KR102633463B1 - 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법 - Google Patents
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Abstract
대형의 유체 윤활 베어링에 대해 성능시험을 수행하기 위한 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면, 실제모델에 대한 축소모델의 축소비율을 결정하는 단계; 축소모델의 제작을 위한 기하인자를 산출하는 단계; 기하인자에 따라 축소모델을 제작하는 단계; 축소모델에서의 시험을 위한 성능시험인자를 산출하는 단계; 축소모델에 성능시험인자를 적용해 성능시험을 수행하는 단계; 및 성능시험 결과를 통해 실제모델에서의 성능을 추정하는 단계;를 포함하는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법이 제공된다. 본 발명은 축소모델을 사용해 설비 구축이 용이하고 비교적 저비용으로 효율적 수행될 수 있다.
Description
본 발명의 대형의 유체 윤활 베어링에 대해 성능시험을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.
베어링은 각종 기계요소에서 회전이나 왕복 운동을 지지하는 용도로 널리 사용되고 있다. 일반적으로 베어링은 접촉상태에서의 회전이나 왕복 운동을 전제하고 있기 때문에 윤활(lubrication) 수단이 요구될 수 있다.
베어링은 윤활 방식에 따라 오일 윤활 베어링, 기체 윤활 베어링, 자기 윤활 베어링, 오일리스(oilless) 베어링 등으로 구분될 수 있다. 오일 윤활 베어링은 오일을 윤활제로 사용하는 베어링으로 가장 일반적으로 사용된다. 기체 윤활 베어링은 공기(air)를 사용하는 방식으로, 외부의 압력을 이용하는 정압 베어링과, 회전축의 회전에 의한 압력을 이용하는 동압 베어링으로 구분될 수 있다. 기체 윤활 베어링은 마찰 토크가 작고 오일 사용에 따른 오염이 없는 것이 장점이나, 하중 지지 능력이 작아 대형이나 고하중의 베어링에서는 사용이 제한될 수 있다. 자기 윤활 베어링은 자기(magnetic)의 반발력을 이용하는 방식을 사용하며, 오일리스 베어링은 급유가 필요하지 않도록 다공질의 소결 금속에 오일을 침투시킨 형태의 베어링이다.
다양한 종류의 베어링에도 불구하고, 상당수의 대형 회전기기들은 하중 지지능력이나 제조단가 등의 측면에서 오일 윤활 베어링을 채용하고 있다. 오일 윤활 베어링은 오일, 물, 가스 등의 유체를 작동 유체로 사용해 베어링과 회전축 사이에 형성되는 얇은 유체막을 통해 윤활하는 방식으로, 현재까지 매우 광범위한 분야의 기계요소에서 널리 활용되고 있다.
한편 베어링은 회전기기의 기본적인 기능이나 작동을 구현하는 기계요소로서 높은 신뢰도가 요구되는 부품 중 하나이다. 특히 대형 터빈, 엔진, 발전기 등에 사용된 베어링의 손상은 시간이나 비용 측면에서 막대한 손실을 초래할 수 있으므로 보다 면밀한 성능시험이나 평가가 요구된다.
이러한 측면에서 종래 베어링의 성능시험이나 평가를 위한 다양한 방법 및 장치들이 제안되어 왔다. 예컨대 등록특허 제10-1664102호는 베어링의 강성, 수명, 회전정밀도 등을 평가할 수 있도록 한 "베어링 성능평가 시험기"를 제안한 바 있고, 등록특허 제10-0724799호는 볼 베어링의 강성을 측정 가능한 임계속도로부터 예측 가능하도록 한 "베어링강성시험 장치 및 방법"을 제안한 바 있다. 또한 등록특허 제10-1891821호는 회전축의 편심을 방지할 수 있는 "베어링 테스트 장치"를 개시하며, 등록특허 제10-2275786호는 동적 하중이 작용되는 주행 상태를 모사해 차출 베어링의 시험을 가능하게 하는 "베어링 시험기"를 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 기술들은 시험대상인 실물 베어링의 존재를 전제로 그 시험장치나 방법을 제안하고 있다. 이에 따라 시험체나 시험설비의 제작에 상당한 시간과 비용이 소요되는 대형 베어링의 경우 적절히 사용되기 어려운 측면이 있다. 또한 대형 베어링의 경우 적합한 규모의 시험설비가 많지 않아 활용이 어렵고, 투입 비용에 제한이 있는 초기 설계나 시험 단계에서는 시험체의 제작 자체에도 현실적인 난관이 있어, 많은 경우 사후 검증의 방식으로 성능시험이나 평가가 이뤄지고 있다.
본 발명의 실시예들은 대형의 유체 윤활 베어링에 대해 적절한 성능시험을 수행할 수 있도록 하는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 실시예들은 축소모델을 사용해 설비 구축이 용이하고 비교적 저비용으로 효율적 수행될 수 있는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법을 제공하고자 한다.
다만 본 발명의 실시예들이 이루고자 하는 기술적 과제들은 반드시 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 상세한 설명 등 명세서의 다른 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실제모델에 대한 축소모델의 축소비율을 결정하는 단계; 상기 축소모델의 제작을 위한 기하인자를 산출하는 단계; 상기 기하인자에 따라 상기 축소모델을 제작하는 단계; 상기 축소모델에서의 시험을 위한 성능시험인자를 산출하는 단계; 상기 축소모델에 상기 성능시험인자를 적용해 성능시험을 수행하는 단계; 및 상기 성능시험 결과를 통해 상기 실제모델에서의 성능을 추정하는 단계;를 포함하는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법은 대형의 유체 윤활 베어링과 유사한 거동특성을 보일 수 있는 축소모델을 제작하고, 축소모델을 바탕으로 기 산출된 성능시험인자를 적용해 성능시험을 수행할 수 있도록 구성된다. 이에 따라 본 발명의 실시예들에 따른 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법은 설비 구축이 용이하고 비교적 저비용으로 유체 윤활 베어링의 성능시험을 수행할 수 있다.
다만 본 발명의 실시예들을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과들은 반드시 상기에서 언급한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 효과들은 상세한 설명 등 명세서의 다른 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 성능시험 방법에 따라 제작된 축소모델의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 성능시험 방법에 따라 제작된 축소모델의 일 예를 도시한 개략도이다.
이하 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조해 설명한다. 이하의 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공될 수 있다. 다만 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이고 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 기술적 요지를 불분명하게 하거나 공지된 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법(이하, '성능시험 방법(S100)'으로 지칭함)은 축소비율을 결정하는 단계(S110), 축소모델의 기하인자를 산출하는 단계(S120), 축소모델을 제작하는 단계(S130), 축소모델의 성능시험인자를 산출하는 단계(S140), 축소모델을 대상으로 성능시험을 수행하는 단계(S150) 및, 실제모델의 성능을 추정하는 단계(S160)를 포함해 구성될 수 있다.
본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 유체 윤활 베어링의 성능 검증을 위해 적절히 활용될 수 있다. 예컨대 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 유체 윤활 베어링의 회전 속도, 오일 유량 등에 따른 성능 시험을 위해 적절히 활용될 수 있다. 특히 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 대형의 유체 윤활 베어링에 대한 성능 검증을 위해 보다 적절히 활용될 수 있다. 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 상사법칙을 적용한 축소모델(100)을 활용해 비교적 저비용으로 간단하게 성능 시험이 가능하고, 이를 통해 대형의 유체 윤활 베어링에 대한 성능 검증을 수행할 수 있다.
각 단계를 구체적으로 살펴보면, 먼저 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 축소비율을 결정하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.
축소비율 결정 단계(S110)에서는 실제모델에 대한 축소모델(100)의 축소비율이 결정될 수 있다. 축소비율은 사용 가능한 축소모델(100)의 시험환경 등을 고려해 적절히 설정될 수 있다. 예컨대 축소비율은 1:100, 1:1000 등으로 결정될 수 있다.
한편 본 실시예의 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 축소모델의 기하인자를 산출하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
축소모델 기하인자 산출 단계(S120)에서는 앞서 결정된 축소비율에 따라 축소모델(100)의 제작을 위한 기하인자가 산출될 수 있다. 기하인자는 축소모델(100)의 지름(D2), 축길이(L2) 및 지름공차(c2)를 포함할 수 있다. 즉, 축소모델 기하인자 산출 단계(S120)에서는 축소비율에 따른 축소모델(100)의 지름(D2), 축길이(L2) 및 지름공차(c2)가 산출될 수 있다.
본 실시예의 성능시험 방법(S100)에서 축소모델(100)의 지름(D2), 축길이(L2) 및 지름공차(c2)는 각각 아래의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다. 아래의 수식에서 D1, L1, c1은 각각 실제모델의 지름(D1), 축길이(L1) 및 지름공차(c1)를 나타내고, D2, L2, c2는 각각 축소모델(100)의 지름(D2), 축길이(L2) 및 지름공차(c2)를 나타내며, ratio는 축소비율을 나타낸다.
한편 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 축소모델을 제작하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
축소모델 제작 단계(S130)에서는 앞서 결정된 축소모델(100)의 기하인자에 따라 축소모델(100)이 제작될 수 있다. 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 제작 편의성이나 비용 측면을 고려해 단순화된 형태의 축소모델(100)을 가정하고 있다.
도 2는 도 1의 성능시험 방법에 따라 제작된 축소모델의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 축소모델(100)은 회전축(120) 및 유체 윤활 베어링(110)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 성능시험 방법(S100)에서 회전축(120)은 원형의 횡단면을 갖고 길이방향으로 연장 형성된 것으로 가정될 수 있다. 회전축(120)의 횡단면은 소정의 지름(D2)을 가질 수 있고, 상기의 지름(D2)은 전술한 수학식 1에 의해 산출될 수 있다. 회전축(120)은 길이방향을 축으로 소정의 회전속도(RPM2)로 회전 가능하도록 유체 윤활 베어링(110) 내에 지지될 수 있다.
유체 윤활 베어링(110)은 회전축(120)을 내부에 수용하고, 회전축(120)을 회전 가능하게 지지할 수 있다. 도시되지 않았으나 회전축(120)은 하나 이상의 베어링 수단에 의해 유체 윤활 베어링(110)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 회전축(120)이 수용되는 유체 윤활 베어링(110)의 내주면과, 회전축(120)의 외주면 사이에는 베어링 수단의 배치 등을 위한 소정의 간극(c2)이 형성될 수 있다. 본 설명에서는 상기의 간극(c2)을 지름공차(c2)로 명명해 지칭하도록 한다. 지름공차(c2)는 회전축(120)의 외주면을 둘러싸는 원형 고리 형태의 횡단면을 갖고, 회전축(120)의 길이방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 이러한 지름공차(c2)는 전술한 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
지름공차(c2)에는 오일(130)이 충전될 수 있다. 오일(130)은 실제모델에서의 오일과 동일한 종류나 성분으로 이뤄질 수 있다. 오일(130)은 지름공차(c2) 내부에서 유체 윤활 베어링(110)에 대해 회전축(120)을 윤활할 수 있다. 한편 회전축(120)은 유체 윤활 베어링(110) 내부에 수용되는 소정의 축길이(L2)를 가질 수 있다. 상기의 축길이(L2) 영역은 유체 윤활 베어링(110) 내부에 수용되어 회전 가능하게 지지되는 회전축(120)의 길이방향 일부 영역으로 정의될 수 있다. 이는 대체로 지름공차(c2) 또는 오일(130)이 배치되는 영역과도 대응된다. 이러한 축길이(L2)는 전술한 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 축소모델의 성능시험인자를 산출하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
축소모델 성능시험인자 산출 단계(S140)에서는 축소모델(100) 시험을 위한 성능시험인자가 산출될 수 있다. 성능시험인자는 축소모델(100)의 회전속도(RPM2), 하중(N2) 및 오일 유량(Q2)을 포함할 수 있다. 즉, 축소모델 성능시험인자 산출 단계(S140)에서는 실제모델의 성능 추정을 위해 축소모델(100)에 적용할 회전속도(RPM2), 하중(N2) 및 오일 유량(Q2)이 산출될 수 있다.
한편 본 실시예에서는 편의상 축소모델 제작 단계(S130) 이후 축소모델 성능시험인자 산출 단계(S140)가 수행되는 것으로 가정하고 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 축소모델(100)의 제작과 성능시험인자의 산출은 각각 개별적으로 이뤄지거나, 순서를 달리하여 이뤄질 수 있으며, 일부 또는 전부가 동시에 이뤄질 수도 있다.
또한 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 성능시험의 간소화를 위해 전술한 지름공차(c2)에 오일(130)이 완전히 충전되어 있으며, 시험과정에서 오일(130)의 누출은 없는 것으로 가정될 수 있다.
본 실시예의 성능시험 방법(S100)에서 축소모델(100)의 회전속도(RPM2)는 아래의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다. 아래의 수식에서 RPM1, RPM2는 각각 실제모델 및 축소모델(100)에서의 회전속도를 나타내고, ratio는 축소비율을 나타낸다.
또한 축소모델(100)에 작용되는 하중(N2)은 실제모델에서 유체 윤활 베어링에 작용되는 압력(P1)과, 축소모델(100)에서 유체 윤활 베어링(110)에 작용되는 압력(P2)이 동일한 것으로 가정해 산출될 수 있다. 즉, 실제모델의 압력(P1)과 축소모델(100)의 압력(P2)이 동일한 것으로 가정하고, 압력은 면적 당 하중으로 표현될 수 있으므로, 축소모델(100)에 작용되는 하중(N2)은 아래의 수학식 3과 같이 산출될 수 있다. 아래의 수식에서 P1, N1, A1, D1, L1은 각각 실제모델에서의 압력, 하중, 면적, 지름, 축길이를 나타내고, P2, N2, D2, L2는 각각 축소모델(100)의 압력, 하중, 면적, 지름, 축길이를 나타낸다.
또한 축소모델(100)에서 오일 유량(Q2)은 유량 상사법칙을 적용해 아래의 수학식 4와 같이 산출될 수 있다. 아래의 수식에서 Q1, RPM1, D1은 각각 실제모델에서의 유량, 회전속도, 지름을 나타내고, Q2, RPM2, D2는 각각 축소모델에서의 유량, 회전속도, 지름을 나타낸다.
한편 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 축소모델을 대상으로 성능시험을 수행하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
축소모델 성능시험 단계(S150)에서는 앞서 산출된 회전속도(RPM2), 작용 하중(N2) 및 오일 유량(Q2)이 축소모델(100)에 적용되어, 축소모델(100)을 대상으로 성능시험이 이뤄질 수 있다. 예컨대 성능시험은 회전 속도, 작용 하중, 오일 유량 등의 변화에 따른 오일(130)의 성능을 검증하거나 거동특성을 분석하기 위해 이뤄질 수 있다. 또한 성능시험은 축소모델(100)에 복수의 상이한 회전 속도, 작용 하중, 오일 유량 등을 적용해 비교 분석하는 방식으로 이뤄지거나, 복수의 상이한 오일(130)을 비교 분석하는 방식으로 이뤄질 수 있다.
한편 본 실시예의 성능시험 방법(S100)은 실제모델의 성능을 추정하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
실제모델 성능 추정 단계(S160)에서는 앞서의 축소모델(100)을 대상으로 한 성능시험 결과를 통해 실제모델에서의 성능이 추정될 수 있다. 예컨대 오일 종류에 따른 축소모델(100)에서의 성능시험 결과가 실제모델에서의 성능시험 결과로 추정될 수 있다. 또는 축소모델(100)에서 오일 유량 변화에 따른 거동특성의 변화가, 실제모델에서 오일 유량 변화에 따른 거동특성의 변화로 추정될 수 있다.
이상 설명한 바, 본 발명의 실시예들에 따른 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법(S100)은 대형의 유체 윤활 베어링과 유사한 거동특성을 보일 수 있는 축소모델(100)을 제작하고, 축소모델(100)을 바탕으로 기 산출된 성능시험인자를 적용해 성능시험을 수행할 수 있도록 구성된다. 이에 따라 본 발명의 실시예들에 따른 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법(S100)은 설비 구축이 용이하고 비교적 저비용으로 유체 윤활 베어링의 성능시험을 수행할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들에 대해 설명하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다고 할 것이다.
S100: 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법
S110: 축소비율 결정 단계
S120: 축소모델 기하인자 산출 단계
S130: 축소모델 제작 단계
S140: 축소모델 성능시험인자 산출 단계
S150: 축소모델 성능시험 단계
S160: 실제모델 성능 추정 단계
100: 축소모델 110: 유체 윤활 베어링
120: 회전축 130: 오일
S110: 축소비율 결정 단계
S120: 축소모델 기하인자 산출 단계
S130: 축소모델 제작 단계
S140: 축소모델 성능시험인자 산출 단계
S150: 축소모델 성능시험 단계
S160: 실제모델 성능 추정 단계
100: 축소모델 110: 유체 윤활 베어링
120: 회전축 130: 오일
Claims (7)
- 실제모델에 대한 축소모델(100)의 축소비율을 결정하는 단계(S110);
상기 축소모델(100)의 제작을 위한 기하인자를 산출하는 단계(S120);
상기 기하인자에 따라 상기 축소모델(100)을 제작하는 단계(S130);
상기 축소모델(100)에서의 시험을 위한 성능시험인자를 산출하는 단계(S140);
상기 축소모델(100)에 상기 성능시험인자를 적용해 성능시험을 수행하는 단계(S150); 및
상기 성능시험 결과를 통해 상기 실제모델에서의 성능을 추정하는 단계(S160);를 포함하는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 축소모델(100)은,
유체 윤활 베어링(110);
소정의 지름(D2)을 갖는 원형의 횡단면이 길이방향으로 연장 형성되어, 소정의 축길이(L2) 영역에서 상기 유체 윤활 베어링(110)에 회전 가능하게 지지되는 회전축(120); 및
상기 유체 윤활 베어링(110)의 내주면과 상기 회전축(120)의 외주면 사이에 형성된 지름공차(c2)에 충진되는 오일(130);을 포함하는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 기하인자 산출 단계(S120)는, 상기 축소모델(100)의 지름(D2), 축길이(D2) 및 지름공차(c2) 중 적어도 하나 이상을 산출하는 단계를 포함하되,
상기 지름(D2), 상기 축길이(D2) 및 상기 지름공차(c2)는, 하기 수학식 1에 의해 산출되는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법.
[수학식 1]
(상기 수학식 1에서 D1은 상기 실제모델의 지름, L1은 상기 실제모델의 축길이, c1은 상기 실제모델의 지름공차(c1)를 나타내고, D2는 상기 축소모델(100)의 지름, L2는 상기 축소모델(100)의 축길이, c2는 상기 축소모델(100)의 지름공차를 나타내며, ratio는 축소비율을 나타냄) - 청구항 3에 있어서,
상기 성능시험인자 산출 단계(S140)는, 상기 축소모델(100)의 회전속도(RPM2), 작용 하중(N2) 및 오일 유량(Q2) 중 적어도 하나 이상을 산출하는 단계를 포함하는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 회전속도(RPM2)는, 하기 수학식 2에 의해 산출되는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법.
[수학식 2]
(상기 수학식 2에서 RPM1은 상기 실제모델의 회전속도, RPM2는 상기 축소모델(100)의 회전속도를 나타내고, ratio는 축소비율을 나타냄) - 청구항 4에 있어서,
상기 작용 하중(N2)은, 하기 수학식 3에 의해 산출되는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법.
[수학식 3]
(상기 수학식 3에서 N1은 상기 실제모델의 하중, D1은 상기 실제모델의 지름, L1은 상기 실제모델의 축길이를 나타내고, N2은 상기 축소모델(100)의 하중, D1은 상기 축소모델(100)의 지름, L1은 상기 축소모델(100)의 축길이를 나타냄) - 청구항 4에 있어서,
상기 오일 유량(Q2)은, 하기 수학식 4에 의해 산출되는 대형 유체 윤활 베어링의 성능시험 방법.
[수학식 4]
(상기 수학식 4에서 Q1은 상기 실제모델의 유량, RPM1은 상기 실제모델의 회전속도, D1은 상기 실제모델의 지름을 나타내고, Q2는 상기 축소모델(100)의 유량, RPM2은 상기 축소모델(100)의 회전속도, D1은 상기 축소모델(100)의 지름을 나타냄)
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| KR100724799B1 (ko) | 2005-12-22 | 2007-06-04 | 한국항공우주연구원 | 베어링강성시험 장치 및 방법 |
| KR101154741B1 (ko) * | 2008-08-05 | 2012-06-08 | 연세대학교 산학협력단 | 천정높이 가변식 건물 |
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| KR101891821B1 (ko) | 2017-05-24 | 2018-08-24 | 강원대학교 산학협력단 | 베어링 테스트 장치 |
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2022
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