Finite Element Analysis of Contact Behavior Characteristics in LPG Filling Unit Depending on Multi-ball/Cylinder Rolling Friction Motions

LPG 충전기에서 다수 볼-실린더의 구름마찰운동에 따라 달라지는 접촉거동특성에 관한 유한요소해석

In this paper, the contact stress and friction force between multi-balls and rolling friction contact surfaces of two cylinders have been presented using a finite element analysis. The multi-balls for a rolling friction motion may be contacted with a reciprocating mechanism of a parallel cylinder and a misaligned cylinder in a LPG filling unit. The FEM computed results indicate that SiC ceramic and SUS 304 balls show a high contact stress and friction force on the contact spot of rolling balls. But the PEEK balls show a low contact stress and friction loss due to a high flexibility of a PEEK polymer. In this study, we may recommend SiC and SUS 304 balls for high compressive loadings between a multi-ball and a cylinder contact mechanisms and PEEK balls for a low compressive force. And the misalignment between two cylinders should be restricted for a low contact stress and friction loss, especially.

본 논문은 다수의 볼과 접촉하는 두개의 실린더 사이에서 발생하는 접촉응력과 마찰력을 유한요소법으로 해석하였다. LPG 충전기는 구름마찰 운동을 위해 다수의 볼이 평행한 두개의 실린더와 경사진 두개의 실린더 레이스에서 구름마찰 운동을 한다. FEM 해석결과에 의하면, SiC 볼과 SUS 304 볼은 주어진 수직하중, 즉 압축력에 대하여 높은 접촉응력과 마찰력 손실을 보여주고 있다. 반면에 PEEK 볼을 두개의 실린더에 대하여 구름마찰 운동을 유지하면, 대단히 낮은 접촉응력과 마찰력 손실을 나타내는 것으로 보아 폴리머 소재의 사용은 저마찰 접촉특성을 잘 구현하고 있다할 수 있다. 여기에 두개의 실린더가 평행하게 구름마찰 접촉운동을 하느냐, 또는 경사진 상태에서 구름마찰 운동을 하느냐에 따라 접촉거동 특성이 크게 달라지므로 특히 두개 실린더 사이의 상대적 경사도는 극도로 억제되어야 우수한 설계가 된다.