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문제 정의
- 본 연구는 발전용 축계에 사용되는 결합용 커플링 볼트의 체결과정에서 발생되는 구조적인 특성에 대하여 연구를 수행하였다. 유한요소법을 사용하여 기본적인 설계 기준을 파악하였고, 조립하중과 형상변수에 따라 비선형 접촉 해석을 수행하여, 이를 통해 형상변수와 체결하중에 따른 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 커플링 볼트의 형상변수와 체결하중에 따른 구조적 특성을 연구하고자 한다.
제안 방법
- (1) 국산화를 위해 기존 커플링 볼트를 역설계 하여 체결과정 및 체결원리를 확인하였다.
- (2) 체결하중의 선정기준 조사를 통해 기본 설계 기준 확보하였다. 볼트는 최소 단면을 기준으로 하여, 항복 응력의 70%의 수준으로 최종 체결 하는 것으로 확인하였다.
- (3) 1차, 2차 조립하중의 형상 변수에 관한 영향을 평가하였다. 너트와 플랜지 사이의 접촉압력을 증가시키기 위해선 2차 체결압력을 증가시켜야 함을 알 수 있었다.
- (4) 볼트의 형상변수에 따른 영향을 평가하였다. 슬리브와 플랜지 사이의 접촉압력을 키우려면 ‘틈새 간격’과 ‘슬리브의 두께’를 작게 해야 한다.
- 1차 조립하중을 고정하고, 2차 조립하중을 변화시켜 해석을 수행하였다. 부품별 접촉압력에 대한 변화를 Fig.
- 1차 조립하중을 변화시키고, 2차 조립하중을 고정하여 해석을 수행하였다. 부품별 접촉압력에 대한 변화를 Fig.
- 1차, 2차 체결압력과 틈새를 고정하고, 슬리브와 볼트의 각도 변화에 대하여 해석을 수행하였다. 부품별 접촉압력 변화를 Fig.
- 1차, 2차 체결하중과 틈새를 고정하고, 슬리브 두께와 볼트 직경의 변화에 대하여 해석을 수행 하였다. 부품별 접촉압력 변화를 Fig.
- 1차, 2차 체결하중을 고정한 후 슬리브와 플랜지 홀의 틈새 간격을 변화시켜 해석을 수행하였다. 부품별 접촉압력에 대한 변화를 Fig.
- 체결시 볼트와 슬리브는 서로 접촉에 의해 마찰이 발생하므로, 유한요소해석을 이용하여 정확한 접촉계산을 위해선 접촉시의 마찰계수가 요구된다. 그러므로, 실험을 통해 마찰계수를 결정하였다.
- 먼저, 슬리브와 볼트의 접촉면에서 마찰계수를 구하는 실험을 먼저 실시하였으며, 유한요소법을 이용하여 역설계를 한 후, 제품 매뉴얼에서 권장 하는 1차, 2차 체결 하중의 선정기준을 규명하였다. 그리고 체결 시 부품의 접촉압력에 대한 부분을 분석하고, 각 부품의 형상에 따른 접촉압력에 대한 영향을 평가하였다. 연구에 사용된 모델은 발전소에서 실제 운용중인 볼트를 적용하였다.
- 볼트와 슬리브를 결합하고 슬리브의 두께가 두꺼운 방향을 아래로 하여 만능 시험기에 장착하였다. 기계 제어는 만능시험기를 통해서 1톤 하중 간격으로 제어 하여 최대 50톤까지 압입 하중을 가하고, 슬리브의 변형률은 스트레인 게이지로 3군데 지점에서 측정하였다.
- 먼저, 슬리브와 볼트의 접촉면에서 마찰계수를 구하는 실험을 먼저 실시하였으며, 유한요소법을 이용하여 역설계를 한 후, 제품 매뉴얼에서 권장 하는 1차, 2차 체결 하중의 선정기준을 규명하였다. 그리고 체결 시 부품의 접촉압력에 대한 부분을 분석하고, 각 부품의 형상에 따른 접촉압력에 대한 영향을 평가하였다.
- 볼트가 압입될 때 슬리브의 원주 응력을 측정하고, 계산된 원주 응력과 비교하였다.
- 본 연구는 발전용 축계에 사용되는 결합용 커플링 볼트의 체결과정에서 발생되는 구조적인 특성에 대하여 연구를 수행하였다. 유한요소법을 사용하여 기본적인 설계 기준을 파악하였고, 조립하중과 형상변수에 따라 비선형 접촉 해석을 수행하여, 이를 통해 형상변수와 체결하중에 따른 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 유압식 커플링 볼트는 기울기를 가진 슬리브에 같은 기울기를 가진 볼트를 압입하여 팽창하중과 복원하중으로 결합하는 방식이며, 1단계인 슬리브 팽창 단계와 2단계인 볼트 인장 단계로 행하여진다. 커플링 볼트에 관한 형상변수와 체결하중에 따른 구조적인 특성을 평가하기 위해서 유한요소해석을 수행하였으며, 접촉압력과 응력분포를 확인하였다.
- 슬리브는 최소한의 팽창량을 최소 압입기준으로 하였고, 최대 압입 기준으로 원주 방향 응력의 항복조건을 고려하였다. 틈새는 슬리브와 플랜지 구멍 사이 틈새 간격이 클수록 슬리브의 응력이 커지기 때문에 원주 방향 응력의 항복조건을 고려하여 최대 틈새 간격을 조사하고, 적정 틈새의 범위를 확인하였다. 위 3가지를 종합하여 1차 최소 체결력, 1차 최대 체결력, 2차 체결력, 최대 틈새 등 설계 데이터를 결정할 수 있었다.
- 하나의 플랜지 구멍에서 볼트 및 슬리브가 체결이 될 경우에는 해석 모델이 축대칭 형상이므로 2차원 축대칭 모델을 사용하였으며, 부품끼리 접촉하는 부위에는 마찰계수와 접촉조건을 적용하여 비선형 접촉해석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 모델은 현재 발전소에서 실제 운용중인 커플링 볼트를 적용하였다. 일반적으로 볼트는 토크나 볼트 신장량 또는 너트의 회전각도에 의하여 체결되고 있다.
- 그리고 체결 시 부품의 접촉압력에 대한 부분을 분석하고, 각 부품의 형상에 따른 접촉압력에 대한 영향을 평가하였다. 연구에 사용된 모델은 발전소에서 실제 운용중인 볼트를 적용하였다.
성능/효과
- 토크 체결이고 발전용일 경우에는 일반적으로 항복강도의 약 85% 이하로 체결되어진다. (9) 커플링 볼트는 일반적인 볼트와는 달리 기울기를 가지고 있으며, 내부의 중공부분이 있어, 위치별로 단면적이 동일하지가 않다. 이러한 형상은 기준 단면을 선정을 해야만 기본설계를 할 수가 있다.
- 8에 나타내었다. 1차 조립하중이 커질수록 플랜지 구멍과 접촉되는 면에서의 슬리브와 플랜지의 접촉압력이 커짐을 알 수 있었다. 볼트의 압입이 증가되고, 이로 인한 슬리브가 팽창이 되어서 접촉압력이 커지기 때문이다.
- 9에 나타내었다. 2차 조립하중이 커질수록 플랜지 구멍과 접촉되는 면에서의 슬리브와 플랜지의 접촉압력이 적어졌으며, 너트에서 발생된 접촉압력은 상대적으로 커짐을 알수 있었다.
- 12에 나타내었다. 각도가 커질수록 슬리브와 플랜지의 접촉압력은 상대적으로 적어짐을 알 수 있었다.
- 또한, ‘슬리브의 내부 각도’가 커지면 슬리브가 두꺼워지고, 볼트가 가늘어져 슬리브의 접촉압력이 낮아진다. 따라서 최대한 각도를 줄일 필요가 있음을 확인하였다.
- 11에 나타 내었다. 슬리브 두께가 두꺼울수록 슬리브와 플랜지의 접촉압력은 상대적으로 적어짐을 알 수있었다. 이는 슬리브가 두꺼울수록 슬리브 외부 면의 팽창이 상대적으로 줄어들었기 때문이다.
- 실선이 실험값이고 점선이 계산 값이다. 실험값과 계산 값을 비교한 결과, 마찰계수가 0.1 근처일 때, 실험과 계산이 가장 유사함을 확인하였다. 이 마찰계수를 사용하여 Table 2를 기준으로 가압하중은 구하면 최소 9.
- 틈새는 슬리브와 플랜지 구멍 사이 틈새 간격이 클수록 슬리브의 응력이 커지기 때문에 원주 방향 응력의 항복조건을 고려하여 최대 틈새 간격을 조사하고, 적정 틈새의 범위를 확인하였다. 위 3가지를 종합하여 1차 최소 체결력, 1차 최대 체결력, 2차 체결력, 최대 틈새 등 설계 데이터를 결정할 수 있었다.
- 볼트는 2차 체결단계에서 가장 많은 인장이 발생된다. 이 때 Fig. 3의 단면 A에서 최소 단면적을 가짐을 알 수 있으며, 응력집중을 고려하지 않고 평균응력만을 고려하였을 경우, 항복하중의 약 70%가 되도록 2차 체결하중을 가하고 있음을 확인하였다.
- 10에 나타내었다. 틈새 간격이 커질수록 슬리브와 플랜지의 접촉압력이 낮아짐을 알 수 있었다. 이는 슬리브의 팽창이 일정하더라도 틈새가 커졌기 때문에 상대적으로 적은 억지끼움상태가 되기 때문이다.
- 7(b)는 2차 체결하중을 가한 후 너트를 체결하고, 체결하중을 제거한 후의 최종 체결된 상태의 응력분포를 보여준다. 플랜지와 너트에서 응력이 발생되어진 것을 확인할 수 있었으며, 슬리브 및 슬리브와 접촉된 부위에서의 응력들은 1차 체결 에서 보여진 응력분포보다 응력이 낮아짐을 알 수 있었다.
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