[논문]무용접 후렉시블 조인트 개발에 관한 기초연구

오철훈; 박환철; 정지현

doi:10.9726/kspse.2017.21.1.057

무용접 후렉시블 조인트 개발에 관한 기초연구
A Fundamental Study on Development of Non-Welded Flexible Joint 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.21 no.1, 2017년, pp.57 - 62

오철훈 (제주대학교 문화조형디자인전공) , 박환철 (부경대학교 실습선) , 정지현 (제주대학교 기계공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

The flexible joint with bellows and flange is made by welding bellows and flange in general. The welded parts cause a crack or demage in the flexible joint due to continuous vibration and fatigue limit. This paper is concerned with development of flexible joint with non-welded, free rotation of flange and non-packing to improve fatigue failure condition between bellows and flange. The support box and support plate that are components of press part are designed to compress fore-end of bellows only without demage of bellows. The production system of flexible joint is designed with piston attached on the compression side. The simulation is performed using Deform 3D software. As the result of simulation, the shape of compressed bellows was most proper in the compression power of $157kg{\cdot}f$ and any deformation has not occurred at a part besides fore-end. The result show that the production possibility of the designed flexible joint.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 무용접 후렉시블 조인트 개발을 위해 기존 벨로우즈의 선단부(최상단 돌출부)를 압착할 수 있는 공정을 제안한다. 벨로우즈를 손상 입히지 않고 선단부만 압착하기 위해 하부 지지대와 지지판을 설계하고 압축이 시작되는 면에 압축판(피스톤)이 평행 밀착되도록 후렉시블 조인트 제작 시스템을 설계한다.
본 연구에서는 벨로우즈의 피로파괴 조건을 향상시킬 수 있도록 플렌지와 벨로우즈가 무용접으로 연결되고, 360도 자유회전을 갖는 플렌지로 구성되며, 패킹이 필요 없는 후렉시블 조인트 제작을 위한 방법에 대해 연구하였다. 벨로우즈를 손상 입히지 않고 선단부만 압착하기 위해 하부 지지대와 지지판을 설계하였고, 압축면에 피스톤이 평행 밀착되도록 후렉시블 제작 시스템을 설계하였다.

제안 방법

해석 소프트웨어는 벨로우즈의 두께 감소율까지 분석할 수 있는 시뮬레이션 프로그램으로서, 현재 널리 사용되고 있는 상용 소프트웨어인 Deform 3D를 이용하여 FEM(Finite Element Method)을 수행하였다. Deform 3D는 기본적으로 design modeler기능이 없기 때문에 CAD전용 tool인 Autodesk Inventor를 이용하여 후렉시블 조인트 제작 시스템의 형상을 먼저 그리고 난 뒤 Deform 3D상으로 import시켜서 모델링하였다. 대부분의 유한요 소해석에서 절점(node)과 요소(element)의 수가 많아지면 해석시간이 길어지고, 수치적으로 국부적인 에러(error)가 발생하는 경우가 많다.
따라서 본 해석에서 대상이 되는 벨로우즈는 Fig. 5의 가장 상부 그림과 같이 한 축으로 상·하 대칭성을 가지기 때문에 한 축(x 축)을 기준으로 대칭면(symmetry plane)을 설정하여 상측(요소 수 : 200,000개, 메쉬타입 : tetrahedral mesh)만 해석하였다.
벨로우즈가 압착이 되는 부분은 첫 번째 선단부로 압착이 된 후 압착면은 기밀작용을 하는 패킹역할을 한다. 따라서 첫 번째 선단부의 상부면은 요철이 없고 수평하게 모델링하여 해석하였다.
벨로우즈가 압착되는 동안 벨로우즈의 골에 삽입되어 있는 지지판은 지지대 상부에 고정되어 있어야하고 벨로우즈의 압착면 하부와 접촉되기 때문에 지지판의 상부면과 벨로우즈의 압착면 하부를 서로 접촉시키고 지지판과 피스톤의 요소들은 변형을 하지 않기 때문에 강체(rigid body)로 설정하였다. 시뮬레이션은 총 400 스텝(step)으로한 스텝 당 피스톤이 약 1.
본 연구에서는 무용접 후렉시블 조인트 개발을 위해 기존 벨로우즈의 선단부(최상단 돌출부)를 압착할 수 있는 공정을 제안한다. 벨로우즈를 손상 입히지 않고 선단부만 압착하기 위해 하부 지지대와 지지판을 설계하고 압축이 시작되는 면에 압축판(피스톤)이 평행 밀착되도록 후렉시블 조인트 제작 시스템을 설계한다. 설계한 압축시스템을 형상변형 전용 프로그램인 Deform 3D를 이용하여 설계한 공정을 시뮬레이션하고, 변형된 벨로우즈 압착부의 최적형상과 요구되는 피스톤의 적정한 압축력을 찾아보고자 한다.
본 연구에서는 벨로우즈의 피로파괴 조건을 향상시킬 수 있도록 플렌지와 벨로우즈가 무용접으로 연결되고, 360도 자유회전을 갖는 플렌지로 구성되며, 패킹이 필요 없는 후렉시블 조인트 제작을 위한 방법에 대해 연구하였다. 벨로우즈를 손상 입히지 않고 선단부만 압착하기 위해 하부 지지대와 지지판을 설계하였고, 압축면에 피스톤이 평행 밀착되도록 후렉시블 제작 시스템을 설계하였다. 설계한 압축시스템을 Deform 3D를 이용하여 시뮬레이션하고, 변형된 벨로우즈의 최적형상과 요구되는 피스톤의 압축력을 찾아보았다.
5와 같다. 벨로우즈의 기하모델에서는 산이 11개로 많지만 해석시간의 다축을 위해서 실제 압착이 되는 부분인 지지판 상측부와 힘을 받는 부분인 지지판 하측부만 유한요소 모델을 하고 해석하였다. 해석 소프트웨어는 벨로우즈의 두께 감소율까지 분석할 수 있는 시뮬레이션 프로그램으로서, 현재 널리 사용되고 있는 상용 소프트웨어인 Deform 3D를 이용하여 FEM(Finite Element Method)을 수행하였다.
본 연구에서는 여러 형태의 벨로우즈 중에서 선박에서 주로 사용되고 있는 U형 벨로우즈를 선정하고 그 형태에 맞게 무용접 후렉시블 조인트 제작 시스템을 구성하였다. 본 연구에서 제안하는 무용접 후렉시블 조인트 제작 시스템은 Fig. 1과 같이 유압펌프(hydraulic pump), 본체(housing), 압축부(press part) 등의 3부분으로 구성되어 있다. 유압펌프에서 가압된 유체는 펌프상측에 연결된 유압파이프를 통해서 유압실린더로 들어가고, 유압실린더 내부에 있는 피스톤을 가압된 압력으로 밀어 내린다.
본 연구에서는 여러 형태의 벨로우즈 중에서 선박에서 주로 사용되고 있는 U형 벨로우즈를 선정하고 그 형태에 맞게 무용접 후렉시블 조인트 제작 시스템을 구성하였다. 본 연구에서 제안하는 무용접 후렉시블 조인트 제작 시스템은 Fig.
벨로우즈를 손상 입히지 않고 선단부만 압착하기 위해 하부 지지대와 지지판을 설계하였고, 압축면에 피스톤이 평행 밀착되도록 후렉시블 제작 시스템을 설계하였다. 설계한 압축시스템을 Deform 3D를 이용하여 시뮬레이션하고, 변형된 벨로우즈의 최적형상과 요구되는 피스톤의 압축력을 찾아보았다.
벨로우즈를 손상 입히지 않고 선단부만 압착하기 위해 하부 지지대와 지지판을 설계하고 압축이 시작되는 면에 압축판(피스톤)이 평행 밀착되도록 후렉시블 조인트 제작 시스템을 설계한다. 설계한 압축시스템을 형상변형 전용 프로그램인 Deform 3D를 이용하여 설계한 공정을 시뮬레이션하고, 변형된 벨로우즈 압착부의 최적형상과 요구되는 피스톤의 적정한 압축력을 찾아보고자 한다.

이론/모형

벨로우즈의 기하모델에서는 산이 11개로 많지만 해석시간의 다축을 위해서 실제 압착이 되는 부분인 지지판 상측부와 힘을 받는 부분인 지지판 하측부만 유한요소 모델을 하고 해석하였다. 해석 소프트웨어는 벨로우즈의 두께 감소율까지 분석할 수 있는 시뮬레이션 프로그램으로서, 현재 널리 사용되고 있는 상용 소프트웨어인 Deform 3D를 이용하여 FEM(Finite Element Method)을 수행하였다. Deform 3D는 기본적으로 design modeler기능이 없기 때문에 CAD전용 tool인 Autodesk Inventor를 이용하여 후렉시블 조인트 제작 시스템의 형상을 먼저 그리고 난 뒤 Deform 3D상으로 import시켜서 모델링하였다.

성능/효과

그 결과로서 압착된 벨로우즈의 형상이 적절하며 압착된 선단부 이외의 곳에서 변형이 발생되지 않아 설계된 시스템으로 벨로우즈의 선단부만 압착 가능한 것으로 판단된다. 피스톤의 압착력이 157 kg·f인 경우에 벨로우즈의 선단부 상부면과 하부면이 약 2/3 정도 접촉되고, 선단부 산 근처의 내부 간극도 남아 있었다.
선단부 상부면의 압착과정은 상부면 전체가 서서히 수평을 유지하면서 수직방향으로 압착이 되는 것이 아니라 절단이 된 상부면의 내측부가 먼저 수직방향으로 휘어지면서 외측부가 압착이 된다. 따라서 선단부 상부면의 내측부가 선단부 하부면과 접촉되는 180 스텝부터 부하가 요동되기 시작하였고, 선단부의 산 모형이 변형되면서 부하의 증가가 뚜렷하게 나타났다. 선단부 상부면과 선단부 하부면의 접촉 면적이 현격히 넓어지는 230 스텝부터 부하는 급격히 증가하였고, 패킹역할을 할 수 있는 최소한의 간극이 남아 있는 270 스텝에서 157 kg·f을 나타내었다.

후속연구

본 연구결과를 기초로 무용접 후렉시블 조인트 제작 시스템을 개발하고 적용될 유압펌프의 용량 선택과 압착 컨트롤시스템 설계에 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	U형 벨로우즈의 특징은 무엇인가?	또한 강화 링(reinforced ring)의 유무에 따라 비강화 벨로우즈(unreinforced bellows), 강화 벨로우즈(reinforced bellows) 등의 여러 가지 형태로 나눌 수 있다. 그 중 U형 벨로우즈는 뛰어난 신축성과 제작 및 적용의 용이성으로 인해 가장 널리 쓰이고 있다.
	배기 시스템의 후렉시블 조인트의 사용 목적은 무엇인가?	수송 기계용 배기 시스템이나 산업 기계용 배관 시스템 등에서 쓰이고 있는 후렉시블 조인트(flexible joint)는 벨로우즈(belows)와 플렌지(flange)로 구성되어 있으며, 주로 진동, 소음이나 열변형을 흡수할 목적으로 사용되고 있다. 특히 자동차 배기 시스템(exhaust system)에서 후렉시블은 파워 플랜트계 및 엔진 공회전(idle)시 관성력의 불균형이나 토크 변동에 의해 발생되는 진동 및 소음을 저감시키고, 주행 중에 노면으로부터 발생되는 진동을 흡수하여 승차감 향상은 물론 배기 시스템의 내구성을 향상시키는데 사용되고 있다.
	플렌지와 벨로우즈를 용접한 기존의 후렉시블 조인트는 어떤 문제점을 가지고 있는가?	하지만 기존에 사용되고 있는 후렉시블 조인트는 플렌지와 벨로우즈를 용접에 의해 연결시켰다. 따라서 기기의 진동에 취약하여 용접부위의 크랙(crack) 등의 파손이 빈번히 발생하고 있다. 또한 후렉시플 조인트의 플렌지와 고정 플렌지를 연결 할 때 석면패킹이나 구리, 납, 알루미늄 등을 이용한 연질금속패킹을 사용하기 때문에 조립공정이 늘어나며 주기적으로 패킹을 교체해야 하는 번거로움이 있다.

참고문헌 (7)

H. J. Kim, H. S. Kim, J. P. Kim, J. H. Park and M. J. Kim, 2006, "Shape Optimization for Performance Improvement of Ship's U-type bellows", The Korean Society of Ocean Engineers, Vol. 20, No. 6, pp. 123-129.
J. P. Hwang, J. G. Kim and Y. K. Park, 2008, "Study on Dynamic Characteristics of Curved Bellows", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 12, No. 2, pp. 29-34.
Y. Inoue and M. Kikuchi, 2003, "Present and Future Trends of Stainless Steel for Automotive Exhaust System", Shinnitetsu Technical Report, Vol. 378, pp. 55-61.
B. K. Koh and G. J. Park, 1997, "Development of Finite Element Analysis Program and Simplified Formulas of Bellows and Shape Optimization", The Korean Society of Mechanical Engineers(A), Vol. 21, No. 8, pp. 1195-1208.
S. K. Oh, K. K. Lee, C. H. Suh, Y. C. Jung and Y. S. Kim, 2011, "Shape Optimization of Multilayer Bellows by Using Sequential Experimental Design", The Korean Society of Mechanical Engineers(A), Vol. 35, No. 9, pp. 1007-1013.

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B. Y. Kim, and J. H. Jeong, 2014, "Development of an Anti-Seasickness Bed used in Vessel", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 18, No. 4, pp. 112-116.

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B. S. Kim, C. N. Kang and J. H. Jeong, 2014, "A Study on High Efficiency Dryer for Food Waste", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 18, No. 6, pp. 153-158.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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