Lubrication Characteristics of Laser Textured Parallel Thrust Bearing : Part 2 - Effect of Dimple Location

Laser Texturing한 평행 스러스트 베어링의 윤활특성 : 제2보 - 딤플 위치의 영향

박태조^†·황윤건*

경상대학교 기계항공공학부ㆍ공학연구원, *경상대학교 대학원 기계항공공학부

Lubrication Characteristics of Laser Textured Parallel Thrust Bearing:

Part 2 - Effect of Dimple Location

Tae-Jo Park

^†

and Yun-Geon Hwang*

School of Mechanical & Aerospace Engineering, ERI, Gyeongsang National University

* Graduate School, Dept. of Mechanical & Aerospace Engineering, Gyeongsang National University

(Received November 25, 2009; Revised December 30, 2009; Accepted December 31, 2009)

Abstract − In the last decade, laser surface texturing (LST) has emerged as a viable option of surface engi- neering. Many problems related with mechanical components such as thrust bearings, mechanical face seals and piston rings, etc, LST result in significant improvement in load capacity, wear resistance and reduction in friction force. It is mainly experimentally reported the micro-dimpled bearing surfaces can reduce friction force, however, precise theoretical results are not presented until now. In this paper, a commercial computational fluid dynam- ics(CFD) code, FLUENT is used to investigate the lubrication characteristics of a parallel thrust bearing having 3-dimensional micro-dimple. The results show that the pressure, velocity and density distributions are highly affected by the location and number of dimple. The numerical method and results can be use in design of opti- mum dimple characteristics, and further researches are required.

Keywords − thrust bearing( 스러스트 베어링 ), laser surface texturing( 레이저 표면조직 : LST), micro-dimple

( 미세딤플 ), CFD( 전산유체역학 ), FLUENT

1. 서 론

상대운동을 하는 윤활면이 서로 평행한 경우에는 윤활 유의 점성작용에 의한 유체압력 (Hydrodynamic pressure)

이 이론적으로는 거의 발생하지 않는 것으로 널리 이 해되고 있다 . ^하지만 , ^최근 10 ^{여년 사이에 스러스트 베}

어링 (Thrust bearing), 메카니컬 시일 (Mechanical seal),

피스톤 링 (Piston ring) 등과 같은 기계부품의 표면에

다양한 방법으로 미세한 딤플 (micro-dimple) 등을 가공

하면 윤활특성이 크게 향상된다는 연구결과가 발표되고

있다 [1-3]. ^즉 , ^{지금까지의 대부분 실험결과는 아주 매}

끈한 표면에 비하여 미세형상이 있는 경우의 마찰계수 가 한층 낮을 뿐만 아니라 수명도 크게 향상되는 것으 로 알려져 있다 . 특히 , Etsion 등 [1-5] 이 주도적으로 개 발한 레이저를 사용한 표면조직 (Laser surface texturing

: LST) 가공법은 다른 미세표면 가공법에 비하여 여러

가지의 장점이 있기 때문에 가장 널리 적용되고 있다 .

Fig.1 은 LST 에 의한 등간격 , 반구형의 미세 딤플이 가

공된 윤활면의 예를 나타낸 사진이다 .

지금까지 LST 방법으로 가공된 윤활면에 대한 트라

이볼로지 특성은 거의 실험적으로 연구되었으며 , 레이 놀즈 방정식을 수치해석한 Etsion ^등 [1,3-5] ^{의 경우를}

제외하면 이론적인 연구는 아주 미흡한 상태이다 . 따라 서 , 미세 딤플에 의한 마찰저감기구 등에 대해서는 완

†주저자·책임저자 : [email protected]

2 박태조·황윤건

전한 이해가 크게 부족한 실정이다 . ^참고로 Olver ^등

[6] 은 간단한 해석으로 평행 패드 베어링면에 사각형의 포켓을 설계하면 포켓내의 캐비테이션 (Cavitation) 발

생에 의해서 윤활유가 포켓내로 흡입되고 (Inlet

suction) 이에 따라 베어링내에서 유체압력이 발생함을

보였다 . Fowell 등 [7] 은 1 차원 레이놀즈 방정식과 단순 한 캐비테이션 조건을 적용하여 다수의 포켓이 있는 경우에 설계변수들이 하중지지능력과 마찰력에 미치는 영향을 조사하였다 .

LST 로 가공한 미세 딤플의 깊이는 대략 10 µ m 정

도이지만 이는 딤플이 없는 베어링면에서의 유막두께 보다는 아주 크다 . 또한 , 딤플의 가장자리에서는 유막 형상이 급격하게 변할 뿐만 아니라 운전조건에 따라 캐비테이션이 발생할 수 있다 . ^{이러한 조건들은 레이}

놀즈 방정식의 유도에 사용한 가정들과는 크게 상반되 므로 LST 로 가공한 베어링의 윤활해석에 레이놀즈 방 정식을 사용하는 것은 적절하지 않은 것으로 판단된다 .

따라서 , 보다 정확한 윤활성능을 예측하기 위해서는

Navier-Stokes ^{방정식과 연속방정식을 모두 해석해야}

되며 , 딤플내에서 캐비테이션이 발생할 경우에는 윤활 유에 대한 상태방정식까지 해석에 포함해야 된다 . 이 에 최근에는 전산유체역학 (Computational fluid dynamics

: CFD) 해석방법이 포켓이 있는 정압베어링 , 하이브리

드 (Hybrid) ^{베어링 등의 윤할특성해석에 적용되고 있}

다 [8-12]. 특히 , Brajdic-Mitidieri 등 [11] 은 패드 베어 링에서 포켓이 마찰계수를 크게 줄일 수 있다는 결과 를 제시하였으며 , 박태조 등 [12] 은 포켓이 있는 무한장

Slider 베어링에서 캐비테이션 발생을 고려한 CFD 해

석으로 참고문헌 [6,7] ^{보다 윤활특성을 정확하게 예측}

하였다 . 한편 , 본 논문의 저자 [13] 는 CFD 해석방법을

LST 로 가공한 평행 스러스트 베어링의 윤활특성해석 에 처음으로 적용하였다 . ^{이 결과} , ^{미세 딤플의 깊이와}

캐비테이션 조건의 적용여부에 따라서 베어링의 성능 에 직접적인 영향을 미치는 압력과 속도의 분포가 크 게 변화하였다 .

본 논문에서는 참고문헌 [13] 에 이어서 딤플의 위치 에 따른 윤활특성의 변화를 상용 열유체해석 CFD ^프

로그램인 FLUENT[14] 를 사용하여 상세하게 조사하고

자 한다 .

2. 해석방법

본 논문에서는 참고문헌 [13] 과 동일한 해석방법을 사 용하여 미세 딤플이 있는 평행 스러스트 베어링의 윤 활특성을 해석하고자 한다 . 정상상태 , 층류유동에 대한

Navier-Stokes 방정식과 연속방정식은 각각 다음의 식

(1)~ ^식 (2) ^{와 같이 나타낼 수 있다} .

(1)

(2)

Fig. 2 는 해석하고자 하는 딤플이 있는 스러스트 베

어링의 형상을 개략적으로 나타낸 그림으로 이는 참고 문헌 [1] 과 동일하다 . 해석대상인 베어링의 폭은 2 r

1

으로 반경과 최대깊이가 각각 r

p

와 h

p

인 딤플이 중앙부에 설 계되어 있으며 , ^{유막두께는 다음의 식} (3) ^{으로 표현된다} . (3)

여기서 ,

(4)

해석에서 사용한 압력경계조건은 다음과 같다 . 베어 링의 입 · 출구부에는 대기압 P

a

가 , 딤플내의 캐비테이 션이 발생하는 영역에서는 윤활유의 증기압 P

c

가 각각 작용한다 . 한편 , z 방향으로는 다수의 딤플이 배열되어 있으므로 다음과 같은 대칭조건을 적용하였다 .

(5)

한편 , 모든 고체면에는 No-slip 조건을 적용시켰다 .

Fig. 3 은 FLUENT 의 전처리 프로그램인 GAMBIT

을 이용하여 구성한 딤플과 주변에 대한 격자계의 예 ρu

i

∂u

i

∂x

i

--- _∂x ^∂p ---

j

– _∂x ^∂

---

i

µ ∂u ∂x ---

ⁱj

^∂u _∂x

^j

---

i

⎝ + ⎠

⎛ ⎞ ∂

∂x

j

--- 2 _⎝ ^⎛ 3--- ^{µ ∂u} ∂x ---

ⁱi

_⎠ ^⎞

– +

=

∂x ∂

i

--- ( ρu

i

) = 0

h x z ( ) , c h +

pl

( ) x x z ,

²

+ z

²

≤ r

p

c x

²

+ z

²

^{> r}

^p

⎩ ⎨

= ⎧

h

pl

( ) x z , h

p2

+ r

p2

2 h

p

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

²

– ( x

²

+ z

²

) ^h

^p2

+ ^r

^p2

2 h

p

--- –

=

∂p ∂z

--- 0 = z = ± r

1

Fig. 1. Example of laser surface textured bearing

surfaces[3].

를 나타낸 그림으로 고체면에 인접한 영역과 유막이 급격하게 변하는 입출구부에서는 격자를 조밀하게 배 치하였다 . 전체격자는 딤플의 수가 3 개인 경우에 대략

450,000 개 정도이다 .

해석에 사용한 베어링의 사양과 해석조건은 Table 1

에 , 윤활유의 주요 물성자료는 Table 2 에 각각 나타내 었다 [13].

3. 결과 및 고찰

본 논문에서 해석에 사용한 딤플의 위치는 중심이 입구경계에서부터 55 ^µ m( ^입구부 ), 165 ^µ m( ^중앙부 ) ^및 275 µ m( 출구부 ) 인 3 곳으로 한정하였다 . 해석결과는 캐 비테이션이 발생하는 경우에 대해서도 서로 비교하기 위하여 압력 , 밀도 및 속도 분포를 각각의 최대값에 대하여 상대적으로 나타내었다 .

Fig. 4 와 Fig. 5 는 1 개의 딤플이 있는 경우 , 이의 위치에 따른 x-z 단면에서의 압력과 밀도의 분포를 각 각 순서대로 나타내었다 . ^{베어링의 운동에 따라서 딤}

플내로 유입되는 윤활유는 유막두께가 급격하게 커짐 에 따라 팽창하므로 압력은 대기압보다 낮아진다 . 따 라서 베어링면의 운동에 의한 Couette ^{유동과 함께 베}

어링의 입구경계와 딤플 사이에 형성된 차압 (Pressure difference) ^{에 의한} Poiseuille ^{유동에 의해서 딤플내로}

윤활유가 유입된다 . 한편 , 딤플의 하류측 가장자리에서 는 유막두께가 급격하게 감소하므로 압력이 상승한다 .

이후에 압력은 출구경계까지는 거의 직선적으로 증가

Fig. 2. Schematic of a micro-dimpled thrust bearing.

Fig. 3. Example of grid system used in numerical analysis.

Table 1. Bearing size and operating conditions

Symbol Value

Bearing size,

µ

m

L 330

r^p 50

r1 55

c 1

Pressure condition, kPaabs P^a 100

Pc 50

Sliding speed, m/s U 1

Table 2. Oil properties

Oil Oil-Vapor

Density, kg/m³ 962 0.02556

Viscosity, kg/m·s 0.013468 1.256x10^-5

Fig. 4. Pressure contour plots with dimple location. (a)

inlet, (b) center, (c) outlet

4 박태조·황윤건

하여 최대값에 도달한 후 직선적으로 감소하고 있다[6,7].

한편, 딤플내의 압력이 윤활유의 증기압보다 낮아져서 캐비테이션이 발생하면 윤활유의 일부는 유증기(Oil vapor) 상태로 유동하므로 밀도는 크게 낮아진다. Fig. 6 에는 딤플의 위치에 따른 압력분포를 비교하여 나타내 었다. 딤플이 입구부에 위치할수록 높은 압력이 발생 함과 동시에 윤활유가 유증기상으로 존재하는 캐비테 이션 영역이 좁게 나타나고 있다. 이와는 반대로 출구 부에 위치할 경우에는 발생압력이 낮으므로 넓은 영역

에서 유증기상으로 된다. 이상의 결과, 딤플의 위치에 따라서 발생압력은 아주 큰 차이를 나타내고 있다. 즉, 딤플이 입구부에 위치할수록 윤활유가 딤플내부로 쉽 게 흡입되지만 출구경계까지는 딤플이 없는 관계로 유 동저항이 증가하기 때문에 결과적으로 높은 압력이 발 생한다. 반대로 딤플이 출구측에 위치하면 발생압력이 낮을 뿐만아니라 대부분의 윤활면에는 음(−)압이 작용 하므로 딤플이 없는 경우보다도 윤활특성은 도리어 나 빠질 것으로 쉽게 추정된다. 따라서, 평행 스러스트 베 어링에서 미세 딤플을 입구부측에 설계하면 상당한 정 도의 하중지지도 가능할 것으로 예측된다[1].

Fig. 7~Fig. 9에는 딤플의 수에 따른 영향을 조사한 결과로 입구부에서 출구부측으로 딤플을 1개씩 순차적 으로 추가시킨 경우에 대한 x-z단면에서의 압력, 밀도 분포 및 x-y단면에서의 속도분포를 각각 나타내었다.

여기서, Fig. 7(a)와 Fig. 4(a), Fig. 8(a)와 Fig. 5(a) 는 서로 동일한 그림이다. 하류측에 딤플이 추가될수 록 캐비테이션 영역은 확대될 뿐만 아니라 입구측 딤 플에 의한 압력발생 효과는 도리어 감소하고 있다. 또 한, 딤플의 수에 따라서 윤활유의 액/기상의 영역의 범 위가 확연하게 차이가 나타나고 있다. 즉, 딤플이 추가 될수록 유증기상 영역은 증가하는 반면에 액상영역은

Fig. 5. Density contour plots with dimple location. (a) inlet, (b) center, (c) outlet

Fig. 6. Pressure distribution with dimple location.

Fig. 7. Pressure contour plots with dimple location and

number. (a) inlet, (b) inlet + center, (c) all

감소한다. 딤플이 끝나는 지점에서는 유막두께의 급격 한 감소로 인하여 압력이 높아지므로 유증기상인 윤활 유는 압축되어 액상으로 된다. 이러한 액/기상의 분포 는 Fig. 9에서 나타낸 것과 같이 딤플 내에서의 속도 분포에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. Fig. 10에 나타낸 결과와 같이 딤플이 다수인 경우에는 이웃한 딤플들간의 상호작용으로 인하여 압력분포가 크게 달 라질 것으로 예상되므로 이에 대한 추가적인 연구가 요구된다.

Fig. 11에는 입구부에서부터 최대 3개의 딤플이 순 차적으로 위치하는 경우, 딤플의 수에 따른 무차원 마 찰력의 변화를 나타내었다. 여기서, 무차원 마찰력은

딤플이 없는 경우에 대한 상대적인 비를 의미한다. 딤 플이 많아질수록 마찰력이 감소하는 것은 딤플로 인하 여 윤활면에서의 속도구배가 감소할 뿐만 아니라 캐비 테이션이 발생하는 영역에서는 윤활유가 유증기 상태 로 존재하기 때문이다.

4. 결 론

본 논문에서는 LST 방법으로 미세 딤플을 가공한 평행 스러스트 베어링에서 윤활특성을 조사하기 위한 연구의 일부로 이전에 발표한 논문에 이어서 딤플의 위치에 따른 윤활특성의 변화를 CFD 해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 조사하였다. 이 결과, 딤플의 위 치와 수에 따라서 베어링 내에서의 압력, 밀도 및 속

Fig. 8. Density contour plots with dimple location and number. (a) inlet, (b) inlet + center, (c) all

Fig. 9. Velocity distribution with dimple location and number. (a) inlet, (b) inlet + center, (c) all

Fig. 10. Pressure distribution with dimple location and number.

Fig. 11. Variation of dimensionless friction force with

dimple location and number.

6

^{박태조·황윤건}

도의 분포는 아주 민감하게 변화하였다. 특히, 딤플을 입구부측에 설계하면 상당한 정도의 하중지지도 가능 할 것으로 해석되었다. 따라서 본 논문의 해석 방법과 결과는 LST 등으로 미세 딤플을 가공한 각종 스러스 트 베어링의 윤활특성해석에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대되며, 최적의 베어링성능을 도출하기 위하 여 다양한 설계변수에 대한 많은 추가연구가 요구된다.

후 기

이 논문은 2단계 BK21사업과 두산모트롤(주)의 지 원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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