유격 마찰 댐퍼 로터의 완전접촉 전이 회전속도 예측

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확장요약문

임계속도를 지나는 회전기계에서 반경 방향 유격을 둔 건마찰 댐퍼는 저속에서 접촉하지 않아 마찰 손실이 없고, 진폭이 커진 구간에서만 에너지를 소산한다는 이점이 있다. 그러나 유격은 접촉과 비접촉을 가르는 문턱을 만들어 응답을 두 상태로 나눈다. 한 회전의 일부에서만 닿는 부분접촉에서는 궤도가 준주기 또는 카오스 거동을 보이고, 전 구간에서 닿는 완전접촉에서는 궤도가 회전 주기마다 되돌아오는 규칙적 운동으로 잠긴다. 댐퍼가 제 역할을 하는 구간은 후자이므로 설계에서는 완전접촉이 시작되는 회전속도를 알아야 한다. 접촉 비선형성을 다룬 기존 연구는 접촉을 고장으로 보아 검출과 회피에 초점을 두거나, 이력 모델을 도입하면서 불감대를 두지 않아 부분접촉과 완전접촉을 구분하지 않으므로, 전이 회전속도를 예측하는 기준을 제시하지 못한다. 본 연구는 양단 베어링으로 지지된 로터-샤프트의 디스크에 90°로 교차 배치한 유격 조건부 Bouc-Wen 마찰 댐퍼를 결합하여 3자유도 모델을 세우고, 회전속도를 연속적으로 높이는 시간적분 해석으로 전이 조건을 구하였다. 전이는 접촉이 시작된 이후 추가로 발생한 불평형 원심력이 미끄럼 마찰력과 같아지는 지점에서 일어났다(me·e(Ωend−Ωstart)=Fs). 이 조건에서 유격은 약분되어 사라지며, 맞추어야 할 계수 없이 설계 변수만으로 전이 회전속도가 결정된다. 불평형 질량 0.25~0.9 kg, 유격 1~7 mm, 미끄럼 마찰력 50~300 N 범위의 해석과 대조한 결과 예측 오차는 6 % 이내였다.