[논문]이중범프 공기포일베어링의 성능시험

김영철; 이동현; 김경웅

doi:10.9725/kstle.2009.25.2.108

이중범프 공기포일베어링의 성능시험
Performance Test of Double-Bumped Air Foil Bearings 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.25 no.2, 2009년, pp.108 - 113

김영철 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 이동현 (한국과학기술원 기계항공시스템학부) , 김경웅 (한국과학기술원 기계항공시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a experimental results for the performance evaluation of a double-bumped air foil bearing. The test results of a double-bumped AFB is compared with a single-bumped AFB at a heavily-loaded condition. The diameter of the test bearing is 50 mm, and the axial length is 50 mm. Nominal clearance of the single-bumped AFB is evaluated as $105{\mu}m$, and that of the double-bumped AFB is as $95{\mu}m$. The test of the AFBs are demonstrated at 3 test mode; the load variation mode, the speed variation mode, and start-stop mode. The single-bumped AFB demonstrated a upward load-carrying capacity of 95 N and a downward load-carrying capacity of 130 N at 20,000 rpm. The double-bumped AFB demonstrated a upward load-carrying capacity of 170 N and a downward load-carrying capacity of 170 N at 20,000 rpm. The single-bumped AFB demonstrated a downward lift-off speed of 16,300 rpm at 105 N. The double-bumped AFB demonstrated a downward lift-off speed of 15,400 rpm at 105 N. The start-stop test of the AFBs assure 5,000 cycle endurance life. The test results are compared with the theoretical calculation results. The test and theorectical results show thata double-bump air foil bearing provides a higher load-carrying capacity, stiffness and damping than a single-bump air foil bearing in a heavily-loaded condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

한다. 그리고 단일범프 AI에 대한 성능과 비교하고자 한다.
본 연구에서는 이중범프 AFB의 성능을 확인하기 위해 시험장치를 구성하고, 부하지지능력과 부상 속도를 측정하고자 한다. 그리고 단일범프 AI에 대한 성능과 비교하고자 한다.
이 시험은 정해진 하중을 부가한 상태에서, 회전축을 정해진 회전속도까지 상승-유지-하강을 반복하면서 토크 변동을 측정하는 모드이다. 이상 유무를 확인하면 기동-정지를 반복하게 되면 AFB의 내구성능을 확인할 수 있다.

제안 방법

3은 시험장치 사진을 나타낸 것이다. 고속으로 회전시키면서 동시에 베어링에 정적인 하중을 가할 수 있도록 되어 있고, 이 때의 토크를 측정함으로써 부하특성을 얻을 수 있도록 설계되었다. 스핀들은 최고 60, 000 rpm까지 구동할 수 있다.
3은 흔들림공간(sway space)을 측정하기 위한실험징치 사진이다. 베어링 슬리브의 아래방향과 윗방향으로 하중을 가하면서 베어링의 양쪽 측면에서 저널과의 싱대변위를 측정하였다. Fig.
스핀들은 최고 60, 000 rpm까지 구동할 수 있다. 베어링에 수직 방향으로 최고 30 kg까지 부하를 가할 수 있으며 로드 셀을 통하여 하중을 측정하였다’ 베어링 하우징 하단에 토크바(torque bar)를 설치하여, 저널이 회전하면서 AFB에 전달되는 토크를 로드셀을 통해 측정하였다. 회전속도는 파이버 광센서와 주파수-전압변환기를 이용하여 측정하였다.
부상 속도란 일정한 하중에서 공기윤활상태를 유지하는 최소운전속도로 정의할 수 있다. 실제로 실험을 통해 분명한 공기 윤활 상태를 보이는 운전속도 범위에서의 평균토크치의 200%를 넘어서게 되는 회전속도를 그 하중에서의 부상 속도라고 평가하기로 한다.
6으로부터 얻은 토크-하중 선도이다. 유체윤활 영역이라고 판단되는 영역에서의 평균 토크가 lONmm 정도로 측정되었으며, 20Nmm을 기준으로 하여 부하 지지능력을 판정하였다. 단일범프 AFBe 하중이 증가할 때 95 N, 하중이 감소할 때 130N으로 측정되었다.
이중범프 AFB의 성능시험장치를 구성하여 성능시험을 수행하였다. 하중 변동 시험을 통해 부하 지지능력을 측정하였으며, 속도 변동 시험을 통해 부상 속도를 측정하였다.
10에서 보는 바와 같이 20 N의 저하중이 작용할 때 단일범프 AFB에 대해 10, 000 rpm까지 기동.정지를 반복하면서 5,000 cycle 내구성능시험을 수행하였다. 기동 및 정지될 때 최대 500 Nmm 정도의 토크가 발생하며, 공기윤활상태로 부상하였을 때 약 15 Nmm 정도의 토크가 발생함을 확인할 수 있다.
수행하였다. 하중 변동 시험을 통해 부하 지지능력을 측정하였으며, 속도 변동 시험을 통해 부상 속도를 측정하였다. 두 베어링에 대하여 20, 000rpm에서 부하 지지능력을 측정한 결과, 단일범프 AFBe 하중이 증가할 때 95 N, 하중이 감소할 때 130N으로 측정되었다.
베어링에 수직 방향으로 최고 30 kg까지 부하를 가할 수 있으며 로드 셀을 통하여 하중을 측정하였다’ 베어링 하우징 하단에 토크바(torque bar)를 설치하여, 저널이 회전하면서 AFB에 전달되는 토크를 로드셀을 통해 측정하였다. 회전속도는 파이버 광센서와 주파수-전압변환기를 이용하여 측정하였다. 측정된 신호들은 DAQ 보드를 통해 컴퓨터에 저장하였다.

대상 데이터

2는 범프의 형상을 나타낸다. 단일범프포일의 반호길이가 0.9mm, 높이가 0.398mni, 두께가 0.06 mm, 피치를 3.076 mm로 제작되었다. 이중범프포일 중 상위범프의 반호길이는 1.
05 mm이다. 범프의 소재는 SUS304로 제작하였으며, 탑포일의 표면을 Teflon 코팅 처리하였다. Fig.
076 mm로 제작되었다. 이중범프포일 중 상위범프의 반호길이는 1.0 mm, 높이가 0.331 mm, 두께가 0.051mm, 피치를 3.001 mm로 제작되었다. 이중범프포일 중 하위범프의 반호길이는 0.
001 mm로 제작되었다. 이중범프포일 중 하위범프의 반호길이는 0.9mm, 높이가 0.297mm, 두께가 0.08mm, 피치를 3.001 mm로 제작되었다. 따라서 단일범프 AFB의 공칭간극은 105로 추정하였으며, 이중범프 AFB의 공칭간극은 96 로 추정하였다.
제작된 AFB는 직경이 50mm, 길이가 50mm, 간극(clearance)이 0.05 mm이다. 범프의 소재는 SUS304로 제작하였으며, 탑포일의 표면을 Teflon 코팅 처리하였다.

성능/효과

5,000 cycle 기동 정지 시험을 통해 내구성을 확보하였다. 결과적으로 이중범프 AFB는 단일범프 AFB에 비해서 고하중을 받을 때 부하 지지능력이 커지게 됨을 실험을 통하여 확인하였다,
정지를 반복하면서 5,000 cycle 내구성능시험을 수행하였다. 기동 및 정지될 때 최대 500 Nmm 정도의 토크가 발생하며, 공기윤활상태로 부상하였을 때 약 15 Nmm 정도의 토크가 발생함을 확인할 수 있다. 기동 정지시험 후 저널의 표면은 가운데 부분과 베어링 양 끝단과 맞닿은 부분에서 원주방향으로 상흔 자국이 관찰되었다.
하중 변동 시험을 통해 부하 지지능력을 측정하였으며, 속도 변동 시험을 통해 부상 속도를 측정하였다. 두 베어링에 대하여 20, 000rpm에서 부하 지지능력을 측정한 결과, 단일범프 AFBe 하중이 증가할 때 95 N, 하중이 감소할 때 130N으로 측정되었다. 또 이중범프 AFBe 하중을 증가하거나 감소할 때 모두 170N으로 측정되었다.
또 이중범프 AFBe 하중을 증가하거나 감소할 때 모두 170N으로 측정되었다. 또 두 베어링에 대하여 105N에서 부상속도를 측정한 결과, 단일범프 AfBe 약 16, 300 rpm이고, 이중범프 AFB는 약 15, 400 rpm 으로 측정되었다. 5,000 cycle 기동 정지 시험을 통해 내구성을 확보하였다.
8로부터 얻은 토크회전속도 선도이다. 유체윤활 영역이라고 판단되는 영역에서의 평균 토크가 7.5Nmm정도로측정되었으며, 따라서 이 값의 200%인 15Nmm을 기준으로 하여 부상속도를 판정하였다. 단일범프 AFBe 약16, 300 rpm이고, 이중범프 AFB는 약 15, 400 rptn으로측정되었다.
측정하는 모드이다. 이상 유무를 확인하면 기동-정지를 반복하게 되면 AFB의 내구성능을 확인할 수 있다.

참고문헌 (9)

H.Heshmat, J.A.Walowit, O.Pinkus, 'Analysis of Gas-Lubricated Foil Joumal Bearings' ASME J. Lubracation Technology, pp. 647-655, 1983
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J.-P.Peng. M.Carpino, 'Coulomb Friction Damping Effects in Elastically Supported Gas Foil Bearings', Trib. Trans., Vol. 37, pp. 91-98, 1994

상세보기
H. Heshmat, 'Advancemεnts in the Performance of Aerodynamic Foil Joumal Bearing : High Speed and Load Capability', ASME J. Trib., pp. 287-295, 1994
C.DellaCorte, M.J.Valco, 'Load Capacity Estimation of Foil Air Joumal Bearing for Oil-Free Turbomachinery Applications', Trib. Trans., Vol. 43, pp. 795-801, 2000

상세보기
Hooshang Heshmat, 'Operation of Foil Bearings Beyond the Bending Critical Mode', Joumal of Tribology, pp. 192-198, 2000
김영철, 이동현, 김경웅, '공기포일베어링의 성능에 미치는 범프마찰효과', 한국윤활학회지, Vol. 21, No. 6, pp. 283-288, 2005

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김영철, 이동현, 김경웅, '이중범프포일 공기베어링의 성능해석', 한국윤활학회지, Vol. 23, No. 3, pp. 123-129, 2007

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김영철, 이동현, 김경웅, '이중범프포일 공기베어링의 성능에 미치는 마찰효과', 한국윤활학회지, Vol. 23, No. 4, pp. 162-169, 2007

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