Lubrication Characteristics of Surface Textured Hydraulic Machine Components

http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2012.9.4.026

표면조직 가공한 유압부품면에서의 윤활특성

Lubrication Characteristics of Surface Textured Hydraulic Machine Components

이준오

․박태조

J. O. Lee and T. J. Park

Received: 23 Aug. 2012, Revised: 12 Nov. 2012, Accepted: 20 Nov. 2012

Key Words：Surface Texturing(표면조직), Micro-dimple(미세 딤플), Friction Reduction(마찰감소), Hydraulic

Machine Components(유압부품), CFD(전산유체역학)

Abstract: Friction reduction between sliding hydraulic machine components is required to improve efficiency and

reliability of hydraulic machineries. It is recently reported that surface texturing on sliding bearing surfaces can reduce the friction force highly. In this paper, numerical analysis is carried out to investigate the effect of dimple numbers and inlet boundary pressures on the lubrication characteristics of a parallel sliding bearing using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT. The results show that the pressure distribution, load capacity, dimensionless friction force and leakage with dimple number and their locations, and inlet pressures. The overall lubrication characteristics are highly affected by dimple numbers and boundary pressure. The numerical method adopted and results can be used in design of efficient hydraulic machine components.

* Corresponding author: [email protected]

1 Graduate School, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea

2 School of Mechanical Engineering, Engineering Research Institute, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea

Copyright Ⓒ 2012, KSFC

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1. 서 론

유압시스템의 설계에서 가장 주된 관심의 대상은 적절한 점도의 유체를 이용한 효율적인 에너지 변환 이다. 즉, 용적식 펌프를 사용하여 생성된 고압의 유 체를 제어밸브와 배관계를 통해서 액추에이터에 전 달하여 기계적 에너지로의 변환을 최대화하는 것이 다. 이때, 펌프, 제어밸브 및 액추에이터 등의 상대운 동을 하는 모든 부품사이의 간극은 고압유체의 내부 누설을 줄이기 위하여 가능하면 최소화하고 있다. 하 지만 간극이 작아질수록 유압유의 점성마찰로 인한

에너지손실은 증대할 뿐만 아니라 이는 부차적으로 유온을 상승시키는 등의 악영향을 초래한다. 따라서, 유압부품에서는 적절한 크기의 간극유지와 함께 점 성마찰을 저감시키는 기술개발이 지속적으로 요구되 고 있다. 현재, 일반적으로 적용되는 마찰저감기술로 는 부품의 형상정밀도와 표면조도의 향상, 이종재료 의 사용 및 표면코팅 등이 있다.

한편, 대략 10여년 전부터 기계식 시일(Mechanical

seal), 내연기관의 피스톤 링(Piston ring) 등에서와 같

이 거의 경계윤활(Boundary lubrication) 상태로 운전

되는 기계부품면에 미세한 크기의 포켓(Pocket)이나

딤플(Dimple) 등을 가공하면 마찰감소와 함께 수명과

내구성을 향상시킬 수 있다는 연구결과들이 제시되

었다.

Surface texturing이라고 불리어지는 새로운

표면가공에 의한 딤플 등이 오일 저장조(Oil

reservoir)와 마멸입자를 포집하는 필터(Filter)로서의

기능뿐만 아니라 압력을 발생시키는 소형의 동압베

어링(Hydrodynamic bearing)으로도 작용할 수 있음이

최근의 연구결과에서 밝혀졌다.

지금까지의 다양한

Surface texturing 방법중에서 Etsion

이 주도적으로 개

발한 레이저를 사용한 표면조직 가공법(Laser surface

texturing : LST)이 현재 널리 적용되고 있다. Fig. 1은 LST로 가공한 미끄럼 베어링의 표면을 확대하여 나타낸 사진으로 반구형인 딤플의 직경과 깊이는 대략 100㎛와 10㎛ 정도이다. 현재 Surface texturing 방법은 많은 기계부품의 윤활성능향상에 기여하고 있지만 아직까지 유압부품에는 적용이 미흡한 상태 이다.

Fig. 1 Example of laser surface textured bearing surfaces

상대운동을 하는 미끄럼면에서의 윤활특성을 이론 적으로 조사하기 위해서는 유체윤활의 지배방정식인 레이놀즈 방정식을 해석해야 한다. 하지만 Surface texturing한 경우에는 딤플의 크기와 깊이가 딤플이 없는 부분에서의 유막두께보다 한층 크고 유막형상 이 급격하게 변화한다. 따라서, Surface texturing한 부 품의 윤활해석에 레이놀즈 방정식을 적용하는 것은 상당한 무리가 있으므로 Navier- Stokes 방정식과 연 속방정식으로 해석해야 하며, 이러한 경우에 전산유 체역학(Computational fluid dynamics : CFD) 해석방법 을 사용하는 것이 보다 적절하다.

한편, 지금까지 의 Surface texturing한 미끄럼 베어링에 대한 윤활특 성 해석결과는 경계압력이 동일(대기압)한 경우가 거 의 대부분이었다.

하지만 유압부품에서는 아 주 높은 압력이 경계에 작용하므로 이러한 조건에 대한 해석이 필요하다. 박태조 등

은 사판식 피스톤 펌프의 사판에 미세 딤플이 있는 경우의 경계압력에 따른 윤활특성의 변화를 처음으로 해석하였으나 딤 플이 1개인 경우에 대한 결과였다.

본 논문에서는 유압부품에서의 점성마찰손실을 획 기적으로 저감시키기 위한 연구의 일환으로 다수의 미세딤플을 가공한 유압부품의 경계면에 서로 다른 압력이 작용하는 경우의 윤활특성을 상세하게 조사 하고자 한다.

2. 해석 모델 및 방법

본 논문에서는 서로 다른 압력이 작용하는 유압부 품의 미끄럼면에 다수의 미세 딤플이 있는 경우의 윤 활특성을 수치해석적으로 조사하였다. 간극내에서 유 압유의 유동을 정상상태, 3차원 층류유동으로 가정하 면 유동을 지배하는 Navier-Stokes 방정식과 연속방정 식은 각각 다음의 식(1)~식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

__

_

 _

 _

 







_

 _

_





_





_

 ⁽¹⁾

_

 _  

(2)

Fig. 2는 논문에 사용한 미끄럼 베어링 형상을 개 략적으로 나타낸 그림이다. 해석모델의 폭은 2r

이고 반지름과 깊이가 각각

와 h

인 반구형 미세딤플을 왼쪽의 입구부에서부터 차례로 배치하였다. 이때 유 막두께는 식(3)과 같이 표현된다.

  











  _  ^^ ^≤ _

 ^^ ^≻ _

(3) 여기서,

_ 



_^ _^

  ^ ^  _

_^ _^

(4)

Fig. 2 Schematic of micro-dimpled sliding bearing

machine components

z방향 양측경계에는 다음식과 같은 대칭조건을 적

용하였다.



   ± _

(5)

본 논문에서는 딤플의 수와 베어링 입구부 경계압 력의 크기가 유압부품면의 윤활특성에 미치는 영향 을 조사하기 위하여 딤플의 수를 입구부에서 시작하 여 최대 10개까지 증가시켰다. Fig. 3은 상용 열‧유체 해석 CFD 프로그램인 FLUENT

의 전처리 프로그램 인 ICEM CFD를 이용하여 생성한 격자의 예를 나타 낸 그림으로 (a)는 미세딤플이 10개인 경우의 전체격 자계를, (b)는 딤플의 중앙부를 확대하여 나타내었다.

이때, 고체벽면 부근과 유막이 급격히 변하는 부분에 는 격자를 조밀하게 배치하였다. 유압유와 접촉하는 벽면에는 점착(No-slip) 조건을 적용하였으며, Table 1 에는 해석에 사용한 베어링의 사양과 운전조건을 나 타내었다. 유압유의 밀도와 점도는 각각 962 kg/m

, 0.013468 kg/m

(a)

(b)

Fig. 3 Grid system used in numerical analysis

Table 1 Bearing size and operating conditions Symbol Value Bearing length & width, ㎛

1,100

55 Dimple size & depth, ㎛

50

3 Film thickness, ㎛

1 Pressure B. C., MPa

0, 1, 2

Pn

0 Sliding speed,

1

3. 결과 및 고찰

Fig. 4는 전길이에 딤플이 있는 경우에 대한 x-z단 면에서의 유선을 나타낸 그림으로 각 딤플내에서는 경계압력의 크기에 관계없이 하나의 큰 와류가 형성 되었다. 이러한 와류는 내부에서 발생한 마멸입자나 외부에서 유입된 경질입자를 딤플에 가두는 일종의 필터(Filter) 역할을 할 것으로 예상된다.

Fig. 5~Fig. 7은 입구부에서부터 순차적으로 딤플이 추가될 때, 입구압력의 변화에 따른 x-z단면에서의 압력분포를 전체 해석결과 중에서 최고압력에 대하 여 상대적으로 나타낸 그림이다. 여기서, 왼쪽의 숫 자는 딤플의 수를 의미한다. 즉, 맨 위의 딤플이 없 는 경우에서 부터 아래로 갈수록 왼쪽에서 딤플이 계속 추가되어 최대 10개이다. 윤활면이 평행하므로 딤플이 없는 경우에는 윤활작용에 의한 동압 (Hydrodynamic pressure)이 추가적으로 발생하지 않기 때문에 입구에서 출구쪽으로의 압력분포는 직선적으 로 변화한다. 하지만 딤플이 있는 경우에는 윤활면의 운동에 따른 Couette 유동의 결과로 압력이 발생할 수 있다. 즉, 입구부에 위치한 딤플의 흡입효과(Inlet suction)

에 의해서 추가적으로 유입된 유체는 딤플의 출구부근에서 유막두께가 급격하게 감소하므로 베어 링 입구부에서보다 높은 압력이 발생하며, 이의 크기 는 딤플이 추가될수록 증가하여 6개일 경우에 최대 치에 도달한 다음 전체적으로 점차 감소하였다. 딤플 이 출구부에 가깝게 위치할수록 유압유가 쉽게 누설 되므로 발생압력은 낮아져 출구압력에 도달하였다.

이러한 경향은 입구경계압력

의 크기에 관계없이 동일하였다.

Fig. 4 Streamlines at x-z plane. P

Fig. 5 Pressure distribution for P

Fig. 8에는 딤플이 있는 경우, 길이방향으로 딤플 이 없는 위치에서의 유막두께방향 속도분포를 경계 압력의 차이에 따라 비교하여 나타내었다. 앞에서 고 찰한 바와 같이 딤플의 작용으로 추가되는 Poiseuille 유동으로 인하여 입구압력이

속도분포는 직선적이지 않으며, 이는 P

가 증가할수 록 더욱 변화하고 있다. 이와 같이 딤플의 존재와 경 계압력 크기에 따른 속도구배의 변화는 베어링면에 작용하는 점성마찰력의 크기에 직접적으로 큰 영향 을 미칠 것으로 예상된다.

Fig. 6 Pressure distribution for P

Fig. 7 Pressure distribution for P

Fig. 8 Velocity profile at x-y plane

Fig. 9 Pressure distribution for P

Fig. 10 Pressure distribution for P

Fig. 11 Pressure distribution for P

Fig. 12 Variation of supporting load with dimple number

Fig. 13 Variation of dimensionless friction force with dimple number

Fig. 14 Variation of dimensionless leakage with dimple number

Fig. 12~Fig. 14에는 입구부 압력과 딤플수에 따른 베어링의 지지하중, 윤활면에 작용하는 마찰력 및 간 극을 통하는 누설유량을 순서대로 나타내었다. 이때, 마찰력과 누설유량은 딤플이 없는 경우의 값으로 무 차원화한 결과이다. 앞의 압력분포에서 고찰한 바와 같이 지지하중은 입구압력의 크기에 관계없이 딤플 이 많아질수록 점차 증가하여 6개인 경우에 최대치 에 도달한 다음 급격하게 감소하였다. 입·출구의 압 력이 동일하면 딤플이 없거나 전길이에 딤플이 있는 경우에는 하중지지가 어려운 반면에 입구압력이 출 구보다 높아질수록 지지하중은 딤플의 유무에 관계 없이 증가하였다. 한편, 입구부로부터 딤플이 많아지 고 입구압력이 높을수록 베어링에 작용하는 마찰력 은 감소하지만 간극을 통하는 누설량은 증가하였다.

특히, 입구부에 고압이 작용할수록 마찰력이 감소하 는 것은 앞서 Fig. 8에서 고찰한 것과 같이 윤활면의 운동으로 인한 Couette 유동에 Poiseuille 유동이 추가 되어 베어링면에서의 속도구배가 감소하기 때문인 것으로 이해된다. 또한 딤플이 많을수록 베어링 전체 의 평균간극이 증가하므로 점성마찰은 줄어들지만 누설량은 증가한다.

이상의 결과에서 나타낸 것과 같이 고압이 작용하

는 유압부품면에 적절한 형태의 Surface texturing 처

리를 하면 추가적인 하중지지와 함께 점성마찰을 크

게 줄일 수가 있는 등 윤활성능을 향상시킬 수 있을

것으로 예상되며, 다양한 적용조건에 대한 추가연구

가 요구된다.

4. 결 론

본 논문에서는 유압부품에서 발생하는 점성마찰을 저감시키기 위하여 Surface texturing한 유압부품의 입·출구에 서로 다른 압력이 작용하는 경우의 윤활특 성을 상용 열‧유체해석 CFD 프로그램인 FLUENT를 사용하여 해석하였다. 이때 평행 미끄럼베어링의 경 계면에 작용하는 압력의 크기와 딤플의 수에 따른 압력분포, 지지하중, 마찰력 및 누설유량의 변화를 상세하게 조사하였다. 이 결과, 딤플 수와 경계압력 에 따라서 베어링 내에서의 압력분포는 크게 변화하 였으며, 지지하중이 최대인 딤플 수가 존재하였다.

딤플이 많아지고 입구압력이 높을수록 마찰력은 감 소하는 반면에 누설량은 증가하였다. 따라서 본 논문 의 해석방법과 결과는 유압부품에서의 마찰저감과 신뢰성향상에 적용될 수 있을 것으로 기대되며, 다양 한 설계 변수에 대한 집중적인 연구가 요구된다.

후 기

이 논문은 2단계 BK21사업과 지식경제부 산업융 합원천기술개발사업 [10042662, 설계유의파고 15m 해역의 Oil & Gas 생산을 위한 100만 배럴급 FPSO 용 Turret System 설계 기술 개발]으로 지원된 연구결 과입니다

참고 문헌

1) V. Brizmer, Y. Kligerman and I. Etsion, "A Laser Surface Textured Parallel Thrust Bearing", Tribology Trans., Vol. 46, pp. 397~403, 2003.

2) I. Etsion, "State of the Art in Laser Surface Texturing", Trans. ASME, J. of Tribology, Vol. 127, pp. 248~253, 2005.

3) Y. Feldman, Y. Kligerman, I. Etsion and S. Haber,

"The Validity of the Reynolds Equation in Modeling Hydrostatic Effects in Gas Lubricated Textured Parallel Surfaces," Trans. ASME, J of Tribology, Vol. 128, pp. 250~345, 2006.

4) M. Fowell, A. V. Olver, A. D. Gosman, H. A.

Spikes and I. Pegg, "Entrainment and Inlet Suction : Two Mechanisms of Hydrodynamic Lubrication in

Textured Bearings", Trans. ASME, J. of Tribology, Vol. 129, pp. 221~230, 2007.

5) M. Dzodzo, M. J. Braun and R. C. Hendricks,

"Pressure and Flow Characteristics in a Shallow Hydrostatic Pocket with Rounded Pocket/Land Joints", Tribology Int., Vol. 29, pp. 69~76, 1996.

6) P. Y. P. Chen and E. J. Hahn, "Use of Computational Fluid Dynamics in Hydrodynamic Lubrication", Proc. IMechE, Vol. 212, pp. 427~436, 1998.

7) M. Helene, M. Arghir and J. Frene, "Numerical Study of the Pressure Pattern in a Two- Dimensional Hybrid Journal Bearing Recess, Laminar, and Turbulent Flow Results", Trans.

ASME, J. of Tribology, Vol. 125, pp. 283~290, 2003.

8) P. Brajdic-Mitidieri, A. D. Gosman, E. Ioannnides and H. A. Spikes, "CFD Analysis of a Low Friction Pocketed Pad Bearing", Trans. ASME, J.

of Tribology, Vol. 127, pp. 803~812, 2005.

9) Park, T. J. and Hwang, Y. G., "Lubrication Characteristics of Laser Textured Parallel Thrust Bearing : Part 1 – Effect of Dimple Depth", J of KSTLE., Vol. 25, No. 5, pp. 305~310, 2009.

10) Park, T. J. and Hwang, Y. G., "Lubrication Characteristics of Laser Textured Parallel Thrust Bearing : Part 2 - Effect of Dimple Location", J.

of KSTLE., Vol. 26, No. 1, pp. 1~6, 2010.

11) Park, T. J., "Lubrication Characteristics of Laser Textured Parallel Thrust Bearing : Part 3 - Effect of Number of Dimples," J. of KSTLE., Vol. 27, No. 6, pp. 302~307, 2011.

12) Park, T. J., "Lubrication Characteristics of Laser Textured Parallel Thrust Bearing : Part 4 – Effect of Dimple Shape", J. of KSTLE., Vol. 27, No. 6, pp. 338~343, 2011.

13) Park, T. J., Cho, J. C., and Kim, M. J.,

"Application of Surface Texturing Method to Improve Lubrication Performance in Swash Plate Type Axial Piston Pumps", Proc. of KFPS Fall Conf., pp. 76~80, 2010.

14) FLUENT, "FLUENT 12.1.2 Manual", 2009.