유체 베어링

유체 베어링은 베어링 표면 사이에서 빠르게 움직이는 가압된 액체 또는 기체의 얇은 층이 하중을 지지하는 베어링이다.[^1] 움직이는 부품 간에 접촉이 없기 때문에 미끄럼 마찰이 발생하지 않으며, 이로 인해 유체 베어링은 다른 많은 유형의 베어링보다 마찰, 마모 및 진동이 적다. 따라서 올바르게 작동하면 일부 유체 베어링은 마모가 거의 없는 수준에 도달할 수 있다.[^1]

유체 베어링은 크게 유체 동압 베어링(또는 동압 베어링)과 정압 베어링의 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 정압 베어링은 외부에서 가압되는 유체 베어링으로, 유체는 보통 오일, 물 또는 공기이며 펌프에 의해 가압된다. 동압 베어링은 저널(유체 위에 놓이는 축의 부분)의 높은 속도를 이용하여 면 사이의 쐐기형 공간에서 유체를 가압한다. 유체 베어링은 일반 볼 베어링으로는 수명이 단축되거나 높은 소음과 진동이 발생할 수 있는 고하중, 고속 또는 고정밀 용도에서 자주 사용된다. 또한 비용 절감을 위해 점점 더 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 하드 디스크 드라이브 모터의 유체 베어링은 기존의 볼 베어링보다 더 조용하고 저렴하다. 응용 분야는 매우 다양하며 리드스크류와 같은 복잡한 기하학적 구조에도 사용될 수 있다.[^2]

유체 베어링은 프랑스의 토목공학자 L. D. 지라르가 발명한 것으로 추정되며, 그는 1852년에 수압 베어링을 사용한 철도 추진 시스템을 제안하였다.[^1][^3]

작동 원리

유체 베어링은 움직이는 베어링 면 사이에 빠르게 이동하는 가압된 액체 또는 기체 유체의 얇은 층을 사용하는 비접촉 베어링으로, 일반적으로 회전축 주위 또는 아래에 밀봉되어 있다.[^1] 움직이는 부품들이 서로 접촉하지 않으므로 미끄럼 마찰이 없으며, 하중은 오직 이동하는 유체의 압력에 의해서만 지지된다. 유체를 베어링에 주입하는 두 가지 주요 방법이 있다:

• 유체 정압식, 정수압식 및 많은 가스 또는 공기 베어링에서는 오리피스 또는 다공성 재료를 통해 유체가 펌프로 주입된다. 이러한 베어링에는 회전 속도와 축 하중에 따라 유체 압력과 소비량을 조절하는 축 위치 제어 시스템이 장착되어야 한다.[^4]
• 유체 동압 베어링에서는 베어링의 회전이 유체를 베어링 내부 표면으로 흡입하여 축 아래 또는 주위에 윤활 쐐기를 형성한다.

정수압 베어링은 외부 펌프에 의존한다. 해당 펌프에 필요한 동력은 베어링 마찰과 마찬가지로 시스템 에너지 손실에 기여한다. 더 나은 밀봉 장치는 누설률과 펌프 동력을 줄일 수 있지만, 마찰을 증가시킬 수 있다.

동압 베어링은 유체를 베어링으로 흡입하기 위해 베어링의 운동에 의존하며, 설계 속도보다 낮은 속도에서 또는 시동 및 정지 시에 높은 마찰과 짧은 수명을 가질 수 있다. 동압 베어링의 손상을 방지하기 위해 시동 및 정지 시 외부 펌프 또는 보조 베어링을 사용할 수 있다. 보조 베어링은 높은 마찰과 짧은 작동 수명을 가질 수 있지만, 베어링의 시동 및 정지가 드문 경우에는 전반적인 서비스 수명이 양호하다.

동압 윤활

동압(HD) 윤활은 유막 윤활이라고도 하며, 다음과 같은 필수 요소를 갖는다:

1. 점성 유체여야 하는 윤활제.
2. 베어링과 저널 사이의 유체의 동압 유동 거동.
3. 유막이 이동하는 표면 사이가 수렴형이어야 한다.

동압(완전 유막) 윤활은 두 결합 표면이 응집력 있는 윤활제 막에 의해 완전히 분리될 때 얻어진다.

따라서 막의 두께는 표면들의 합산 거칠기를 초과한다. 마찰 계수는 경계층 윤활보다 낮다. 동압 윤활은 운동 부품의 마모를 방지하며, 금속 대 금속 접촉이 방지된다.

동압 윤활에는 얇고 수렴하는 유막이 필요하다. 이러한 유체는 점성을 나타내는 한 액체 또는 기체일 수 있다. 컴퓨터 팬 및 하드 디스크 드라이브와 같은 회전 장치에서 헤드는 유막이 대기인 동압 윤활에 의해 지지된다.

이러한 막의 규모는 마이크로미터 단위이다. 막의 수렴은 접촉하는 표면에 수직인 압력을 생성하여 표면을 분리시킨다.

세 가지 유형의 베어링은 다음과 같다:

• 자체 작동형: 상대 운동에 의해 유막이 존재한다. 예: 나선 홈 베어링.
• 압착 유막형: 상대 수직 운동에 의해 유막이 존재한다.
• 외부 가압형: 외부 가압에 의해 유막이 존재한다.

개념적으로 베어링은 두 가지 주요 기하학적 부류로 생각할 수 있다: 베어링-저널(마찰 방지형)과 평면-슬라이더(마찰형).

레이놀즈 방정식은 유체의 지배 원리를 유도하는 데 사용할 수 있다. 기체를 사용할 경우 유도 과정이 훨씬 더 복잡해진다는 점에 유의해야 한다.

얇은 막에는 압력과 점성력이 작용하는 것으로 생각할 수 있다. 속도의 차이가 있으므로 표면 견인 벡터에도 차이가 있다. 질량 보존에 의해 압력의 증가도 가정할 수 있으며, 이는 체적력을 달라지게 한다.

• 동압 윤활 – 특성: *# 최소 두께 지점에서의 유막 두께는 하중이 증가함에 따라 감소한다 *# 유체 내부의 압력은 하중에 의해 막 두께가 감소함에 따라 증가한다 *# 유체 내부의 압력은 최소 간극에 접근하는 어느 지점에서 가장 크고, 최대 간극 지점(발산부)에서 가장 낮다 *# 점도는 압력이 증가함에 따라 증가한다(전단 저항 증가) *# 최소 간극 지점에서의 막 두께는 더 높은 점도의 유체를 사용하면 증가한다 *# 동일한 하중에서 유체의 점도가 증가하면 압력이 증가한다 *# 주어진 하중과 유체에서, 속도가 증가하면 막 두께가 증가한다 *# 유체 마찰은 윤활제의 점도가 커질수록 증가한다
• 동압 조건 – 유체 속도: *# 유체 속도는 저널 또는 라이더의 속도에 의존한다 *# 상대 속도의 증가는 저널 베어링 중심의 편심률 감소 경향을 보인다 *# 이는 더 큰 최소 막 두께를 동반한다
• 동압 조건 – 하중: *# 하중의 증가는 최소 막 두께를 감소시킨다 *# 또한 대항력을 제공하기 위해 유막 내부의 압력을 증가시킨다 *# 압력은 모든 방향으로 작용하므로 베어링 양 끝으로 오일을 밀어내는 경향이 있다 *# 압력의 증가는 유체 점도를 증가시킨다

베어링 특성수: 점도, 속도, 하중이 동압 조건의 특성을 결정하므로, 이들이 막 두께에 미치는 영향을 바탕으로 베어링 특성수가 개발되었다.

속도의 증가는 최소 막 두께를 증가시킨다 점도의 증가는 최소 막 두께를 증가시킨다 하중의 증가는 최소 막 두께를 감소시킨다

따라서, 점도 × 속도/단위 하중 = 무차원수 = C

C는 베어링 특성수로 알려져 있다.

C의 값은 어느 정도 동압 윤활이 이루어질 것인지 아닌지를 나타내는 지표가 된다.

작동 특성

유체 베어링은 유사한 하중 등급의 다른 베어링에 비해 상대적으로 저렴할 수 있다. 베어링은 작동 유체를 유지하기 위한 밀봉재가 있는 두 개의 매끄러운 표면만으로도 구성될 수 있다. 이에 반해, 기존의 구름 베어링은 복잡한 형상을 가진 많은 고정밀 롤러를 필요로 할 수 있다. 정압 베어링과 많은 기체 베어링은 외부 펌프라는 복잡성과 비용이 수반된다.

대부분의 유체 베어링은 유지보수가 거의 또는 전혀 필요 없으며, 거의 무한한 수명을 가진다. 기존의 구름 베어링은 일반적으로 수명이 더 짧고 정기적인 유지보수가 필요하다. 펌프식 정압 및 공기정압(기체) 베어링 설계는 펌프가 고장 나지 않는 한 영속도까지 낮은 마찰을 유지하며, 시동/정지 마모를 겪지 않아도 된다.

유체 베어링은 일반적으로 마찰이 매우 낮아 기계식 베어링보다 훨씬 우수하다. 유체 베어링에서 마찰의 한 가지 원인은 유체의 점성으로 인한 동적 마찰이며, 이는 속도에 따라 증가하지만 정적 마찰은 일반적으로 무시할 수 있는 수준이다. 정압 기체 베어링은 매우 높은 속도에서도 가장 낮은 마찰을 가진 베어링에 속한다. 그러나 유체 점성이 낮을수록 일반적으로 베어링 표면에서 유체가 더 빠르게 누출되므로, 펌프에 더 많은 동력이 필요하거나 밀봉재로 인한 마찰이 증가한다.

롤러나 볼에 큰 하중이 가해질 때, 유체 베어링은 기계식 베어링보다 하중에 따른 간극 변화가 적다(더 "강성"이 높다). 베어링 강성은 최대 설계 하중과 마찬가지로 평균 유체 압력과 베어링 표면적의 단순한 함수일 것으로 보일 수 있다. 실제로 베어링 표면이 서로 눌리면 유체 유출이 제한된다. 이로 인해 베어링 면 사이의 유체 압력이 크게 증가한다. 유체 베어링 면은 구름 접촉면보다 비교적 클 수 있으므로, 작은 유체 압력 차이도 큰 복원력을 발생시켜 간극을 유지한다.

유체 베어링은 본질적으로 상당한 감쇠를 추가하는 경우가 많다. 이는 저널 베어링의 자이로스코프 주파수에서의 공진(때때로 원추형 또는 흔들림 모드라고 함)을 감쇠하는 데 도움이 된다.

원자적으로 매끄럽고 둥근 기계식 베어링을 만드는 것은 매우 어려우며, 기계식 베어링은 고속 작동 시 원심력으로 인해 변형된다. 이에 반해, 유체 베어링은 미세한 불완전성과 약간의 변형을 자체적으로 보정한다.

유체 베어링은 일반적으로 구름 베어링보다 더 조용하고 부드럽다(마찰이 더 일정하다). 예를 들어, 유체 베어링으로 제조된 하드 디스크 드라이브는 베어링/모터의 소음 등급이 약 20~24 dB로, 이는 조용한 방의 배경 소음보다 약간 높은 수준이다. 구름 베어링 기반 드라이브는 일반적으로 최소 4 dB 더 시끄럽다.

유체 베어링은 볼 베어링이나 구름 베어링보다 낮은 NRRO(비반복 런아웃)로 제작할 수 있다. 이는 현대 하드 디스크 드라이브 및 초정밀 스핀들에서 매우 중요할 수 있다.

틸팅 패드 베어링은 압축기에서 축을 지지하고 위치시키기 위한 레이디얼 베어링으로 사용된다.

단점

• 베어링은 마모를 방지하기 위해 압력을 유지해야 하며, 정압식의 경우 감압 시 완전히 움직이지 못할 수 있다.
• 유체 시스템의 감소된 마찰이 유체 유지 시스템의 동력 요구량으로 상쇄될 수 있으므로, 전체 소비 동력은 일반적으로 볼 베어링에 비해 더 높다.
• 다른 기계식 베어링에 비해 소비 동력과 강성 또는 감쇠가 온도에 따라 크게 변하며, 유체 베어링은 일부 특수 과학 연구 응용에 필요한 극저온에서 작동할 수 없다.
• 많은 유형의 유체 베어링은 충격 상황이나 예기치 않은 공급 압력 손실 시 치명적으로 소착될 수 있다. 볼 베어링은 더 점진적으로 열화되며 음향적 증상을 나타낸다.
• 반주파수 소용돌이는 편심 세차 운동을 발생시키는 베어링 불안정성으로, 볼 베어링의 케이지 주파수 진동과 유사하게 성능 저하와 수명 단축을 초래할 수 있다.
• 유체 누출은 액체형 베어링에서 문제가 될 수 있으며, 일부 상황에서는 진공 회수 및 여과가 필요할 수 있다.
• 오일이나 수은과 같은 일부 유체 유형은 환경 오염을 유발할 수 있으며, 누출 또는 장치 해체 후 광범위한 정화 작업이 필요하다.
• 유체 베어링 "패드"는 베어링이 기울어져 한쪽에서 유체가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 쌍 또는 삼중으로 사용해야 하는 경우가 많다.

일부 유체 베어링

포일 베어링

포일 베어링은 1960년대에 개렛 에어리서치(Garrett AiResearch)에 의해 고속 터빈 응용 분야에 도입된 유체 동역학적 공기 베어링의 일종이다. 일반적으로 공기를 작동 유체로 사용하며, 외부 가압 시스템이 필요하지 않지만 베어링이 물리적으로 접촉하는 기동 및 정지 시 마모를 방지하기 위해 신중한 설계가 필요하다.

수윤활 고무 베어링

수윤활 고무 베어링은 축 방향 홈으로 분리된 여러 개의 고무 스테이브를 수용하는 긴 원통형 금속 셸을 가지고 있다. 이 베어링의 사용에는 세 가지 주요 이점이 있다: (i) 베어링을 통과하는 펌핑된 물이 윤활제로 편리하게 사용되어 펌프 운전 비용을 절감하고, (ii) 수류가 베어링 홈을 통해 열과 미세 입자를 제거하며, (iii) 고무의 자연적인 탄성이 베어링에 충격 및 진동 흡수와 내마모성에 대한 우수한 특성을 부여한다. 수윤활 고무 베어링은 혼합 윤활 조건에서 작동한다.[^6]

공기 베어링

접촉식 롤러 베어링과 달리, 공기 베어링(또는 에어 캐스터)은 가압된 공기의 얇은 막을 이용하여 표면 사이에 극히 낮은 마찰의 하중 지지 계면을 제공한다. 두 표면은 접촉하지 않는다. 비접촉식이므로 공기 베어링은 마찰, 마모, 미립자, 윤활제 취급과 같은 기존 베어링 관련 문제를 피할 수 있으며, 백래시와 스틱션이 없는 정밀 위치 결정은 물론 고속 응용 분야에서도 뚜렷한 이점을 제공한다.

베어링의 유체 막은 베어링 자체를 통해 베어링 표면으로 흐르는 공기이다. 공기 베어링의 설계는 공기가 베어링 간극에서 끊임없이 빠져나가지만, 베어링 면 사이의 압력이 작업 하중을 지탱하기에 충분하도록 되어 있다. 이 압력은 외부에서 생성되거나(정압식) 내부에서 생성될 수 있다(동압식).

동압식 베어링은 고속 응용 분야에서만 작동할 수 있으며, 저속에서의 하중 지지를 위해서는 정압식 베어링이 필요하다. 두 유형 모두 고도로 정밀하게 가공된 표면과 정밀 제조가 요구된다.

사례

에어하키는 퍽과 선수의 패들을 부유시켜 낮은 마찰을 제공하고 이를 통해 높은 퍽 속도를 유지하는 정압식 베어링에 기반한 게임이다. 이 베어링은 주변 압력보다 약간 높은 공기를 전달하는 주기적인 오리피스가 있는 평면을 사용한다. 퍽과 패들은 공기 위에 놓인다.

미첼/킹스버리 경사 패드 유체 베어링

미첼/킹스버리 유체 동역학적 경사 패드 베어링은 영국 태생의 호주인 앤서니 조지 몰던 미첼(Anthony George Maldon Michell)과 미국의 트라이볼로지 학자 앨버트 킹스버리(Albert Kingsbury)에 의해 독립적으로 거의 동시에 발명되었다. 두 설계는 패드의 피벗 방식의 차이를 제외하면 거의 동일했다. 미첼은 스팬 방향 라인 피벗이 배치되는 곳의 압력 분포를 수학적으로 도출하여, 하중이 최대 유체 압력 지점을 통해 작용하도록 했다. 킹스버리의 특허는 이러한 수학적 접근이 부족했으며, 패드의 피벗 점은 베어링의 기하학적 중심에 배치되었다.[^7] 미첼의 특허(영국 및 호주)는 1905년에 승인되었고, 킹스버리의 최초 특허 출원은 1907년이었다. 킹스버리의 미국 특허는 그가 수년간 이 개념을 연구해 왔음을 입증한 후 1911년에 최종 승인되었다. 미첼의 오랜 직원이었던 시드니 워커(Sydney Walker)의 말에 따르면, 킹스버리의 특허 승인은 "미첼이 받아들이기 어려운 타격"이었다.

이 베어링은 피벗 위에 부분적인 슈 또는 패드를 가지고 있다. 베어링이 작동 중일 때, 베어링의 회전 부분이 점성 항력을 통해 신선한 오일을 패드 영역으로 운반한다. 유체 압력은 패드가 약간 기울어지게 하여 슈와 다른 베어링 표면 사이에 좁은 수축부를 형성한다. 이 수축부 뒤에 가압된 유체 쐐기가 형성되어 움직이는 부품을 분리한다. 패드의 기울기는 베어링 하중과 속도에 따라 적응적으로 변화한다. 다양한 설계 세부 사항이 과열과 패드 손상을 방지하기 위해 오일의 지속적인 보충을 보장한다.

미첼/킹스버리 유체 베어링은 수백 톤에 달하는 터빈과 발전기를 지지하는 수력 발전소를 포함하여 다양한 중부하 회전 장비에 사용된다. 또한 선박 프로펠러 축과 같은 매우 무거운 기계류에도 사용된다.

실용에 투입된 최초의 경사 패드 베어링은 미첼이 레이놀즈 방정식의 3차원 해를 발표하고 특허를 취득한 지 불과 2년 후인 1907년, 호주 빅토리아주 머레이 강의 코후나에 있는 원심 펌프를 위해 조지 웨이마우스(Pty) Ltd가 A.G.M. 미첼의 지도 하에 제작한 것으로 추정된다. 1913년까지 경사 패드 베어링의 뛰어난 장점은 해양 응용 분야에서 인정받았다. 이 베어링이 장착된 최초의 영국 선박은 해협 횡단 증기선 파리호였으나, 제1차 세계대전 동안 많은 해군 함정에도 유사하게 장착되었다. 실용적 결과는 놀라웠다 – 문제가 많던 추력 블록이 극적으로 작고 가벼워졌으며, 효율이 크게 향상되었고, 유지보수 문제에서 놀랍도록 자유로워졌다. 미첼의 경사 패드 베어링 장착 결과로 영국 해군은 1918년 한 해에만 50만 파운드 상당의 석탄을 절약한 것으로 추산되었다.

ASME에 따르면, 미국 최초의 미첼/킹스버리 유체 베어링은 1912년 홀트우드 수력 발전소(미국 펜실베이니아주 랭커스터 인근 서스퀘해나 강)에 설치되었다. 2.25톤의 이 베어링은 회전 질량 약 165톤의 수력 터빈과 발전기를 지지하며, 수력 터빈 압력이 추가로 40톤을 더한다. 이 베어링은 1912년 이후 부품 교체 없이 거의 지속적으로 운용되어 왔다. ASME는 2000년 기준으로 여전히 가동 중이라고 보고했다. 2002년 기준으로 제조업체는 홀트우드의 베어링이 약 1,300년의 무정비 수명을 가질 것으로 추정했다.

현재까지 경사 패드 베어링은 팽창기, 펌프, 가스 또는 증기 터빈, 압축기와 같은 회전 장비에서 필수적인 역할을 하고 있다. 20세기 초부터 사용된 전통적인 배빗 베어링 외에도 미바(Miba)와 같은 현대 제조업체들은 베어링 성능을 향상시키기 위해 청동이나 구리-크롬 등 다른 재료도 사용하고 있다. [^8]

같이 보기

• 쿠겔 분수
• 미끄럼 베어링
• 좀머펠트 수

외부 링크

• 킹스버리의 서스퀘해나 베어링에 관한 ASME 역사 브로셔
• 91페이지 10.6MB NASA 기술 핸드북 기계 요소의 윤활, NASA-RP-1126, B. J. Hamrock 저, 1984 죽은 링크 새 링크.
• 설계를 위한 기구학 모델 디지털 라이브러리 (KMODDL) – 코넬 대학교의 수백 가지 작동하는 기계 시스템 모델의 동영상과 사진. 기계 설계 및 공학에 관한 고전 텍스트의 전자책 라이브러리도 포함되어 있다.
• http://www.specialtycomponents.com/intro_air_bearings.html – Specialty Components Inc.의 공기 베어링과 그 다양한 응용 분야를 소개하는 기술 문서.
• https://www.youtube.com/watch?v=muAt8WrLZ7A – 구형 공기 베어링의 시연 영상.

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각주

[^1]: cite book last = Rowe first = W. Brian title = 정압, 공기정압 및 하이브리드 베어링 설계 publisher = Butterworth-Heinemann date = 2012 location = pages = 1–4 langu

[^2]: 정압 너트 및 리드 스크류 조립체, 그리고 상기 너트의 형성 방법

[^3]: cite book last = Girard first = L. Dominique title = 응용 수력학. 철도를 위한 새로운 이동 시스템 (Applied hydraulics. New locomotion system for railways)

[^4]: 정압 가스 베어링 제어의 잉크젯 시스템 요소 설계.

[^6]: cite journal url=https://doi.org/10.1016/j.jsv.2015.03.052 doi=10.1016/j.jsv.2015.03.052 title=유연한 다단 로터의 진동 해석을 위한 수윤활 고무 베어링의 새로운 모델

[^7]: Stachowiak, Gwidon; Batchelor, Andrew W. [https://books.google.com/books?id=SQ8p0x2S1dwC&pg=PA136 "공학 트라이볼로지 135–136페이지"], ''[[Butterworth–Heinemann]]'', London, 31 March 2011. Retrieved o

[^8]: cite web url = https://www.miba.com/en/product-areas/industrial-bearings/tilting-pad-thrust-bearing title = Miba 스러스트 베어링