For the stable operation of high speed air spindle, the low rotational inertia and high damping ratio of spindle shafts as well as high fundamental natural frequency are indispensable. Conventional steel spindles are net appropriate for very high speed operation because of their high rotational inertia and low damping ratio. In this study, a high speed spindle composed of carbon fiber epoxy composite shaft and steel flange was designed for maximum critical speed considering minimum static deflection and radial expansion due to bending load and centrifugal force during high speed relation. The stacking angle and the stacking thickness of the composite shaft and the adhesive bonding length of the 7teel flange were selected through vibrational analysis considering static and thermal loads due to temperature rise.
Vibration condition monitoring at low rotational speeds is still a challenge. Acoustic emission (AE) is the most used technique when dealing with low speed bearings. At low rotational speeds, the energy induced from surface contact between raceway and rolling elements is very weak and sometimes buried by interference frequencies. This kind of issue is difficult to solve using vibration monitoring. Therefore some researchers utilize artificial damage on inner race or outer race to simplify the case. This paper presents vibration signal analysis of low speed slewing bearings running at a low rotational speed of 15 rpm. The natural damage data from industrial practice is used. The fault frequencies of bearings are difficult to identify using a power spectrum. Therefore the relatively improved method of empirical mode decomposition (EMD), ensemble EMD (EEMD) is employed. The result is can detect the fault frequencies when the FFT fail to do it.
대부분의 철강산업 기계 등에 설치되어 사용되는 선회베어링은 교체를 위한 정확한 정비계획이 필요하기 때문에 저속회전체의 선회베어링에 대한 진동 상태감시가 매우 중요하게 되었다. 지금까지 음향방출(AE)법이 저속베어링의 상태감시에 가장 많이 사용되는 기술이고 몇몇의 경우는 진동을 사용한다. 음향방출을 사용하는 일반적인 이유는 저속에서 구름요소와 결함위치 사이의 충격에 의하여 발생되는 신호가 약하고 때때로 노이즈나 다른 간섭 주파수에 결함신호가 묻혀 검출이 어렵기 때문이다. 따라서 쉽게 특정 결함에 대한 결함주파수의 동정을 위하여 몇몇 연구자들은 충격에너지를 증가시키기 위하여 인위적으로 미리 정해진 길이, 넓이와 깊이의 결함을 베어링의 내, 외부 레이스에 인가하기도 한다. 이 논문에서는 15 rpm에서 운전하는 저속 선회베어링의 진동신호에 EMD와 EEMD를 적용하였고 논문에서 사용한 진동결함 신호는 국내 산업체에서 공급받은 것이다. 이 논문에서는 베어링결함 주파수 동정을 위하여 EEMD를 사용하여 결함신호의 FFT처리 결과를 입증하고 설명하였다.
Most of hard disk drives currently employ fluid dynamic bearing (FDB) for their rotor support. Stiffness of the FDB is affected by many design factors such as bearing clearance, fluid viscosity, and rotational speed. For the high rotating speed HDDs stiffness of the rotor is normally high enough to accomodate load disturbances. However small form factor HDDs that are to be operated in low power consumption are often designed with low stiffness rotors. Although the low stiffness rotor clearly benefits low power operation, it could damage the entire motor structure or head disk interface even by a light mechanical load disturbance such as shock or vibration. In addition, since a single channel HDD does not provide gram load equilibrium in axial direction the rotor could be tilted and make a hard contact to stator. A non-symmetric groove pattern could successfully compensate the tilted rotor angle during operation.
The pin-gear drive is a special form of fixed-axle gear mechanism. A large wheel with cylindrical pin teeth is called a pinwheel. As pinwheels are rounded, they have a simple structure, easy processing, low cost, and easy overhaul compared with general gears. They are also suitable for low-speed, heavy-duty mechanical transmission and for occasions with more dust, poor lubrication, etc. This paper introduces a novel slewing ring bearing with an external pinwheel gear set (e-PGS). First, we consider the exact cam pinion profile of the e-PGS with the introduction of a profile shift. Then, the contact stresses are investigated to determine the characteristics of the surface fatigue by varying the shape design parameters. The results show that the contact stresses of the e-PGS can be lowered significantly by increasing the profile shift coefficient.
The wear behavior of two types of $Si_3N_4$ exposed to high and low humidity was examined at various sliding speeds, using bearing steel as disk material under pin-on-disk type sliding conditions. Higher wear rates were obtained at a high humidity than at a low humidity. As the sliding speed was increased, the wear rates were decreased and the effect of humidity on the wear rates of $Si_3N_4$ was reduced. The result that the $Si_3N_4$ pin showed higher wear rate under the high humidity condition was explained by the decrease in microhardness of $Si_3N_4$ due to the chemisorbed moisture on the pin and plowing action by the hard particles of $Fe_2O_3$ from the disk. An increase in the sliding speed is supposed to reduce the effect of humidity on the wear rate of $Si_3N_4$ by raising the average temperature of the disk surface and the local temperature at pin-disk contact point.
The hydrostatic slipper bearing is generally used in high pressure axial piston pumps to support the load generated from two surfaces which are sliding relatively at low speed. The object of the bearing is to remove the possibility of direct contact by maintenance of an adequate oil film thickness between two metal surfaces. Because the bearing performance is influenced by the bearing deformation, it is highly dependent on the injection pressure, the bearing surface profile and so on. In this study, the deformation characteristics of a hydrostatic slipper bearing is investigated according to the injection pressure by the finite element analysis. In the analysis, the special boundary condition to take the fluid-structure interaction (FSI) into account is used on the interactive surface. The results, such as bearing deformation, stress and lifting force, obtained from the fully coupled analysis are compared with those from the single step sequential method.
Air bearing is characterized by its extremely low friction and cleanliness such that it is widely used especially for spindles with ultra-high rotational speed at several tens of thousands rpm. This paper contributes to design of a static radial air bearing suggesting numerical analysis to anticipate its performances. The numerical analysis is an iteration method based on finite difference formulation of the Reynolds equation. A prototype air bearing has been designed and manufactured. Its load capacity has been measured and compared with the numerical solutions. The result shows good consistency between the experiment and theory, which informs that the numerical analysis can be used as an useful tool to anticipate the performances. Effects of design variables on the bearing performance have been examined by Taguchi's experimental methods using orthogonal array. Number of holes for supplying pressurized air, clearance between shaft and bearing, the hole diameter and bearing length are chosen for the design variables. The result shows that the clearance and the bearing length are the most influential variables while the others can be considered as almost negligible.
This paper describes the optimum design for low-pressure steam turbine rotor of 1,000 MW nuclear power plant by using a combined genetic algorithm, which uses both a genetic algorithm and a local concentrate search algorithm (e.g. simplex method). This algorithm is not only faster than the standard genetic algorithm but also supplies a more accurate solution. In addition, this algorithm can find the global and local optimum solutions. The objective is to minimize the resonance response (Q factor) and total weight of the shaft, and to separate the critical speeds as far from the operating speed as possible. These factors play very important roles in designing a rotor-bearing system under the dynamic behavior constraint. In the present work, the shaft diameter, the bearing length, and clearance are used as the design variables. The results show that the proposed algorithm can improve the Q factor and reduce the weight of the shaft and the 1st critical speed.
The static and dynamic performances of a floating ring journal bearing with central circumferential grooves at the inner and outer films are obtained numerically with isothermal lubrication theory. Elrod algorithm implementing Jakobsson-Floberg-Olsson cavitation boundary condition is adopted to predict cavitation regions in the inner and outer films more accurately than conventional analyses using half Sommerfeld or Reynolds conditions. The pressure drop in the circumferential groove of the inner film due to the rotation of the journal and ring is taken into account. It is shown that the lubricant supply pressure has significant influence on the load capacity and dynamic coefficients of the bearing. When the supply pressure is low and the journal speed is high, the pressure drop results in severe starvation of lubricant in the inner film and varies the overall performance of the bearing remarkably.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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