본 연구에서는 유한요소해석법을 사용하여 V홈 오링의 밀봉거동과 내구 안전성에 관련된 변형률, 응력, 접촉법선응력 해석결과를 제시하고 있다. 밀봉거동과 내구 안전성에 관한 FEM 해석결과에 의하면, V홈 형상을 갖는 오링에 작용하는 최대변형률, 최대압축응력, 최대접촉법선응력은 기존의 오링에 비해 약 1.2배나 더 높게 나타났다. 이것은 오링이 두 개의 원형을 겹치도록 형성된 중간부에 V홈을 넣었기 때문에 가능한 것으로 판단되고, V홈 오링은 볼밸브, 압력용기, 가스기기의 밀봉을 하는데 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 그리고, V홈 오링에서 가스압력을 높여도 압출에 의한 파손현상이 발생되지 않았는데, 이것은 V홈이 형성되어 있기 때문이다. 따라서, V홈 오링은 기존 오링에 비해 밀봉수명을 연장시킬 수 있다.
본 연구에서는 유한요소해석법을 사용하여 V홈 오링의 밀봉거동과 내구 안전성에 관련된 변형률, 응력, 접촉법선응력 해석결과를 제시하고 있다. 밀봉거동과 내구 안전성에 관한 FEM 해석결과에 의하면, V홈 형상을 갖는 오링에 작용하는 최대변형률, 최대압축응력, 최대접촉법선응력은 기존의 오링에 비해 약 1.2배나 더 높게 나타났다. 이것은 오링이 두 개의 원형을 겹치도록 형성된 중간부에 V홈을 넣었기 때문에 가능한 것으로 판단되고, V홈 오링은 볼밸브, 압력용기, 가스기기의 밀봉을 하는데 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 그리고, V홈 오링에서 가스압력을 높여도 압출에 의한 파손현상이 발생되지 않았는데, 이것은 V홈이 형성되어 있기 때문이다. 따라서, V홈 오링은 기존 오링에 비해 밀봉수명을 연장시킬 수 있다.
This study presents sealing behavior and endurance safety of V-grooved o-rings as functions of a strain, compression stress, and contact normal stress using a FEM technique. The FEM results on the sealing behavior and endurance safety show that the maximum strain, maximum compression stress, and max...
This study presents sealing behavior and endurance safety of V-grooved o-rings as functions of a strain, compression stress, and contact normal stress using a FEM technique. The FEM results on the sealing behavior and endurance safety show that the maximum strain, maximum compression stress, and maximum contact normal stress of V-grooved o-rings are approximately 1.2 times higher than those of conventional solid o-rings. This is why that an o-ring has a V-groove in the center between two overlapped circles, which is very effective in sealing for ball valves, pressure vessels, and gas equipment. And the extrusion failure in V-grooved o-rings does not take place under an increased gas pressure due to a V-groove. This may extend sealing life compared with that of a conventional solid o-ring.
This study presents sealing behavior and endurance safety of V-grooved o-rings as functions of a strain, compression stress, and contact normal stress using a FEM technique. The FEM results on the sealing behavior and endurance safety show that the maximum strain, maximum compression stress, and maximum contact normal stress of V-grooved o-rings are approximately 1.2 times higher than those of conventional solid o-rings. This is why that an o-ring has a V-groove in the center between two overlapped circles, which is very effective in sealing for ball valves, pressure vessels, and gas equipment. And the extrusion failure in V-grooved o-rings does not take place under an increased gas pressure due to a V-groove. This may extend sealing life compared with that of a conventional solid o-ring.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 원형 절단면을 갖는 기존의 오링과 V홈이 형성된 오링에 대한 밀봉거동과 내구 안전성에 관련된 오링의 변형률, 압축응력, 접촉법선응력을 FEM으로 해석하고, 이들 결과를 상대적으로 비교․고찰하고자 한다.
본 연구에서는 기존의 오링이 갖는 문제점을 개선하여 밀봉압력을 더 높이면서, 동시에 밀봉 내구 안전성을 증가시켜보자는 것이다. 즉, 오링 두 개를 겹친 형상의 절단면 중간부에 V홈을 넣어서 제조한 오링 구조물이다.
제안 방법
오링의 한쪽으로부터 공급된 작동가스의 내압은 LPG를 연료로 사용하는 볼밸브, 압력용기, 용기용 밸브, 퀵 커플러 등에서 충전압력으로 사용하는 0.9MPa과 오링의 밀봉성을 확보하기 위해 안전기준으로 설정한 최대밀봉압력 1.8MPa을 각각 사용하여 오링의 변형거동 및 응력거동 특성을 FEM으로 해석하였다.
원형의 절단면을 갖는 오링과 V홈 형상을 갖는 오링의 밀봉거동과 내구 안전성에 관련된 변형률, 압축 응력, 접촉법선응력을 FEM으로 해석하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 오링소재는 탄성거동 안전성이 대단히 우수한 NBR이고, 가격 또한 저렴하기 때문에 취사용, 산업용 등으로 많이 사용되고 있다. NBR 소재를 LPG용 밀봉소재로 사용할 경우는 내액화석유가스 성질을 갖추어야 안전하다고 KGS AA212[5]에 명시 되어 있다.
이론/모형
본 연구에서는 오링의 변형률, 압축응력, 접촉법선응력 등과 같은 밀봉거동과 내구 안전성을 해석하기 위해 FEM 프로그램 MARC[4]를 사용하였고, FEM 해석에 사용된 해석모델은 4절점 축대칭 솔리드 요소이다.
성능/효과
V홈을 갖는 오링에 대한 Figs. 5~7의 해석결과에 의하면, V홈 오링의 밀봉거동과 내구 안전성에 큰 영향을 미치는 것은 기존의 오링처럼 초기 압축률이지만, V형상의 홈도 밀봉성과 내구 안전성을 높이는데 큰 효과가 있는 것으로 나타났다. 결국 V형상의 홈을 갖는 오링이 기존의 오링보다 더 우수한 밀봉특성을 유지 하는 것은 V형상의 홈이 둘로 갈라져서 밀봉접촉을 하기 때문에 밀봉력과 내구수명을 안전하게 확보할 수 있다.
V홈 오링에 충전압력 0.9MPa을 가하였을 때 발생한 최대변형률은 기존 오링에 비해 1.13배, 최대압축 응력은 1.14배, 최대접촉법선응력은 1.37배나 더 높게 나타났다. 이 결과는 V홈 오링이 기존 오링에 비해 밀봉거동과 밀봉 내구 안전성이 더 우수하다는 것을 의미한다.
49MPa은 사각 홈의 상부와 하부의 접촉면에서 대칭적으로 형성되었다. 또한, 충전압력 0.9MPa을 가하였을 때는 3.36MPa의 최대접촉법선응력이 오링의 상하부와 좌측면에 작용하고, 기밀시험압력 1.8MPa을 가하였을 때는 4.27MPa의 최대접촉법선응력이 걸리면서 오링의 가스누출 차단에 필요한 밀봉력은 충분히 확보되었음을 알 수 있다. 또한, Fig.
37배나 더 높게 나타났다. 이 결과는 V홈 오링이 기존 오링에 비해 밀봉거동과 밀봉 내구 안전성이 더 우수하다는 것을 의미한다. 또한, V홈 오링에서는 고압가스의 압력을 높여도 V홈 부근에서 변형거동성이 우수하기 때문에 밀봉간극을 통한 압출현상이 발생하지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오링 두 개를 병렬로 설치할 때 장단점은 무엇인가?
따라서, 볼밸브에 작용하는 가스압력이 높을 경우는 더 높은 밀봉 내구 안전성을 확보하기 위해 두개의 오링을 병렬로 설치한다. 이처럼 오링 두 개를 병렬로 설치하면 누출차단 내구 안전성은 향상되지만, 설치공간은 더 많이 늘어나고, 볼밸브의 무게가 증가되는 문제점이 있다. 더욱이, 오링을 병렬로 두개 또는 그 이상으로 설치해도 고압가스의 작동압력을 더 높여서 사용할 수 있는 것은 아니고, 단지 두개의 오링을 연달아 설치하기 때문에 가스누출에 대한 밀봉 내구 안전성, 즉 내구수명이 향상될 뿐이다.
볼밸브에 작용하는 가스압력이 높을 경우 왜 두개의 오링을 병렬로 설치하는가?
따라서, 볼밸브에 작용하는 가스압력이 높을 경우는 더 높은 밀봉 내구 안전성을 확보하기 위해 두개의 오링을 병렬로 설치한다. 이처럼 오링 두 개를 병렬로 설치하면 누출차단 내구 안전성은 향상되지만, 설치공간은 더 많이 늘어나고, 볼밸브의 무게가 증가되는 문제점이 있다.
V홈 오링은 어떤 구조물인가?
본 연구에서는 기존의 오링이 갖는 문제점을 개선하여 밀봉압력을 더 높이면서, 동시에 밀봉 내구 안전성을 증가시켜보자는 것이다. 즉, 오링 두 개를 겹친 형상의 절단면 중간부에 V홈을 넣어서 제조한 오링 구조물이다. 이러한 V홈 오링은 V홈을 중심으로 좌우측의 두 개 구역에서 밀봉 접촉면을 형성하기 때문에 밀봉력은 더 높아지고, 밀봉 내구 안전성이 향상된 밀봉 메커니즘을 갖게 된다.
참고문헌 (5)
Richter, B., "Perfluoroelastomer O-rings Reduce Risk of Failure", World Pumps, pp.34-36, (1995)
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)
Kim, C. K., "A Study on the Stress Behavior Analysis of O-rings for a LPG Fuelling Nozzle", J. of the KSTLE, Vol. 22, No. 1, pp.23-28, (2006)
MARC, MARC User's Manual Ver. 7.3, MARC Analysis Research Corp., California USA, (1999)
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