[논문]CFD를 이용한 수윤활 볼베어링의 구름 요소 주위의 마찰 토크분석

조준현; 김충현

doi:10.9725/kstle-2013.29.4.218

CFD를 이용한 수윤활 볼베어링의 구름 요소 주위의 마찰 토크분석
CFD-Based Flow Analysis of Rolling Elements in Water-Lubricated Ball Bearings 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.29 no.4, 2013년, pp.218 - 222

조준현 (연세대학교 기계공학과) , 김충현 (한국과학기술연구원 바이오닉스 연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Water-lubricated ball bearings consist of rolling elements, an inner raceway, an outer raceway, a retainer, and an operating lubricant. In the water environment, ball bearings are required to sustain high loads at high speeds under poorly lubricated conditions. For the analysis of bearing behavior, friction torque is considered as the main factor at various flow rates, rotating speeds, and roughnesses between the rolling element and raceways. When the bearing operates at high rotating speeds, the friction torque between the raceway and rolling elements increases considerably. This frictional torque is an important factor affecting bearing reliability and life cycle duration. For understanding the flow conditions in the inner part of the bearing, this study focuses on the flow around the rotating and revolving rolling elements. A simple model of fluid flow inside the ball bearing is designed using the commercial CFD program ANSYS.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 수치해석을 이용하여 볼베어링의 전단응력 (Shear stress) 및 마찰 토크 특성을 평가하기 위하여, CFD 시뮬레이션을 통한 볼 베어링의 열전달 특성 및 내부 유동 형상에 대하여 알아 보았다[2]. 특히 기존에 연구되었던 공기에 의한 볼베어링의 주변 유동 특성과 비교하면서 매질을 수류로 변경하여 해석을 수행하였다[5].
본 논문에서는 극저온 환경의 볼베어링 해석에 앞서, 수류의 환경에서 동작하는 수윤활 볼베어링의 CFD (Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행한 연구 결과를 나타내었으며 기존 해석 논문에서 확장하여, 특히 유량 및 회전 속도에 대한 마찰 토크 및 전단 응력을 볼 베어링 내부의 거칠기 요소에 대하여 해석적으로 분석하였으며, 그 결과를 논의하고자 한다.
본 논문에서는 수윤활 볼베어링에서 구름 요소의 표면 거칠기의 영향에 따른 유동 특성 및 마찰토크의 영향을 나타내었다.

가설 설정

Table 1에 계산에 사용된 형상 정보인 베어링의 내륜 d, 베어링의 외륜 D, 구름 요소의 지름 b, 베어링의 폭 B의 수치들을 베어링의 종류에 따라 나타내었다. CFD 해석용 프로그램인 ANSYS 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 3차원 비압축성 유동으로 가정하였다. κ-ε 난류 모델을 적용하였으며, 3차원 삼각형 요소(Tetrahedron)를 이용하여 약 60만개의 격자를 이용하였으며, 수렴 조건은 약 10^-4의 값을 적용하였다.
1에 나타내었다. 볼베어링의 형상 정보는 NSK 社의 6210 및 7218 Series의 값을 이용하였으며, 리테이너, 외륜 및 내륜의 곡률 형상 정보는 기초적인 해석 단계를 수행하기 위하여, 단순화한 모델을 이용하였기 때문에 편평한 (Flat) 면으로 가정하여 해석을 수행하였다. 해석 영역은 볼베어링의 전체 각도에서 볼의 개수만큼 나눠진 6210 series의 경우 1/10에 해당하는 36º의 영역 (7218의 경우 1/16)을 두었으며, 회전 요소의 속도 조건의 경우 축에서 발생하는 회전 속도 (n rpm)에 대해, 공전(n_rev) 및 자전(n_rot) 속도를 수식 (1)과 (2)를 이용하여 계산하였다[4].

제안 방법

κ-ε 난류 모델을 적용하였으며, 3차원 삼각형 요소(Tetrahedron)를 이용하여 약 60만개의 격자를 이용하였으며, 수렴 조건은 약 10-4의 값을 적용하였다.
Fig. 2와 같이 구름 요소 혹은 내륜 영역에 해당하는 표면에 거칠기 조건을 부과하여 해석을 수행하였다. 수류가 입력되는 경계 조건에서 발생하는 유량 조건에 의하여 구름 요소 주변의 유동장은 유량 조건이 부과되기 전 형상인 좌우 대칭형상에서 비대칭 형상을 나타내었다.
KIST 및 KARI 에서는 극저온 환경에서 동작하는 볼베어링을 평가하기 위하여 실험장치를 개발하였으며, 고속의 환경에서 수류 및 극저온 매질을 이용하여 볼 베어링의 특성을 평가 하였다[1,3,4].
전단 응력 및 마찰 토크의 값은 ANSYS 프로그램에서 제공하는 Calculation function 을 이용하여 수행하였다. 구름요소 혹은 볼베어링 내륜에 해당하는 표면적을 이용하여 전단 응력 및 마찰 토크 값을 나타내었다. 단, 해석에 사용된 볼베어링의 경계 조건에서 실제 볼베어링에 작용하는 외부 하중에 의한 토크 요소는 배제하였으며, 고속으로 회전하는 구름 요소 주변에 존재하는 회전 유동에 의해 발생하는 토크만을 고 려하였다.
즉 초기 상태의 볼베어링의 거칠기 수준은 거의 0 μm인 ‘Smooth’ 조건을 부과하여 해석을 수행하였으며, 회전시스템의 이상조건상태가 발생하여 진동등에 의한 영향으로 구름요소가 파손되어 거칠기가 증가한 경우, 혹은 수류 및 극저온 매질이 대량으로 유입되거나 하중조건이 발생하는 경우에도 베어링의 외부의 거칠기가 증가하거나 그 값이 변화하는 경우가 있음을 가정하여 100 μm 수준의 값을 구름 요소 혹은 내륜에 부과하여 전단응력 및 마찰 토크값을 이용하여 상대 비교하였다.
또한 수치해석을 이용하여 볼베어링의 전단응력 (Shear stress) 및 마찰 토크 특성을 평가하기 위하여, CFD 시뮬레이션을 통한 볼 베어링의 열전달 특성 및 내부 유동 형상에 대하여 알아 보았다[2]. 특히 기존에 연구되었던 공기에 의한 볼베어링의 주변 유동 특성과 비교하면서 매질을 수류로 변경하여 해석을 수행하였다[5].
해석 영역은 볼베어링의 전체 각도에서 볼의 개수만큼 나눠진 6210 series의 경우 1/10에 해당하는 36º의 영역 (7218의 경우 1/16)을 두었으며, 회전 요소의 속도 조건의 경우 축에서 발생하는 회전 속도 (n rpm)에 대해, 공전(nrev) 및 자전(nrot) 속도를 수식 (1)과 (2)를 이용하여 계산하였다[4].

이론/모형

전단 응력 및 마찰 토크의 값은 ANSYS 프로그램에서 제공하는 Calculation function 을 이용하여 수행하였다. 구름요소 혹은 볼베어링 내륜에 해당하는 표면적을 이용하여 전단 응력 및 마찰 토크 값을 나타내었다.

성능/효과

Fig. 3과 같이, 유량 조건이 없는 0 l/s 조건과 유량 조건이 있는 1 l/s 조건의 경우 회전 속도에 따른 마찰 토크의 경향이, 유량 조건이 없는 경우에는 표면 조도에 의한 영향이 회전 속도가 증가할수록 크게 나타났으며, 유량 조건이 있는 경우에는 속도가 증가할수록 조도의 영향이 크지 않게 나타났다. 최대 유량 조건인 5 l/s 인 경우를 보면, 회전속도가 증가할수록 마찰 토크의 증가량은 감소하였으며, 이는 볼베어링의 회전 속도와는 무관하게 일정한 마찰 토크를 나타냄을 알 수 있다.
3과 같이, 유량 조건이 없는 0 l/s 조건과 유량 조건이 있는 1 l/s 조건의 경우 회전 속도에 따른 마찰 토크의 경향이, 유량 조건이 없는 경우에는 표면 조도에 의한 영향이 회전 속도가 증가할수록 크게 나타났으며, 유량 조건이 있는 경우에는 속도가 증가할수록 조도의 영향이 크지 않게 나타났다. 최대 유량 조건인 5 l/s 인 경우를 보면, 회전속도가 증가할수록 마찰 토크의 증가량은 감소하였으며, 이는 볼베어링의 회전 속도와는 무관하게 일정한 마찰 토크를 나타냄을 알 수 있다.
해석결과를 보면 표면 조도가 증가할 경우에 볼 표면에서 발생하는 마찰 토크 값도 증가하는 경향을 나타내었으며, 특히 유량 조건에 따른 응력의 증가 커브의 형태는 회전 속도에 따라 다르게 나타났다.
회전속도 10,000rpm이며, 최대 유량인 5 l/s 조건에서 거칠기 유무에 따른 마찰 토크의 발생 비율을 비교해보면, 7218의 경우 100 um로 거칠기값이 증가함에 따라 약 42% 토크가 증가하는 것으로 나타났으며, 6210의 경우 약 31% 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

볼베어링에 부과해지는 유량값에 따라, 마찰 토크에 영향을 미치는 거칠기의 영향은 다르게 나타났으며, 향후에는 거칠기의 영역을 최대 혹은 평균 전단 응력의 최대 혹은 최소 지점인 국부적인 영역으로 한정시켜 해석을 진행할 예정이며, 전단응력 혹은 마찰 토크와 볼 베어링의 내부 유동 흐름에 대한 영향을 살펴볼 예정이다. 또한 실제 조건인 외부에서 가해지는 수직하중에 의한 베어링의 축 및 반경방향으로 발생하는 힘에 따른 마찰 토크의 값에 대한 영향도를 평가할 예정이다.
볼베어링에 부과해지는 유량값에 따라, 마찰 토크에 영향을 미치는 거칠기의 영향은 다르게 나타났으며, 향후에는 거칠기의 영역을 최대 혹은 평균 전단 응력의 최대 혹은 최소 지점인 국부적인 영역으로 한정시켜 해석을 진행할 예정이며, 전단응력 혹은 마찰 토크와 볼 베어링의 내부 유동 흐름에 대한 영향을 살펴볼 예정이다. 또한 실제 조건인 외부에서 가해지는 수직하중에 의한 베어링의 축 및 반경방향으로 발생하는 힘에 따른 마찰 토크의 값에 대한 영향도를 평가할 예정이다.
단, 해석에 사용된 볼베어링의 경계 조건에서 실제 볼베어링에 작용하는 외부 하중에 의한 토크 요소는 배제하였으며, 고속으로 회전하는 구름 요소 주변에 존재하는 회전 유동에 의해 발생하는 토크만을 고 려하였다. 향후 외부에서 가해지는 수직하중에 의한 베어링의 축방향 및 반경방향으로 발생하는 힘에 따른 마찰 토크의 값에 대해 추가 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	볼 베어링은 어떠한 특징을 가지는가?	볼 베어링 (Ball bearing) 은 구름 베어링의 종류로써 미끄럼 베어링과 비교될 수 있는데 특히, 기동마찰이 적고 동작 온도에 대한 범위가 크다. 깊은 홈 볼 베어링은 구름 베어링 중에서 대표적인 형태이며 그 사용 범위가 넓다. 볼베어링이 견딜 수 있는 하중의 경우, 반경방향, 축방향, 양방향으로 어느 쪽의 하중도 견딜 수 있어, 고속 회전과 저소음, 저진동이 요구되는 로터 시스템에 이용되고 있다.
	터보 펌프용 볼 베어링의 동작유체는 어떠한 단점을 가지는가?	극저온 환경에서 사용하는 터보 펌프용 볼 베어링의 경우에는, 불소수지 계열의 소재로 제작된 케이지 (Cage) 혹은 리테이너 (Retainer) 를 사용하고 있으며, 내륜과 외륜에는 고체 윤활 코팅을 적용하여 자기 윤활이 가능하도록 한다. 통과하는 동작 유체인 액체 산소의 경우에는 매우 낮은 점성값 때문에 윤활 성능을 얻을 수 없다. 하지만 베어링의 냉각 유체로써의 역할 수행은 가능하다.
	극저온 환경에서 사용하는 터보 펌프용 볼 베어링은 어떠한 케이지를 사용하는가?	극저온 환경에서 사용하는 터보 펌프용 볼 베어링의 경우에는, 불소수지 계열의 소재로 제작된 케이지 (Cage) 혹은 리테이너 (Retainer) 를 사용하고 있으며, 내륜과 외륜에는 고체 윤활 코팅을 적용하여 자기 윤활이 가능하도록 한다. 통과하는 동작 유체인 액체 산소의 경우에는 매우 낮은 점성값 때문에 윤활 성능을 얻을 수 없다.

참고문헌 (6)

Jeon, S. M., Kwak, H. D. and Kim, J. H., "Evaluation of Friction Torque for a Turbopump Ball Bearing," Journal of the KSTLE, Vol. 27, pp.25-33, 2011.

원문보기 상세보기
Kim, D., Oh, I.-S., Hong, S.-W. and Kim, K., "A Computational Investigation of Airflow Structures Inside a Ball Bearing at High-Speed Rotation," Journal of the Korean Society for Precision, Vol. 28, pp. 745-750, 2011.
Jo, J. H. and Kim, C. H., "Performance Test for the Static Loading Capacity of the Cryogenic Ball Bearing In The Turbo Pump," KSTLE spring Conference, pp. 13, 2012.
Jo, J. H., Rhim, Y. C., Lee, S. C. and Kim, C. H., "Development of Cryogenic Test Rig for Ball-Bearing and Evaluation of the Performance of the Prototype Ball-Bearing of Turbo pump," Journal of the KSTLE, Vol. 28, pp. 167-172, 2012.

원문보기 상세보기
Jo, J. H. and Kim, C. H., "Analysis of Fluid Flow Characteristics Around Rolling Element in Ball Bearings," Journal of the KSTLE, Vol. 28, pp. 278-282, 2012.

원문보기 상세보기
Harris, T. A., Rolling Bearing Analysis, John Wiley & Sons, New York, 1966.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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