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문제 정의
- 따라서 4개의 마운트가 1세트로 구성되는 마운트 시스템을 위해서는 500 kg급 마운트의 확보가 요구되고 있다. 이 연구에서는 100 kg급 능동 하이브리드 마운트를 개발한 기술과 경험을 바탕으로 대용량인 500 kg급 능동하이브리드 마운트를 개발하고자 하였다. 500 kg급 마운트는 내충격성을 확보하기 위해 수동형 고무요소를 기본으로 하고, 넓은 주파수영역에서의 진동차단 성능을 향상시키기 위한 능동형 압전작동기로 구성되어 있다.
- 함정에 탑재되고 있는 각종 기계/전자 장비들을 살펴보면, 장비 하부에 다양한 형태의 마운트가 설치되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 마운트 설치의 목적은 첫째 탑재장비에서 발생하는 진동 및 소음이 하부 구조물로 전달되는 것을 차단함으로서 함내 거주성을 향상시키고, 적으로부터 탐지되는 확률을 저감시키는 데 있다. 둘째는 적으로부터의 공격 등 외부 충격으로부터 장비를 보호함으로서 함정의 작전 능력을 항시 유지하는 데 있다.
- 높이가 증가하면 전체 장비의 무게중심이 상승하고 차지하는 공간이 증가하여 함정 운영에 문제가 발생할 수 있다. 전달률 제어 성능은 상용화된 고무탄성마운트 제품과 비교하여 약 17 dB 이상의 향상된 진동차단 성능을 제공하는 마운트의 개발을 목표로 하였다.
제안 방법
- 이 연구에서는 외부 충격으로부터 장비를 보호하는 내충격 성능은 기본적으로 확보하고 추가적으로 탑재장비의 특정한 기진주파수에서의 진동 및 소음을 능동적으로 차단할 수 있는 능력을 확보하는 500 kg급 함정용 능동 하이브리드 마운트를 개발하였다. 개발된 마운트는 직렬연결 형태로서 개발된 소형 100 kg급 하이브리드 마운트와 달리 새로운 형태의 관성력형 마운트로서 미 해군 규격에 따라 충격시험을 포함한 여러 성능시험을 수행하여 수동적인 마운트로서의 성능 평가를 만족스럽게 통과하였다. 능동적인 마운트로서의 성능은 현재 상용화된 고무탄성마운트 제품과 비교하여 약 10 dB 이상의 향상된 진동차단 성능을 제공하는 것을 시험을 통해 확인하였다.
- 이 연구에서 개발하고 있는 능동 하이브리드 마운트인 경우 어떤 규격을 적용해야 하는지가 명확히 규정되어 있지 않다. 다만, 개발 중인 하이브리드 마운트는 표준 탄성마운트를 기본으로 개발하기 때문에 MIL-M-17508F를 기준으로 성능시험을 수행하였다. 수행된 성능시험 항목을 Table 3에 정리하였다.
- 두 개의 다른 형태의 능동 하이브리드 마운트의 제어성능을 수치 시뮬레이션을 통해 평가해 보았으며, 미해군 표준 고무마운트인 6E2000과 전달률을 100 Hz ~ 1200 Hz 영역에서 비교하였다. 직렬연결 마운트의 경우에는 공간적인 제한으로 인하여 중간 질량은 2 kg을 사용하였으며, 상부질량은 500 kg으로 정하였다.
- 따라서 새로운 형태의 관성력형 마운트의 개념설계를 도출하였다. 즉 고무요소 하부에 압전작동기를 설치하고, 압전작동기에 일정 크기의 질량을 연결하는 형태이다.
- 9는 진동대를 이용하여 하이브리드 마운트의 공진주파수를 확인하는 시험모습과 시험결과로서 가속도 전달률 곡선을 보여 주고 있다. 마운트 상부에 정격하중인 500 kg 질량을 설치한 후 swept test 방법으로 전달률 곡선을 통해 공진주파수를 확인하였다. 10개의 대상 마운트에 대한 시험결과, 모든 마운트의 공진주파수는 6.
- 성능시험평가는 군 규격 적용시험과 진동 전달률 시험으로 구별할 수 있으며, 군 규격 적용시험에 대해서는 100 kg급 하이브리드 마운트를 개발할 때 정립된 시험방법과 동일한 방법으로 수행되었다(2,4). 미 해군 규정을 보면, 일반적인 마운트에 대한 성능 평가 방법을 MIL-M- 17185A 규격(5)으로 제공하고 있다.
- 6과 같다. 수동형 마운트를 기본으로 하여 마운트 하부에 관성력 발생을 위한 10.8 kg의 질량체를 설치하고, 마운트와 질량체 사이에 압전작동기를 설치하였다. 질량체의 크기는 마운트의 높이가 기존의 1.
- 시험은 100 Hz 간격으로 수행되었으며, 액추에이터에서 진동을 발생하여 하이브리드 마운트에 전달하며, 마운트는 하부로 전달되는 진동을 최소화하도록 제어를 하면서 마운트 상․하부의 가속도 신호를 계측하여 진동 전달률을 확인하였다. Fig.
- 13과 같이 2개의 모습으로 설치되었다. 시험은 방향별로 4회의 타격을 수행하였으며, 시험 후 마운트의 손상여부를 확인하였다. 또한 충격시험 후 공진탐색시험(resonant frequency test)을 수행하여 마운트의 공진주파수의 변화를 확인하였으며, 변화량이 약 5 %이내에 있음을 확인하여 규격의 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- 10은 고무박리시험(quality of rubber-to-metal bond test)의 모습과 시험결과로부터 얻은 하중-변위 곡선을 함께 보여주고 있다. 유압식 액추에이터를 이용하여 마운트에 최대 1814 kg 하중을 적용하고 있으며, 처짐 계측을 위해 4개의 변위계측기(LVDT)가 사용되었다. 시험을 통해 마운트에 깨짐, 균열, 찢어짐, 박리 등의 현상이 없음을 확인하였다.
- 이 연구에서는 외부 충격으로부터 장비를 보호하는 내충격 성능은 기본적으로 확보하고 추가적으로 탑재장비의 특정한 기진주파수에서의 진동 및 소음을 능동적으로 차단할 수 있는 능력을 확보하는 500 kg급 함정용 능동 하이브리드 마운트를 개발하였다. 개발된 마운트는 직렬연결 형태로서 개발된 소형 100 kg급 하이브리드 마운트와 달리 새로운 형태의 관성력형 마운트로서 미 해군 규격에 따라 충격시험을 포함한 여러 성능시험을 수행하여 수동적인 마운트로서의 성능 평가를 만족스럽게 통과하였다.
- 즉 충격하중에 대해서는 수동형 마운트의 성능만 보장되면 된다. 이러한 요구조건을 확인하기 위해 최종 설계안을 도출하기 전에 시제품 마운트를 제작하여 매 단계 충격시험을 수행하였다. 충격시험을 통해 도출된 질량체의 이탈방지 등 문제점을 보완하여 최종 설계도를 Fig.
- 진동 전달률 시험은 전자기식 액추에이터를 사용하여 수행되었다. 사용된 액추에이터는 LDS V555이며, 최대 작용력이 556 N이고, 주파수 범위는 최대 6300 Hz이다.
- 총 10개의 마운트를 대상으로 Table 3에 정리된 시험항목을 수행하였으며, 이외에 MIL-M-17185A에 규정된 충격시험을 위해 MIL-S-901D(7)에 명시된 충격시험기를 이용하여 충격시험을 수행하였다. Fig.
- 이러한 요구조건을 확인하기 위해 최종 설계안을 도출하기 전에 시제품 마운트를 제작하여 매 단계 충격시험을 수행하였다. 충격시험을 통해 도출된 질량체의 이탈방지 등 문제점을 보완하여 최종 설계도를 Fig. 7과 같이 도출하고, 성능시험을 위한 시작품을 제작하였다. Fig.
- 14는 시험광경을 보여주고 있으며, 상부에 전자기식 액추에이터가 지그를 이용하여 설치되어 있으며, 힘을 마운트 상부 500 kg 질량에 작용하게 되어 있다. 하이브리드 마운트 하부에는 dummy 질량체를 설치하여 마운트 하부로 전달되는 진동이 측정 용이하도록 하였다.
- 500 kg급 마운트의 개발사양을 Table 1에 정리하였다. 함정탑재용 마운트이기 때문에 정격 하중 500 kg에서 공진주파수가 6 Hz 근방에 존재하도록 사양조건을 설정하였으며, 기존의 탄성마운트 높이의 1.4배를 초과하지 않도록 제한하였다. 높이가 증가하면 전체 장비의 무게중심이 상승하고 차지하는 공간이 증가하여 함정 운영에 문제가 발생할 수 있다.
대상 데이터
- 관성형의 경우에는 공간적인 제한을 상대적으로 적게 받기 때문에 10 kg의 관성질량을 사용하였으며, 상부질량은 500 kg으로 하였다. 시뮬레이션 결과를 Fig.
- 진동 전달률 시험은 전자기식 액추에이터를 사용하여 수행되었다. 사용된 액추에이터는 LDS V555이며, 최대 작용력이 556 N이고, 주파수 범위는 최대 6300 Hz이다. Fig.
- 8 kg의 질량체를 설치하고, 마운트와 질량체 사이에 압전작동기를 설치하였다. 질량체의 크기는 마운트의 높이가 기존의 1.4배가 초과하지 않은 범위 안에서 선정되었으며, 시뮬레이션을 통해 최종적으로 질량을 결정하였다. 수동형 마운트에 부가되는 압전작동기와 질량체는 물리적으로 마운트의 공진 주파수에 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다.
- 군 규격 적용시험의 마지막은 충격시험이다. 충격 시험은 한국기계연구원에서 중간중량 충격시험기를 이용하여 4개 마운트에 대해 수행되었다. Fig.
- 하이브리드 마운트에 사용된 압전작동기는 국내에서 상용화된 제품이 없어서 독일의 Piezomechanik사의 Pst 350bp/25/15 VS 35를 사용하였다. 사용된 압전작동기의 사양은 Table 2에 정리하였다.
성능/효과
- 마운트 상부에 정격하중인 500 kg 질량을 설치한 후 swept test 방법으로 전달률 곡선을 통해 공진주파수를 확인하였다. 10개의 대상 마운트에 대한 시험결과, 모든 마운트의 공진주파수는 6.4 Hz ~ 6.9 Hz 구역에 있는 것으로 확인되었다.
- 고무탄성마운트 개발 기술을 활용하여 100 kg급 능동 하이브리드 마운트에 대한 연구를 수행하여 관련 기술을 개발한 바 있다(2,3). 개발된 마운트는 고무탄성마운트와 압전작동기(piezostack actuator)가 직렬로 연결된 형태이며, 전달률 시험을 통해 목표 주파수대역에서 수동형 고무마운트 대비 약 17 dB의 진동 저감 효과를 확인한 바 있다.
- 개발된 마운트는 직렬연결 형태로서 개발된 소형 100 kg급 하이브리드 마운트와 달리 새로운 형태의 관성력형 마운트로서 미 해군 규격에 따라 충격시험을 포함한 여러 성능시험을 수행하여 수동적인 마운트로서의 성능 평가를 만족스럽게 통과하였다. 능동적인 마운트로서의 성능은 현재 상용화된 고무탄성마운트 제품과 비교하여 약 10 dB 이상의 향상된 진동차단 성능을 제공하는 것을 시험을 통해 확인하였다.
- 시험은 방향별로 4회의 타격을 수행하였으며, 시험 후 마운트의 손상여부를 확인하였다. 또한 충격시험 후 공진탐색시험(resonant frequency test)을 수행하여 마운트의 공진주파수의 변화를 확인하였으며, 변화량이 약 5 %이내에 있음을 확인하여 규격의 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- 4배가 초과하지 않은 범위 안에서 선정되었으며, 시뮬레이션을 통해 최종적으로 질량을 결정하였다. 수동형 마운트에 부가되는 압전작동기와 질량체는 물리적으로 마운트의 공진 주파수에 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다.
- 관성형의 경우에는 공간적인 제한을 상대적으로 적게 받기 때문에 10 kg의 관성질량을 사용하였으며, 상부질량은 500 kg으로 하였다. 시뮬레이션 결과를 Fig. 5에 나타내었으며, 100 Hz~1200 Hz 영역에서 전달률이 14 dB ~ 20 dB 정도 향상된 것을 확인할 수 있다. 관성력형 마운트에 사용된 압전작동기는 직렬연결형 마운트에 사용된 압전작동기보다 작은 용량의 제품을 채택하였다.
- 액추에이터는 정격하중 500 kg를 적용하면서 변위제어를 통해 요구 시험조건으로 마운트에 변위를 적용하게 된다. 시험 결과 깨짐, 균열, 찢어짐, 박리 등의 현상이 없는 것으로 확인하였다.
- 11은 시험모습과 시험결과인 하중-변위 곡선을 보여주고 있는데, 시험모습에서 보는 바와 같이 2개의 마운트를 견고한 시험지그 사이에 설치하고, 유압 액추에이터를 이용하여 위에서 전단방향으로 하중을 적용하고 있다. 시험 하중은 규격에 따라 최대 14510 kg 까지 적용하며, 시험을 통해 마운트에 깨짐, 균열, 찢어짐, 박리 등의 현상이 없음을 확인하였다.
- 유압식 액추에이터를 이용하여 마운트에 최대 1814 kg 하중을 적용하고 있으며, 처짐 계측을 위해 4개의 변위계측기(LVDT)가 사용되었다. 시험을 통해 마운트에 깨짐, 균열, 찢어짐, 박리 등의 현상이 없음을 확인하였다.
- 이 결과는 규격에서 요구하는 조건(최대변형 2.03 mm, 공진주파수 ±15 %이내 변경)을 모두 만족하는 것이다.
- 영구변형(drift) 시험은 500 kg 하중을 탑재한 상태에서 4일 동안의 마운트 변형을 확인하고, 4일 후 공진탐색시험(resonant frequency test)을 통해 공진주파수의 변화 정도를 확인하는 시험이다. 이 시험을 통해 개발 중인 마운트는 4일 동안 최대 변형이 2 mm 이내였으며, 공진주파수가 약 10 % 증가하는 것으로 확인되었다. 이 결과는 규격에서 요구하는 조건(최대변형 2.
- 100 Hz에서는 제어력의 부족으로 인한 결과인 것으로 판단되며, 800 Hz, 900 Hz에서는 시험 지그의 동특성으로 인하여 발생되고 있는 문제로 추정하고 있다. 전체적으로 목표성능인 17 dB이상을 만족하고 있지는 않으나, 일부 영역에서는 우수한 제어 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 향후 전달률 시험에서 미진한 영역의 결과를 보완하기 위해 다양한 제어로직을 적용하여 시험을 계획하고 있으며, 단품이 아니라 4개의 마운트로 구성된 마운트 시스템에 대한 통합적인 시험도 수행될 예정이다.
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