[논문]탄성 회전체 베어링 계의 불균형 응답 저감을 위한 동흡진기 개발

유태규; 배규현; 김길환; 홍성욱

doi:10.7735/ksmte.2012.21.1.175

[국내논문] 탄성 회전체 베어링 계의 불균형 응답 저감을 위한 동흡진기 개발
Development of Dynamic Vibration Absorber to Reduce Unbalance Response in Flexible Rotor-Bearing System 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.1, 2012년, pp.175 - 181

유태규 (한빛솔루션, 금오공과대학교 대학원) , 배규현 (금오공과대학교 대학원) , 김길환 (금오공과대학교 대학원) , 홍성욱 (금오공과대학교 기전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a novel dynamic vibration absorber (DVA) to suppress the unbalance response of flexible rotor-bearing systems. The DVA unit consists of two DVAs, an adapter to place the DVAs and an adapter frame to locate the adapter. The essential feature of the proposed DVA unit is to place itself on any desirable location of the shaft without disassembling the rotor-bearing system under consideration. A simulation with a 3D element based commercial rotor dynamic software is made to test the possibility of the proposed DVA on the suppression of unbalance response in rotor-bearing systems. Experiments are performed to validate the proposed DVA unit. The simulation and experiments show that the proposed DVA unit is very effective to suppress the unbalance response in rotor-bearing system at designated rotational speeds of interest.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 회전체에서 발생되는 불균형 진동을 억제하기 위하여 동흡진기를 이용하는 방법에 대해 논하였다. 회전체의 정숙한 운전을 위해 밸런싱 작업이 선행되었다 해도 장시간 운전을 하게 되면 불균형이 발생하게 되고, 이로 인해 회전체 시스템 전체의 작동을 멈추고 다시 밸런싱을 수행하는 등의 대책이 필요하게 된다.
이와 같은 작업은 회전체의 작동을 멈추거나 필요에 따라서는 해체하여 작업하게 됨으로 인해 회전체 및 동력체계 전체를 차단하게 되며 결국 전체적으로 큰 손실을 주게 될 가능성이 있다. 본 연구에서는 기존에 설치된 회전체를 분리하지 않은 상태에서 불균형에 의한 진동을 흡진할 수 있는 동흡진기를 제안하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 회전축 상에 동흡진기를 적용하는 방법을 제안하였다. 특히 본 연구에서는 회전체 시스템을 분해하지 않고 축에 부착할 수 있도록 동흡진기를 고안함으로서 그 실용성을 높일 수 있도록 하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 회전축 상에 동흡진기를 적용하는 방법을 제안하였다. 특히 본 연구에서는 회전체 시스템을 분해하지 않고 축에 부착할 수 있도록 동흡진기를 고안함으로서 그 실용성을 높일 수 있도록 하였다. 제안된 동흡진기의 유용성을 확인하기 위해 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 그 특성을 해석하였다.
4는 어댑터를 장착한 시스템의 시뮬레이션을 위한 모델을 보여주고 있다. 본 모델은 실제 실험장치를 모형화 한 것이다. 회전체 양 끝단 지지부의 재질은 스틸(SM45C)을 사용하였고, 회전축의 직경(diameter)은 16mm이고, 전장은 450mm이다.
본 연구에서는 회전축 상에 동흡진기를 설치하여 불균형에 의한 탄성 회전체 진동을 저감하는 방법을 제안하였다. 기 설치된 회전체에 동흡진기를 탈·부착하기 위하여 분리가 가능한 어댑터 및 어댑터의 회전을 억제하기 위한 어댑터프레임을 제안하였다.

가설 설정

동흡진기 효과 분석을 위하여 세 번째 디스크 D3에 52.5 gcm의 불균형이 있다고 가정하고, 축의 응답을 계산하였다. 먼저 동흡진기의 고유진동수 변화에 따른 효과를 보기 위해 동흡진기의 질량위치를 끝단 0mm에서 20mm까지 5mm단위씩 이동하며 불균형 응답 해석을 수행하였다.

제안 방법

제안된 동흡진기의 유용성을 확인하기 위해 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 그 특성을 해석하였다. 특히, 동흡진기의 설치위치 및 회전속도 등에 따른 동흡진기의 진동억제 효과를 분석하였다. 제안된 동흡진기의 실험적 검증을 위해 실험장치 및 동흡진기를 실제 제작하여 실험을 실시하였으며 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
회전체 시스템의 경우 축 상에 새로운 장치를 부착하는 경우 분해하여 새로 조립하거나 다시 제작해야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 원하는 축 상에 동흡진기를 탈부착 할 수 있는 어댑터를 설계하였다. 제안한 시스템은 Fig.
본 동흡진기 시스템은 회전축에 부착되는 어댑터와 어댑터의 지지를 위한 어댑터 프레임, 직접적인 진동 흡진을 위한 동흡진기로 구성된다. 어댑터는 Fig.
어댑터와 축이 결합하는 부분의 경우 그림에서 볼 수 있는 것과 같이 내부의 축을 3부분에서 지지하는 방식으로 구성되며 지지부에는 소형의 베어링을 장착하여 마찰저항을 최소화하였다. 또한 축과 동흡진기의 베어링이 상시 접촉상태를 유지할 수 있도록 3개의 베어링 중 하나의 위치조절이 가능하게 하였다.
어댑터를 자유상태로 두면 축과 함께 회전을 하게 된다. 이를 방지하기 위해 어댑터 고정 프레임을 두었으며, 스프링을 이용하여 어댑터프레임과 어댑터의 회전운동을 구속하기 위해 수직과 수평방향으로 4개의 스프링으로 운동을 억제하였다. 스프링의 강성은 회전운동을 억제할 수준에서 최소화하여 어댑터가 자유롭게 상하, 좌우로 진동할 수 있게 하였다.
제안된 동흡진기 시스템의 타당성을 검증하기 위해서 상용코드를 통하여 흡진효과를 검토하였다. Fig.
회전체 양 끝단 지지부의 재질은 스틸(SM45C)을 사용하였고, 회전축의 직경(diameter)은 16mm이고, 전장은 450mm이다. 총 5개의 디스크를 동일간격(55mm)으로 배치하였고, 볼베어링으로 양 끝단을 지지하였다.
제안한 동흡진기는 외부로 드러나는 축 상의 임의 위치에 부착하는 것이 가능하다. 동흡진기 효과를 크게 하기 위해 상대적으로 진동이 큰 곳에서 제거하는 것이 가장 효과적이므로 진동이 가장 크게 발생하는 부분에 어댑터를 위치시켰다. 즉, 회전체의 1차 굽힘모드에 준하여 진동이 가장 크게 발생하게 되는 축 중심부에 가까운 위치를 선정하였다.
즉, 회전체의 1차 굽힘모드에 준하여 진동이 가장 크게 발생하게 되는 축 중심부에 가까운 위치를 선정하였다. 어댑터의 설치로 인한 동특성 변화를 고려하기 위해 어댑터만 설치한 경우와 돕흡진기 유니트 전체를 설치한 경우에 대하여 시뮬레이션하여 비교하였다. 시뮬레이션으로 중앙디스크에 불균형이 설치된 상태에서 회전체의 불균형응답을 구하였다.
어댑터의 설치로 인한 동특성 변화를 고려하기 위해 어댑터만 설치한 경우와 돕흡진기 유니트 전체를 설치한 경우에 대하여 시뮬레이션하여 비교하였다. 시뮬레이션으로 중앙디스크에 불균형이 설치된 상태에서 회전체의 불균형응답을 구하였다.
5 gcm의 불균형이 있다고 가정하고, 축의 응답을 계산하였다. 먼저 동흡진기의 고유진동수 변화에 따른 효과를 보기 위해 동흡진기의 질량위치를 끝단 0mm에서 20mm까지 5mm단위씩 이동하며 불균형 응답 해석을 수행하였다. Fig.
동흡진기를 설치하지 않은 위치에서의 응답을 살펴보기 위하여 축의 일정간격으로 진동응답을 비교하였다. Fig.
한편, 가진 위치의 변경에 의한 동흡진기 특성을 살펴보기 위하여 불균형이 부착된 위치를 변경하면서 그 응답특성을 확인하였다. Fig.
해석에서와 동일하게 어댑터에 수직방향과 수평방향으로 동흡진기를 설치하였다. 이와 같이 구성된 회전체 베어링 계를 회전시키기 위해서 AC 모터를 사용하였으며 헬리컬 커플링으로 회전축을 연결하였다. 회전축의 진동을 측정하기 위해 비접촉 방식의 변위센서(gap sensor)를 사용하였다.
회전축의 진동을 측정하기 위해 비접촉 방식의 변위센서(gap sensor)를 사용하였다. 회전축을 감싸는 아크릴 지지대에 구멍을 뚫어 수평방향으로 변위센서를 고정하였다. 변위센서는 D2와 D3 사이에 수평으로 설치하였다.
변위센서는 D2와 D3 사이에 수평으로 설치하였다. 또한 광학센서(photo sensor) 를 회전체의 끝단에 설치하였으며, 광학센서와 마주보는 축 상에 반사판을 붙여 트리거 신호가 발생하도록 하였다.
측정 및 제어 시스템은 LabView 프로그램을 이용하였으며 AC모터의 속도 제어 및 변위센서의 전압 신호를 수집하였다. 데이터 샘플링개수가 회전속도에 동기화되어 자동으로 선택되도록 하였으며 한 회전당 50개의 샘플개수를 획득하도록 설정하였다. 측정은 순차적으로 운행 속도를 변화시키면서 응답이 안정화 되는 시간 이후에 10 초간 데이터를 획득한 후 평균하였다.
11에서 비교해서 보여주고 있다. 앞에서의 시뮬레이션에서 검토한 바와 마찬가지 방식으로, 동흡진기의 질량위치는 0mm에서 질량의 위치를 옮겨가면서 20mm까지, 5mm씩 위치를 변경하며 자체의 고유진동수를 변경하면서 불균형 응답을 구해 보았다.
기 설치된 회전체에 동흡진기를 탈·부착하기 위하여 분리가 가능한 어댑터 및 어댑터의 회전을 억제하기 위한 어댑터프레임을 제안하였다.
기 설치된 회전체에 동흡진기를 탈·부착하기 위하여 분리가 가능한 어댑터 및 어댑터의 회전을 억제하기 위한 어댑터프레임을 제안하였다. 동흡진기는 어댑터의 상측에 1개, 수평측의 한곳 등 2개를 설치하여 좌우 및 상하진동을 흡수할 수 있도록 하였으며 질량체 이동을 통해 흡진하는 주파수를 변경할 수 있도록 하였다.
회전체의 회전효과를 고려할 수 있는 상용 유한요소 프로그램을 이용하여 동흡진기의 고유진동수에 따른 효과 및 설치위치, 불균형위치 등에 따른 효과를 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 제안된 방법에 대한 실험적 검증을 위해 실험장치를 구성하고 실험을 수행하였다. 실험결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 모델은 실제 실험장치를 모형화 한 것이다. 회전체 양 끝단 지지부의 재질은 스틸(SM45C)을 사용하였고, 회전축의 직경(diameter)은 16mm이고, 전장은 450mm이다. 총 5개의 디스크를 동일간격(55mm)으로 배치하였고, 볼베어링으로 양 끝단을 지지하였다.
축에 배치된 디스크의 재질로는, 양 끝에 배치된 디스크의 재질은 알루미늄(Al6061)으로, 나머지 디스크의 재질은 강재 (SM45C)를 사용하였다. 또한 동흡진기 질량체의 재질도 강재 (SM45C)로 하였으며 어댑터부분은 알루미늄(Al6061)이다.
축에 배치된 디스크의 재질로는, 양 끝에 배치된 디스크의 재질은 알루미늄(Al6061)으로, 나머지 디스크의 재질은 강재 (SM45C)를 사용하였다. 또한 동흡진기 질량체의 재질도 강재 (SM45C)로 하였으며 어댑터부분은 알루미늄(Al6061)이다. 어댑터 지지를 위한 코일 스프링의 강성은 19.
데이터 샘플링개수가 회전속도에 동기화되어 자동으로 선택되도록 하였으며 한 회전당 50개의 샘플개수를 획득하도록 설정하였다. 측정은 순차적으로 운행 속도를 변화시키면서 응답이 안정화 되는 시간 이후에 10 초간 데이터를 획득한 후 평균하였다.

데이터처리

특히 본 연구에서는 회전체 시스템을 분해하지 않고 축에 부착할 수 있도록 동흡진기를 고안함으로서 그 실용성을 높일 수 있도록 하였다. 제안된 동흡진기의 유용성을 확인하기 위해 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 그 특성을 해석하였다. 특히, 동흡진기의 설치위치 및 회전속도 등에 따른 동흡진기의 진동억제 효과를 분석하였다.
10에서 나타내었다. 측정 및 제어 시스템은 LabView 프로그램을 이용하였으며 AC모터의 속도 제어 및 변위센서의 전압 신호를 수집하였다. 데이터 샘플링개수가 회전속도에 동기화되어 자동으로 선택되도록 하였으며 한 회전당 50개의 샘플개수를 획득하도록 설정하였다.

이론/모형

이와 같이 구성된 회전체 베어링 계를 회전시키기 위해서 AC 모터를 사용하였으며 헬리컬 커플링으로 회전축을 연결하였다. 회전축의 진동을 측정하기 위해 비접촉 방식의 변위센서(gap sensor)를 사용하였다. 회전축을 감싸는 아크릴 지지대에 구멍을 뚫어 수평방향으로 변위센서를 고정하였다.

성능/효과

특히, 동흡진기의 설치위치 및 회전속도 등에 따른 동흡진기의 진동억제 효과를 분석하였다. 제안된 동흡진기의 실험적 검증을 위해 실험장치 및 동흡진기를 실제 제작하여 실험을 실시하였으며 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
질량체는 직사각형으로 되어있으며 이는 두개의 평행한 얇은 판에 결합되어 있고, 그 위치가 조절될 수 있다. 즉, 질량체 고정 부분에 위치 조절을 위한 슬릿을 만들었으며 질량체의 위치를 조정함에 따라 고유진동수를 변경하는 것이 가능하다.
제안한 동흡진기는 외부로 드러나는 축 상의 임의 위치에 부착하는 것이 가능하다. 동흡진기 효과를 크게 하기 위해 상대적으로 진동이 큰 곳에서 제거하는 것이 가장 효과적이므로 진동이 가장 크게 발생하는 부분에 어댑터를 위치시켰다.
시뮬레이션에서의 결과와 유사하게 낮은 회전속도에서 피크가 추가로 발생하게 되며 동흡진기의 적용주파수에서 불균형 응답이 확연히 줄어드는 것을 볼 수 있다. Table 1은 동흡진기 설치 전과 설치 후의 응답이 줄어드는 것을 동흡진기 적용주파수별 수치로 나타내고, 동흡진기가 부착되지 않은 경우와의 상대효과를 비교하였다.
(1) 회전축 상에 동흡진기를 설치하는 방법이 진동저감에 효과적이다.
(2) 탄성모드를 고려하여 가장 크게 진동하는 위치의 진동을 저감하면 전체적인 진동을 억제할 수 있다.
(3) 선정된 위치의 진동을 억제하면 전체적으로 진동을 저감할 수 있다.
(4) 동흡진기 설치 후 최대 약 60%의 진동 감소효과가 나타나고 있어 제안한 방법이 효과적으로 진동을 감소시키는 것을 알 수 있다.
(5) 실험결과가 시뮬레이션과 유사한 양상을 보이는 것을 확인하였다. 따라서 시뮬레이션을 통해 동흡진기의 평가 및 개선을 효과적으로 수행할 수 있다.
(5) 실험결과가 시뮬레이션과 유사한 양상을 보이는 것을 확인하였다. 따라서 시뮬레이션을 통해 동흡진기의 평가 및 개선을 효과적으로 수행할 수 있다.

후속연구

한편 동흡진기의 역할이 일정속도로 운전되는 회전체를 목표로 하고 있으므로, 실용적 관점에서 해당되는 회전주파수와 동 흡진기의 설정주파수를 적절히 실험적으로 맞추어 활용이 가능하다. 이때 설정주파수를 회전주파수에 정확히 맞추는 것 보다는 약간 위로 조정함으로서 동흡진기로 인한 추가적 공진주파수로부터 설정주파수를 이격시킴과 동시에 동흡진기 자체의 과도한 진동에 의한 비선형성을 회피하는 것이 바람직하다.
향후, 동흡진기의 질량을 증가시키거나 여러 개의 동흡진기를 동시에 사용하는 등, 흡진기의 효율성과 실용성을 확보하기 위한 연구가 추가로 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전축에 감쇠기를 장착하여 진동을 억제하는 방법의 단점은 무엇인가	회전체에 발생하는 과도한 불균형 진동을 방지하기 위하여 회전체의 고유진동수와 운전속도가 일치하지 않도록 설계하고, 밸런싱을 통해 불균형을 최소화하는 방법이 기본적으로 적용된다. 또한 회전축에 감쇠기(3)를 장착하여 진동을 억제하는 방법 등도 사용되고 있으나 시스템의 특성, 규모에 따라 적용이 제한되는 문제점이 있다. 회전체에 부착하여 자동으로 밸런싱을 수행하는 장치도 상용화되어 연삭기 등 일부 회전체에 적용되고 있으나 고가이며 기 설치된 회전체에 적용하기 위해서는 회전체 계를 해체하여야 하는 단점이 있다(4-6).
	회전체에 진동을 일으키는 가장 중요한 요인은 무엇인가	회전체에 진동을 일으키는 요인은 다양하게 나타나고 있으나 그 중에서도 불균형(unbalance)이 가장 중요한 요인이 되고 있다(1-3). 회전체에 발생하는 과도한 불균형 진동을 방지하기 위하여 회전체의 고유진동수와 운전속도가 일치하지 않도록 설계하고, 밸런싱을 통해 불균형을 최소화하는 방법이 기본적으로 적용된다.
	회전체 시스템의 문제점은 무엇인가	특히, 근래에는 생산성의 향상 및 에너지 효율을 증대하기 위하여 회전체 시스템을 고속에서 사용하는 경우가 많다. 그러나 회전체를 고속으로 운전하기 위해서는 탄성영역에서의 운전을 필요로 하게 되며 회전체에 큰 진동이 야기되어 설비에 고장이나 파손을 발생시키는 사례 또한 많이 보고되고 있다. 회전체가 운전 중 고장을 일으키는 경우 자체적인 고장에 의한 손실뿐만 아니라 생산차질이나 작업자의 부상 등의 2차적 손실을 입게 될 가능성이 매우 크다. 따라서 회전체의 안정적 운용은 매우 중요하게 취급되며, 이를 위해 회전체의 진동은 엄격히 통제되고 관리되고 있다(1,2).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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