오정렬을 갖는 수윤활 저널 베어링의 정적 및 동적 성능에 대한 실험적 연구 = Experimental Study on the Static and Dynamic Performance of a Water-Lubricated Journal Bearing with Misalignment

국문 초록 (Abstract)

수윤활 저널 베어링은 구름 요소를 사용하는 기존 베어링 대비 마찰·마모의 우려가 적으며 친환경적이라는 장점을 가진다. 이러한 수윤활 저널 베어링에 대한 기존 연구는 해석적 접근에 치중되어 있으며, 실제 실험을 통한 정량적 성능 검증은 부족한 실정이다. 특히 국내에서는 이에 대한 연구 사례가 매우 제한적이어서, 이를 보완하기 위한 기초 데이터 축적이 필요하다.
본 논문에서는 수윤활 저널 베어링의 정적·동적 특성을 규명하기 위한 실험 장치를 직접 설계 및 제작하였다. 이후 해당 장치를 기반으로 하여 다양한 회전속도 및 하중에 대한 정적 성능과 동적 성능을 규명하였다. 더 나아가, 축계가 오정렬 되었을 경우에 대한 성능 변화를 파악할 수 있도록, 정렬 및 오정렬 조건에 대한 실험을 수행하였다. 우선 정적 특성 중 하나인 하중지지력은 정렬 및 오정렬 조건 모두 동일하게 회전속도에 비례하는 것으로 나타났지만, 동일 회전속도 조건에서는 정렬-오정렬 순으로 크게 나타나 축계의 오정렬은 베어링의 하중지지력을 감소시키는 원인임을 규명하였다. 자세각의 경우, 모든 조건이 하중 증가에 따라 소폭 감소하는 경향을 보였으며 정렬 조건의 경우가 가장 커, 오정렬은 자세각을 감소시키는 영향을 미침을 확인하였다. 동적 계수 중 하나인 강성 계수의 경우, 동일 회전속도에서 편심 증가에 따라 절대값 크기가 증가하는 경향을 보였으며, 이는 고속 조건에서 명확하게 나타났다. 감쇠의 경우에도 동일한 경향을 보였지만, 비교적 저속구간에 대해서도 편심과 동적 계수의 비례 관계가 명확하게 나타났다. 마지막으로 부가 질량 계수의 경우, 회전속도 및 편심에 상관없이 매우 일정한 경향을 보였으며, 오정렬 조건일 경우 누설유량 상승으로 인해 그 크기가 감소함을 보였다.
이를 통해, 기존 해석적 접근에 국한되었던 수윤활 저널 베어링 연구에 실험적 근거를 제시할 수 있었으며, 다양한 운전 조건 및 정렬 조건에서의 정적·동적 계수 변화를 정량적으로 규명하였다. 본 연구는 국내에 미비하였던 수윤활 저널 베어링의 성능 데이터베이스를 제공함과 동시에, 향후 베어링 설계 및 평가 과정의 신뢰성 향상을 이끌어 낼 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Water-lubricated journal bearings offer advantages such as reduced friction and wear and improved environmental friendliness compared to conventional bearings employing rolling elements. However, existing studies on water-lubricated journal bearings have primarily focused on analytical approaches, while quantitative performance verification based on experimental investigations remains insufficient. In particular, domestic research in this field is very limited, highlighting the need for the accumulation of fundamental experimental data.
In this study, an experimental test rig was designed and fabricated to investigate the static and dynamic characteristics of a water-lubricated journal bearing. Using the developed apparatus, static and dynamic performance were evaluated under various rotational speeds and load conditions. Furthermore, experiments were conducted under both aligned and misaligned shaft conditions to examine performance variations caused by shaft misalignment.
For static characteristics, the load-carrying capacity was found to increase proportionally with rotational speed under both aligned and misaligned conditions. However, at the same rotational speed, the load-carrying capacity decreased in the order of aligned to misaligned conditions, demonstrating that shaft misalignment reduces the load-carrying capacity of the bearing. The attitude angle exhibited a slight decreasing trend with increasing load for all test conditions, and the aligned condition consistently showed the largest attitude angle, indicating that misalignment leads to a reduction in the attitude angle.
Regarding dynamic characteristics, the stiffness coefficients increased in magnitude with increasing eccentricity at the same rotational speed, a trend that became more pronounced under high-speed conditions. The damping coefficients exhibited a similar tendency; however, a clear proportional relationship between eccentricity and dynamic coefficients was observed even in relatively low-speed regions. Finally, the added mass coefficients showed nearly constant behavior regardless of rotational speed and eccentricity, while a reduction in magnitude was observed under misaligned conditions due to increased leakage flow.
Through this study, experimental evidence was provided to supplement previous research that relied mainly on analytical approaches, and variations in static and dynamic coefficients were quantitatively identified under various operating and alignment conditions. The results of this study provide a performance database for water-lubricated journal bearings, which has been limited in domestic research, and are expected to contribute to improving the reliability of bearing design and evaluation processes in future applications.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 문헌조사 1
• 1.2 연구 목적 3
• 제 2장 수윤활 저널 베어링 실험 장치 개발 4
• 2.1 플레인 저널 베어링 개요 4
• 2.2 실험 베어링 설계 5
• 2.2.1 실험 베어링 소개 5
• 2.2.2 하우징 조립체 구성 및 센서 설치 정보 8
• 2.3 실험 장치 설계 및 구성 10
• 2.3.1 실험 장치 시스템 개념설계 10
• 2.3.2 축 시스템 설계 10
• 2.3.3 전체 시스템 설계 13
• 2.3.4 부가 운용 설비 구축 14
• 제 3장 축계 단품 회전실험 및 실험 장치 검증 16
• 3.1 축계 단품 고유진동수 측정 16
• 3.2 축계 단품 회전실험 결과 17
• 3.3 원점 규명 및 정렬 조절 18
• 3.4 Pitch stabilizer 강성 측정 20
• 제 4장 정렬 조건에서의 정적 특성 21
• 4.1 실험 조건 21
• 4.2 유막 힘 및 자세각 정의 22
• 4.3 정렬 조건에서의 정적 특성 실험 결과 24
• 제 5장 오정렬 조건에서의 정적 특성 27
• 5.1 오정렬 정도에 따른 실험 결과 비교 27
• 제 6장 정렬 조건에서의 동적 특성 33
• 6.1 실험 절차 및 구조 동특성 측정 결과 33
• 6.2 응답 노이즈 제거 절차 및 결과 38
• 6.3 유막 힘 기준 좌표계 정의 40
• 6.4 정렬 조건에서의 동적 특성 실험 결과 41
• 제 7장 오정렬 조건에서의 동적 특성 44
• 7.1 오정렬 정도에 따른 강성, 감쇠, 부가 질량계수 측정 결과 비교 44
• 제 8장 결론 52
• 참고문헌 55
• 영문초록 58
• 부록 60
• Acknowledgements 66