KR20020006518A

KR20020006518A - 텐션을 가하는 유압 너트

Info

Publication number: KR20020006518A
Application number: KR1020017010982A
Authority: KR
Inventors: 존 웬트워드 버크넬
Original assignee: 존 웬트워드 버크넬
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2002-01-19
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: AUPP890599A0; ES2377494T3; US20040165963A1; US7140824B2; CN1344193A; EP1163086A4; CA2365284A1; CN1136079C; CA2365284C; JP2002538389A; ATE539850T1; JP4659218B2; EP1163086A1; WO2000051791A1; EP1163086B1; KR100700120B1

Abstract

스터드 볼트(19) 위의 너트(21)용 유압 텐션 제공 시스템(25)은 상기 스터드 볼트(19)에 결합된 풀러 바(35)와 풀러 버디(37) 및 상기 너트(20) 주위의 브릿지(38)를 갖는다. 풀러 바(35)는 내측으로 스터드 볼트(19)에 결합되고, 풀러 버디(37)는 외측으로 스터드 볼트(19)에 결합된다. (그리고 텐션이 작용되기 전에 너트(20)에 결합될 수도 있다.) 너트(20)는 원뿔형 내측면(23a)을 갖는 상보 관계의 칼라 혹은 셀(23)과 상호 작용하는 원뿔형 너트(21) 및 구형 베이스 와셔(25)를 포함할 수 있다.

Description

텐션을 가하는 유압 너트 {TENSIONING HYDRAULIC NUTS}

유압 너트가 공지되어 있다. 본 출원인에게 허여된 호주 특허번호 제625495호(AU-B-25403/88)의 명세서는 이러한 너트를 개시하고 있다. 이러한 너트는 다양한 분야, 예를 들면, 터빈 케이싱 조립체에에서 그 용용예를 찾을 수 있다.

통상 발전 산업의 터빈 케이싱은, 그 내에서 터빈 로터가 동작하는 고유의 대칭 셀을 형성하도록 축방향으로 연결되는 2개의 반쪽부재로 되어 있다. 케이싱 사이의 결합은 그 내에서 가압된 증기의 작용에 의해 형성되는 큰 분리력에 저항하기에 충분한 힘으로써, 그리고 누설 및 케이싱의 찌그러짐을 방지하도록 큰 견고성을 가지고 고정되어야만 한다. 증기 터빈은 필연적으로 고온에서 동작하며, 따라서, 볼트에 사용된 소재의 성질은 이러한 환경하에서 크립(천천히 진행되는 이완현상)에 저항할 수 있어야만 한다. 이 것은 특히 열처리된 고강도 합금 고정구의 사용을 배제시키게 되고, 취해지는 공학적인 해결책은 감소된 거리(reducedseparation)(볼트 피치)에서 큰 단면적을 갖는 스터드 볼트를 사용하는 것이다. 상술한 감소된 거리는 볼트 주위로 작동 공간이 매우 작다는 것을 의미한다. 이 것은 부재에 요구되는 인장 부하를 제공하기 위해 필요한 높은 토크를 작용시키는데 문제를 일으킨다. 따라서, 대부분의 터빈 제조업자들은 케이싱 볼트에 인장력을 부여하기 위해 개별 스터드를 열에 의해 신장시키고 그에 따른 수축을 실행하는 것을 권해왔다. 이 것은 시간 소비량에서 볼 때 값비싼 방법이고, 또한 고정구의 강도에 손상을 주는 결과를 갖게 된다.

발전 설비 회사들로부터 터빈 제조업자에게는 이 분야에 사용된 방법들에 대한 개선을 요구하는 많은 압력이 있어 왔다. 예를 들면 원자력 발전소에서는, 기준 발전기(baseline generator)의 "공급 중단(outage)"이 하루에도 아주 큰 양에 이를 수 있다. 성능 개선에 대한 경제적인 이유가 있다. 설비 회사들은 영구적으로 설치된 유압 고정구들이 스터드 볼트에 대해 힘을 작용시키는 이상적인 방법이라고 하는 견해를 가지고 있다. 그러나, 제조업자 및 규제 단체의 승인을 필요로하는 이러한 장치를 최상으로 적합하게 하기 위해 필요한 설계 변경이 있을 수 있어서, 큰 설계 변경없이 유압에 의한 인장력 부여를 계속 허용하는 중간 단계가 고안되었다. 이상적으로는, 적용 후 제거되고, 스터트 볼트 자체의 교환을 필요로 하지 않는 툴과 같은 그러한 장치를 사용하게 된다.

본 발명은 고정구(fastener)에 텐션(tension)을 가하기 위한 유압 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이 시스템에 의해 텐션을 받는 너트, 이 시스템에 사용되는 툴, 와셔 및 다른 유형의 구조물 및 부대장치(accessories)와 관련된 것이다.

본 발명을 바람직한 실시예를 이용하고, 하기에 설명된 도면을 참조하는 다음의 상세한 설명에서 보다 상세히 기술될 것이다:

도 1은 스터드 볼트 위의 너트에 텐션을 가하는 종래 기술에 따른 방법을 도시한 도.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 너트의 수평 및 수직 단면도.

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 종류의 너트에 설치된 유압 텐션 제공장치의 수직 단면도.

도 5는 도 4의 상세도.

도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 또 다른 유압 텐션 제공장치의 수직 단면도, 평면도, 단면 상세도.

도 9는 본 발명에 따른 와셔의 일 실시예를 도시한 도.

도 10 내지 도 12는 본 발명에 사용되는 와셔의 변형 실시예를 도시한 도.

도 13 내지 도 16은 본 발명에 따른 와셔의 또 다른 실시예를 도시한 도.

도 17 내지 도 18은 본 발명에 따른 텐션 제공 시스템에 사용된 너트를 회전시키기 위한 메커니즘의 상세도.

도 19 내지 도 27은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한 도

도 28은 텐션 제공 수단 및 스터드 볼트 사이의 커플링의 일 실시에를 도시한 수직 단면도.

도 29는 커플링의 제2 실시예를 도시한 유사도.

도 30은 커플링의 제3 실시예를 도시한 유사도.

도 31은 도 30의 풀러 바의 수직 측면도.

도 32는 커플링의 제4 실시예를 도시한 수직 단면도.

도 33은 커플링의 나사의 확대 단면도.

도 34는 도 33의 커플링의 응력 집중을 보여주는 단면도.

발전 산업용 고온 유압 너트의 개발에서 얻어진 다음의 경험으로부터, 본 출원인은 예를 들면 터빈 케이싱을 고정하는데 사용되는 고정구와 같이 제한된 작동기하구조(working geometries)를 제공하는 환경에 적용된 텐션 제공 고정구의 본질적인 문제에 대한 해결책을 제안한다.

본 발명의 목적은 상술한 문제들에 대한 하나 이상의 개선책 및 개발책을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 바람직한 목적은 매우 한정된 공간에서 높은 인장력을 작용시킬 수 있는 유압식 볼트 텐션 제공장치 및 그 부대장치를 생산하는 것이다. 다양한 다른 바람직한 목적 및 구체적인 장점들은 이후에 명확하게 드러날 것이다.

명세서 전반에 걸쳐, 용어 "스터드 볼트"는 볼트 및 다른 고정구들을 포함할 것이다.

제1 특징으로서, 본 발명은 너트에 결합된 스터드 볼트에 적용하기 위한 유압 텐션 제공장치에 있어서,

상기 스터드 볼트에 내측 나사에서 결합하는 풀러 바;

상기 스터드 볼트의 외측 나사 및 상기 풀러 바에 결합하는 풀러 버디;

상기 스터드 볼트에 텐션을 가하기 위해 너트 주위에 및/혹은 위로 그리고 상기 풀러 바에 반하여 브릿지에 의해 동작하는 유압 수단을 포함하는 유압 텐션 제공장치를 제공한다.

본 발명의 제2 특징은 너트에 결합되고 기계 부품으로부터 연장된 스터드 볼트 혹은 그 유사체용 유압 텐션 제공 장치에 있어서,

상기 스터드 볼트의 일단의 내측 나사에 결합되는 풀러 바;

상기 부품 혹은 기계에 결합 가능하고 상기 너트 주위로 및/혹은 위로 연장된 브릿지; 및

상기 풀러 바와 상기 브릿지 사이에서 상기 부품 혹은 기계로부터 멀어지는 방향으로 상기 스터드 볼트의 상기 일단을 당겨서 상기 풀러 바가 상기 스터드 볼트에 텐션을 제공하도록 작동 가능한 유압 수단을 포함하는 유압 텐션 제공장치에 있다.

유압 텐션 제공장치는 상기 스터드 볼트의 상기 일단의 외측 나사에 결합 가능하고, 상기 풀러 바에 결합 가능한 풀러 버디를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사는 직경에 있어 계단형상으로 되어 있고, 상기 풀러 바는 상보 관계의 계단형상으로 된 외측 나사를 갖는 나사 단부를 갖는 것이 바람직하다.

변형예로서, 상기 스터드 볼트의 내측 나사는 대략 원뿔형 혹은 테이퍼형이고, 상기 풀러 바는 상보 관계의 대략 원뿔형 혹은 테이퍼형 외측 나사를 갖는 나사 단부를 갖는 것이 바람직하다.

상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사 및 상기 풀러 바의 상기 일단의 상기 외측 나사는 테이퍼형 버트리스 나사인 것이 바람직하다.

상기 버트리스 나사의 어깨부는 (상기 스터드 볼트 및 풀러 바의 수평 축선에 수직으로) 대략 10°의 각도로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 피치는 상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사의 피치보다 큰 것이 바람직하다.

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 상기 피치는 상기 스터드 볼트의 짝이 되는 나사의 피치의 100.1% 내지 100.5%인 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 특징은 상술한 유형의 유압 텐션 제공장치용 커플링에 있어서,

상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사 및 상기 풀러 바의 상기 일단의 상기 외측 나사는 테이퍼형 버트리스 나사인 유압 텐션 제공장치용 커플링에 있다.

버트리스 나사의 어깨부는 (상기 스터드 볼트 및 풀러 바의 공통 축선에 수직으로) 대략 10°의 각도로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 상기 피치는 상기 스터드 볼트의 짝이 되는 나사의 피치의 100.1% 내지 100.5% 인 것이 바람직하다.

버트리스 유형 나사의 형태는 확장된 나사 루트 반경을 갖는 형태인 것이 바람직하다.

본 발명의 제4 특징에 따르면, 본 발명은 대략 원뿔형 혹은 테이퍼형 주변면을 갖는 너트 바디, 사용시 상기 너트 바디를 수용하기 위하여 상보 관계의 원뿔형 혹은 테이퍼형 리세스(recess)를 갖는 환형 셀을 포함하고, 사용시 상기 너트 바디는 상기 스터드 볼트 위에서 상기 환형 셀의 상기 리세스 내로 나사결합되는 상술한 유압 텐션 제공장치와 함께 동작하는데 적절하도록 된 특정의 속성을 너트에 추가로 제공한다.

본 발명의 제5 특징에 따르면, 본 발명은 상술한 유압 텐션 제공장치용 너트 조립체를 제공하는데, 이 너트 조립체는

대략 원뿔형 혹은 테이퍼형 주변면을 갖는 너트 바디;

사용시 상기 너트 바디를 수용하기 위하여 상보 관계의 원뿔형 혹은 테이퍼형 리세스(recess)를 갖는 환형 칼라 혹은 셀

을 포함하고,

사용시 상기 너트 바디는 상기 스터드 볼트 위에서 상기 환형 칼라 혹은 셀의 상기 리세스 내로 나사결합된다.

이 너트 조립체는 상기 환형 칼라 혹은 셀 위의 상보 관계의 부분 구형 면에 의해 결합될 수 있는 대략적으로 부분 구형인 면을 갖는 베이스 와셔를 추가로 포함하여 상기 베이스 와셔 및 환형 칼라 혹은 셀이 자체 정렬되는 것을 가능하게 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 제6 특징으로서, 상술한 텐션 제공장치 및/혹은 원뿔 너트용으로 이상적으로 적절화된 와셔를 제공하는데, 이 와셔는

상기 와셔의 축선에 대한 횡방향 평면으로부터 경사진 미끄럼 평면에서 서로 결합하는 제1 및 제2 환형 수단; 및

제자리에 있는 동안, 상기 제1 및 제2 환형 수단이 그 사이의 상기 미끄럼 평면 위로 상대적인 미끄럼이 방지되도록 상기 제1 및 제2 환형 수단을 유지하는 제거 가능한 혹은 해제 가능한 수단을 포함한다.

도 1은 상술한 문제를 해결하기 위해 너트 위를 지나는 브릿지를 사용하는 종래 기술을 도시하고 있다. 스터드 볼트(10)는, 회전시키기 위한 적절한 도구와의 결합을 가능하게 하는 구멍을 구비한 너트 회전자(12)에 결합되는(fitted) 너트(11)에 결합된다. 너트(11)위의 유압 조립체(13)는 스터드(10) 상에 나사 결합되고 실린더 부재(15) 내로 연장되는 피스톤 부재(14)와, 그 사이에 팽창실을 두고 팽창실과 함께 동작하는 두 개의 부재(14, 15)를 포함하며, 팽창실내로는 (충전 포트(16)를 통해) 가압된 유압 유체가 채워지며, 당업자에게 잘 공지된 방법으로 참조번호(17)에서 밀봉이 이루어진다. 이러한 유형의 구조체는 상술한 종래 기술의 호주 특허 명세서에서 볼 수 있다. 유압 조립체의 실린더 부재(15)는 너트(11) 위에 위치되어 브릿지(18)에 반해 동작한다. 유압 조립체(13)의 팽창은 조립체를 팽창시키고, 스터드볼트(10)를 인장시켜 너트 회전자(12)가 회전되도록 하여 너트를 단단히 죈다. 너트(11)가 스터드 볼트(10)에 의해 유지되는 부재의 면에 대고 단단히 조여진 후, 유압은 경감되고 유압 조립체(13)는 스터드 볼트(10)로부터 제거될 수 있고, 스터드 볼트는 인장력 하에 남아 있게 된다. 분명히, 적용된 유압 조립체(13)의 크기는 스터드 볼트(10)의 횡방향으로 인접하는 스터드볼트(10) 사이의 공간의 크기 정도로 제한될 것이다.

상술한 종래 기술은 도시된 브릿지(18)를 갖는 너트 위에 설치되고, 브릿지(11)는 그 내의 너트(11)를 회전시키기 위해 접근하는 것을 가능하게 한다. 인접한 스터드(10)와 너트(11) 사이의 공간이 작을 때, 브릿지(18)는 얇은 벽이어야 하고, 동작시 결합면 위에 높은 가압 응력(bearing stress)을 작용시킬 것이라는 것은 분명하다. 실시에 있어서, 너트(11)는 거의 접촉할 정도로 가깝고, 이 것은 또한 스터드 볼트(10)의 간섭과 직경 사이의 가장 가까운 거리는 텐션 제공장치에 큰 환형 영역을 허용하지 않는다는 것을 의미한다. 연장된 스터드 볼트의 사용을 필요로 해왔던 볼트 텐션 제공장치는 상술한 공간 제한을 얻도록 구성되었다. 교환식 결합체로서 사용된다면, 모든 스터드 볼트는 변경되어야만 하고 터빈 절연 커버는 많은 비용을 들여 개조되어야 한다.

상술한 스터드 볼트는 원래 장치와 동일한 강도의 규정에 의한 것이어서, 볼트 텐션 제공장치와의 연결에 있어, 볼트 텐션 제공장치 툴이 더욱 큰 내부 환형 압력 면적을 갖도록 반경이 감소될 수는 없다. 이것은 텐션 제공장치가 다수의 로드 셀(당업자에게 공지된 쌓기식 구조로)과, 로드 셀을 수용하기 위한 보다 긴 스터드 길이를 갖도록 요구된다는 것을 의미한다. 따라서, 이 영역의 다른 이들에 의해 만들어져 결과된 텐션 제공장치는 기계의 변형과 함께 특별한 스터드를 요구하는 큰 품목으로서, 근접하여 사용될 수 없다. 이 것들은 연속된 스터드에 사용할 경우, 심하게 간섭하게 될 것이다.

상술한 점에 대해, 출원인은 여기에 기술된 볼트 텐션 제공장치 및 부재장치를 개발하였고, 이 것들은 터빈 케이싱의 기존의 점면(spotface) 크기 내에서도 비교적 매우 작으면서, 높은 가압력(tensioning force)을 제공하는 형태로 생산 가능하다. 그 결과, 이러한 품목들은 모든 케이싱 볼트에 동시에 사용될 수 있고, 생산성 증가에 큰 몫을 한다. 출원인은 기존의 스터드 볼트(10)에 대해 이들을 본 시스템에 적응시키기 위한 변형을 제안한다. 최상의 실시로서, 출원인은 기존의 너트(11)를 보다 좋은 나사 하중 분포 특성을 갖는 기계적으로 우수한 유형의 너트(21)로 대체하는 것을 제안한다. 다른 특별한 진전사항은 와셔(24)로서, 이 것에 의해 스터드 볼트의 텐션이 경감된다.

아래에 제안된 너트(20)는, 결합된 대략 원뿔형 부재(21) 혹은 그 등가물과, 전형적으로는 구형 베이스 와셔(24) 위에 위치되는 것이 바람직한 칼라형 부재(23)로 된 3개의 부품으로된 조립체일 수도 있다. 바람직한 형태로서(이하 참조), 원뿔형 너트(21)는 그 외경 안쪽으로 절단되어 형성된 기어(22)를 구비하여 가압하는 동안 회전할 수 있다.

도 2 및 도 3에서, 본 발명에 따른 발명내용이 도시되어 있다. 스터드 볼트(19)는 너트 구조체(20)에 적용될 수 있는 외부 나사(19a)를 가질 수 있는데, 이 구조체는 본 발명에 따른 유압 텐션 제공 조립체(25)인 원뿔형 너트(21)를 구비하고 있다. 유압 조립체(25)는 다수의 로드 셀, 예를 들면 본 예에서는 3개의 로드 셀(26, 27, 28)을 포함하고, 로드 셀(26)에 대해서는 도시된 바와 같이 피스톤(29) 및 실린더(30)가 구비되고, 충전 포트(31)가 구비된다. (충전 포트(31)는 매니폴드(32)에 연결된다.) 로드 셀(26, 27, 28)은 앞으로 "풀러바(puller bar)"로 호칭되는 텐션 전달 부재(33) 상에서 바 너트(34)에 대고 상측으로 동작하고, 풀러 바는 로드 셀(26 내지 28)의 중심을 향해 하측으로 나사 단부(36)로 (선택적으로) 연장되며, 나사 단부는 스터드 볼트(19)의 상보 관계의 보어에 나사 결합식으로 결합된다. 풀러 바(33)는 결합면 혹은 어깨부(36)를 가질 수 있는데, 이것은 이후 "풀러 버디(puller buddy)"(37)로 호칭되는 중간 하중 전달 수단과 함께 혹은 거기에 반하여 동작하며, 풀러 버디는 스터드 볼트(19)의 외부 나사(본 예에서)에 나사 결합식 혹은 다른 방법으로 결합된다. 풀러 바(33)와 풀러 버디(37)는 스터드 볼트(19)를 가압하도록 함께 상호작용한다. 유압 조립체(25)는 바람직하게는 브릿지(38)에 의해 원뿔형 너트(21)를 지나 하측으로 연장되고, 브릿지(38)는 셀(23)의 상부에 위치하여 스터드 볼트(19)를 가압하는 과정에서 와셔(24)에 반하여 작용 혹은 동작할 수 있다. 텐션 제공 조립체(25)가 스터드 볼트(19)에 가하는 작용에 의한 스터드 볼트(19) 가압 과정으로부터 결과된 신장부분은 원뿔 너트(21)의 회전에 의해 차지해질 수 있다.

상술한 내용은 높은 인장 하중이 스터드 볼트(19)의 결합 나사(19a)를 손상시킴이 없이, 혹은 각각의 크기에 대해 허용 가능한 점면 크기를 초과하지 않고 작용되어질 수 있게 하는 수단을 설명하고 있다. 설명한 바와 같이 제조된 텐션 제공 조립체(215)는 2" 스터드 볼트에 50 톤/in²의 인장력을 형성할 수 있다. 도시된 장치는 스터드 볼트(19)의 내측 나사(19b)에 풀러 바(33)에 의해 작용된 하중 및, 외측 나사(19a)에 풀러 버디(37)에 의해 작용된 하중이 가압 동작 동안에 결합된개별 나사 사이에 분포될 수 있게 한다. 전달될 수 있는 힘은 상술한 힘을 받는 스터드 볼트(19)의 단면적의 인장 강도에 의해 제한되는 것만으로 될 수 있다. 이 것은 내측 및 외측 나사(19b, 19a)를 통해 작용의 작용점을 조절하여 최대화 될 수 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이 내측 바가 짧고, 스터드 볼트(19)의 전체 두께에서 하중이 가해지면, 전체 하중은 매우 바람직한 방법으로 단면에 걸쳐 분포되어질 수 있다.

도 5는 도 4의 스터드 볼트(19), 풀러 바(33) 및 풀러 버디(37)를 도시하고 있다. 스터드 볼트(19)의 내측 나사(19b)에서의 풀러 바(33)와, 스터드 볼트의 외측 나사(19a)에 대한 풀러 버디(37)의 나사 단부(36)의 나사의 상대적인 크기는 상술한 바와 같이 하중 집중(39, 40)을 형성하도록 배치될 수 있다.

출원인은 본 발명의 바람직한 목적에 따른 또 다른 장치를 개발하였는데, 이것은 풀러/버디 유형의 연결에 의해 보여진 조합이 아닌, 내측 혹은 외측 중 하나의 오직 풀러와 스터드 볼트 사이에서의 나사 결합을 가진다.

출원인은 또한 상술한 바와 같은 원뿔형 너트의 사용에 의존하지 않는 텐션 제공장치의 변형예를 개발하였다. 도시된 바와 같이(하기의 기술을 참조할 것), 육각 너트의 동작 강도는 그 최소 벽 두께에 의해 조절된다. 여기에서의 제안은 육각 너트의 어크로스 플랫 및 어크로스 코너(Across Flat and Across Corner) 크기 차를 이용하여 전체 점면 크기에서 변형된 특수 와셔에 브릿지가 직접 설치될 수 있게 한다. 가압이 완료된 후, 링 너트(Ring Nut)를 결합하기 위해 스터드가 조인트 위로 충분하게 돌출할 수 있어서, 캡 너트(Cap Nut)는 나사를 보호하기 위해 상부에 나사결합될 수 있다.

도 6 내지 도 8은 원뿔형 너트를 사용하지 않는 시스템에 적용된 도 4에 도시된 유형의 조립체를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 스터드 볼트(41)는 풀러(44)와 버디(45)에 의해 스터드(41)에 텐션을 가하는 유압 조립체(43)를 갖는 너트(42)에 결합된다. 조립체(43)는 와셔(48)에 하측으로 작용한다. 조립체는 너트(42)의 가압 및 조이기가 끝난 후 제거되며, 도 8에 도시된 바와 같이, 스터드(41)의 노출된 단부는 보호 캡(도시되지 않음)에 결합된다. 너트(42)는 하중을 지탱하기 충분한 두께로 된 라운드 너트이다. 도 7에는 그 등가물인 육각 너트가 점선으로 도시된 상태의 라운드 너트(42)를 도시하고 있다. 육각 너트 구조물로부터 이격시킴으로써 전체 직경이 절약되어 텐션 제공장치를 스터드 볼트에 작용시킬 때 동작을 위한 보다 큰 공간을 형성할 수 있다.

터빈 텐션 제공 시스템을 위한 전체 유닛의 일부로서, 출원인은 조립체의 일 부품을 절단 및 제거함으로써 고정력(clamp force)이 보다 신속하게 해제된다고 여겨지는 경우에 종종 사용되는 토치 링(torch ring)을 대체하도록 설계된 장치를 개발하였다. 버려지는 부품을 사용하는 것, 그리고 수십억원의 하드웨어 주위로의 그러한 부품의 심한 절삭은 바람직하지 않으므로, 출원인은 자발적으로 해제될 수 있는 "마찰 와셔(51)"의 사용을 제안한다.

도 9는 본 발명에 따른 마찰 와셔를 도시하고 있다. 와셔(51)는 선(54)에서 경사면을 따라 결합되는 2개의 부품 혹은 절반 부재(52, 53)로 되어 있다. 2개의 부품(52, 53)은 구멍(56)내에 있는 볼트(55)와 부품(52)의 나사(도시되지 않음)에의해 제자리에 유지된다. 너트가 해제되면, 볼트(55)는 제거되고 해머를 갖는 탭(tap)은 평면(54)위로의 미끄러짐을 유발하여 텐션을 해제할 수 있다. 마찰 와셔(51)는 조인트에 작용된 압축력에 의해 로딩되고, 2개의 절반부재(52, 53)는 마찰에 의해 함께 유지된다. 유지 볼트 혹은 쐐기(하기 참조) 뒤에 와셔(51)에 상하 요동이 주어지면 미끄러짐이 일어나도록 경사 정도가 선택된다.

상술한 마찰 와셔(51)는 간단하지만 효과적인 장치이며, 그 내에서는 대향하는 면 사이의 마찰력이 볼트 텐션에 의해 하측으로 작용되는 힘의 기능과 함께 와셔를 유지하고 있다. 그 관계가 본질적으로 선형이면, 정확한 미끄럼 평면 각이 이러한 고유 성분들 및 기본 소재의 마찰 계수로부터 결정될 수 있다. 볼트가 텐션을 받고 있을 때, 캡스크류가 조립체를 함께 유지하기에 충분한 힘을 제공하도록 설정이 이루어진다. 캡스크류를 제거하고 고정 마찰력을 이길 정도로 가벼운 타격을 가하면, 와셔는 미끄럼 평면을 따라 분리된다. 와셔의 디자인은 변할 수 있다.

도 10 내지 도 12에는 도 9의 미끄럼 와셔의 변형예가 도시되어 있다. 도 10 및 도 11에서, 2개의 부품은 2 부분의 미끄럼을 가능하게 하기 위해 제거될 수도 있는 키(57, 58) 혹은 소형 쐐기에 의해 유지된다. 도 12에서, 미끄럼 평면은 참조부호(59)에서 계단형상으로 되어, 어깨부를 통해 연장되어 구멍 내로 공급되는 볼트에 의한 쉬운 조립을 가능하게 한다. 높은 인장 하중 하에서 볼트의 제거를 의심하는 사람들에 대해, 이것은 큰 확신을 제공한다. 실시에 있어, 제거시 많은 시간이 절약될 수 있어서, 현재 결정된 시스템의 다른 특징을 사용하지 않는 응용에 있어서 가치를 발휘할 것이다.

도 13은 환형 락킹 링(62)에 결합된 와셔의 평면도를 도시하고 있다. 와셔는 미끄럼 평면에서 만나는 많은 부분들로 형성될 수 있는데, 3개의 경우가 도면에 도시되어 있다. 와셔 및 링이 도 14의 횡방향 단면에 도시되어 있다. 도 14에서, 와셔는 대향된 경사 미끄럼 평면에서 함께 결합하는 부분(61, 63, 64)을 갖는 3개의 부품 구조이다. 락킹 링(62)은 설치 동안 함께 조립체를 유지한다. 락킹 링(62)은 부분들의 교체를 위해 제거될 수 있다. 도 15 및 16에는 3개의 부품 조립체가 도시되어 있고, 여기에 와셔 섹션(67, 68, 69)이 쐐기(65, 66)에 의해 함께 유지되어 있다.

도 17은 스터드 볼트(71) 상의 원뿔형 너트(70)가 브릿지(72) 상의 슬롯(73)을 통해 참조부호(75)와 같은 구멍에 결합된 토미 바(tommy bar;74)에 의해 회전되는 경우를 상세하게 도시하고 있다. 도 18에는 변형예가 도시되어 있다. 도 18에서, 기어(77)가 원뿔형 너트(70)에 결합된 채, 원뿔형 너트(70)는 기어 조립체(76)에 의해 회전되어진다. 기어 조립체(76)는 적절한 드라이버를 참조부호(78)에 작용시켜 회전된다.

도 19 내지 27은 상술한 와셔의 변형예가 도시되어 있는데, 변형예에서 락킹 링(79)은 와셔로서 함께 작용하는 참조부호(80)와 같은 시그멘트를 유지하고 있다. 락킹 링(79)을 제거하면 시그멘트의 유지가 해제되어 하중을 해제한다. 도 21의 부품(81)은 원뿔형 면을 가질 수 있다. 도 27의 부품(83)은 편평면(84)이 형성되어 이 들은 함께 도 25의 조립체를 형성한다.

도 28은 유압 텐션 시스템(125)이 풀러 바(133)/풀러 버디(137) 조합체를 구비한 장치를 도시하고 있는데, 조합체에서, 스터드 볼트는 원뿔형 너트 조립체(120)에 결합되고, 스터드 볼트(119) 위의 외측 나사(119a)의 직경 감소가 없다.

도 29에서, 스터드 볼트(219)의 외측 나사(219a)는 감소된 직경으로 되어 있다.

도 30은 유압 텐션 제공 시스템(325)을 도시하고 있는데, 여기에서 풀러 바(333)는 계단 형상 직경 영역(336a, 336b)(접촉부(335)로부터 멀어지는 방향에서)을 구비하여 스터드 볼트(319)의 계단 형상 보어의 내측 나사(319b)에 결합된다. 풀러 버디(337)는 스터드 볼트의 외측 나사(319a)에 결합된다.

도 33은 (유압 텐션 시스템(425)의) 풀러 바(433)와 스터드 볼트(419) 사이의 보다 바람직한 결합 장치를 도시하고 있는데, (풀러 바(433)의) 나사(436a)와 (스터드 볼트(419)의) 나사(419b)는 도 33에서 확대도로 도시된 바와 같이 (대략) 상보하는 관계의 원뿔형태로 되어 있다.

출원인은 텐션 제공장치/스터드 볼트용의 다양한 나사 연결을 검사하여, 최상의 응력 분포를 갖는 가장 간단한 구성은 이러한 목적으로 특별히 모델화된 10°테이퍼 된 버트리스 나사라는 것을 알게 되었다. 60°테이퍼형 원뿔형 나사는 산업 혁명 이후로 드릴 강과 같은 인장봉(tensile rod)을 위한 연결기구로서 존재해왔다 - 드릴에 사용된 다운홀 해머(downhole hammer)는 암석 분쇄장치의 부품들 처럼 변형된 테이퍼형 버트리스 나사 형태를 가진다. 이러한 유형의 나사를 사용하는 구체적인 장점은 나사형태가 큰 반경방향 쓰러스트 힘을 생성하지 않기 때문에,이완, 급속 시동 및 얇은 벽 부재를 사용하는 것에 대한 저항을 할 수 있다는 것이다. 출원인은 풀러(스터드 볼트에서 상대적으로 3.00 mm) 위의 약간의 오버피치(증가된 나사 피치)(예를 들면, 3.005mm)를 가지며 나사에 거의 완벽한 하중 분포를 제공하는 변형된 버트리스의 사용을 선택하였다. 버트리스 형태의 나사의 어깨부는 풀러 및 볼트 공통 축선에 본질적으로 수직이고, 따라서, 반경방향 쓰러스트를 갖지 않는다.

출원인은 본 출원에 있어 도 33에 도시된 바와 같은 특정의 나사형태를 개발하였다. 이것은 일반 형태에 있어서 공통적으로 보이는 응력집중을 방지하기 위해 매우 낮은 면각과 확장된 루트 반경을 갖는다. 부품에 대해 보다 고른 응력 집중 패턴이 도 34에 도시된 응력 집중 패턴에 대하여 도시되고 있다.

원뿔형 너트 조립체(20)는 다음의 기능을 할 수 있는 가능한 최상의 부품 형상을 얻기 위해 컴퓨터 모델링을 사용하여 개발될 수 있다:

1. 하중이 너트 조립체에 전달될 때 유압 메커니즘에 의해 형성되는 최고 비율의 하중을 보유하고;

2. 표준 너트/볼트 연결에서 보여지는 하중의 집중이 아닌 나사 연결에서의 고른 하중 분포를 제공한다.

이것은 이상적인 처짐 형상 "후 가압(post-tensioning)"을 제공할 크기의 정확한 세팅 "사전 가압(pre-tensioning)"을 결정하기 위해 제공장치의 완전한 작용 싸이클 동안에 부품의 처짐을 모델링함으로써 달성되는 것이 바람직하다. 싸이클 동안 다양한 부분에서 부품의 형상은 분명히 변할 것이며, 설계자는 그 압축된 형상이 고정구의 최적화된 성능을 가능하게 하기 위해 그 것들을 어떤 형상으로 만들지를 알아야만 한다.

"원뿔형 너트" 조립체(20)의 동작은 매우 복잡하다. 유압 펌핑 상태 동안에 제 위치로 조여진 후, 시스템으로부터 압력이 경감되면, 칼라 혹은 원뿔 외측부(33)에 결합된 상면을 놓으면서, 상부 너트부(21)(내부 원뿔면을 갖는)가 먼저 텐션을 받는다. 그 후, 압력 경감이 계속되면, "원뿔 너트" 조립체(20)로 전달되는 하중이 증가하고, 나사의 하측부는 반경방향으로 상측으로 점진적으로 휘어져 칼라의 인접한 테이퍼 면에 접촉된다. 이러한 작용이 효과적으로 나사 접촉 영역 전체에 걸쳐 하중의 집중을 분산시키기고, 따라서, 반경방향 쓰러스트 요소 및 관련된 인장 하중의 손실 및 시스템에서의 볼트 신장을 제한한다.

본 발명이 그 임무와 관련하여 바람직한 장치의 이상적인 경우에 관해 기술되었다. 본 발명의 범주는 실시예 및 여기에 기술된 사용에 제한되는 것은 아니며, 또한 당업계의 통상의 지식을 가진자에게 분명한 넓은 범위의 다른 응용이 가능하다. 몇 가지 예가 그 부품이 인장부재에 의해 유지되는 밸브, 플랜지, 펌프, 압축기, 엔진 및 압력 용기에 대해 가능하다.

Claims

너트에 결합되고 기계 부품으로부터 연장된 스터드 볼트 혹은 그 유사체용 유압 텐션 제공 장치에 있어서,

상기 스터드 볼트의 일단의 내측 나사에 결합되는 풀러 바;

상기 부품 혹은 기계에 결합 가능하고 상기 너트 주위로 및/혹은 위로 연장된 브릿지; 및

상기 풀러 바와 상기 브릿지 사이에서 상기 부품 혹은 기계로부터 멀어지는 방향으로 상기 스터드 볼트의 상기 일단을 당겨서 상기 풀러 바가 상기 스터드 볼트에 텐션을 제공하도록 작동 가능한 유압 수단

을 포함하는 유압 텐션 제공장치.
제1항에 있어서,

상기 스터드 볼트의 상기 일단의 외측 나사에 결합 가능하고, 상기 풀러 바에 결합 가능한 풀러 버디

를 추가로 포함하는 유압 텐션 제공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사는 직경에 있어 계단형상으로 되어 있고, 상기 풀러 바는 상보 관계의 계단형상으로 된 외측 나사를 갖는 나사 단부를 갖는

유압 텐션 제공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스터드 볼트의 내측 나사는 대략 원뿔형 혹은 테이퍼형이고, 상기 풀러 바는 상보 관계의 대략 원뿔형 혹은 테이퍼형 외측 나사를 갖는 나사 단부를 갖는

유압 텐션 제공장치.
제4항에 있어서,

상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사 및 상기 풀러 바의 상기 일단의 상기 외측 나사는 테이퍼형 버트리스 나사인

유압 텐션 제공장치.
제5항에 있어서,

버트리스 나사의 어깨부는 (상기 스터드 볼트 및 풀러 바의 수평 축선에 수직으로) 대략 10°의 각도로 되어 있는

유압 텐션 제공장치.
제6항에 있어서,

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 피치는 상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사의 피치보다 큰

유압 텐션 제공장치.
제7항에 있어서,

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 상기 피치는 상기 스터드 볼트의 짝이 되는 나사의 피치의 100.1% 내지 100.5%인

유압 텐션 제공장치.
제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 따른 유형의 유압 텐션 제공장치용 커플링에 있어서,

상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사 및 상기 풀러 바의 상기 일단의 상기 외측 나사는 테이퍼형 버트리스 나사인

유압 텐션 제공장치용 커플링.
제9항에 있어서,

버트리스 나사의 어깨부는 (상기 스터드 볼트 및 풀러 바의 공통 축선에 수직으로) 대략 10°의 각도로 되어 있는

유압 텐션 제공장치용 커플링.
제10항에 있어서,

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 피치는 상기 스터드 볼트의 상기 내측 나사의 피치보다 큰

유압 텐션 제공장치용 커플링.
제11항에 있어서,

상기 풀러 바의 상기 외측 나사의 상기 피치는 상기 스터드 볼트의 짝이 되는 나사의 피치의 100.1% 내지 100.5%인

유압 텐션 제공장치용 커플링.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 유압 텐션 제공장치용 너트 조립체에 있어서,

대략 원뿔형 혹은 테이퍼형 주변면을 갖는 너트 바디;

사용시 상기 너트 바디를 수용하기 위하여 상보 관계의 원뿔형 혹은 테이퍼형 리세스(recess)를 갖는 환형 칼라 혹은 셀

을 포함하고,

사용시 상기 너트 바디는 상기 스터드 볼트 위에서 상기 환형 칼라 혹은 셀의 상기 리세스 내로 나사결합되는

너트 조립체.
제13항에 있어서,

상기 환형 칼라 혹은 셀 위의 상보 관계의 부분 구형(part-spherical) 면에의해 결합될 수 있는 대략적으로 부분 구형인 면을 갖는 베이스 와셔를 추가로 포함하여 상기 베이스 와셔 및 환형 칼라 혹은 셀이 자체 정렬되는 것을 가능하게 하는

너트 조립체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 텐션 제공장치 및/혹은 제13항 또는 제14항에 따른 너트 조립체용 와셔에 있어서,

상기 와셔의 축선에 대한 횡방향 평면으로부터 경사진 미끄럼 평면에서 서로 결합하는 제1 및 제2 환형 수단; 및

제자리에 있는 동안, 상기 제1 및 제2 환형 수단이 그 사이의 상기 미끄럼 평면 위로 상대적인 미끄럼이 방지되도록 상기 제1 및 제2 환형 수단을 유지하는 제거 가능한 혹은 해제 가능한 수단

을 포함하는 와셔.
너트에 결합된 스터드 볼트에 적용하기 위한 유압 텐션 제공장치에 있어서,

상기 스터드 볼트에 내측 나사에서 결합하는 풀러 바;

상기 스터드 볼트의 외측 나사 및 상기 풀러 바에 결합하는 풀러 버디;

상기 스터드 볼트에 텐션을 가하기 위해 너트 주위에 및/혹은 위로 그리고 상기 풀러 바에 반하여 브릿지에 의해 동작하는 유압 수단

을 포함하는 유압 텐션 제공장치.
제16항에 따른 유압 텐션 제공장치용 너트에 있어서,

대략 원뿔형 혹은 테이퍼형 주변 면을 갖는 너트 바디;

사용시 상기 너트 바디를 수용하기 위하여 상보 관계의 원뿔형 혹은 테이퍼형 리세스(recess)를 갖는 환형 칼라 혹은 셀

을 포함하고,

사용시 상기 너트 바디는 상기 스터드 볼트 위에서 상기 환형 칼라 혹은 셀의 상기 리세스 내로 나사결합되는

너트.
제16항에 따른 텐션 제공장치 및/혹은 제17항에 따른 원뿔 너트용 와셔에 있어서,

상기 와셔의 축선에 대한 횡방향 평면으로부터 경사진 미끄럼 평면에서 서로 결합하는 제1 및 제2 환형 수단; 및

제자리에 있는 동안, 상기 제1 및 제2 환형 수단이 그 사이의 상기 미끄럼 평면 위로 상대적인 미끄럼이 방지되도록 상기 제1 및 제2 환형 수단을 유지하는 제거 가능한 혹은 해제 가능한 수단

을 포함하는 와셔.