 해석결과는 중공오링이나 중공사각 링의 중심부에는 변형거동성을 높이기 위해 빈 공간을 확보하였기 때문이다.
3(a)의 FEM 해석결과에 의하면, 기존의 오링보다는 밀봉 링의 중심부에 빈 공간을 확보한 중공오링이나 중공사각링에서 변형이 잘 일어나고 있음을 알 수 있다. 또한, 작동유체의 압력을 5kgf/cm2 이상으로 높이면, 중공오링이나 중공사각링의 중심부에 형성된빈 공간의 일부에서 변형이 국지적으로 진행되어 변형거동 내구성이 불안정해지는 것으로 예측되었다. 반면에 원형단면을 갖는 기존의 오링에서는 유체압력을 25kgf/cm2 이상으로 높여도 변형거동성은 비례 적으로 줄어들고, 압축강도는 거의 포화상태에 도달하는 것으로 나타났다.
68배나 높아진 변형거동 안정성을 보여 주고 있다. 또한, 중공오링의 변형거동에 따른 압출 파손 현상은 관찰되지 않아 탄성거동 내구 안전성은 크게 향상된 것으로 판단된다. 이것은 중공오링의 중심부에 형성된 빈 공간에 의한 변형거동성이 대단히 크기 때문인 것으로 판단되며, 중공오링의 압축변형은 내경측의 중공부가 비대칭적으로 압축되면서 국부적인 압축응력 증가가 예상된다.
또한, 작동유체의 압력을 5kgf/cm2 이상으로 높이면, 중공오링이나 중공사각링의 중심부에 형성된빈 공간의 일부에서 변형이 국지적으로 진행되어 변형거동 내구성이 불안정해지는 것으로 예측되었다. 반면에 원형단면을 갖는 기존의 오링에서는 유체압력을 25kgf/cm2 이상으로 높여도 변형거동성은 비례 적으로 줄어들고, 압축강도는 거의 포화상태에 도달하는 것으로 나타났다. 이것은 오링의 압축강도가 증가하면서 탄성거동성은 상대적으로 떨어져 오링의 밀봉 내구성은 약화되고, 오링을 장기간 사용하면 시효경화 현상도 함께 진행되어 정상적인 밀봉작용을 하지 못하는 원인으로 작용하게 된다.
3의 FEM 해석결과에서는 밀봉 링의 절단면 현상변화에 따라 변형거동성과 밀봉성이 크게 달라지고 있음을 보여준다. 즉, Fig. 1에서 제시한 해석모델 3가지에 대해 변형거동 안정성 측면에서 보면, 유체압력이 5kgf/cm2 이하로 낮아지면 중공오링을 대표하는 해석모델 2의 경우가 가장 유연한 것으로 나타났다. 또한, Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
체크 밸브는 어디에 널리 사용되는가?
배관과 같은 유체시스템에서 널리 사용하는 체크 밸브(check valve)는 작동유체(기체나 액체)의 이송, 차단, 유동량과 같은 유체의 유동제어를 위해 사용 하는 핵심부품이다. 체크밸브에서 유체의 유동을 제어할 경우 밸브의 내부에서는 순간적으로 발생하는 유체압력이 급상승하기 때문에 내부유체는 연결부나 작동부를 통해 외부로 누설하려 한다.
NBR 소재의 밀봉 링의 특징은?
본 연구에서 사용한 밀봉 링의 소재는 NBR이다. 이 밀봉소재는 상온에서 탄성거동 안정성이 대단히 우수하고, 가격이 저렴하기 때문에 배관이나 밸브 등의 밀봉재로 널리 사용되고 있다. Table 1은 변형 거동 안정성과 밀봉성 해석을 위해 사용한 NBR 소재의 물성치를 제시하고 있다.
체크 밸브란?
배관과 같은 유체시스템에서 널리 사용하는 체크 밸브(check valve)는 작동유체(기체나 액체)의 이송, 차단, 유동량과 같은 유체의 유동제어를 위해 사용 하는 핵심부품이다. 체크밸브에서 유체의 유동을 제어할 경우 밸브의 내부에서는 순간적으로 발생하는 유체압력이 급상승하기 때문에 내부유체는 연결부나 작동부를 통해 외부로 누설하려 한다.
참고문헌 (5)
Kim, C. K., Cho, S. H., and Kim, Y. G., "On the Contact Behavior Analysis and New Design of O-ring Seals", Proceedings of the Second Asia International Conference on Tribology, Oct. 21-24, Jeju Korea, pp.121-122, (2002)
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