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문제 정의
- 본 논문에서는 고속 회전 시에 실제로 발생하는 공기 표일 베어링의 동압 효과를 고려하기 위해서, 10, 000-16, OOOrpm^-5. 회전을 하면서, 공기 포일 베어링의 정적 특성(static characteristics)인 하중 지지력 (load capacity), 그리고 유막 틈새내의 특성인 동적 계수(dynamic characteristics)# 을 실험을 통하여 구하였다.
- 본 연구에서는 고속 회전체에 적용되는 공기 포일 베어링의 동특성 및 하중 지지력 측정에 관한 실험을 수행하였다. 또한 동특성 계수를 정확히 계산해 내는 방법으로 최소 자승법(least square method)을 적용하 였다.
제안 방법
- 일반적으로 범프 포일의 구조적 강성과 감쇠는 운전시 동압에 의해 발생한 유막이 형성하는 유막력에 따른 강성 및 감쇠에 비하여 그 크기가 크므로 설계 시 이러한 점을 충분히 감안하여 구조적인 강성 및 감쇠 의 값을 선정할 필요가 있다.가진 실험은 가진 시응답 신호는 회전축과 동일한 중심을 갖는 X, Y 좌표계 시스템에서 변위 센서 를 통하여 측정되며, 이는 회전축의 거동을 측정 하기 위한 변위 센서를 베어링 하우징 에 고정하였다. 회전축의 상대 변위는 Bently Nevada사의 Proximeter(8Vdc/mm) 의 와전류 (eddy current)형태의 변위 센서로 즉정하였다.
- 구리 범프, 점탄성 범프에 대하여 가진 실험을 각각 수행한 후 각각 회전속도 와 외부하중에 대한 강성과 감쇠 계수를 앞서 설명한 방법으로 계산하였다. Fig.
- 뿐만 아니라, 정.동특성 계수를 추출하기 위하여, 공기 포일 베어링 동특성 추출 실험장치를 설계제작하였으며, Fig. 2에 전체 사진을 나타내었다. 또한, 이를 고속 회전기기의 베어링으로 적용하여 감쇠 특성을 파악하고자, 구리 범프 포일과 점탄성 범프 포일에 대한 가진 실험을 하였으며, 이를 통하여 각각 베어링에 대한 정, 동특성 계수를 구하였다.
- 하중 지지력을 즉정하기 위하여 죄대 500N 의 힘을 가할 수 있는 공압 실린더와 힘 센서(load cell) 를 이용하여 회전속도에 따라서 힘을 줄 수 있도록 되어 있다. 두 가지 형태의 범프 포일에 대한 가진 실험을 각각 수행하여, 각각 포일에 대한 강성과 감쇠 계수를 계산하였다. 회전속도는 10,000, 12,000, 14,000, 그리고 16,000 rpm 으로 변화시켰으며, 하중지지력을 즉정하기 위해서, 각각의 포일 베어링에 공압 실린더를 이용하여, 50, 100, 150N의 외부 하중을 가하였다.
- 또한, 이를 고속 회전기기의 베어링으로 적용하여 감쇠 특성을 파악하고자, 구리 범프 포일과 점탄성 범프 포일에 대한 가진 실험을 하였으며, 이를 통하여 각각 베어링에 대한 정, 동특성 계수를 구하였다. 또한 하중지지 력에 대한 실험을 병행하였는데, 하중이 작용함에 따른 각각의 베어링에 대한 동특성 계수들을 구하기 위하여 외부에 장착된 공압 실린더(air cylinder)를 이용하여 50, 100, and 150N의 하중을 실험하였다. 각각의 실험조건을 Table 1 에 나타내 었다.
- 지지대와 연결하였으며, 이를 통하여 실험초반에 작용하던 틸팅의 문제를 해소할 수 있었다. 또한, 스프링은 하우징과 회전축의 동심을 맞추기 위해 수직 방향(중력 방향)과 수평 방향으로 움직일 수 있도록 하였다. 실제로 공기 포일 베어링 시스템을 보면, 베어링 내부에서 발생하는 반력은 고정된 하우징에 대한 축의 움직임에 의하여 발생이 된다.
- 2에 전체 사진을 나타내었다. 또한, 이를 고속 회전기기의 베어링으로 적용하여 감쇠 특성을 파악하고자, 구리 범프 포일과 점탄성 범프 포일에 대한 가진 실험을 하였으며, 이를 통하여 각각 베어링에 대한 정, 동특성 계수를 구하였다. 또한 하중지지 력에 대한 실험을 병행하였는데, 하중이 작용함에 따른 각각의 베어링에 대한 동특성 계수들을 구하기 위하여 외부에 장착된 공압 실린더(air cylinder)를 이용하여 50, 100, and 150N의 하중을 실험하였다.
- 즉, 구리 범프 포일 베어링과 점탄성 범프(viscoelastic bump) 포일 베어링에 대해서 회전속도와 외부하중 힘의 크기를 변화시키면서 베어링의 동특성 계수인 강성 계수 (stiffness coefficient)와 감쇠 계수(damping coeffic ient) 값을 즉정하였다. 이렇게 실험 장치를 이용하여, 갭센서에서 나오는 신호 값을 측정하고, 이 때의 베어링의 변형을 측정하였다. Table 3 은 실험에 사용된 공기 포일 베어링의 사양을 보여주고 있으며, 여기에서 사용된 공기 포일 베어링은 구리로 코팅된 범프포일 베어링과 점탄성 포일 베어링이다.
- 회전속도는 10,000, 12,000, 14,000, 그리고 16,000 rpm 으로 변화시켰으며, 하중지지력을 즉정하기 위해서, 각각의 포일 베어링에 공압 실린더를 이용하여, 50, 100, 150N의 외부 하중을 가하였다. 즉, 구리 범프 포일 베어링과 점탄성 범프(viscoelastic bump) 포일 베어링에 대해서 회전속도와 외부하중 힘의 크기를 변화시키면서 베어링의 동특성 계수인 강성 계수 (stiffness coefficient)와 감쇠 계수(damping coeffic ient) 값을 즉정하였다. 이렇게 실험 장치를 이용하여, 갭센서에서 나오는 신호 값을 측정하고, 이 때의 베어링의 변형을 측정하였다.
- 0kg이다. 축을 회전시키기 위하여 모터가 설치되어 있으며, 변위 센서는 서로 수직 방향으로 두 개씩 베어링 슬리브 양 끝에 설치되어, 공기 포일의 변형을 측정 하였다.
- 실제로 공기 포일 베어링 시스템을 보면, 베어링 내부에서 발생하는 반력은 고정된 하우징에 대한 축의 움직임에 의하여 발생이 된다. 하지만, 본 실험에서는 하우징을 가진 하여 베어링에 의한 하우징 자체의 반력을 측정한다. 그때의 구조적인 강성 및 감쇠값은 Table 2에 나타난 값과 같다.
- 두 가지 형태의 범프 포일에 대한 가진 실험을 각각 수행하여, 각각 포일에 대한 강성과 감쇠 계수를 계산하였다. 회전속도는 10,000, 12,000, 14,000, 그리고 16,000 rpm 으로 변화시켰으며, 하중지지력을 즉정하기 위해서, 각각의 포일 베어링에 공압 실린더를 이용하여, 50, 100, 150N의 외부 하중을 가하였다. 즉, 구리 범프 포일 베어링과 점탄성 범프(viscoelastic bump) 포일 베어링에 대해서 회전속도와 외부하중 힘의 크기를 변화시키면서 베어링의 동특성 계수인 강성 계수 (stiffness coefficient)와 감쇠 계수(damping coeffic ient) 값을 즉정하였다.
- 본 논문에서는 고속 회전 시에 실제로 발생하는 공기 표일 베어링의 동압 효과를 고려하기 위해서, 10, 000-16, OOOrpm^-5. 회전을 하면서, 공기 포일 베어링의 정적 특성(static characteristics)인 하중 지지력 (load capacity), 그리고 유막 틈새내의 특성인 동적 계수(dynamic characteristics)# 을 실험을 통하여 구하였다. 뿐만 아니라, 정.
- 가진 실험은 가진 시응답 신호는 회전축과 동일한 중심을 갖는 X, Y 좌표계 시스템에서 변위 센서 를 통하여 측정되며, 이는 회전축의 거동을 측정 하기 위한 변위 센서를 베어링 하우징 에 고정하였다. 회전축의 상대 변위는 Bently Nevada사의 Proximeter(8Vdc/mm) 의 와전류 (eddy current)형태의 변위 센서로 즉정하였다. 이를 통해 죽과 하우징 사이의 상대 변위를 즉정할 수 있으며, 하우징과 회전축에서 즉정된 상대 변위와의 관계를 통해 회전축과 공기 포일 베어링 사이의 상대 변위를 즉정할 수 있다.
대상 데이터
- 3 은 구성된 실험 장치 의 상세도를 나타낸 그림이다. 실험 장치는 크게 볼 베어링으로 지지되는 회전축(shaft) 및 테스트 베어링이 장착된 유연한 하우징(flexible housing) 과 이를 구동하기 위한 구동 모터 (motor)S. 구성되는데.
이론/모형
- 공기 포일 베어링의 하중 지지력 및 동 특성계수를 규명하기 위한 실험장치는 Massmann 과 Nordmann 이 제안한 방법을 기초로 설계하였다.[7]
- 본 연구에서는 고속 회전체에 적용되는 공기 포일 베어링의 동특성 및 하중 지지력 측정에 관한 실험을 수행하였다. 또한 동특성 계수를 정확히 계산해 내는 방법으로 최소 자승법(least square method)을 적용하 였다.
- 또한, 신호에 대한 노이즈의 비가 클 경우, 기술한 최소 자승 방법과 함께 IV (instrumental variable) method를 사용 할 수 있다.⑻
성능/효과
- 이를 위하여 구리 범프 포일 베어링과 점탄성 범프 포일 베어링에 대하여 가진 실험을 수행하였으며, 베어링의 특성을 나타내어주는 값인 강성 계수 측면을 보았을 때, 각각의 경우의 값의 범위는 비슷함을 알 수 있었으며, 감쇠 계수는 점탄성 포일 베어링의 경우가 구리 범프 포일 베어링의 경우보다 감쇠 력이 높음을 알 수 있었다.
- 7x10:'정도의 값을 나타내었다. 점탄 성 범프를 사용한 베어링에 경우 감쇠 계수 는 구리 범프를 사용한 베어링의 감쇠 계수 값보다 70% 정도 높게 나타났다. 직렬 감 쇠 계수 다음으로, 연성 감쇠 계수; Cxx, Cyx 도 마찬가지 로, 연성강성 계수의 경우 와 유사하게 회전 속도에 따라 거의 0에 가까운 값을 가지면서, 일정해지는 경향을 보이고 있다.
후속연구
- 특히 베어링의 안정성을 판단하는 파라미터인 휘돌림 주파수의 경우, 점탄성 포일 베어링이 구리 범프 포일 베어링에 비하여 비교적 안정적으로 운전될 수 있음을 알았으며, 추후 더 많은 시험을 통한 설계 DB 로의 확장이 요구된다.
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