탄성유체윤활 기반의 열적 효과를 고려한 각 접촉 볼 베어링-회전 축계의 피로 수명 예측에 관한 연구

초록

구름 베어링은 소형 터보기계, 변속기, 공작 기계의 주축계, 모터의 회전자 등을 지지하는 부품으로, 회전축의 동적 거동에 큰 영향을 미친다. 오늘날 고출력 및 고성능화에 따라 베어링은 가혹한 조건 하에서 작동하는 경우가 많으며, 이러한 경우 베어링 윤활부에서 발생하는 마찰열을 고려해야 한다. 각 접촉 볼 베어링에서는 궤도륜와 전동체 사이의 접촉면에서 구름 마찰, 미끄럼 마찰 및 윤활유 점성전단으로 인해 열이 발생한다. 발열원으로부터 베어링 구성품들에 열이 전달되어 온도 상승 및 열 변형이 발생하며, 이는 베어링의 하중 지지력을 포함한 성능과 회전축의 응답 특성에 영향을 미친다. 베어링 성능에 영향을 주는 또 다른 인자는 회전축의 불평형으로 인한 내륜의 진동이다. 내륜의 변위가 증가함에 따라 접촉 응력이 증가하여 피로수명에 악영향을 주기 때문이다. 불평형은 회전기계에서 필연적으로 발생하지만 이를 반영하여 구름 베어링의 피로수명을 계산한 연구는 드물다. 본 연구에서는 고속으로 회전하는 각 접촉 볼 베어링에서의 발열과 회전기계의 불평형이 베어링의 피로수명에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 헤르즈(Hertz) 접촉 모델을 기반으로 각 전동체의 접촉력을 계산하였으며, 접촉 면 내에서의 미끄럼 속도, 윤활유 물성 등을 바탕으로 발열량을 계산하였다. 발열원으로는 구름 마찰, 미끄럼 마찰, 윤활유 점성 마찰 등이 있다. 이때, 구름 마찰과 미끄럼 마찰 계산에는 탄성유체윤활 기반의 공식을 사용하였다. 열 전달 해석법으로써 구성품 사이의 열전도 및 대류를 열저항으로 모델링하는 열 네트워크 모델을 채택하였다. 내륜 위치에 따른 발열, 열 팽창으로 인한 베어링의 형상 변화를 고려하여 Runge-Kutta법을 통해 회전축계의 과도 응답을 계산하였으며, 불평형 크기에 따른 피로수명을 비교하였다.