저널 베어링 이해
A 저널 베어링 - 플레인 베어링, 슬리브 베어링 또는 유체 필름 베어링이라고도 하는 베어링은 구름 요소가 아닌 얇고 가압된 윤활유 필름 위에서 회전축을 지지합니다. 베어링 내부의 샤프트 회전 부분은 저널; 샤프트 자체가 윤활유를 수렴하는 쐐기 모양의 틈으로 끌어당기면서 생성하는 유체 역학적 유막에 의해 고정된 베어링 표면에서 분리됩니다. 이 가압된 쐐기는 베어링의 전체 로터 금속과 금속이 접촉하지 않는 하중을 견뎌냅니다. 유막은 또한 넉넉한 감쇠, 저널 베어링은 터빈, 발전기, 대형 컴프레서 등 고속, 고부하 기계류의 제어가 중요한 고속, 고부하 기계류에 적합한 선택입니다. 진동 로터를 안정화시키는 것이 가장 중요합니다.
1. 정의: 저널 베어링이란 무엇인가요?
저널 베어링에서 샤프트는 작동 속도에서 베어링에 닿지 않습니다. 대신 수십 마이크로미터 두께의 윤활유 쐐기 위에 중심을 약간 벗어난 상태로 떠 있습니다. 이 한 가지 사실이 헤르츠 접촉으로 볼이나 롤러를 통해 하중을 전달하는 구름 요소 베어링과 구별됩니다. 저널 베어링의 강점은 매우 높은 하중 용량, 유막 형성 후 극도로 낮은 마찰, 조용한 작동, 대형 로터를 원활하게 구동할 수 있는 감쇠력 등 유막에서 직접적으로 비롯됩니다. 임계 속도. 샤프트와 베어링의 거동은 함께 로터-베어링 시스템으로 연구되는데, 로터 베어링 시스템, 둘 다 따로 떼어놓고 이해할 수 없기 때문입니다.
2. 작동 원리: 유체 역학 윤활
오일 필름이 형성되는 방식
저널 베어링은 유체 역학적 윤활에 의존하며, 샤프트가 속도를 올리면서 예측 가능한 순서로 발전합니다:
- 최초 접촉: 쉬고 있을 때 샤프트는 자체 무게로 보어 바닥에 금속과 금속이 맞닿은 상태로 놓입니다.
- 회전 시작: 샤프트가 회전하기 시작하면 접착력이 윤활유를 틈새로 끌어당깁니다.
- 웨지 형성: 샤프트와 보어 사이의 수렴 지오메트리가 오일을 쐐기 모양의 공간으로 압착합니다.
- 압력 생성: 좁아지는 쐐기 안으로 오일을 밀어 넣으면 유체 역학적 압력이 발생합니다.
- 부상(浮上): 그 압력이 샤프트 무게를 초과하면 저널이 깨끗하게 들어올라 전체 필름을 타고 올라갑니다.
- 정상 상태: 샤프트가 가압된 필름 위에 떠서 금속 접촉 없이 보어 중심에서 오프셋된 평형 위치를 찾습니다.
저널이 정착하는 위치, 즉 간격 내 편심은 고정되어 있지 않습니다. 하중과 속도에 따라 이동하며, 이 이동하는 평형이 아래에 설명된 베어링의 복잡한 동적 동작의 근간이 됩니다.
오일 필름 두께
- 일반적인 최소 필름 두께는 다음과 같습니다. 10-100 마이크로미터 (0.0004-0.004인치) - 매우 얇지만 표면을 분리하기에 충분한 두께입니다.
- 필름은 균일하지 않습니다. 둘레에 따라 달라지며 저널과 보어 사이의 가장 가까운 접근 지점에서 최소값에 도달합니다.
- 두께는 속도, 하중, 윤활유 점도에 따라 달라집니다. 베어링 클리어런스 - 속도나 점도를 높이면 필름이 두꺼워지고, 부하를 높이면 필름이 얇아집니다.
- 오일이 따뜻해지면 점도가 떨어지기 때문에 필름 두께도 작동 온도에 민감하므로 대형 기계에서 오일 공급 온도를 모니터링하는 매개변수입니다.
3. 저널 베어링의 종류
일반 원통형(전체 저널)
- 가장 단순한 디자인: 오일 공급 홈이 있는 일반 원통형 보어와 전체 360° 랩 각도.
- 하중 용량은 좋지만 대칭형 필름으로 인해 불안정해지기 쉽습니다. 오일 훨(Oil Whirl) - 고속 및 가벼운 부하에서.
- 속도가 보통인 모터, 펌프 및 일반 산업 장비에 일반적으로 사용됩니다.
부분 아크 베어링
- 베어링 표면은 둘레의 일부(일반적으로 120~180°)만 덮습니다.
- 더 가볍고 기름의 흐름을 덜 요구하지만 전체 저널보다 강성이 낮습니다.
- 하중 방향이 잘 정의된 가벼운 하중 애플리케이션에 적합합니다.
틸팅 패드 베어링
- 표면은 여러 개의 독립된 패드로 나뉘며, 각각 자유롭게 회전할 수 있습니다.
- 모든 패드는 자체 유체역학적 웨지를 개발하여 오일 소용돌이를 유발하는 교차 결합을 억제합니다.
- 본질적으로 소용돌이와 채찍질에 안정적이며 고속 터보 기계의 업계 표준입니다.
- 더 비싸고 복잡하지만 동적 특성이 현저히 우수합니다.
압력 댐 및 오프셋 베어링
- 그루브, 스텝 “댐” 또는 오프셋(레몬 보어) 분할과 같은 기하학적 특징을 추가하여 안정성을 개선한 수정된 원통형 베어링입니다.
- 이 기능은 필름을 의도적으로 로드하여 효과적인 댐핑을 높입니다.
- 단순한 원통형 베어링과 값비싼 틸팅 패드 디자인 사이의 실용적인 절충안입니다.
틸팅 패드 베어링으로도 플렉시블 로터에 충분한 댐핑을 제공할 수 없는 경우 설계자는 스퀴즈 필름 댐퍼 를 베어링과 직렬로 연결하여 추가 에너지를 발산합니다.
4. 동적 특성
강성
저널 베어링 강성은 단일 숫자가 아니라 속도 및 하중에 따른 계수의 집합입니다:
- 저속: low 강성 - 로드가 달라지면 저널 위치가 크게 달라집니다.
- 빠른 속도: 유체역학적 압력장이 완전히 발달함에 따라 강성이 높아집니다.
- 방향성 변화: 강성은 수평 및 수직 방향에 따라 다르므로 베어링이 이방성으로 반응합니다.
- 교차 결합 강성: 한 방향으로 휘어지면 그에 직각으로 힘이 발생합니다. 이 교차 결합은 에너지를 소용돌이 궤도로 주입하여 불안정성을 유발하는 바로 그 메커니즘입니다. 로터 불안정성.
제동
필름의 가장 큰 장점은 댐핑 기능이 있다는 점입니다:
- 저널이 간극 내에서 움직일 때 오일의 점성 전단에 의해 에너지가 소멸됩니다.
- 댐핑은 속도와 오일 점도에 따라 증가합니다.
- 이는 로터가 임계 속도를 통과할 때 진동 진폭을 제한하는 요소입니다. 임계 속도.
- 자기 흥분으로 인한 불안정성이 무제한으로 커지지 않도록 하려면 적절한 감쇠가 필수적입니다.
속도 의존성
강성과 댐핑은 속도에 따라 달라지므로 이에 의존하는 모든 것이 달라집니다:
- 속도에 따라 강성이 증가합니다.
- 속도에 따라 댐핑이 증가합니다.
- 시스템의 고유 진동수 속도에 따라 상승합니다.
- 따라서 임계 속도는 기계가 가속함에 따라 위쪽으로 이동하며, 그 효과는 다음과 같이 가시화됩니다. 캠벨 다이어그램.
5. 장점과 한계
오일 필름은 저널 베어링의 뛰어난 장점과 특수한 요구 사항 모두를 만들어내는 원인입니다.
- 높은 부하 용량: 는 구름 요소 베어링을 무너뜨릴 수 있는 매우 무거운 로터를 지탱할 수 있습니다.
- 고속 기능: 최대 50,000rpm 이상의 속도에 적합합니다.
- 속도에 따른 마찰이 적습니다: 유체 역학 필름이 형성되면 마찰 계수는 매우 낮습니다(약 0.001-0.003).
- 뛰어난 댐핑: 임계 속도에서 진동을 제어하고 로터를 안정화하는 데 도움이 됩니다.
- 조용한 작동: 롤링 요소 통로가 없다는 것은 롤링 요소 소음이 없다는 것을 의미합니다.
- 충격 저항성: 유막은 일시적인 하중과 충격 하중을 완충합니다.
- 긴 수명: 사용 중 금속 접촉이 없어 마모가 최소화되고 수십 년 동안 사용할 수 있습니다.
- 심플한 기본 디자인: 일반 원통형은 기계적으로 간단하고 경제적입니다.
여기에는 현실적인 어려움이 있습니다:
- 높은 시작 마찰: 정지 상태의 필름이 없으므로 기계는 매번 시작할 때마다 브레이크 어웨이 토크와 짧은 경계 윤활 마모를 극복해야 합니다.
- 윤활 시스템이 필요합니다: 깨끗하고 시원하며 올바르게 가압된 오일을 지속적으로 공급해야 합니다; 베어링 윤활 는 선택사항이 아니라 디자인의 핵심입니다.
- 소용돌이 및 채찍 위험: 일반 원통형 베어링은 오일 소용돌이에 취약하며, 임계 속도의 두 배에 가깝게 샤프트 휩.
- 저속 강성을 낮춥니다: 유막(oil film)은 저속에서 구름 요소 베어링보다 베어링을 부드럽게 만들어 응답 속도를 늦춥니다.
- 온도 민감도: 성능은 점도에 미치는 영향을 통해 오일 온도를 추적합니다.
- 오염 민감도: 딱딱한 입자는 부드러운 바비트 표면에 상처를 내거나 기름 통로를 막을 수 있습니다.
- 축 방향 제한이 없습니다: 저널 베어링은 축을 반경 방향으로만 위치시키며 축 방향 하중은 별도의 추력 베어링.
6. 저널 베어링이 사용되는 곳
저널 베어링은 로터가 크거나 빠르거나 둘 다인 모든 곳에서 표준으로 사용됩니다:
- 증기 및 가스 터빈: 멀티 메가와트 발전 장치.
- 대형 발전기: 발전소의 동기식 발전기.
- 원심 압축기: 고속, 고부하 산업용 기계.
- 대형 전기 모터: 약 500마력 이상의 모터에서 자주 사용됩니다.
- 해양 추진력: 프로펠러 샤프트 및 선미 튜브 베어링.
- 종이 기계: 웹을 운반하는 대형 롤입니다.
- 내연기관 엔진: 크랭크샤프트 메인 및 커넥팅 로드 베어링.
7. 로터 역학 및 필드 밸런싱과의 관계
저널 베어링은 강성과 댐핑이 로터 동작의 많은 부분을 결정하기 때문에, 저널 베어링의 핵심은 로터 동역학:
- 임계 속도 배치: 베어링 강성 및 댐핑은 임계 속도가 떨어지는 위치와 진동이 최고조에 이르는 정도를 설정합니다.
- 안정: 베어링 유형에 따라 오일 소용돌이 및 샤프트 휩에 대한 민감도가 크게 결정되며, 이들이 생성하는 특징적인 서브 동기 주파수는 전용 계산기로 추정할 수 있습니다. 저널 베어링 결함 빈도 계산기.
- 주파수 매핑: 캠벨 다이어그램은 베어링 강성 변화에 따라 고유 진동수가 속도에 따라 어떻게 이동하는지를 보여줍니다.
- 밸런싱 응답: 베어링 특성은 영향 계수 로터가 보정 무게에 반응하는 방식을 제어합니다.
이 마지막 지점이 베어링과 일상적인 유지보수가 만나는 지점입니다. 저널 베어링으로 작동하는 터빈 또는 컴프레서가 1배 이상 상승한 경우 불균형 응답에 따라 자체 베어링에서 작동 속도에 맞춰 제자리에서 균형을 잡습니다. 다음과 같은 휴대용 2채널 분석기는 발란셋-1A 동기 진폭을 측정하고 단계 각 베어링에서 시운전을 통해 로터의 영향 계수를 계산하고 필요한 보정 중량을 계산하여 밸런싱 기계가 재현할 수 없는 필름 강성 및 감쇠를 포함하여 조립된 로터 베어링 시스템의 실제 응답을 포착합니다. 적절한 ISO 21940-11 밸런스 등급에 따라 검증된 이 결과는 장비가 실제로 작동하는 방식을 반영합니다.
저널 베어링은 중요한 고성능 기계에서 대체할 수 없는 성숙하고 정교한 기술입니다. 부하 용량, 속도 성능 및 댐핑의 독특한 조합은 윤활 및 동적 동작의 복잡성을 정당화하며, 대형 회전 장비를 진단하거나 균형을 맞추는 모든 사람에게 이러한 동작에 대한 이해는 필수적입니다.
