일반적인 회전체-베어링 시스템에서 5자유도를 고려한 유체 동압 베어링으로 지지되는 디스크-스핀들 시스템의 안정성 해석

Abstract

본 연구에서는 회전체-베어링 시스템의 정확한 동적 성능을 판단할 수 있는 중요한 동역학적 기준으로 5자유도를 고려한 유체 동압 베어링으로 지지되는 디스크-스핀들 시스템의 안정성 해석 방법을 제시했다. 우선 유체 동압 베어링의 동특성 계수를 해석하기 위하여 레이놀즈 방정식에서 5자유도 섭동 방정식을 유도한 다음 저널과 스러스트가 연성된 유체 동압 베어링을 해석할 수 있도록 유한 요소법을 사용하여 각 섭동에 대한 행렬 방정식을 구성하고 타당한 경계 조건과 구속 조건을 설정하였다. 그리고 5자유도를 고려한 유체 동압 베어링으로 지지되는 디스크-스핀들 시스템의 안정성 해석은 선형 운동 방정식에 회전 반경을 도입하여 회전체의 설계 변수와 유체 동압 베어링의 동특성 계수를 모두 고려할 수 있는 단일의 포괄적인 매개 변수로 안정성을 정의한 다음 선형 고유치 해석에 기반하여 수행했다.

유체 동압 베어링 내에서 디스크-스핀들 시스템의 회전체가 다양한 자세를 유지할 경우 그에 따른 저널과 스러스트가 연성된 유체 동압 베어링의 동특성 계수를 구하고, 이를 이용하여 회전체의 자세 변화에 따른 디스크-스핀들 시스템의 안정성 변화를 해석하였다. 그리고 디스크-스핀들 시스템의 안정성 선도와 직접 적분법을 이용하여 운동 방정식으로부터 구한 훨 반경의 시간 응답을 비교하여 본 연구의 타당성을 해석적으로 검증하였다.

또한 디스크-스핀들 시스템의 안정성과 동특성 사이의 상관 관계를 분석하고, 디스크-스핀들 시스템을 지지하는 유체 동압 베어링의 설계 변수가 디스크-스핀들 시스템의 안정성과 동특성에 미치는 영향을 분석하였다. 그리고 앞서의 디스크-스핀들 시스템의 안정성과 동특성 해석에 기초하여 디스크-스핀들 시스템을 지지하는 유체 동압 베어링의 강건 설계 모델을 제안했다. 그리고 기존의 디스크-스핀들 시스템과 강건 설계된 디스크-스핀들 시스템의 충격에 따른 동적 거동 분석하여, 유체 동압 베어링의 설계가 half-speed whirl 진동 등 시스템의 동적 성능 변화에 미치는 영향을 고찰하였다.