[논문]고압 피스톤 펌프용 슬리퍼 베어링의 변형 특성에 관한 연구

고성위; 김병탁

[국내논문] 고압 피스톤 펌프용 슬리퍼 베어링의 변형 특성에 관한 연구
A Study on the Deformation Characteristics of a Slipper Bearing for High Pressure Piston Pump 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.5 = no.90, 2009년, pp.39 - 44

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The hydrostatic slipper bearing is generally used in high pressure axial piston pumps to support the load generated from two surfaces which are sliding relatively at low speed. The object of the bearing is to remove the possibility of direct contact by maintenance of an adequate oil film thickness between two metal surfaces. Because the bearing performance is influenced by the bearing deformation, it is highly dependent on the injection pressure, the bearing surface profile and so on. In this study, the deformation characteristics of a hydrostatic slipper bearing is investigated according to the injection pressure by the finite element analysis. In the analysis, the special boundary condition to take the fluid-structure interaction (FSI) into account is used on the interactive surface. The results, such as bearing deformation, stress and lifting force, obtained from the fully coupled analysis are compared with those from the single step sequential method.

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문제 정의

정압 슬리퍼 베어링은 해상 구조물 설치용 중장비나 대형 선박의 고압 펌프 등에서 저속으로 미끄럼 상대 운동을 하는 두면 사이에 발생하는 하중을 지탱하기 위하여 많이 사용되고 있다. 이 베어링의 목적은 두 표면 사이의 유막 두께를 적당하게 유지함으로써 금속표면이 직접 접촉할 가능성을 제거하는데 있다. 경험에 의하면 정압 스러스트 베어링은 제품공차와 사용 환경에 매우 민감한 것으로 알려져 있으므로, 베어링이 올바로 작동하기 위해서는 베어링의 성능에 영향을 미치는 여러 가지 설계 인자에 대한 깊이 있는 연구가 필요하다.
그 이유는 베어링의 슬리퍼는 유막압력에 의해 변형을 하게 되며, 그 변형은 다시 유막의 두께에 영향을 주므로 유압에 의한 베어링 표면의 변형이 미소하다 하더라도 유막의 두께 변화로 인한 유체 흐름이 이전과는 달라질 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 고압 피스톤 펌프(Piston pump) 등에 사용되고 있는 정압 슬리퍼 스러스트 베어링에 대하여 전술한 두가지 방법으로 피스톤 내부 분사압력에 따른 변형 특성을 해석하였다. 해석에는 상용 유한요소 프로그램인 ADINA를 사용하였으며, 연성 해석시에는 유체접촉 베어링 표면에 유체-구조물 사이의 상호작용을 고려한 경계조건을 부여하였다.

가설 설정

또한 유체 영역에서 랜드아래 유막의 두께는 10µm로 가정하였고, 두께 방향으로 4개의요소를 사용하여 격자를 구성하였다.
해석에는 슬리퍼의 기하학적 형상과 하중조건을 고려하여 축대칭 요소를 사용하였으며, 경사판과 접촉하는 유체 경계면의 조건은 미끄러짐이 없다고 가정하였다. 또한 유체 영역에서 랜드아래 유막의 두께는 10µm로 가정하였고, 두께 방향으로 4개의요소를 사용하여 격자를 구성하였다.
3은 볼 조인트와 슬리퍼 사이에는 접촉 조건과 FSI 경계조건을 도시한 것으로, 접촉부의 화살표는 접촉면의 방향(Orientation)을 나타내며, 유체 접촉면의 굵은 선은 FSI 경계를 나타내고 있다. 여기에서 볼 조인트는 강체로 가정하였으며, 경사판과 접촉하는 유체 경계면은 미끄러짐이 없다(No-slip)고 가정하였다.

제안 방법

베어링의 성능을 결정하는 하중 지탱 용량(Load carrying capacity), 유체의 유출률(Flow rate) 등은 슬리퍼(Slipper)와 경사판(Swash plate) 사이의 압력에 크게 영향을 받으며, 이 압력은 피스톤 내부로 분사되는 입구압력(Inlet pressure)과 밀접한 관계가 있다. 본 연구와 관련된 연구 문헌을 살펴 보면, Kazama and Yamaguchi(1993a;1993b; 1995)가 평평한 스러스트 베어링에 대한 연구를 수행하여 여러 가지 운전조건에 대한 베어링 설계의 최적화를 시도하였다. 그러나 이 연구에서는 혼합 윤활 조건과 탄성 동수압 윤활(Elastohydrodynamic lubrication)에 의해 발생하는 미소 변형을 고려함으로써, 베어링을 실제로 비평탄(Non-flat)하게 하는 대변형을 고려하지 못한 한계가 있다.
따라서 본 연구에서는 고압 피스톤 펌프(Piston pump) 등에 사용되고 있는 정압 슬리퍼 스러스트 베어링에 대하여 전술한 두가지 방법으로 피스톤 내부 분사압력에 따른 변형 특성을 해석하였다. 해석에는 상용 유한요소 프로그램인 ADINA를 사용하였으며, 연성 해석시에는 유체접촉 베어링 표면에 유체-구조물 사이의 상호작용을 고려한 경계조건을 부여하였다. 이 두 해석에서 얻어진 결과로부터 베어링의 처짐량, 발생 응력, 하중 지지력 등의 관점에서 그 차이점을 상호 비교하여 고찰하였다.
해석에는 상용 유한요소 프로그램인 ADINA를 사용하였으며, 연성 해석시에는 유체접촉 베어링 표면에 유체-구조물 사이의 상호작용을 고려한 경계조건을 부여하였다. 이 두 해석에서 얻어진 결과로부터 베어링의 처짐량, 발생 응력, 하중 지지력 등의 관점에서 그 차이점을 상호 비교하여 고찰하였다.
Fig. 2는 해석 영역과 고체영역의 유한요소 모델을 도시한 것으로, 오리피스를 통한 분사압력은 7MPa(약 1000psi)에서 35MPa(약 5000psi)까지 5단계로 증가시켜 가면서 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 고압 피스톤 펌프용 정압 슬리퍼 베어링에 대하여 피스톤 내부 분사압력에 따른 베어링의 변형 및 응력, 하중 지지력 등을 유한요소법으로 해석하였다. 해석에는 고전적인 방법에 의한 고체영역 해석과 FSI 경계를 고려한 연성해석의 두 방법을 사용하였으며, 이들 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 고압 피스톤 펌프용 정압 슬리퍼 베어링에 대하여 피스톤 내부 분사압력에 따른 베어링의 변형 및 응력, 하중 지지력 등을 유한요소법으로 해석하였다. 해석에는 고전적인 방법에 의한 고체영역 해석과 FSI 경계를 고려한 연성해석의 두 방법을 사용하였으며, 이들 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

(1992)은 고속 조건하에서 실제 작동하고 있는 스러스트 베어링과 이동 표면 사이의 유막 두께를 측정하였으며, 형상이 약간 볼록한(Convex) 설계가 성공적인 운전에 필요하다는 결과를 발표하였다. 또한 고속운전에 대해서는 정압 베어링이 전혀 필요하지 않으며 성공적인 금속표면의 분리는 동수압 윤활에 달려 있다고 결론지었다. 이와는 달리 Manring et al.
4는 고전적인 방법을 사용하여 슬리퍼의 변형해석을 수행하기 위하여, 먼저 유체 영역을 해석하여 베어링 표면의 압력을 계산한 후, 이 압력을 슬리퍼 표면에 적용한 하중조건을 도시한 것이다. 유체 영역의 해석에서 슬리퍼 표면을 따라 계산된압력을 살펴본 결과, 포켓에서 압력은 분사압력과 동일한 값을 나타내었으며, 랜드 표면의 압력은 선형적으로 변화하였다.
4의 하중조건을 사용하여 슬리퍼를 해석한 경우의 최대 처짐을 FSI 해석 결과와 비교하여 나타낸 것이다. 이그래프에서 알 수 있듯이 두 해석에서 계산된 최대 처짐량은 고체 해석의 결과가 FSI 해석 결과보다 약간 크게 나타났으며,분사압력이 높아질수록 두 값의 차이도 점점 증가함을 알 수있다. 따라서 분사압력이 높아질수록 베어링 변형을 파악하기위해서는 고체해석 만으로는 다소 부족할 것으로 사료된다.
10은 분사압력이 35MPa인 경우 고체해석에서 얻은 슬리퍼의 응력분포를 도시한 것이다. 최대응력은 슬리퍼가 볼 조인트와 접촉을 시작하는 부분에서 가장 크게 발생하였으며, 그 값은 약 237MPa를 나타내었다. 그러나 최대 응력이 발생하는 지점은 매우 작게 나타났으며, 실제로 이 부분의 구멍 가공시 라운딩(Rounding) 등이 행해 질 경우 응력집중의 완화로 발생 응력은 이보다 낮아질 것으로 추측된다.
Table 2는 고체 해석 결과를 FSI 해석 결과와 비교하기 위하여 분사 압력별 최대 발생 응력을 나타낸 것이다. 두 해석 사이의 결과 차이는 그리 크지 않으나, 슬리퍼의 처짐량 결과와 마찬가지로 고체 해석에서 얻은 결과가 FSI 해석에서 얻은 결과보다 약간 더 큰 값을 나타내었다. 그 이유는 고체 해석시 랜드면에 작용하는 하중을 정확히 선형변화 형태의 압력으로 적용한 반면, FSI 해석에서는 선형에서 약간 벗어난 분포를 보이기 때문으로 생각된다.
(1) 슬리퍼의 최대 처짐은 분사압력의 크기에 관계없이 가장 바깥부분에서 발생하였으며, 분사압력이 35MPa인 경우 필름의 최종 두께는 초기 두께의 2배인 약 20µm에 도달하는 것으로 나타났다.
12는 이와 같은 방법을 통하여 구한 베어링 지지력을 FSI 해석결과와 함께 도시한 것이다. 이 그래프도 전술한 베어링 처짐량 및 발생 응력과 마찬가지로 고체해석의 결과가 FSI 해석 결과보다 약간 큰 값을 나타내고 있으며, 전체적으로 볼 때 베어링의 하중 지지력은 분사압력에 비례해서 증가함을 알 수 있다.
(2) 베어링의 최대응력은 고전적 방법에 의한 고체 해석의 결과가 FSI 해석 결과보다 약간 크게 나타났으며, 두 결과 모두 슬리퍼가 볼 조인트와 접촉을 시작하는 부분에서 발생하였다.
(3) 베어링 지지력과 밀접한 관계가 있는 접촉력은 최대 응력발생지점에서 가장 크며, 분사압력이 증가함에 따라 베어링 지지력은 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.
(4) 베어링 지지력은 고체 해석의 결과가 FSI 해석 결과보다 약간 크게 나타났으며, 분사압력이 높아질수록 두 값의 차이도 증가함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경험에 의하면 정압 스러스트 베어링은 무엇에 매우 민감하다고 알려져 있습니까?	이 베어링의 목적은 두 표면 사이의 유막 두께를 적당하게 유지함으로써 금속표면이 직접 접촉할 가능성을 제거하는데 있다. 경험에 의하면 정압 스러스트 베어링은 제품공차와 사용 환경에 매우 민감한 것으로 알려져 있으므로, 베어링이 올바로 작동하기 위해서는 베어링의 성능에 영향을 미치는 여러 가지 설계 인자에 대한 깊이 있는 연구가 필요하다. 베어링의 성능을 결정하는 하중 지탱 용량(Load carrying capacity), 유체의 유출률(Flow rate) 등은 슬리퍼(Slipper)와 경사판(Swash plate) 사이의 압력에 크게 영향을 받으며, 이 압력은 피스톤 내부로 분사되는 입구압력(Inlet pressure)과 밀접한 관계가 있다.
	지금까지 베어링의 변형해석은 주로 어떠한 방법이 사용되었습니까?	지금까지 베어링의 변형해석은 유체와 접촉하는 고체표면을 강체로 가정하고 유체 압력을 계산한 후, 이를 하중으로 입력하여 고체영역을 해석하는 고전적 방법이 주로 사용되어 왔다. 그러나 슬리퍼와 경사판 사이의 유막 두께(Film thickness)는 약 10µm로서 매우 얇기 때문에 베어링의 변형 특성을 정확히 파악하기 위해서는 고전적인 수치해석 방법보다 유체-구조물 사이의 상호작용(FSI)을 고려한 연성법(Zhang et al.
	정압 슬리퍼 베어링의 사용 목적은 무엇입니까?	정압 슬리퍼 베어링은 해상 구조물 설치용 중장비나 대형 선박의 고압 펌프 등에서 저속으로 미끄럼 상대 운동을 하는 두면 사이에 발생하는 하중을 지탱하기 위하여 많이 사용되고 있다. 이 베어링의 목적은 두 표면 사이의 유막 두께를 적당하게 유지함으로써 금속표면이 직접 접촉할 가능성을 제거하는데 있다. 경험에 의하면 정압 스러스트 베어링은 제품공차와 사용 환경에 매우 민감한 것으로 알려져 있으므로, 베어링이 올바로 작동하기 위해서는 베어링의 성능에 영향을 미치는 여러 가지 설계 인자에 대한 깊이 있는 연구가 필요하다.

참고문헌 (9)

Kazama, T. and Yamaguchi, A. (1993a). "Application of a Mixed Lubrication Model for Hydrostatic Thrust Bearings on Hydraulic Equipment", ASME J. Tribol., Vol 115, pp 686-691

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Kazama, T. and Yamaguchi, A. (1993b). "Optimum Design of Bearing and Seal Parts for Hydraulic Equipment", Wear, Vol 161, Issues 1-2, pp 161-171

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Kazama, T. and Yamaguchi, A. (1995). "Experiment on Mixed Lubrication of Hydrostatic Thrust Bearings for Hydraulic Equipment", ASME J. Tribol., Vol 117, pp 399-402

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Koc, E. and Hooke, C.J. (1997). "Considerations in the Design of Partially Hydrostatic Slipper Bearings", Tribology International, Vol 30, No 11, pp 815-823

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Koc, E., Hooke, C.J. and Li, K.Y. (1992). "Slipper Balance in Axial Piston Pumps and Motors", ASME J. Tribol., Vol 114, pp 766-772

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Manring, N., Johnson, R. and Cherukuri, H. (2002). "The Impact of Linear Deformations on Stationary Hydrostatic Thrust Bearings", ASME J. Tribol., Vol 124, pp 874-877

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Pang, Z., Zhai, W. and Shun, J. (1993). "The Study of Hydrostatic Lubrication of the Slipper in a High-Pressure Plunger Pump", STLE Tribol. Trans., Vol 36, pp 316-320

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Sharma, S.C., Jain, S.C. and Bharuka, D.K. (2002). "Influence of Recess Shape on the Performance of a Capillary Compensated Circular Thrust Pad Hydrostatic Bearing", Tribology International, Vol 35, pp 347-356

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Zhang, H., Zhang, X., Ji, S., Guo, Y., Ledezma, G., Elabbasi, N. and deCougny, H. (2003). "Recent Development of Fluid-Structure Interaction Capabilities in the ADINA System", Computers and Structures, Vol 81, pp 1071-1085

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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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