[논문]미세 그루브가 있는 무한폭 Slider 베어링의 윤활해석: 제2보 - 그루브 깊이의 영향

박태조; 장인규

doi:10.9725/kts.2019.35.6.382

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It is currently well known that surface textures act as lubricant reservoirs, entrap wear debris, and hydrodynamic bearings, which can lead to certain increases in load-carrying capacities. Until recently, the vast majority of research has focused on parallel sliding machine components such as thrus...

It is currently well known that surface textures act as lubricant reservoirs, entrap wear debris, and hydrodynamic bearings, which can lead to certain increases in load-carrying capacities. Until recently, the vast majority of research has focused on parallel sliding machine components such as thrust bearings, mechanical face seals, piston rings, etc. However, most sliding bearings have a convergent film shape in the sliding direction and their hydrodynamic pressure is mainly generated by the wedge action. Following the first part of the present study that investigates the effect of groove position on the lubrication performances of inclined slider bearings, this paper focuses on the effects of groove depths and film thicknesses. Using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT, the continuity and Navier-Stokes equations are numerically analyzed. The results show that the film thickness and groove depth have a significant influence on the pressure distribution. The maximum pressure occurs at the groove depth where the vortex is found and, as the depth increases, the pressure decreases. There is also a groove depth to maximize the supporting load with the film thickness. The friction force acting on the slider decreases with deeper grooves. Therefore, properly designed groove depths, depending on the operating conditions, can improve the load-carrying capacity of inclined slider bearings as compared to the bearings without a groove.

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표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic of 2D inclined slider bearing model.
그림 Fig. 2. Contour plot of pressure distribution: h₀ = 2.0 μm, h_n = 1.0 μm.
그림 Fig. 3. Contour plot of velocity distribution: h₀ = 2.0 μm, h_n = 1.0 μm.
그림 Fig. 4. Contour plot of velocity distribution in groove: h₀ = 2.0 μm, h_n = 1.0 μm.
표 Table 1. Specification of inclined slider bearing and operating condition
그림 Fig. 5. Contour plot of pressure distribution: h₀ = 3.0 μm, h_n = 2.0 μm.
그림 Fig. 6. Contour plot of velocity distribution: h₀ = 3.0 μm, h_n = 2.0 μm.
그림 Fig. 7. Contour plot of velocity distribution in groove: h₀ = 3.0 μm, h_n = 2.0 μm.
그림 Fig. 8. Velocity distribution at X = 0.35.
그림 Fig. 9. Pressure distribution.
그림 Fig. 10. Effect of groove depth on the dimensionless (a) load-carrying capacity, (b) friction force.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 그루브의 깊이가 Surface texturing한 슬라이더 베어링의 윤활성능에 미치는 영향을 조사하기 위하여 미세 베어링 모델을 상용 CFD 프로그램으로 수 치해석하였다. 해석결과를 요약하면 다음과 같다.
본 논문에서는 Surface texturing한 슬라이더 베어링의 윤활성능을 향상시키기 위한 연구의 일환으로 그루브의 위치에 대한 제1보[18]에 이어서 깊이에 의한 영향을 상 용 CFD 프로그램을 사용하여 조사하고자 한다.

제안 방법

본 논문에서는 그루브의 폭과 위치, 유막의 기울기 (h₀- h_n)를 고정하고 그루브 깊이 h_p 및 입·출구부 유막두께 h₀, h_n 의 변화에 따른 영향을 조사하였다.

이론/모형

본 논문에서 수치해석에 사용한 격자계는 참고문헌[18] 과거의 동일하며 수치해석은 상용 CFD 프로그램인 FLUENT[19]를 사용하였다. Table 1에는 해석에서 사용한 베어링의 상세사양, 운전조건 및 윤활유의 물성자료를 나타내었다.

성능/효과

이상의 결과에서 경사진 슬라이더 베어링인 경우에도 그루브의 깊이를 적절하게 설계하면 상당한 정도의 하중지지능력 향상이 가능함을 확인하였다. 따라서 슬라이더 베어링의 윤활성능을 향상시키기 위해서는 다양한 Surface texturing 관련인자와 운전조건 등에 대한 추가 연구가 요구된다.
1. 그루브내에서 와류가 발생하려는 깊이에서 최고압력이 발생하였으며, 이보다 더 깊어지면 압력은 감소하였다.
2. 유막두께의 크기에 따라서 지지하중이 최대인 그루브 깊이가 존재하였다.
3. 운전조건에 따라서 그루브 깊이를 적절하게 설계하면 그루브가 없는 경우보다 하중지지능력을 향상시킬 수 있다.
4. 그루브는 슬라이더에 작용하는 마찰력을 감소시키며 그루브가 깊을수록 이의 효과는 크게 된다.
5. 그루브 깊이가 경사진 슬라이더 베어링의 윤활성능에 미치는 영향이 상당하다는 결과를 처음으로 제시하였다.

후속연구

이상의 결과에서 경사진 슬라이더 베어링인 경우에도 그루브의 깊이를 적절하게 설계하면 상당한 정도의 하중지지능력 향상이 가능함을 확인하였다. 따라서 슬라이더 베어링의 윤활성능을 향상시키기 위해서는 다양한 Surface texturing 관련인자와 운전조건 등에 대한 추가 연구가 요구된다.
본 논문의 결과는 각종 미끄럼 베어링의 윤활성능향상을 위한 설계자료로 사용될 수 있으며, 다양한 조건에 대한 추가연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Surface texturing이란 무엇인가?	이 중에서 20여년 전에 Etsion[3]에 의해서 체계적인 연구가 시작된 Surface texturing은 윤활면에 미세한 크기의 그루브(Groove), 딤플(Dimple) 등을 가공하여 마찰저감과 함께 하중지지능력까지 향상시킬 수 있는 최신의 표면처리기술이다[4-6]. Brizmer 등[7]은 윤활면이 평행한 경우에도 부분적인 Texturing은 상당한 정도의 하중지지가 가능함을 레이놀즈 방정식에 대한 수치해석으로 규명하였다.
	미세 베어링 모델을 상용 CFD 프로그램으로 수치해석한 결과, 유막두께의 크기에 따른 수치는 어땠는가?	2. 유막두께의 크기에 따라서 지지하중이 최대인 그루브 깊이가 존재하였다.
	윤활면이 평행한 경우에도 부분적인 Texturing은 상당한 정도의 하중지지가 가능함을 규명한 방법은 무엇인가?	이 중에서 20여년 전에 Etsion[3]에 의해서 체계적인 연구가 시작된 Surface texturing은 윤활면에 미세한 크기의 그루브(Groove), 딤플(Dimple) 등을 가공하여 마찰저감과 함께 하중지지능력까지 향상시킬 수 있는 최신의 표면처리기술이다[4-6]. Brizmer 등[7]은 윤활면이 평행한 경우에도 부분적인 Texturing은 상당한 정도의 하중지지가 가능함을 레이놀즈 방정식에 대한 수치해석으로 규명하였다. 현재에는 이 기술의 적용으로 경계윤활상태로 운전된다고 알려진 평면 스러스트 베어링(Plain thrust bearing), 메카니컬 시일(Mechanical seal), 피스톤링(Piston ring) 등의 수명을 크게 향상시켰다.

참고문헌 (19)

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