KR101523781B1 - 파이프 플랜지의 내구성 증대구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파이프 플랜지의 내구성 증대구조를 개시한다. 상기 내구성 증대구조는, 유체를 안내하기 위한 제1 안내공(12a)을 갖는 파이프부(12); 상기 파이프부(12)의 양단부 중 적어도 일단에 구비되고 상기 파이프부(12)의 제1 안내공(12a)과 연통하는 제2 안내공(11b)을 가지며, 둘레를 따라 복수의 체결공(11a)이 형성된 가장자리부(11); 및 상기 파이프부(12)의 해당 단부와 상기 가장자리부(11)의 연결부분의 외측 둘레를 따라 제공되며, 밑변(a)과 수직변(b)은 각각 직선 형태이고 빗변(c)은 가상의 직선형 빗변(c')으로부터 내측으로 함몰된 모양의 오목 곡면인 삼각 단면 형태를 갖는 보강리브(20); 를 포함하며, 상기 보강리브(20)의 빗변(c)은 수직변(b)이 밑변(a)보다 큰 타원형 곡률반경으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 파이프 플랜지의 파이프부와 가장자리부의 연결부분의 내구성(또는 강도)을 향상시킴과 아울러, 볼트나 너트 등과 같은 패스너를 위한 취부 좌면의 후가공을 수반하지 않게 하여 제작원가를 낮출 수 있게 한다.

파이프, 플랜지, 내구성, 증대구조

Description

파이프 플랜지의 내구성 증대구조{Structure of increasing durability of a pipe flange}

본 발명은 굴삭기, 지게차, 휠로더 등의 유압 장비에 관한 것으로, 고압의 작동 오일 등을 안내하는 파이프 단부에 설치되어 파이프간 또는 파이프와 호스를 연결하는 파이프 플랜지의 내구성 증대구조에 관한 것이다.

일반적으로, 파이프와 상대 파이프 또는 호스를 연결할 때는 전문적인 기술을 요하지 않고도 밀봉성을 유지하면서 누구나 손쉽게 파이프와 상대 파이프 또는 호스를 연결할 수 있어 플랜지가 널리 사용되어 오고 있다.

도 1은 일반적인 파이프와 호스가 설치된 굴삭기의 작업기의 일부분을 보여주는 개략 사시도이고, 도 2는 파이프의 개략 사시도이다.

또한, 도 3은 파이프 또는 호스의 양단부에 각각 제공되는 플랜지의 일례를 보여주는 개략 사시도이고, 도 4는 파이프 또는 호스의 양단부에 각각 제공되는 플랜지의 다른 예를 보여주는 개략 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 굴삭기 등과 같은 유압장비 또는 차량에는 고압의 작동 오일 등을 안내하는 다양한 형태의 파이프(1)와 호스(2)가 설치된다. 상기 파 이프(1)와 호스(2)의 양단부에는 상대 파이프 또는 호스와의 연결을 위해 각각 플랜지(10)가 제공된다.

상기 파이프(1)의 양단부의 플랜지(10)는 파이프 본체와 주물 제작을 통해 일체로 만들어지거나, 플랜지(10)만을 별도로 주물 제작 또는 프레스 가공한 후 파이프 본체의 해당부분에 용접을 통해 일체화된다(도 2 참조). 상기 호스(2)의 양단부의 플랜지(10)는 플랜지만을 별도로 주물 제작 또는 프레스 가공한 후 호스(2)의 해당부분에 제공된다(도 1 참조).

상기 플랜지(10)의 가장자리에는 볼트와 너트 등과 같은 패스너를 이용하여 파이프(1)와 상대 파이프 또는 호스를 상호 연결할 수 있도록 다수 개의 체결공(11a)이 형성되어 있다. 상기 플랜지(10)와 상대 플랜지는 상호 대응하는 면에 오일의 누출을 방지하기 위해 팩킹부재(미도시)를 위치시켜 볼트와 너트를 이용하여 상호 체결된다.

또한, 상기 파이프(1) 또는 호스(2)의 각 단부에 제공되는 플랜지(10)에는 내구성 향상을 위해 플랜지의 가장자리부(11)와 파이프부(12)의 연결부분의 외측 모서리를 따라 보강리브(20)가 제공되어 있다(도 3과 도 4 참조).

이러한 보강리브(20)는 보강리브(20)의 끝단이 가장자리부(11)의 체결공(11a)의 간섭을 고려한 곡률반경으로 오목한 형태로 형성되고, 보강리브의 높이(b)와 폭(a)이 동일하여 오목면이 원호형으로 형성되도록 하는 것이 일반적이다. 도 3에는 이러한 일례로 보강리브(20)의 끝단이 체결공(11a)으로부터 멀리 배치되도록 곡률반경을 작게 한 경우가 도시되어 있다. 하지만 이러한 종래기술에 의하면 작은 곡률반경에 의해 보강리브(20)의 두께(폭, a)를 충분히 확보하지 못하여, 보강리브(20) 자체의 허용응력이 낮아 고압의 오일로부터 가해지는 압력 스트레스에 의해 상기 플랜지(10)의 가장자리부(11)와 파이프부(12)의 연결부분에 균열이 발생되었다.

이를 해결하기 위해 도 4에 나타난 바와 같이, 보강리브(20)의 곡률반경을 크게하여 보강리브(20)의 하단 일부가 체결공(11a)를 간섭하도록 구성되는 방법도 종래에 사용되었으나, 이는 보강리브(20)의 강도만 보완하였을 뿐 보강리브(20)의 설치 후 체결공(11a)과 간섭되는 보강리브(20)의 끝단을 제거하는 후처리가 필요하여, 제조공정이 복잡해지고, 제조단가가 상승되는 문제점이 발생되었다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 내구성(또는 강도)을 향상시킴과 아울러, 볼트나 너트 등과 같은 패스너를 위한 취부 좌면의 후가공을 수반하지 않게 하여 제작원가를 최소화할 수 있게 하는 파이프 플랜지의 내구성 증대구조를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 유체를 안내하기 위한 제1 안내공을 갖는 파이프부; 상기 파이프부의 양단부 중 적어도 일단에 구비되고 상기 파이프부의 제1 안내공과 연통하는 제2 안내공을 가지며, 둘레를 따라 복수의 체결공이 형성된 가장자리부; 및 상기 파이프부의 해당 단부와 상기 가장자리부의 연결부분 의 외측 둘레를 따라 제공되며, 밑변(a)과 수직변(b)은 각각 직선 형태이고 빗변(c)은 가상의 직선형 빗변(c')으로부터 내측으로 함몰된 모양의 오목 곡면인 삼각 단면 형태를 갖는 보강리브;를 포함하며, 상기 보강리브의 빗변(c)은 수직변(b)이 밑변(a)보다 큰 타원형 곡률반경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 내구성 증대구조를 제공한다.

또한, 본 발명은 위의 본 발명의 일실시예에 대하여 다음의 구체적인 실시예를 더 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 밑변(a)은 상기 체결공과 상기 파이프부 사이의 거리보다 작고, 상기 수직변(b)은 상기 밑변(a)의 두배보다 작은 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보강리브의 빗변(c)의 함몰깊이(Sd)는 상기 가상의 직선형 빗변(c')과 함몰율(Sr)의 곱으로 정의되고, 상기 함몰율(Sr)은 상기 가상의 직선형 빗변(c')을 상기 밑변(a)를 나눈 값으로 정의되고, 상기 오목 곡면의 곡률반경은 상기 함몰깊이(Sd)가 30%×c'≥Sd ≥5%×c' 을 만족하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 파이프 플랜지의 파이프부와 가장자리부의 연결부분에 응력완화에 매우 유리한 보강리브를 제공하여, 상기 연결부분의 내구성(또는 강도)을 향상시킴과 아울러, 볼트나 너트 등과 같은 패스너를 위한 취부 좌면의 후가공을 수반하지 않게 하여 제작원가를 낮출 수 있게 한다.

이하, 본 발명에 따른 파이프 플랜지의 내구성 증대구조의 실시예와 그 작용을 도 5 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

하기 본 발명에 대한 설명에서 종래 기술의 구성과 동일한 구성요소들에 대해서는 이해의 편의를 위해 종래 기술에서와 같은 동일한 부호를 사용하였다.

본 발명에 따른 파이프 플랜지의 내구성 증대구조는 도 5에 도시된 바와 같이 파이프부(12), 가장자리부(11) 및 보강리브(20)를 포함한다.

여기서, 상기 파이프부(12)는 유체를 안내하기 위한 제1 안내공(12a)을 갖는 구조로 이루어져 있다. 상기 가장자리부(11)는 상기 파이프부(12)의 양단부 중 적어도 일단에 구비되고 상기 파이프부(12)의 제1 안내공(12a)과 연통하는 제2 안내공(11b)을 가지며, 둘레를 따라 복수의 체결공(11a)이 형성되어 있다. 상기 보강리브(20)는 상기 파이프부(12)의 해당 단부와 상기 가장자리부(11)의 연결부분의 외측 둘레를 따라 제공된다.

도 6은 다양한 반경 또는 곡선의 보강리브를 갖는 파이프 플랜지들에 대한 응력해석결과를 보여주는 도면이다.

도 6의 왼쪽 것과 중간 것은 보강리브(20)의 빗변이 원호형인 단일 곡률 반경을 갖는 형태를 보인 종래의 예를 보여준 것으로서, 보강리브(20)의 끝단이 체결공(11a)을 간섭하지 않는 경우 및 체결공(11a)을 간섭하여 후처리가 필요한 경우를 보인 것이다. 한편, 도 6의 최우측의 실시예는 본 발명의 실시예에 따른 보강리브(20)가 설치된 경우를 보인 것으로서, 보강리브(20)의 빗변이 타원 곡선형인 경 우를 나타낸다.

파이프의 구조가 동일한 상태에서, 상기 보강리브(20)의 빗변의 반경이 체결공(11a)를 간섭하지 않는 경우, 상기 파이프부(12)와 상기 가장자리부(11)의 연결부분에 걸린 최대응력은 141.5 MPa이고, 보강리브(20)의 빗변의 반경이 체결공(11a)을 간섭하는 경우 상기 연결부분에 걸린 최대응력은 118.98 MPa로 나타나 곡률반경이 큰 경우 최대응력이 작아짐을 알 수 있다. 하지만, 빗변이 타원 곡선형인 본 발명의 실시예의 경우 상기 연결부분에 걸린 최대응력은 91.66 MPa으로 해석되어 종래의 어떤 경우보다 효과적으로 응력분산효과가 발생된다.

이러한 해석결과는 상기 보강리브(20)의 빗변의 반경이 비교적 큰 경우와, 빗변이 단일 곡률 반경인 경우에서 보다는 타원 곡선형인 경우에서 상기 연결부분에 응력이 더 적게 걸림을 시사한다.

도 7은 파이프 플랜지에 제공되는 보강리브(20)의 형상을 규정할 수 있는 밑변(a)과 수직변(b)의 정의를 보여주는 도면이고, 도 8은 파이프 플랜지의 수직변(b)의 길이와 플랜지에 걸리는 응력 간의 상관관계를 보여주는 그래프이다.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 보강리브(20)의 수직변(b)의 길이가 클 수록 상기 파이프부(12)와 상기 가장자리부(11)의 연결부분에 걸리는 응력은 감소하고 어느 임계값 이상에서는 응력 완화효과가 미미한 수준으로 나타났다. 따라서, 상기 수직변(b)의 길이를 일정범위 내로 한정시킬 경우 응력을 적절히 완화시키고 재료단가를 절감시킬 수 있음을 시사한다.

이에 본 발명은 위와 같은 도 6의 응력해석결과와 도 8의 그래프의 중요 정 보에 기초하여 파이프 플랜지에 대해 다음과 같이 정의하고 상기 파이프부(12)와 상기 가장자리부(11)의 연결부분에 걸리는 응력을 적절히 완화시킬 수 있는 상기 보강리브(20)의 효율적인 형상 범위를 제시하여, 종래에 무분별하게 설계 또는 제작이 행해짐에 따른 제반 문제점들을 일거에 해결하고자 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 보강리브(20)의 밑변(a)과 수직변(b)은 각각 직선 형태이고 빗변(c)은 가상의 직선형 빗변(c')으로부터 내측으로 함몰된 모양의 오목 곡면인 삼각 단면 형태로 정의된다. 이 경우, 상기 보강리브(20)의 빗변은 a<b인 타원형상으로 형성되고, 다시 a는 a_min≤a≤f를 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 f는 상기 가장자리부(11)의 체결공(11a)에 끼워지는 볼트의 조립 좌면의 경계선과 최단거리로 인접한 가상의 거리이며, a_min은 보강리브가 견뎌야 하는 최대응력에 대응되는 길이로 설정된다. 본 실시예에서는 a_min이 2mm로 결정된 예를 보여주고 있다. 이러한 실시예에 의한 실험결과는 표 1에 나타나 있다. 표 1에 의하면(빗면의 곡률반경(R)이 4mm인 경우의 실험결과) 밑변(a)과 수직변(b)의 관계가 2a≤b인 경우 오히려 종래보다 최대응력이 커지는 결과나 나타나게 된다. 따라서, b≤2a의 조건을 만족하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있다.

형상	최대응력
a=1, b=4	112
a=2, b=4	108
a=3, b=4	104

한편, 상기 빗변(c)의 오목 곡면은 절대적인 곡면을 지칭하는 것은 아니며, 따라서 통상의 시력의 범위 내에서 가깝게 볼 경우 패턴이 다양하더라도 전체적으로 오목 곡면인 것은 전부 본 실시예에서 정의한 오목 곡면으로 이해되어야 한다.

상기 보강리브의 구조에 있어서, 상기 보강리브(20)의 빗변(c)이 가상의 직선형 빗변(c')으로부터 내측으로 함몰된 모양의 오목 곡면으로 한정된 이유는 도 9에 도시된 빗변(c)과 아래 표 2의 테스트 결과를 통해 이해될 수 있다.

빗변(c)의 곡률이 R=8mm 인 경우	압력(MPa)	빗변(c)의 형상
a=2, b=8	91.2	오목 곡면
a=2, b=8	95.2	직선형 경사면
a=2, b=8	99.0	볼록 곡면

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 보강리브(20)의 빗변(c)의 곡률 또는 반경이 R=8이면서 밑변(a)과 수직변(b)의 값이 동일한 조건 하에서 파이프 플랜지의 파이프부(12)와 가장자리부(11)의 연결부분에 대해 응력 테스트를 해본 결과, 빗변(c)의 형상이 오목 곡면인 경우가 직선형 경사면 또는 볼록 곡면인 경우에 비해 상기 연결부분에 응력이 작게 걸림을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 파이프 플랜지의 내구성 증대구조는 전술한 바와 같은 기본구성에 다음의 구체적인 실시예로 더 한정되는 형태로 이루어질 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 파이프 플랜지의 내구성 증대구조에 적용되는 보강리브의 오목 곡면 형태의 빗변(c), 가상의 직선형 빗변(c') 및 상기 오목 곡면 형태의 빗변(c)의 함몰깊이(Sd)를 설명한 도면이다. 본 도면에서 빗변(c)의 중앙 함몰깊이(Sd)는 상기 빗변(c)의 최하부 지점으로부터 가상의 직선형 빗변(c')의 대응 지점 간의 최단거리를 정의된다.

일실시예로, 상기 보강리브(20)의 빗변(c)의 함몰율(Sr)은 c'/a (%) 로 정의되고, 상기 보강리브(20)의 함몰깊이(Sd)는 Sr×c'로 정의함으로써 곡률반경을 결정할 수 있다. 이렇게 정의되는 함몰깊이(Sd)는 밑변(a) 및 수직변(b)의 길이와 최대응력의 상관관계를 고려하여 결정되어야 하며, 실험결과 30%≥Sr≥5% 을 만족할 경우 가장 이상적인 결과가 발생된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

도 1은 일반적인 파이프와 호스가 설치된 굴삭기의 작업기의 일부분을 보여주는 개략 사시도.

도 2는 파이프의 개략 사시도.

도 3은 파이프 또는 호스의 양단부에 각각 제공되는 플랜지(R=4mm)의 일례를 보여주는 개략 사시도.

도 4는 파이프 또는 호스의 양단부에 각각 제공되는 플랜지(R=8mm)의 다른 예를 보여주는 개략 사시도.

도 5는 파이프 또는 호스의 양단에 각각 제공되는 플랜지(타원 곡선형)의 또 다른 예를 보여주는 개략 사시도.

도 6은 다양한 반경 또는 곡선의 보강리브를 갖는 파이프 플랜지들에 대한 응력해석결과를 보여주는 도면.

도 7은 파이프 플랜지에 제공되는 보강리브의 밑변(a)과 수직변(b)에 대해 설정한 도면.

도 8은 파이프 플랜지의 수직변(b)의 길이와 플랜지에 걸리는 응력 간의 상관관계를 보여주는 그래프.

도 9는 파이프 플랜지에 제공될 수 있는 보강리브의 빗변의 다양한 형태를 보여주는 도면.

도 10은 본 발명에 따른 파이프 플랜지의 내구성 증대구조에 적용되는 보강리브의 오목 곡면 형태의 빗변(c), 가상의 직선형 빗변(c') 및 상기 오목 곡면 형 태의 빗변(c)의 함몰깊이(Sd)에 대해 설정한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 파이프 2: 호스

10: 플랜지 11a: 체결공

11: 가장자리부 12: 파이프부

20: 보강리브 a: 밑변

b: 수직변 c: 빗변

c': 가상의 직선형 빗변

f: 상기 가장자리부(11)의 체결공(11a)에 끼워지는 볼트의 조립 좌면의 경계선과 최단거리로 인접한 가상의 지점

Claims (3)

1. 유체를 안내하기 위한 제1 안내공(12a)을 갖는 파이프부(12);

   상기 파이프부(12)의 양단부 중 적어도 일단에 구비되고 상기 파이프부(12)의 제1 안내공(12a)과 연통하는 제2 안내공(11b)을 가지며, 둘레를 따라 복수의 체결공(11a)이 형성된 가장자리부(11); 및

   상기 파이프부(12)의 해당 단부와 상기 가장자리부(11)의 연결부분의 외측 둘레를 따라 제공되며, 밑변(a)과 수직변(b)은 각각 직선 형태이고 빗변(c)은 가상의 직선형 빗변(c')으로부터 내측으로 함몰된 모양의 오목 곡면인 삼각 단면 형태를 갖는 보강리브(20); 를 포함하며,

   상기 보강리브(20)의 빗변(c)은 수직변(b)이 밑변(a)보다 큰 타원형 곡률반경으로 형성되고,

   상기 밑변(a)은 상기 체결공(11a)과 상기 파이프부(12) 사이의 거리보다 작고, 상기 수직변(b)은 상기 밑변(a)의 두배보다 작은 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 내구성 증대구조.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보강리브(20)의 빗변(c)의 함몰깊이(Sd)는 상기 가상의 직선형 빗변(c')과 함몰율(Sr)의 곱으로 정의되고,

   상기 함몰율(Sr)은 상기 가상의 직선형 빗변(c')을 상기 밑변(a)를 나눈 값으로 정의되고,

   상기 오목 곡면의 곡률반경은 상기 함몰깊이(Sd)가 30%×c'≥Sd ≥5%×c' 을 만족하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 내구성 증대구조.

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