첨가제 농도를 고려한 새로운 스커핑 모델 연구 = New Scuffing Model Considering Additive Concentration|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

경계윤활은 충분한 윤활막의 형성이 어려운 운전조건 하에서 일어나는 윤활 상태로, 많은 마모 문제가 이 영역에서 일어난다. 윤활유에 다양한 첨가제를 사용함으로써 기존 윤활의 한계에 도달할 때 스커핑을 방지할 수 있는데, 첨가제의 효과에 대해 실험적인 연구가 대부분이고 이를 정량적으로 예측할 수 있는 방법은 없어 설계에 어려움이 많다.
현재까지 미끄럼 접촉상태에서의 윤활 메커니즘에 관한 연구는 첨가제의 표면 흡착 및 탈착이 유체 내 첨가제의 농도에 영향을 거의 미치지 않는다고 가정해왔다. 하지만 윤활막 형성이 거의 되지 않고 표면 간극이 매우 작은 윤활조건은 이러한 가정을 적용하기에 적합하지 않다. 따라서 본 연구는 경계윤활조건의 미끄럼 접촉에서 윤활유 내 첨가제의 농도 변화를 고려한 스커핑 메커니즘을 제시하고자 한다.
경계윤활조건의 평판 미끄럼 접촉에서 윤활유 내 첨가제 농도 모델을 제시하고, 미끄럼 과정에서 첨가제가 소모됨을 확인하였다. 임의의 검사체적에 대해 질량 보존을 만족하는 첨가제의 농도를 수학적으로 표현하고 이를 이용하여 간극 내 첨가제 농도식을 유도하였다. 유막두께 및 압력 구배는 무시하였고, 윤활유에 포함된 첨가제 분자는 물론, 접촉면 및 산화막 마모 입자 표면에 흡착된 첨가제의 질량도 고려하였다. 해석 결과, 경계윤활조건에서 첨가제 농도의 변화는 막 결함률과 마찰계수에 큰 영향을 미칠 만큼 유의미하게 감소하여 접촉 표면의 흡착층을 분석할 때 고려해야 할 요소임을 알 수 있었다.
경계윤활조건에서의 스커핑 모델을 제시하고, 그 메커니즘을 수치해석을 통해 확인하였다. 흡착층으로 보호되지 않은 접촉면의 마모와 산화막의 생성을 비교하여 스커핑의 파손여부를 판단하는 수치해석 프로그램을 구축하였다. 실제 표면에서 측정된 표면 프로파일로 표면 분석을 수행하여 실제 접촉 면적과 표면간 갭을 결정하였다.
기존 스커핑 모델에서 안전하다고 판단된 저온 조건에서도 미끄럼 과정에서 첨가제가 거의 소진되면 막결함율이 급격히 증가하면서 스커핑이 발생했다. 이를 기반으로 임계 미끄럼 거리를 제시하고, 안정적인 윤활이 가능한 거리가 유한함을 밝혔다. 또한 첨가제의 초기 농도, 미끄럼 속도, 접촉 압력이 임계 미끄럼 거리에 미치는 영향을 검토하였다. 주어진 접촉길이를 파손없이 미끄럼 운동하기 위해 필요한 최소 첨가제 농도가 존재했다.
본 연구에서 제시한 모델은 기존 문헌의 미끄럼 마찰 시험결과 및 스커핑 시험 결과와 비교하여 검증하였다. 첨가제 농도에 따라 마찰계수가 급격히 증가하는 경향 및 그 천이 농도가 시험 결과와 유사하게 예측되었다. 또한 여러 속도 조건에서 스커핑이 발생하는 임계 접촉 압력이 시험 결과와 본 모델을 이용한 예측결과가 잘 맞음을 보였고, 이로써 모델의 타당성을 입증하였다.
본 연구에서 제시한 모델을 실제 미끄럼 패드-레일에 적용하여 오일공급 그루브의 역할을 트라이볼로지 측면에서 평가하였다. 오일공급그루브의 표면 냉각 효과는 미미하였고, 오일공급그루브의 간격은 임계 미끄럼 거리 이하로 첨가제 농도는 최소 농도 이상으로 설계해야 한다고 제시하였다
일반적으로 스커핑 파손은 고온으로 인한 메커니즘이 일반적으로, 상온 이하의 스커핑 메커니즘에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구결과는 저온에서의 스커핑 파손 이론을 제시함으로써 극한 조건에서 작동하는 미끄럼 베어링의 적정 오일공급 간격을 설계 또는 주어진 형상 및 작동조건에서 스커핑 위험을 피하기 위한 필요한 최소 첨가제 농도를 선정하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

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경계윤활은 충분한 윤활막의 형성이 어려운 운전조건 하에서 일어나는 윤활 상태로, 많은 마모 문제가 이 영역에서 일어난다. 윤활유에 다양한 첨가제를 사용함으로써 기존 윤활의 한계에 ...

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