Introduction

유동압 저널 베어링은 회전축과 베어링 사이의 틈새에 윤활유를 공급하여 축 운동에서 발생하는 동압으로 하중을 지지하는 베어링이다. 회전축과 베어링의 직접적인 마찰이 없어 수명이 길고, 큰 하중을 지지할 수 있으며, 윤활유에 의한 감쇠효과로 일반적인 강체 베어링보다 높은 운전정밀도를 갖는다.

저널 베어링은 다양한 형상오차에 의하여 그 특성이 바뀌고, 이 중 특히 파상도가 베어링의 강성, 압력, 자세각 등을 변화시킴으로써 베어링의 회전오차를 유발 한다는 것이 해석적으로 밝혀졌다(56). 또한, 베어링의 길이가 길 수 록 최소 유막 두께와 마찰 손실이 증가하고, 틈새의 변화에 따른 마찰 손실과 최소 유막 두께가 조절가능하다는 에 대하여 해석적으로 연구되었다(7).

저널 베어링의 윤활 분석은 회전체 시스템의 고성능 출력과 무게를 줄이는 목표를 달성하는데 중요하다. 이러한 저널 베어링의 윤활 특성을 분석하기 위한 방법으로 유연 다물체 동역학 해석과 탄성유체 역학 해석을 이용한 저널 베어링의 운동을 해석하는 알고리즘이 개발되었다(8)

이러한 해석적인 연구에 대한 노력에도 불구하고 회전체－베어링 시스템은 구조 및 유체에서 복합적으로 발생되는 현상들로 인하여 높은 복잡성을 요구하며, 이에 따라 해석적인 연구뿐만 아니라 실제 적용된 기계 및 실험장치로 검증하는 연구도 반드시 동반되어야 한다.

냉동용 가전인 냉장고, 에어컨과 같은 기계장치에서 사용되는 왕복동 압축기는 소형화, 저소음화 및 고 신뢰성을 요구받고 있으며, 왕복동식 압축기 저널 베어링부의 마찰손실 측정 연구를 바탕으로 실제 압축기 환경 하에서의 마찰 손실을 측정하는 실험장치가 개발되고, 일정 온도에서 회전수가 증가할수록 마찰손실량이 증가한다는 사실이 밝혀졌다.(9)

현재 가스터빈 엔진은 대부분 해외 유명 메이커에 의존하고 있으며 이로 인해 보수 및 복구에 많은 시간과 비용이 소모되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 25MW 급 수입 가스터빈의 보수 및 복구를 국내 기술로 해결한 사례가 소개되었다.(10)

구름 베어링은 회전기계의 주축을 지지하고 요소로써 산업체에서 널리 사용되고 있고 효율에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 구름베어링이 정압, 동압베어링 및 자기 베어링 등에 비해 뛰어나 장점 중 하나는 높은 강성으로, 높은 가공정밀도가 요구되는 공작기계의 주축에 많이 사용되고 있다.

구름베어링의 강성은 베어링의 내부설계, 예압하중 및 예압방법에 따라 결정되고 일반적으로 강성과 고속성은 상반되는 항목이다. 최근의 추세로 환경부하저감이 주된 연구주제이며 에너지절약, 저소음화 및 오일윤활에서 그리스윤활로의 윤활방법 변경 등 여러 가지가 있으며 베어링 형상변경, 윤활시스템의 개선 등의 방법이 활발히 연구되고 있다.

산업체 현장에서 시스템의 결함은 매우 큰 손실과 재앙을 가져올 수 있다. 따라서 주기적인 결함 진단과 상태를 조기에 파악하고 대책을 수립해야 한다. 그 방법 중 볼베어링의 결함 진단을 위해 적외선 열화상 장치를 이용한 감사방법이 제시되었고 이 방법으로 비파괴와 비접촉이 필요한 회전체 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.(11) 저속 회전기계 시스템 진단 방법으로는 위너필터(wiener filter)를 이용한 잡음제거를 통해 베어링결함에 의한 충격펄스를 판별하여 신뢰성 있는 방법을 확인하였다.(12)

볼베어링의 불량유형에 따른 진동 및 소음 측정방법, 계산식 도출에 대한 연구를 수행하여 불량유형을 확인 관리할 수 있도록 제시하였다.(13) 볼베어링 중 앵귤러콘택 타입은 다른 베어링에 비해 열화가 많이 일어나는데 정렬에 대한 문제를 해결함으로써 열화를 감소시킬 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다.(14)

구름베어링의 윤활은 베어링 수명에 큰 영향을 미친다. 이러한 윤활 현상을 규명하기 위해 평균 레이놀즈 방정식(average Reynolds equation)을 압력 유동계수와 전단 유동계수를 이용하여 풀이하고 수치적으로 생성한 표면 형상을 고려한 해석모델과 비교하여 표면 거칠기의 영향을 알아보았다.(15) 테이퍼 롤러 베어링의 탄성유체윤활(EHL) 해석을 불균일 격자계를 채용한 수치적 방법으로 연구를 수행하였다.(16) 한편, 기존의 하중, 회전속도에 대한 테이퍼 롤러 베어링의 연구는 열 변형에 따른 초기 예압량을 포함한 내구수명 및 예압특성을 제시하였다.(17)

다양한 환경에서 구름베어링은 사용되고 개발되어지는데 극저온 환경에서 액체로켓 터보펌프 구동을 위한 연구가 수행되고 있으며(18), 진동스크린, 풍력발전시스템, 연속 주조기계 등에 널리 사용되는 자동조심 롤러베어링에 대한 연구도 활발히 진행 중이다.(19)

자기 베어링은 장시간 고속 회전에 적합하고, 긴 수명, 저 진동, 클린 등과 같은 요구를 충족시키며, 고전적 형태의 구름요소 베어링으로는 구현 불가능한 고속,고정밀 회전축의 필수적인 기계요소이다. 따라서, 공작기계 산업과 반도체 산업을 비롯하여 바이오산업 및 항공우주산업 등에 적용되고 있고, 높은 성능과 안정성 및 강인성, 신뢰성을 충족하기 위해서 축의 회전 궤적을 능동적으로 제어하는 것이 매우 중요하며, 여러 제어 알고리즘을 적용한 연구들이 발표되고 있다.

반도체 공정에서 사용되는 터보 분자 펌프는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 진공펌프이고, 이러한 분자 펌프는 베어링에서의 오염이 없는 자기 베어링이 주로 적용된다. 최근 개발 중인 2,500 1/s급의 자기 부상형 고진공 복합분자펌프의 시작품에 대하여 고속회전의 안정성에 대한 연구가 수행 중이고(20), 디지털 제어를 적용하여 고속회전시의 진동 특성과, 연속 작동시의 안정성에 관해 보고되었다.

100kW급 터보 블로워에 자기 베어링이 적용된 시스템의 진동 제어를 위해, 예측 제어 알고리즘을 제안하고, 제어기 시뮬레이션을 수행하여 제어 안정성에 관한 연구가 수행되었고(21), 이러한 회전체 시스템에 예측 전문가 제어기법을 활용한 시뮬레이션을 구현하고, 임의로 입력된 속도에서 진동 제어가 가능한 연구가 발표되었다(22).

능동형 자기 베어링의 고속 회전시 자이로효과에 의한 직교 제어 축 간의 자기력 간섭 현상이 나타나는 불안정성을 해결하기 위한 여러 제어 알고리즘들이 연구되어 왔고, 3방향 이하의 자유도에서 해석된 기존의 연구와 달리, 6자유도를 지닌 능동형 자기 베어링의 시스템 해석 및 강인 안정도 분석에 초점을 맞춘 논문이 발표되었다(23). 해당 논문에서는 비선형적 구조를 가지고 있는 자기 베어링 시스템을 퍼지 모델링 기법으로 해석하고, 퍼지 모델에 적합한 제어기를 접목해 시스템의 안정도를 증명하였다.

수동/능동형 자기 베어링의 장점을 갖는 하이브리드 자기 베어링 시스템을 대상으로 퍼지 스위칭 제어기를 설계하여 자기 베어링 시스템의 스위칭 안정도 해석이 수행되었다(24). 기존의 자기 베어링에 적용되었던 이론을 보완하여 상위 모델인 하이브리드 자기 베어링에 대한 스위칭 퍼지 제어기를 제안하고, 타당성을 검증하였다. 또한, 자기 베어링 시스템에 적용되는 비례미분 제어 알고리즘과 동기 노치필터를 적용한 제어 알고리즘의 전력소모량을 비교하여 제어 성능을 개선한 연구 결과가 발표되었다(25).