Lubrication Analysis of Infinite Width Slider Bearing with a Micro-Groove: Part 3 - Effect of Groove Shape

미세 그루브가 있는 무한폭 Slider 베어링의 윤활해석: 제3보 - 그루브 형상의 영향

Abstract

Fluid film bearings are among the best devices used for overcoming friction and reducing wear. Surface texturing is a new surface treatment technique used for processing grooves and dimples on the lubricated surface, and it helps to minimize friction further and improve the wear resistance. In several studies, parallel surfaces, such as thrust bearings and mechanical face seals, have been investigated, but most sliding bearings have a convergent film shape. This paper presents the third part of a recent study and focuses on the effect of the groove shape on the lubrication performance of inclined slider bearings, following the two previous papers on the effects of the groove position and depth. We adopted the continuity and Navier - Stokes equations to conduct numerical analyses using FLUENT, which is a commercial computational fluid dynamics code. The groove shape adopted in the numerical analysis is rectangular and triangular, and its depth is varied. The results show that the streamlines, pressure distributions, and groove shape significantly influence the lubrication performance of the inclined slider bearing. For both shapes, the load-carrying capacity (LCC) is maximum near the groove depth, where vortices occur. In the shallow grooves, the LCC of the rectangular shape is higher, but in deeper grooves, that of the triangular shape is higher. The deeper the rectangular groove, the higher the decrease in the frictional force. The results of this study can be used as design data for various sliding bearings.

Nomenclature

a : Distance to the bearing cell, see Fig. 1

b : Bearing cell size (µm), see Fig. 1

c : Groove width (µm), see Fig. 1

h₀ : Inlet film thickness (µm), see Fig. 1

h_n : Outlet film thickness (µm), see Fig. 1

h_p : Groove depth (µm), see Fig. 1

L : Bearing length

N : Number indicating groove position, see Fig. 1

p : Pressure (Pa)

P₀,P_n : Boundary pressure (Pa)

U : Sliding speed of slider (m/s)

x, y : Cartesian coordinates

X : Dimensionless x-coordinate, x/L

η : Absolute oil viscosity (kg/m∙s)

ρ : Oil density (kg/m³)

1. 서론

20여년 전, Etsion[1]이 메카니컬 시일 (Mechanical seal)의 수명향상을 위하여 레이놀즈 방정식에 대한 수치해석과 실험으로 체계적인 연구를 시작한 Surface tex-turing은 기계부품의 윤활면에 그루브 (Groove), 딤플 (Dimple) 등을 가공하는 최신의 표면처리기술이다. 딤플 등은 윤활유 저장조 (Oil reservoir)와 필터 (Filter) 기능뿐 만 아니라 유체압력 (Hydrodynamic pressure)을 발생시키는 미세 베어링으로도 작용하여 마찰손실을 감소시키고 내마모성능을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 

지금까지의 Surface texturing에 관련된 대부분의 연구는 평행한 윤활면을 대상으로 그루브나 딤플의 깊이, 크기, 밀도비, 배치위치, 캐비테이션 (Cavitation) 발생 등 을 고려하였지만[2], 기하학적 형상에 대한 결과는 다음과 같이 소수에 불과하다. Yu & Sadeghi[3]는 3가지 형상의 대형 그루브가 있는 평행 Thrust washer를 레이놀즈 방정식으로 수치해석하여 상당한 정도의 하중지지가 가능함을 보였다. Arghir 등[4]은 표면거칠기의 형상과 레이놀즈 수에 따른 하중지지능력의 변화를 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 수치해석하고 관성이 커질수록 거칠기에 의한 하중지지능력이 증가한다는 새로운 결과를 제시하였다. Rahmani 등[5]은 베어링 입구부에 3가지 형상의 그루브로 부분 Texturing한 경우에 대한 레이놀즈 방정식의 해석해는 사각형 형상에서 하중지지능력은 제일 높지만 마찰계수는 제일 작았다. Yu 등[6]은 딤플의 형상과 배치에 따라서 마찰감소에는 상당한 차이가 있다는 실험결과를 발표하였다. 딤플이 다수인 경우에 대하여 CFD 해석방법을 적용한 Park[7]의 결과에서 딤플의 형상과 위치에 따라서 지지하중, 마찰력 및 누설 유량은 크게 변화하였다. Qiu 등[8]은 압축성 레이놀즈 방정식을 사용하여 6가지 형상의 딤플이 있는 공기윤활 평행 스러스트 베어링을 수치해석하였다. 여기서 타원체 (Ellipsoid) 형상인 경우에 하중지지능력이 가장 우수하였다. Shen & Khonsari[9]는 딤플의 내부형상이 하중지지능력에 상당한 영향을 미친다는 실험결과를 레이놀즈 방정식을 수치해석하여 확인하였다. Uddin 등[10]은 레이놀즈 방정식에 대한 수치해석으로 다양한 딤플 형상에 대한 윤활특성을 비교하였으며, Vilhena 등[11]은 4가지 그루브 형상에 대한 압력과 마찰력의 변화를 CFD해석으로 조사하였다. Nanbu 등[12]은 타원접촉 EHL문제에서 딤플 형상이 유막두께에 미치는 영향을 조사하였다.

한편, 대부분의 미끄럼 베어링에 해당되는 윤활면이 경사진 경우에 대한 Surface texturing 연구는 크게 부족한 실정이다. Brajdic-Mitidieri 등[13]은 패드 베어링의 마찰 저감에는 포켓 (Pocket)의 위치와 깊이가 중요한 변수라는 해석결과를 제시하였다. Cupillard 등[14]은 입구부에 위치한 사각형 그루브 3개의 위치와 깊이가 윤활성능에미치는 영향을 조사하였다. Papadopoulos 등[15]은 다수의 사각형 그루브가 있는 슬라이드 베어링의 최적 그루브 깊이 등을 구하였다. Malik 등[16]은 딤플로 Full texturing 한 경사진 슬라이더 베어링에서는 경사비가 아주 작은 경우에만 하중지지능력이 약간 향상된다고 보고하였다. Morris 등[17]은 사각형 그루브 위치에 따라서 윤활성능에 상당한 차이가 있다는 해석결과를 발표 하였으며, Rosenkranz 등[18]은 딤플의 위치가 마찰감소 에 큰 영향을 미친다는 실험결과를 수치해석으로도 확인하였다. Park & Jang[19,20]은 CFD 해석으로 사각형 그루브의 위치와 깊이가 경사진 슬라이더 베어링의 윤활특성에 미치는 영향을 상세하게 조사하였다. 이상의 고찰과 같이 경사진 윤활면의 Texturing 형상에 대한 연구 결과는 아직까지 제시되지 않고 있는 실정이다.

본 논문에서는 Surface texturing한 슬라이더 베어링의 윤활성능을 향상시키기 위한 연구의 일환으로 그루브의 위치[19]와 깊이[20]에 이어서 형상에 의한 영향을 상용CFD 프로그램을 사용하여 조사하고자 한다. 

2. 수치해석

Fig. 1은 본 논문에서 사용한 무한폭 슬라이더 베어링의 수치해석모델을 개략적으로 나타낸 그림으로 한 개의 그루브가 있는 경사진 패드 (Pad)에 대하여 슬라이더는 상대속도 U로 운동한다. 여기서 L은 베어링 길이이고 a는 입구부에서 그루브 (폭 c, 깊이 h_p)가 중앙에 위치한 길이가 b인 미세 베어링 셀 (Cell)까지의 거리이다. N 은 그루브의 위치 (Position)를 설명하기 위하여 도입한 숫자로 0 ~ 10이다[19,20]. 참고로 N = 0과 N = 4는 각각 그루브가 없는 경우와 a = 3b인 경우에 상당한다. 해석에 사용한 그루브 형상은 사각형과 (이등변)삼각형의 2가지로 이들은 동일한 그루브 폭과 깊이에 대하여 그루브부의 체적이 가장 큰 차이를 나타낸다.

Fig. 1. Schematic of 2D inclined slider bearing model.

패드와 슬라이더 사이의 윤활유는 정상상태, 비압축성, 뉴우튼 (Newton) 유체로 가정하였다. 베어링의 윤활특성을 조사하기 위하여 윤활유에 대한 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 상용 CFD 해석 프로그램인 FLUENT[21]를 사용하여 수치해석하였다. 이때, 베어링의 입·출구 경계에는 대기압이 작용하며, 모든 베어링면에서는 점착조건 (No-slip condition)이 적용된다. 수치해석에 사용한 사각형 격자의 수는 8만여개이며, 베어링의 상세사양, 운전조건 및 윤활유의 물성자료는 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Specification of inclined slider bearing and operating condition

본 논문에서는 그루브 형상이 사각형과 삼각형인 경우에 깊이 h_p의 변화가 경사진 슬라이더 베어링의 윤활특성에 미치는 영향을 조사하였다.

3. 결과 및 고찰

본 논문에서는 그루브 위치를 N = 4로 고정시켰다.

Figs. 2~3에는 그루브 깊이 h_p의 변화에 따른 사각형과 삼각형 그루브에서의 유선 (Streamline)의 분포를 유막두께방향으로 크게 확대하여 각각 나타내었다. 2가지 형상 모두 h_p = 0.5 µm에서는 와류에 의한 재순환 유동 (Recirculation flow)이 발생하지 않지만 h_p = 1.5 µm, 2.5 µm에서는 뚜렷하게 나타났다. 이러한 결과는 그루브 중앙부 (X = 0.35)에서의 속도분포를 비교한 Fig. 4에서 확인할 수 있다. 즉, h_p = 0.5 µm인 경우와 달리 h_p = 1.5 µm, 2.5 µm에서는 그루브내에서 음 (−)의 속도인 것은 역류가 발생함을 의미하며 이는 와류의 존재를 나타낸다. 역류속도는 그루브가 깊어질수록, 사각형인 경우에 한층 빨라졌다. 사각형 그루브에서는 와류가 그루브 체적을 완전히 차지하므로 이의 크기는 삼각형인 경우 보다 2배 이상이다. 이와 같이 그루브의 형상과 깊이에 따라서 유동상태가 크게 달라지므로[22] 이는 압력에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 참고로 속도분포가 유동방향에 대하여 모두 오목한 (Concave) 형상인 것은 그루브 위치보다 하류측의 압력이 높음을 의미한다[19]. 

Fig. 2. Contour plot of streamline distribution in rectangular groove: h_p is (a) 0.5 µm, (b) 1.5 µm, (c) 2.5 µm

Fig. 3. Contour plot of streamline distribution in triangular groove: h_p is (a) 0.5 µm, (b) 1.5 µm, (c) 2.5 µm.

Fig. 4. Velocity distribution at X = 0.35: h₀= 1.5 µm, h_n= 1.0 µm.

슬라이더 베어링에서는 유막의 쐐기효과 (Wedge effect)에 의하여 발생하는 유체압력으로 하중을 지지한다. 여기에 그루브를 적절하게 설계하면 그루브가 없는 경우 (h_p = 0 µm) 보다 하중지지능력을 향상시킬 수 있다[19,20]. Figs. 5~6에는 Figs. 2~3의 조건에 대응하는 전체압력분포를 유막두께방향으로 확대하여 각각 나타내었다. Fig. 7에는 2가지 형상에 대하여 h_p = 0.5 µm와 h_p = 2.5 µm인 경우의 압력분포를 h_p = 0 µm인 경우의 결과와 함께 비교하였다. 그루브의 최대깊이가 동일함에도 불구하고 이의 형상과 깊이에 따라서 압력차이가 상당하다는 점이 특이하다. 즉, h_p = 0.5 µm에서는 사각형인 경우의 압력이 높지만 h_p = 1.5 µm 이상에서는 삼각형인 경우가 고압이다. 특히 사각형으로 h_p = 2.5 µm에서는 그루브가 없는 경우보다도 압력이 낮아졌다. 이와 같이 압력발생에 미치는 그루브 형상의 영향이 상당하며 이는 다음과 같이 유체에서의 에너지 변환으로 설명할 수 있다. 즉, 슬라이더의 운동으로 발생하는 유체의 관성에너지는 그루브에서 압력으로 변환될 수 있다. 그루브가 얕은 경우에는 그루브 통하는 관성에너지의 상당부분이 압력으로 변환되며, 와류가 발생하는 깊이 부근에서 최고압력에 도달한다[23]. 이 보다 그루브가 깊어질수록 와류의 성장에 소모되는 관성에너지가 급격하게 증가 (Fig. 4 참고)하므로 압력은 점차 낮아진다[24]. 특히, 사각형 그루브는 체적이 삼각형의 2배이므로 와류가 발생하지 않는 얕은 경우에는 상대적으로 고압이 발생하지만 반대로 깊어지면 와류가 성장하고 강해지므로 압력은 낮아진다. 즉, 그루브에 의한 압력발생은 깊이가 얕은 경우에는 그루브 체적이 큰 사각형이, 깊은 경우에는 체적이 작은 삼각형 형상이 상대적으로 높게 된다.

Fig. 5. Contour plot of pressure distribution in rectangular groove: h_p is (a) 0.5 µm, (b) 1.5 µm, (c) 2.5 µm.

Fig. 6. Contour plot of pressure distribution in triangular groove: h_p is (a) 0.5 µm, (b) 1.5 µm, (c) 2.5 µm.

Fig. 7. Pressure distribution. h_p is (a) 0.5 µm, (b) 2.5 µm.

Fig. 8은 2가지 그루브 형상에 대하여 h_p가 베어링의 하중지지능력과 슬라이더에 작용하는 마찰력에 미치는 영향을 비교한 것으로 h_p = 0 µm인 경우의 결과로 각각 무차원화하였다. 하중지지능력은 각 형상에 대하여 특정 깊이까지 증가하다가 최대값에 도달한 다음에는 거의 직선적으로 감소하였다[14,23]. 이는 앞에서 고찰한 것과 같이 그루브에 의한 와류의 생성과 크기에 따라서 압력으로 변환되는 유체의 관성에너지가 달라지기 때문으로 추정된다. 하중지지능력은 그루브가 얕은 경우에는 사각형, 보다 깊은 경우에는 삼각형에서 상대적으로 높게 나타났다. 이와 같이 그루브의 형상과 깊이 사이의 관계는 하중지지능력에 상당한 영향을 미치고 있다. 한편, 마찰력은 그루브를 설계하면 감소하며[19,20] 이의 형상에 따른 차이는 그루브가 깊어질수록 크게 된다. 사각형 그루브에서 마찰력 감소가 큰 것은 그루브부의 평균유막두께가 상대적으로 크고 전길이에 걸쳐서 와류가 존재하기 (Figs. 2,3) 때문으로 이해된다.

Fig. 8. Effect of groove depth on the dimensionless (a) load carrying capacity, (b) friction force.

이상의 결과에서 그루브의 형상과 이의 깊이를 적절하게 설계하면 경사진 슬라이더 베어링의 하중지지능력향상과 함께 마찰손실을 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서 슬라이더 베어링의 윤활성능을 향상시키기 위해서는 다양한 Surface texturing관련인자와 운전조건 등에 대한 추가연구가 요구된다.

4. 결론

본 논문에서는 사각형과 삼각형 그루브로 Surface texturing한 경사진 슬라이더 베어링의 윤활성능을 조사하기 위하여 미세 베어링 모델을 상용 CFD 프로그램으로 수치해석하였다. 해석결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 그루브의 형상이 경사진 슬라이더 베어링의 윤활성능에 상당한 영향을 미치는 결과를 처음으로 제시하였다. 

2. 슬라이더 베어링의 하중지지능력은 와류가 발생하는 그루브 깊이 부근에서 최대로 되었다.

3. 그루브가 얕은 경우에는 사각형이, 깊은 경우에는 삼각형 형상이 하중지지능력의 향상에 상대적으로유리하다.

4. 베어링면에 작용하는 마찰력은 깊은 사각형 그루브인 경우에 크게 감소하였다. 

본 논문의 결과는 각종 미끄럼 베어링의 성능향상을 위한 설계자료로 사용될 수 있으며, 다양한 조건에 대한 추가연구가 요구된다.