Introduction

TPB은 설계 및 구동 조건이 미치는 영향이 크기 때문에 다양한 실험적·해석적 연구를 통해 개선이 이루어지고 있다. 특히 패드를 지지하는 피봇 강성을 고려한 해석 모델 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이태원과 김태호⁽⁶⁾는 패드와 피봇의 유한 요소 해석 모델을 개발하여 비선형 접촉 해석을 통해 볼-소켓 형태와 락커백 형태의 피봇 강성을 예측하고 Hertzian 접촉 모델의 해석 결과와 비교하였다. 동일한 조건으로 해석하였을 때 곡률직경 차이가 감소할수록 Hertzian 접촉 모델을 통해 계산된 피봇 강성 결과와 유한 요소 모델 결과의 차이가 커짐을 확인하였다. 이는 Hertzian 접촉 모델이 작은 접촉 면적을 가정하기 때문인 것으로 보이며 작은 곡률직경 차이를 갖는 경우 유한 요소 모델 해석이 더 적합한 것을 보였다.

최태규와 김태호⁽⁷⁾는 Hertzian contact stress 이론을 사용하여 해석한 피봇 강성을 고려한 틸팅 패드 저널 베어링(TPJB, Tilting Pad Journal Bearing)의 해석을 진행하여 실험결과와 비교하였다. 임의의 피봇 강성을 고려한 기존의 해석 결과에 비해, 강성 해석 결과는 실험과 매우 잘 일치하며, 감쇠의 경우 실험에 비해 약간 높은 예측을 하지만 경향이 일치함을 보였다. 기존의 해석결과 및 실험결과와의 비교를 통해 해석의 신뢰성을 검증하였다.

또한, 최태규와 김태호⁽⁸⁾는 TPB의 피봇 형상에 따른 피봇 강성을 예측하여 기존의 논문과의 비교를 통해 신뢰성을 검증하고 피봇 강성을 고려한 베어링의 강성 및 감쇠를 해석적으로 분석하였다. 피봇의 형상은 볼-소켓 형태와 락커백 형태로 해석하였다. 피봇 강성을 고려하였을 때, 편심률은 증가하고 베어링의 강성과 감쇠는 감소함을 보였다. 특히 볼-소켓 피봇의 경우 하중 증가에 따라 피봇 강성이 급격히 변화하여 베어링 하중이 중요한 설계 요소임을 확인하였다.

박문성과 김태호⁽⁹⁾는 3 패드 가스 포일 저널 베어링(GFJB, Gas Foil Journal Bearing)에 대하여 기계적 예압과 가진 주파수의 증가에 따른 강성과 감쇠를 해석하였다. 일반적으로 기계적 예압의 증가에 따라 직교 강성이 증가하고 교차 강성이 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 가진 주파수의 증가에 따라 불안정성을 야기하는 값이 감소함을 보였다. 이를 통해 가진 주파수의 증가에 따라 베어링의 안정성이 증가하는 것을 확인하였다.

이종성과 김태호⁽¹⁰⁾는 preload 증가가 3 패드 GFJB의 정·동특성에 미치는 영향을 연구하였다. 먼저 회전 속도와 preload 증가에 따른 1 패드 GFJB과 3 패드 GFJB의 최소유막두께와 회전축 중심의 자세각 변화를 비교하였을 때 3 패드 GFJB이 더 작은 최소유막두께를 보이지만 교차강성을 유발하는 수평방향의 회전축 중심 자세각 변화가 적어 동적 안정성이 뛰어남을 보였다. 3 패드 GFJB의 해석을 통해 일반적으로 프리로드가 증가할수록 저널 편심량, 자세각, 최소유막두께, 교차강성 그리고 수직방향 직교감쇠가 감소하고 마찰토크, 직교강성과 감쇠가 증가함을 보였다.

이인범과 홍성기⁽¹¹⁾는 터보차저 공급 오일 압력과 온도가 풀-플로팅 베어링(FFRB, Full-Floating Ring Bearing)의 로터 응답에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 실험 장치는 ISO1940-1에 따라 저·고속의 구동 조건에서 balancing 되었다. 실험 결과 고속 조건에서 떨림현상이 발생하는 것을 확인하였으며, 오일 공급 압력과 온도가 베어링의 불안정성을 유발하는 sub-synchronous 진동을 야기하는데 영향을 미치는 것을 보였다.

트러스트 베어링은 축방향의 하중 지지능력을 증가시키고 마찰을 감소시키는 베어링이다. 이태원과 김태호⁽¹²⁾는 가스 포일 스러스트 베어링에 대하여 포일 경사높이(ramp height)와 최소유막두께(minimum film thickness) 변화에 따른 베어링 동특성을 해석하였다. 이를 통해 하중지지 능력과 토크는 포일 경사높이와 최소유막두께에 의존적임을 밝혔고, 최적화 설계를 통해 베어링의 성능 향상을 도모할 수 있음을 보였다.

정요한과 박태조⁽¹³⁾는 CFD 해석을 통해 베어링 표면의 딤플 반경과 깊이에 따른 열유체 윤활특성을 연구하였다. 딤플 반경이 크고 깊이가 얕을수록 딤플 내에 강한 와류로 인한 속도구배 때문에 윤활유 온도가 높고 딤플부 출구 압력이 높아짐을 보였다. 열유체(THD, ThermoHydroDynamic) 해석에서의 마찰력과 누설량은 등온 해석에 비해 작게 나타나며 딤플의 개수가 많을수록 더 많은 차이가 날 것으로 예상했다.

볼베어링은 기하학적 불안정성(waviness)이 존재하면 회전에 따라 접촉력, 접촉각 및 강성 등이 변화하기 때문에 베어링 자체가 지지하는 역할 뿐 아니라 가진원이 될 수 있다. 황평과 Nguyen⁽¹⁴⁾은 깊은홈볼베어링(Deep-groove ball bearing)의 기하학적 불안정성 요소에 따른 영향을 4th Runge-Kutta 수치해석 기법을 통해 해석하였다. Waviness가 없을 경우 베어링의 진동은 무시할 수 있는 수준이지만, waviness가 증가할수록 nonsynchronous 요소가 많아져 불안정성을 야기할 수 있기에 볼 베어링의 진동 분석에 있어 waviness를 고려해야 함을 확인하였다.

류솔지⁽¹⁵⁾ 등은 극저온 환경에서 액체질소의 주입 유량에 따른 볼 베어링 토크, 마찰계수, 음향진동, 실험 전후 마모량을 통해 케이지의 불안정성을 실험적으로 평가하였다. 실험은 지속적으로 액체질소를 주입하는 방식과 주입하지 않는 방식 두가지로 진행하였다. 실험 결과, 구동 후 액체질소를 주입하지 않는 경우에서 급격한 마찰계수 증가를 보였고, 지속적으로 주입한 결과와 비교했을 때 약 6배의 마모량 차이를 확인하였다. 이를 통해 주입 유량이 없는 경우의 케이지가 더 불안정함을 보였다.

국외 베어링 제조 기업들은 베어링 재제조 공정을 통한 자원과 비용절감에 앞장서고 있다. 다리스렝 스르멩닥와⁽¹⁶⁾ 등은 국내 특허기술을 이용해 자동조심 롤러 베어링의 초음파나노표면개질(UNSM, Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification) 재제조 공정 적용을 통한 수명향상을 실험적으로 확인하였다. UNSM은 기존 재제조 공정에 비해 연마된 표면의 거칠기 감소, 경도 증가 그리고 압축잔류응력 형성 등의 장점이 있다. 본 논문에서는 신품 베어링에 비하여 UNSM 기술을 적용하였을 때 베어링 수명이 크게 늘어나는 것을 보여 베어링 성능 복원 및 향상에 효과가 있음을 입증하였다.

진도훈과 윤문철⁽¹⁷⁾은 슬라이더 베어링의 엠보싱 개수와 경사의 조건에 대한 윤활특성을 연구하였다. 경사도는 유막두께의 비로 정의하였다. 평균압력분포량과 최대 부하용량은 엠보싱의 개수에 관계없이 같은 유막두께비에서 발생하였다. 이를 통해 베어링의 부하용량을 증가시키기 위해서는 유막두께비가 영향력이 크다는 것을 밝혔다.

자기베어링은 일종의 전자석으로 회전체와 고정된 전자석이 가까워질수록 간극이 작아져 서로 붙을 가능성이 있는 불안정한 시스템이기 때문에 위상을 조절하는 것이 매우 중요한 요소이다. 위상을 조절하기 위해서는 구동 회전속도 범위의 게인 값을 데이터베이스화 해야한다. 김재실⁽¹⁸⁾ 등은 LabVIEW를 이용하여 제어 알고리즘을 구성하고 실시간 통신이 가능한 Compact RIO를 통해 게인과 위상을 조절하여 자기베어링의 능동 진동 제어의 가능성을 실험적으로 확인하였다.