메탈메쉬 댐퍼가 적용된 볼베어링으로 지지되는 고속회전체의 회전체동역학적 성능 해석 및 실험적 검증 :

석윤지

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자료유형: 학위논문

저자정보: 석윤지 (국민대학교, 국민대학교 일반대학원)

지도교수: 김태호

발행연도: 2018

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2018

메탈메쉬댐퍼를 갖는 볼베어링 지지 고속전동기의 회전체동역학 성능평가 및 해석

석윤지 , 서정화 , 김태호 한국트라이볼로지학회 학술대회 2018.04 학술대회자료

메탈메쉬 댐퍼가 적용된 볼베어링으로 지지되는 고속회전체의 회전체동역학적 성능 해석 및 실험적 검증

석윤지 기계설계학과 2018.01 학위논문

2017

메탈메쉬댐퍼를 갖는 볼베어링-회전체 시스템을 위한 등가 강성 및 감쇠계수 예측

석윤지 , 서정화 , 김태호 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2017.12 학술대회자료

2016

예압량에 따른 회전체-볼 베어링 시스템의 회전체역학 성능연구

석윤지 , 김영민 , 김태호 한국트라이볼로지학회 학술대회 2016.10 학술대회자료

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볼베어링은 높은 내구성과 사양이 국제적으로 규격화되어 접근성이 높으며 호환이 용이하다. 또한, 기동 마찰력이 작으며 고속구동이 가능해 다양한 회전기계에 적용되고 있다. 그러나 별도의 감쇠시스템이 없기 때문에 고속 구동 시 점접촉을 하고 있는 볼과 내, 외륜에서 과부하가 발생할 수 있으며 진동 및 소음이 급격히 증가한다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위한 방법으로 스퀴즈필름댐퍼, 메탈메쉬댐퍼 등이 사용되고 있다. 메탈메쉬댐퍼는 구리, 스테인리스 강 등의 금속 철사들이 엮여진 탄성 구조체이며 금속 철사들 사이의 쿨롱 및 구조 감쇠효과로 진동을 저감한다. 또한, 별도의 오일 윤활시스템이 필요하지 않기 때문에 적용시스템의 단순화가 가능하며 오일을 사용하지 않아 비교적 온도에 덜 민감하다. 본 논문에서는 메탈메쉬 댐퍼가 적용된 볼베어링으로 지지되는 고속회전체의 동특성 해석 및 구동시험을 통해 고속회전체의 동특성을 규명하였다. 해석 및 시험은 메탈메쉬 댐퍼 적용 전, 후인 2가지 타입(Type A: 볼베어링, Type B: 외륜에 메탈메쉬댐퍼가 설치된 볼베어링)으로 지지되는 고속회전체에 대해 수행하였다. 먼저 해석 프로그램을 이용하여 볼베어링의 강성을 해석하였으며 메탈메쉬-볼베어링 조합체의 등가강성 및 감쇠계수를 계산하기 위해 메탈메쉬댐퍼의 동하중 시험을 수행하였다. 시험 데이터를 토대로 도출한 메탈메쉬댐퍼의 강성 및 감쇠계수 실험식을 이용해 조합체의 등가 강성 및 감쇠계수를 추출하였다. 이 결과를 바탕으로 볼베어링으로 지지되는 고속회전체에 메탈메쉬 댐퍼 설치 전, 후의 위험속도 및 불평형 질량에 따른 회전축 진동응답을 예측하였다. 이후, 고속 모터 구동 시험을 통해 메탈메쉬 댐퍼 적용 전, 후 회전축 진동 및 모터하우징 가속도를 측정하였다. 시험 결과, 볼베어링으로만 지지될 때는 감쇠시스템이 존재하지 않아 회전축의 진동크기가 구동속도에 따라 지속적으로 증가하였다. 반면, 메탈메쉬 댐퍼 설치 후 경우 약 35 krpm에서 진동 크기가 가장 컸으며 이후 100 krpm까지 진동의 크기변화가 크지 않았다. 메탈메쉬 댐퍼 설치 후, 회전축을 지지하는 메탈메쉬-볼베어링 조합체의 등가 강성이 볼베어링 강성보다 작아져 시스템의 위험속도가 35 krpm 부근으로 낮아졌다고 판단된다. 또한, 메탈메쉬 댐퍼의 감쇠효과로 인해 회전체시스템의 진동이 제진되었다고 보인다. 마지막으로, 해석결과를 바탕으로 예측한 회전체-베어링 시스템의 위험속도 및 불평형 질량에 따른 회전축 진동크기의 경향이 구동 시험 결과와 비교적 일치함을 확인하며 해석 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 메탈메쉬 댐퍼가 고속회전체의 회전축 진동을 효과적으로 감소함을 회전체동역학 해석 및 실험을 통해 규명하였다.

Ball bearings are highly accessible and compatible because of their internationally standardized durability and specifications. In addition, ball bearing system is applied to a variety of rotating machines because of its low friction forces and high speed drive. However, since there is no separate damping system, the balls, inner race and outer race may be overloaded, and vibration and noise may increase rapidly at high speed. To compensate for this, squeeze film Dampers and metal mesh dampers are used. Metal mesh dampers are elastic structures with metal wires such as copper and stainless steel and reduce vibration by coulomb and structural damping effects among metal wires. The application system can be simplified since no separate oil lubrication system is required, and the oil is not used, making it less sensitive to temperature. In this paper, the dynamic characteristics of high speed rotor supported on ball bearings and metal mesh dampers were identified. The analysis and test were performed for high speed rotor supported on two types (Type A : ball bearing, Type B : ball bearing with metal mesh damper on outer race). Using an analysis program, it analyzed the stiffness of the ball bearings and performed a dynamic loading test on metal mesh dampers to calculate the equivalent stiffness and damping coefficient of metal mesh - ball bearing assemblies. The equivalent stiffness and damping coefficient of the assemblies were calculated using the experimental equation of the metal mesh dampers obtained from the test data. The high speed driving test measured vibration of the rotor supported on two types of bearings and the acceleration of the motor housing. Since there was no separate damping mechanism in ball bearings, the vibration amplitude of the rotor continuously increases as the rotor speed increases. On the other hand, when metal mesh dampers were installed, the vibration amplitude was greatest at around 35 krpm and was not significant until 100 krpm. Due to the softness of the equivalent stiffness of the metal mesh - ball bearing assembly, the rotor-bearing system may have critical speed near 35 krpm and the vibration may be controlled by the additional damping effect of the metal mesh dampers. Model prediction of vibration displacement of the rotor, which is based on a rotor finite element analysis including the calculation of the equivalent stiffness, damping coefficient of the bearing-damper assemblies, shows similar trend with driving motor test results. In conclusion, this paper verifies the effect of metal mesh bearing dampers under the high speed rotor-bearing system by showing vibration reduction in the predicted and driving test data.

1. 서론 1
1.1 연구 배경 및 문헌조사 1
1.2 연구 내용 3
2. 메탈메쉬 댐퍼 개요 5
2.1 메탈메쉬 댐퍼 소개 5
2.2 메탈메쉬 댐퍼 동하중 시험 7
3. 볼베어링 및 메탈메쉬-볼베어링으로 지지되는 고속 모터 해석 15
3.1 볼베어링 해석 15
3.2 회전축-볼베어링 시스템 해석 16
3.3 메탈메쉬-볼베어링 조합체 해석 20
3.4 회전축-메탈메쉬-볼베어링 시스템 해석 23
4. 볼베어링 및 메탈메쉬-볼베어링으로 지지되는 고속 모터 구동시험 27
4.1 고속 모터 시험장치 및 시험방법 27
4.2 볼베어링으로 지지되는 고속 모터 시험결과 및 분석 29
4.3 메탈메쉬-볼베어링으로 지지되는 고속 모터 시험결과 및 분석 33
4.4 시험결과 및 해석 비교 37
5. 결 론 40

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