유체 베어링

Fluid bearing

유체 베어링은 베어링 [1]표면 사이에 빠르게 움직이는 가압 액체 또는 기체의 얇은 층에 의해 하중이 지지되는 베어링입니다.움직이는 부품 사이에 접촉이 없기 때문에 슬라이딩 마찰이 없기 때문에 유체 베어링은 다른 많은 유형의 베어링보다 마찰, 마모 및 진동이 낮습니다.따라서 일부 유체 베어링은 올바르게 [1]작동하면 0에 가까운 마모가 발생할 수 있습니다.

유체 다이내믹 베어링(유체 다이내믹 베어링이라고도 함)과 유체 스태틱 베어링의 두 가지 유형으로 크게 분류할 수 있습니다.유체 정압 베어링은 외부에서 가압된 유체 베어링으로, 유체는 보통 오일, 물 또는 공기이며 펌프에 의해 가압됩니다.유체역학 베어링은 저널의 고속(축의 일부가 유체 위에 놓이는 부분)에 의존하여 표면 사이의 쐐기에서 오일을 가압합니다.유체 베어링은 일반 볼 베어링이 수명을 단축하거나 높은 소음과 진동을 일으킬 수 있는 고부하, 고속 또는 고정밀 용도에 자주 사용됩니다.또한 비용 절감을 위해 점점 더 많이 사용되고 있습니다.예를 들어, 하드 디스크 드라이브 모터 유체 베어링은 교체되는 볼 베어링보다 조용하고 저렴합니다.용도는 매우 다양하며 리드 [2]스크루와 같은 복잡한 구조에서도 사용할 수 있습니다.

유체 베어링은 1852년에 급수 유압 [3][1]베어링을 포함하는 철도 추진 시스템을 제안한 프랑스 토목 기술자 L. D. Girard에 의해 발명되었을 수 있습니다.

작동

정압 베어링은 두 개의 표면을 가지고 있으며, 그 중 하나는 제한된 오리피스를 통해 압입된 유체를 가지고 있어 표면 사이의 공간을 메워 서로 떨어져 있게 합니다.표면 간극이 줄어들면 베어링의 가장자리를 통한 유출이 감소하고 압력이 상승하여 표면이 다시 떨어져 나가기 때문에 간극 제어가 뛰어나고 마찰이 적습니다.

유체 베어링은 빠르게 움직이는 가압 액체 또는 가스 유체의 얇은 층을 움직이는 베어링 표면 사이에 사용하는 비접촉 베어링으로, 일반적으로 회전축 [1]주위 또는 아래에 씰링됩니다.움직이는 부품은 접촉하지 않으므로 슬라이딩 마찰이 없습니다. 하중은 움직이는 오일의 압력만으로 지지됩니다.베어링에 오일을 넣는 방법에는 두 가지가 있습니다.

  • 유체 정전기, 정수기 및 많은 가스 또는 공기 베어링에서 유체는 오리피스 또는 다공질 재료를 통해 펌핑됩니다.이러한 베어링에는 회전 속도 및 축 [4]하중에 따라 유체 압력과 소모량을 조정하는 축 위치 제어 시스템이 장착되어야 합니다.
  • 유체 다이내믹 베어링에서는 베어링 회전이 베어링 내부 표면으로 유체를 흡인하여 샤프트 아래 또는 주위에 윤활 웨지를 형성합니다.

유체 정압 베어링은 외부 펌프에 의존합니다.이 펌프가 필요로 하는 전력은 베어링 마찰과 마찬가지로 시스템 에너지 손실에 기여합니다.씰이 개선되면 누출률과 펌핑 파워는 감소하지만 마찰력은 증가할 수 있습니다.

유체역학 베어링은 베어링 운동을 통해 베어링 안으로 유체를 흡입하며, 설계보다 낮은 속도 또는 시동 및 정지 시 마찰력이 높고 수명이 짧을 수 있습니다.유체역학 베어링의 손상을 방지하기 위해 시동 및 정지 시 외부 펌프 또는 보조 베어링을 사용할 수 있습니다.보조 베어링은 마찰력이 높고 작동 수명이 짧을 수 있지만 베어링의 시작과 정지가 드문 경우 전체 사용 수명이 양호합니다.

유체역학적 윤활

유체막 윤활이라고도 하는 유체역학(HD) 윤활에는 다음과 같은 필수 요소가 있습니다.

  1. 윤활유, 점성이 있는 유체여야 합니다.
  2. 베어링과 저널 사이의 유체 역학적 흐름 거동.
  3. 유체 막이 이동하는 표면은 수렴되어야 합니다.

유체역학적(전체막) 윤활은 두 접합면이 윤활제의 점착막으로 완전히 분리될 때 이루어집니다.

따라서 필름 두께는 표면의 총 거칠기를 초과합니다.마찰계수는 경계층 윤활보다 낮다.유체역학적 윤활은 가동부품의 마모를 방지하고 금속과 금속의 접촉을 방지한다.

유체역학적 윤활에는 얇은 수렴성 유체 피막이 필요합니다.이러한 유체는 점성을 보이는 한 액체 또는 기체일 수 있습니다.컴퓨터 팬과 방적장치에서는 하드디스크 드라이브와 마찬가지로 헤드는 유체피막이 대기인 유체역학적 윤활에 의해 지지됩니다.

이 필름의 눈금은 마이크로미터 정도다.이들의 수렴은 접촉면에 정상적인 압력을 발생시켜 강제로 분리시킵니다.

Miba 하이드로다이내믹 틸팅 패드 저널 베어링

베어링에는 다음과 같은 세 가지 유형이 있습니다.

  • 셀프액션:필름은 나선형 홈 베어링과 같은 상대적인 움직임으로 인해 존재합니다.
  • 필름 스퀴즈:비교적 정상적인 움직임으로 인해 필름이 존재합니다.
  • 외부 압력:외부 압력으로 인해 막이 존재합니다.

개념적으로 베어링은 베어링 저널(마찰 방지)과 평면 슬라이더(마찰 방지)의 두 가지 주요 기하학적 등급으로 생각할 수 있습니다.

레이놀즈 방정식을 사용하여 유체의 지배 원리를 도출할 수 있습니다.기체를 사용하면 기체의 유도 과정이 훨씬 더 복잡해집니다.

박막은 압력과 점성력이 작용한다고 생각할 수 있습니다.속도 차이가 있기 때문에 표면 트랙션 벡터에 차이가 있을 것입니다.질량 보존 때문에 우리는 또한 몸의 힘을 다르게 만드는 압력의 증가를 가정할 수 있다.

  • 유체역학적 윤활 – 특성:
    1. 최소 두께 지점의 유체 필름은 부하가 증가함에 따라 두께가 감소합니다.
    2. 부하로 인해 막 두께가 감소함에 따라 유체 질량 내 압력이 증가합니다.
    3. 유체 질량 내 압력은 최소 간극에 근접하는 지점에서 가장 크고 최대 간극 지점에서 가장 낮습니다(발산으로 인해).
    4. 압력이 증가함에 따라 점도가 증가함(전단 저항 증가)
    5. 최소 간극 지점의 막 두께는 점성이 높은 유체를 사용할수록 증가합니다.
    6. 동일한 부하에서는 유체의 점도가 증가함에 따라 압력이 증가합니다.
    7. 주어진 부하와 유체의 경우 속도가 증가할수록 필름 두께가 증가합니다.
    8. 윤활유의 점도가 높아질수록 유체 마찰이 증가합니다.
  • 유체역학적 조건 – 유체 속도:
    1. 유체 속도는 저널 또는 라이더의 속도에 따라 달라집니다.
    2. 상대속도의 증가는 저널 베어링 중심부의 편심 감소로 이어지는 경향이 있다.
    3. 여기에는 더 큰 최소 필름 두께가 수반됩니다.
  • 유체역학적 조건 – 하중:
    1. 부하가 증가하면 최소 필름 두께가 감소합니다.
    2. 또한 필름 질량 내 압력을 증가시켜 반작용력을 제공합니다.
    3. 압력은 모든 방향으로 작용하므로 베어링 끝에서 오일을 짜내는 경향이 있습니다.
    4. 압력이 증가하면 유체 점도가 증가합니다.


베어링 특성 번호:점도와 속도, 하중이 유체역학적 조건의 특성을 결정하므로, 막두께에 대한 이들의 영향을 바탕으로 베어링 특성수를 개발하였다.

속도가 증가하면 최소가 증가한다.막두께
점도가 증가하면 최소가 증가합니다.막두께
부하가 증가하면 최소가 감소합니다.막두께

그러므로,

점도 × 속도/단위 하중 = 무차원수 = C

C는 베어링 특성수로 알려져 있습니다.

C 값은 어느 정도 유체역학적 윤활 여부를 나타냅니다.

동작 특성

유체 베어링은 유사한 하중 정격의 다른 베어링에 비해 상대적으로 저렴할 수 있습니다.베어링은 두 개의 매끄러운 표면처럼 단순할 수 있으며, 씰을 사용하여 작동 유체에 보관할 수 있습니다.반면 기존의 굴림 요소 베어링은 복잡한 형상을 가진 고정밀 롤러를 많이 필요로 할 수 있습니다.유체 정압 베어링과 많은 가스 베어링은 외부 펌프의 복잡성과 비용을 수반합니다.

대부분의 유체 베어링은 유지보수가 거의 필요하지 않으며 수명이 거의 무제한입니다.기존의 롤링 엘리먼트 베어링은 일반적으로 수명이 짧고 정기적인 유지보수가 필요합니다.펌핑된 정수압 및 공기 정압(가스) 베어링 설계는 펌프가 고장나지 않는 한 제로 속도까지 저마찰을 유지하며 시동/정지 마모를 겪을 필요가 없습니다.

유체 베어링은 일반적으로 마찰력이 매우 낮습니다. 기계식 베어링보다 훨씬 우수합니다.유체 베어링의 마찰원 중 하나는 유체의 점도로 인해 동적 마찰이 증가하고 속도에 따라 증가하지만 정적 마찰은 일반적으로 무시할 수 있습니다.정압 가스 베어링은 매우 빠른 속도에서도 마찰력이 가장 낮은 베어링 중 하나입니다.그러나 유체 점도가 낮다는 것은 일반적으로 베어링 표면에서 유체가 더 빨리 누출된다는 것을 의미하며, 따라서 펌프 또는 씰의 마찰력이 증가해야 합니다.

롤러 또는 볼에 부하가 많이 가해질 때 유체 베어링은 기계식 베어링보다 부하가 가해질 때('더 빠름') 간극이 덜 변합니다.최대 설계 하중과 마찬가지로 베어링 강성은 평균 유체 압력과 베어링 표면적의 단순한 함수인 것처럼 보일 수 있습니다.실제로 베어링 표면을 함께 누르면 유체 유출이 제한됩니다.그러면 베어링 표면 사이에 있는 오일의 압력이 크게 증가합니다.유체 베어링면은 회전면보다 상대적으로 클 수 있기 때문에 작은 유체 압력 차이에도 복원력이 커 갭을 유지할 수 있다.

그러나 디스크 드라이브와 같은 경부하 베어링의 경우 일반적인 볼 베어링 강성은 10^7 MN/m 이하입니다.동등한 유체 베어링의 강성은 10^6 MN/m [citation needed]이하이다.따라서 일부 유체 베어링, 특히 정수압 베어링은 베어링을 프리로드하여 강성을 증가시키도록 의도적으로 설계되어 있습니다.

유체 베어링은 본질적으로 상당한 댐핑을 추가하는 경우가 많습니다.이는 저널 베어링의 자이로스코프 주파수(원추형 또는 흔들림 모드라고도 함)에서 공명을 감쇠시키는 데 도움이 됩니다.

원자적으로 부드럽고 둥근 기계 베어링을 만드는 것은 매우 어렵고, 고속 작동 시 구심력에 의해 기계 베어링이 변형됩니다.반면, 유체 베어링은 사소한 결함이나 약간의 변형에 대해 자가 보정됩니다.

유체 베어링은 일반적으로 롤링 엘리먼트 베어링보다 조용하고 부드러운(마찰이 더 일관됩니다) 것입니다.예를 들어, 유체 베어링으로 제조된 하드 디스크 드라이브의 베어링/모터 소음 정격은 20~24dB로 조용한 실내의 배경 소음보다 약간 높습니다.롤링 엘리먼트 베어링을 기반으로 하는 드라이브는 일반적으로 최소 4dB 이상의 소음이 있습니다.

유체 베어링은 볼 또는 롤링 요소 베어링보다 낮은 NRRO(반복 불가능한 런아웃)로 만들 수 있습니다.이는 최신 하드 디스크 드라이브 및 초정밀 스핀들에서 매우 중요합니다.

틸팅 패드 베어링은 압축기에서 축을 지지 및 위치시키기 위한 레이디얼 베어링으로 사용됩니다.

단점들

  • 베어링은 마모를 방지하기 위해 압력을 유지해야 하며 감압 시 정수식 유형이 완전히 움직이지 않을 수 있습니다.
  • 일반적으로 전체적인 전력 소비량은 볼 베어링에 비해 더 높습니다.
  • 전력 소비량과 강성 또는 댐핑은 온도에 따라 크게 달라지며, 이는 광범위한 온도 범위에서 유체 베어링의 설계와 작동을 복잡하게 합니다.
  • 많은 유형의 유체 베어링이 충격 상황 또는 예기치 않은 공급 압력 상실에서 치명적인 고착을 일으킬 수 있습니다.볼 베어링은 점차 열화되어 음향 증상을 일으킵니다.
  • 볼 베어링의 케이지 주파수 진동과 마찬가지로 반주파수 회전은 편심 세차 현상을 일으켜 성능 저하와 수명 감소를 초래할 수 있는 베어링 불안정입니다.
  • 유체 누출. 베어링에 유체를 보관하는 것은 액체 유형에서 어려움이 될 수 있으며, 경우에 따라 진공 회수 및 여과가 필요할 수 있습니다.
  • 오일 오일 베어링은 오일 누출이 파괴적일 수 있거나 유지보수가 경제적이지 않은 환경에서는 실용적이지 않습니다.
  • 유체 베어링 "패드"는 베어링이 기울어져 한쪽에서 유체가 손실되는 것을 방지하기 위해 종종 쌍 또는 3중으로 사용해야 합니다.
  • 유성 기계식 베어링과 달리 유체 베어링은 일부 전문 과학 연구에 필요한 극도로 낮은 온도에서 작동할 수 없습니다.

일부 유체 베어링

아이스 스케이트는 스케이트와 얼음이 물의 층에 의해 분리된 유체 역학적 베어링을 형성합니다.

포일 베어링

주요 기사:포일 베어링

포일 베어링은 1960년대 Garrett AiResearch에 의해 고속 터빈 용도로 도입된 유체 동적 공기 베어링의 한 종류입니다.작동 유체(일반적으로 공기)로 가스를 사용하며 외부 가압 시스템이 필요하지 않지만 베어링이 물리적 접촉 시 스핀업 및 스핀다운 시 마모를 방지하기 위한 세심한 설계가 필요합니다.

수성 윤활 고무 베어링

수윤고무 베어링은 긴 원통형 금속 쉘을 가지며, 축방향 홈으로 분리된 여러 고무 스테이브를 수용합니다.베어링의 사용방법은 크게 세 가지 장점이 있다. ①펌프 작동비용을 절감하는 윤활유로서 사용하기 편리함 ②베어링 홈을 통해 열과 미립자를 제거함 ③고무의 자연탄성성이 베어링에 충격과 진동에 좋은 특성을 부여함흡수 및 내마모성.수성 윤활 고무 베어링은 혼합 [5]윤활 조건에서 작동합니다.

선형 및 회전 운동을 제공하는 데 사용되는 공기 베어링

에어 베어링

주요 기사 : 에어 베어링
프린트 회로 기판용 드릴 스핀들상의 에어 베어링

접촉 롤러 베어링과 달리 에어 베어링(또는 에어 캐스터)은 가압된 공기의 얇은 막을 사용하여 표면 간 마찰 하중 지지 인터페이스를 제공합니다.그 두 표면은 서로 닿지 않는다.비접촉형 에어 베어링은 마찰, 마모, 미립자 및 윤활유 취급과 같은 기존의 베어링 관련 문제를 방지하며, 백래시 및 고정력 결여와 같은 정밀 위치 결정 및 고속 응용 분야에서 뚜렷한 이점을 제공합니다.

베어링의 유체막은 베어링 자체를 통해 베어링 표면으로 흐르는 공기입니다.에어 베어링의 설계는 공기가 베어링 간극에서 지속적으로 빠져나가지만 베어링 면 사이의 압력은 작업 하중을 지탱하기에 충분합니다.이 압력은 외부(공기 정압) 또는 내부(공기 역학)에서 발생할 수 있습니다.

공기역학적 베어링은 고속에서만 작동할 수 있으며, 저속의 부하 베어링에는 공기 정적인 베어링이 필요합니다.두 유형 모두 표면 마감과 정밀한 제조가 필요합니다.

예

에어하키는 퍽과 선수들의 패들을 매달아 마찰력이 낮아 높은 퍽 스피드를 유지하는 정압 베어링을 기반으로 한 게임이다.베어링은 외부 압력 바로 위에 공기를 공급하는 주기적인 오리피스가 있는 평평한 평면을 사용합니다.퍽과 패들은 공기 중에 휴식을 취한다.

미첼/킹스베리/미바 틸팅 패드 유체 베어링

기타 용도는 Thrust Block을 참조하십시오.

Michell/Kingsbury 유체 동적 틸팅 패드 베어링은 영국 태생의 호주인 Anthony George Maldon Michell과 미국 트라이뷰티스트 Albert Kingsbury에 의해 독립적으로 거의 동시에 발명되었습니다.두 설계 모두 패드 피벗에 사용된 접근법의 차이를 제외하고는 거의 동일했다.Michell은 스팬와이즈 라인 피벗이 배치된 곳의 압력 분포를 수학적으로 도출하여 부하가 최대 유체 압력 지점을 통해 작용하도록 했습니다.Kingsbury 특허는 이러한 수학적 접근이 부족했고,[6] 패드의 피벗 포인트는 베어링의 기하학적 중심에 배치되었다.미첼의 특허는 1905년에 (영국과 호주에서) 부여되었고 킹스베리의 첫 번째 특허 시도는 1907년에 이루어졌다.킹스베리의 미국 특허는 그가 수년간 그 컨셉을 연구해왔다는 것을 증명한 후 결국 1911년에 승인되었다.미첼의 오랜 직원인 시드니 워커가 말했듯이 킹스베리의 특허 출원은 미첼이 받아들이기 어려운 타격이었다.

베어링에는 단면 슈 또는 피벗에 패드가 있습니다.베어링이 작동 중일 때 베어링의 회전 부분은 비스코스 드래그를 통해 패드 영역으로 신선한 오일을 운반합니다.유체 압력으로 인해 패드가 약간 기울어져 슈와 다른 베어링 표면 사이에 좁은 협착이 발생합니다.가압된 오일의 쐐기가 이 협착점 뒤에 쌓여 움직이는 부품을 분리합니다.패드의 기울기는 베어링 하중 및 속도에 따라 적절히 변화합니다.다양한 설계 세부 사항을 통해 오일을 지속적으로 보충하여 과열 및 패드 손상을 방지합니다.

Michell/Kingsbury 유체 베어링은 터빈 및 수백 톤의 발전기를 지원하는 수력발전소를 포함하여 다양한 중형 회전 장비에 사용됩니다.그것들은 또한 해양 프로펠러 샤프트와 같은 매우 무거운 기계에도 사용된다.

1907년 조지 웨이모스(Pty)사가 호주 빅토리아주 머레이강의 코후나에서 원심 펌프를 위해 만든 틸팅 패드 베어링이 레이놀드 방정식에 대한 그의 3차원 해법을 특허출원한 지 2년 만인 것으로 보인다.1913년까지 틸팅 패드 베어링의 큰 장점은 해양 용도로 인정되었습니다.방위 장치를 갖춘 첫 번째 영국 선박은 크로스 채널 증기선 파리였지만, 많은 해군 함정들은 1차 세계대전 동안 비슷하게 장비를 갖추었다.실제적인 결과는 놀라웠습니다. 즉, 문제가 되는 스러스트 블록이 극적으로 작아지고 가벼워졌으며, 훨씬 더 효율적이며 유지 보수에 대한 문제가 없어졌습니다.영국 해군은 미첼의 틸팅 패드 베어링을 장착한 결과 1918년에만 50만 파운드의 석탄을 절약한 것으로 추정되었다.

ASME(참조 링크 참조)에 따르면, 미국 최초의 미켈/킹스베리 유체 베어링은 1912년 홀트우드 수력 발전소(미국 펜실베니아 랭커스터 인근 서스퀘하나 강)에 설치되었다.2.25톤의 베어링은 약 165톤의 회전 질량과 40톤의 수차 압력을 더한 수차 및 전기 발전기를 지원합니다.베어링은 1912년부터 부품 교체 없이 거의 지속적으로 사용되었습니다.ASME는 2000년 현재도 가동 중이라고 보고했습니다.2002년 기준으로 제조사는 Holtwood의 베어링 수명이 약 1,300년 정도 될 것으로 추정했습니다.

지금까지 틸팅 패드 베어링은 팽창기, 펌프, 가스 또는 증기 터빈 또는 압축기와 같은 회전 장비에 필수적인 역할을 했습니다.20세기 초부터 사용된 전통적인 바빗 베어링 외에 미바와 같은 현대 제조사들은 베어링의 성능을 향상시키기 위해 브론즈나 구리-크롬 등의 다른 재료를 사용합니다.[7]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d Rowe, W. Brian (2012). Hydrostatic, Aerostatic and Hybrid Bearing Design. Butterworth-Heinemann. pp. 1–4. ISBN 0123972396.
  2. ^ [1], "정압 너트 및 납 나사 조립체 및 해당 너트 형성 방법", 1994-12-29 발행
  3. ^ Girard, L. Dominique (1852). Hydraulique appliquée. Nouveau système de locomotion sur les chemins de fer (Applied hydraulics. New locomotion system for railways). Ecole Polytechnique.
  4. ^ Il’ina T.E., Prodan N.V. (2015). "Element design for an inkjet system of hydrostatic gas bearing control". Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 15 (5): 921–929.
  5. ^ Liu, S. and Yang, B. (2015) "플렉시블 다단 로터 시스템의 진동 분석을 위한 새로운 수성 윤활 고무 베어링 모델", 소리 및 진동 저널, 349, 페이지 230–258
  6. ^ Stachowiak, Guidon; Batchelor, Andrew W. "Engineering Trivology pp 135–136", Butterworth-Heinemann, 런던, 2011년 3월 31일.2013년 3월 23일 취득.
  7. ^ "Miba Thrust Bearings".

외부 링크