[논문]고속 회전 벨 컵의 진동 특성

손정우; 박지훈; 최승복

doi:10.5050/ksnve.2015.25.11.771

고속 회전 벨 컵의 진동 특성
Vibration Characteristics of High Speed Rotary Bell Cup 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.25 no.11, 2015년, pp.771 - 778

손정우 (Department of Mechanical Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 박지훈 (Department of Mechanical Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 최승복 (Department of Mechanical Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, vibration characteristics of high speed rotary bell cup for paint atomizer are numerically investigated. New type of bell cup model is proposed and additional corresponding models with design parameter variations for length and diameter are constructed. Dynamic characteristics, such as natural frequencies and corresponding mode shapes, are studied for each model as a first step. To investigate operation stability, critical speed of rotary bell cup is numerically analyzed based on Campbell diagram and separation margin between operating speed and critical speed is identified. Unbalance vibration responses are also investigated with respect to design parameter variation, operating speed and balancing quality grade of G. Then the proper design guideline for stable operation of high speed rotary bell cup for paint atomizer is suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 아직 이러한 운전 속도를 위한 기계 부품의 설계나 연구는 알려지지 않고 있으며, 국내에서는 관련 연구가 전무한 실정이다. 따라서, 이 연구에서는 운전 속도 향상을 위한 설계 기초 자료로 활용될 수 있는 안정성 및 진동 특성을 분석하고자 한다.
이 연구에서는 로봇을 이용한 도료 분사 시스템에서 활용되는 고속 회전 벨 컵의 진동 특성을 고찰하였다. 현재 산업 현장에서 사용되고 있는 모델을 기반으로 새로운 형태의 벨 컵 기본 모델을 제안하고, 기본 모델의 길이와 지름의 변화에 따른 구조물 진동 특성과 안정성의 변화를 확인하였다.
이 연구에서는 새로운 형태의 고속 회전 벨 컵모델을 제안하고 길이와 지름의 변화에 따른 안정성과 진동 특성의 변화를 관찰하였다. 제안된 벨 컵모델과 길이와 지름이 변화된 모델들에 대하여 모드 해석을 수행하여 고유 진동수와 모드 형상을 확인하였다.
세 번째 단계에서는 불평형 질량에 의해 발생되는 진동 응답 특성을 국제 표준을 기준으로 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 관찰하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 목표회전 속도에서 운전이 가능한 벨 컵의 설계에서 활용할 수 있는 가이드라인을 제시하였다.
또한 불평형질량에 의해 발생하는 진동의 크기를 국제규격을 기준으로 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 확인하여 안정성을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 목표로 하는 고속의 운전 속도에서도 안정된 운전을 위한 벨 컵 설계의 가이드라인을 제시하였다.

가설 설정

7 %와 23 % 감소, 증가한 50, 60, 70, 80 mm로 변화시켜 부가모델을 만들었다. 전체 9개 모델에 대한 모드 해석을 수행하여 고유 진동수와 모드 형상을 관찰하였으며, 벨 컵의 한 쪽 끝이 터빈과 결합되어 있다고 가정하여 고정 경계 조건을 설정하였다. 길이 변화에 따른 고유 진동수 변화와 지름 변화에 따른 고유 진동수 변화를 각각 Table 1과 Table 2에 나타내었고, 초기 6개의 모드 형상을 Fig.

제안 방법

기준 모델의 전체 길이는 50 mm로, 도료 출구 쪽 끝의 가장 넓은 지름은 65 mm로 설계하였으며, 이는 현재 사용되고 있는 여러 모델들과 각 모델의 적정 회전 속도를 고려하여 결정한 수치이다. 기준 모델에서 길이는 50 mm를 기준으로 10 %와 20 % 감소, 증가한 40, 45, 55, 60 mm로 변화시켜 부가 모델을 만들었으며, 지름은 65 mm를 기준으로 7.7 %와 23 % 감소, 증가한 50, 60, 70, 80 mm로 변화시켜 부가모델을 만들었다. 전체 9개 모델에 대한 모드 해석을 수행하여 고유 진동수와 모드 형상을 관찰하였으며, 벨 컵의 한 쪽 끝이 터빈과 결합되어 있다고 가정하여 고정 경계 조건을 설정하였다.
첫 번째 단계로 제안된 모델들에 대해 모드 해석을 수행하고 고유 진동수와 모드 형상의 변화를 확인하였다. 두번째 단계에서는 캠벨 선도를 이용하여 운전 속도에 따른 위험 속도를 분석하였다. 세 번째 단계에서는 불평형 질량에 의해 발생되는 진동 응답 특성을 국제 표준을 기준으로 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 관찰하였다.
캠벨 선도를 이용하여 각 모델에 대한 위험속도를 확인하였고, 운전 속도와 위험 속도 사이의 여유를 확인하여 안정성을 검토하였다. 또한 불평형질량에 의해 발생하는 진동의 크기를 국제규격을 기준으로 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 확인하여 안정성을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 목표로 하는 고속의 운전 속도에서도 안정된 운전을 위한 벨 컵 설계의 가이드라인을 제시하였다.
설계된 9개의 모델에 대한 위험 속도 해석을 위하여 각 모델의 운전 속도를 0 r/min에서 200 000 r/min까지 증가시켜 가면서 캠벨 선도를 작성하였다. API Standard 611에 따르면, 회전체의 위험 속도와 최대 연속 운전 속도 사이에 20 % 이상의 분리 여유가 확보되어야 한다⁽¹¹⁾.
두번째 단계에서는 캠벨 선도를 이용하여 운전 속도에 따른 위험 속도를 분석하였다. 세 번째 단계에서는 불평형 질량에 의해 발생되는 진동 응답 특성을 국제 표준을 기준으로 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 관찰하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 목표회전 속도에서 운전이 가능한 벨 컵의 설계에서 활용할 수 있는 가이드라인을 제시하였다.
따라서 운전 속도와 평형 등급 등을 고려한 불평형 진동에 대한 분석은 회전체 시스템에서는 반드시 수행되어야 한다. 이 연구에서 고려된 불평형 질량의 위치는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 도료가 이탈하는 벨 컵의 끝 쪽에 위치하는 것으로 고려하였고, 진동 측정 위치는 벨 컵의 끝 단 바깥 쪽 면으로 고려하였다. 이 연구에서는 현재 현장에서 사용되고 있는 시스템의 회전 속도인 35 000 r/min과 이 연구에서 제안한 벨 컵의 목표 회전 속도인 80 000 r/min을 고려하였으며, ISO 1940-1을 기준으로 평형 특성 등급은 0.
1에 나타난 바와 같이 도료가 이탈하는 벨 컵의 끝 쪽에 위치하는 것으로 고려하였고, 진동 측정 위치는 벨 컵의 끝 단 바깥 쪽 면으로 고려하였다. 이 연구에서는 현재 현장에서 사용되고 있는 시스템의 회전 속도인 35 000 r/min과 이 연구에서 제안한 벨 컵의 목표 회전 속도인 80 000 r/min을 고려하였으며, ISO 1940-1을 기준으로 평형 특성 등급은 0.4와 2.5를 고려하여 해석을 수행하였다. 평형 특성 등급이 낮을수록 정밀 밸런싱을 나타낸다.
이 연구에서는 새로운 형태의 고속 회전 벨 컵모델을 제안하고 길이와 지름의 변화에 따른 안정성과 진동 특성의 변화를 관찰하였다. 제안된 벨 컵모델과 길이와 지름이 변화된 모델들에 대하여 모드 해석을 수행하여 고유 진동수와 모드 형상을 확인하였다. 캠벨 선도를 이용하여 각 모델에 대한 위험속도를 확인하였고, 운전 속도와 위험 속도 사이의 여유를 확인하여 안정성을 검토하였다.
현재 산업 현장에서 사용되고 있는 모델을 기반으로 새로운 형태의 벨 컵 기본 모델을 제안하고, 기본 모델의 길이와 지름의 변화에 따른 구조물 진동 특성과 안정성의 변화를 확인하였다. 첫 번째 단계로 제안된 모델들에 대해 모드 해석을 수행하고 고유 진동수와 모드 형상의 변화를 확인하였다. 두번째 단계에서는 캠벨 선도를 이용하여 운전 속도에 따른 위험 속도를 분석하였다.
제안된 벨 컵모델과 길이와 지름이 변화된 모델들에 대하여 모드 해석을 수행하여 고유 진동수와 모드 형상을 확인하였다. 캠벨 선도를 이용하여 각 모델에 대한 위험속도를 확인하였고, 운전 속도와 위험 속도 사이의 여유를 확인하여 안정성을 검토하였다. 또한 불평형질량에 의해 발생하는 진동의 크기를 국제규격을 기준으로 회전 속도와 평형 특성 등급에 따라 확인하여 안정성을 확인하였다.
이 연구에서는 로봇을 이용한 도료 분사 시스템에서 활용되는 고속 회전 벨 컵의 진동 특성을 고찰하였다. 현재 산업 현장에서 사용되고 있는 모델을 기반으로 새로운 형태의 벨 컵 기본 모델을 제안하고, 기본 모델의 길이와 지름의 변화에 따른 구조물 진동 특성과 안정성의 변화를 확인하였다. 첫 번째 단계로 제안된 모델들에 대해 모드 해석을 수행하고 고유 진동수와 모드 형상의 변화를 확인하였다.

대상 데이터

벨 컵의 한 쪽 끝은 회전하는 터빈 축과 연결될 수 있도록 설계되었으며, 도료가 최종 이탈하는 출구 쪽으로 갈수록 지름이 커지는 형태로 설계되었다. 기준 모델의 전체 길이는 50 mm로, 도료 출구 쪽 끝의 가장 넓은 지름은 65 mm로 설계하였으며, 이는 현재 사용되고 있는 여러 모델들과 각 모델의 적정 회전 속도를 고려하여 결정한 수치이다. 기준 모델에서 길이는 50 mm를 기준으로 10 %와 20 % 감소, 증가한 40, 45, 55, 60 mm로 변화시켜 부가 모델을 만들었으며, 지름은 65 mm를 기준으로 7.

성능/효과

(a)에 나타난 것과 같이 벨 컵 모델의 길이가 60 mm인 경우 최대 진동 크기를 초과하는 진동이 3000r/min에서 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 길이가 55 mm인 경우에도 13 μm가 넘는 진동이 발생하게 된다.
Fig. 4(d)와 (e)에 나타나 있는 벨 컵 모델의 지름이 증가한 경우에는 20 %의 분리 여유가 확보되지 않는 것을 확인할 수 있으며, 운전 속도와 위험 속도가 매우 가까워 80 000 r/min의 속도로는 운전이 불가능 할 것으로 예측된다. 80 000 r/min의 운전 속도를 고려할 때, 벨 컵의 지름은 65 mm보다 작게 설계되어야 할 것으로 판단된다.
Fig. 3(d)와 (e)에 나타낸 벨 컵 모델의 길이가 증가하는 경우에는 20 %의 분리 여유가 확보되지 않는 것을 확인할 수 있으며, 특히 길이가 60 mm인 경우에는 운전 속도와 위험 속도가 거의 일치하는 현상이 발생하여 운전을 할 수 없는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 위험 속도를 기준으로 판단하면, 기준 모델에서 벨 컵의 길이를 줄이는 것은 분리 여유를 확인하여 가능할 것으로 판단되나, 벨 컵의 길이를 늘이는 것은 불가능 한 것으로 판단된다.
API Standard 611에 따르면, 회전체의 위험 속도와 최대 연속 운전 속도 사이에 20 % 이상의 분리 여유가 확보되어야 한다⁽¹¹⁾. 각 모델에서 위험 속도는 붉은색 삼각형으로 나타내었고, 현재 현장의 도장 기기에서 사용되고 있는 운전 속도인 35 000 r/min의 상하 20 %(28 000 r/min ~ 42 000 r/min) 영역은 왼쪽 빗금으로, 이 연구에서 제안한 벨 컵 모델의 목표 운전 속도인 80 000 r/min의 상하 20 %(64 000 r/min ~ 96 000 r/min) 영역은 오른쪽 빗금으로 표현하였다. 길이 변화에 따른 각 모델의 캠벨 선도를 Fig.
2에 나타내었다. 길이와 지름이 증가함에 따라 자연스럽게 각 모드 형상에 대한 고유 진동수도 감소하는 것을 확인할 수 있다. Table 1에서 길이가 20 % 증가하여 60 mm가 되는 경우 5번째와 6번째 모드의 순서가 바뀌는 것을 확인할 수 있고, Table 2에서 지름이 작아지는 경우(40, 45 mm) 6번째 모드와 7번째 모드의 순서가 바뀌어 나타나는 것을 확인할 수 있다.
3(d)와 (e)에 나타낸 벨 컵 모델의 길이가 증가하는 경우에는 20 %의 분리 여유가 확보되지 않는 것을 확인할 수 있으며, 특히 길이가 60 mm인 경우에는 운전 속도와 위험 속도가 거의 일치하는 현상이 발생하여 운전을 할 수 없는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 위험 속도를 기준으로 판단하면, 기준 모델에서 벨 컵의 길이를 줄이는 것은 분리 여유를 확인하여 가능할 것으로 판단되나, 벨 컵의 길이를 늘이는 것은 불가능 한 것으로 판단된다. 80 000 r/min의 운전 속도를 고려할 때, 벨 컵의 길이는 60 mm 이하로 설계해야 하는 것을 확인할 수 있다.
4(a)와 (b)에 나타내었다. 벨 컵 모델의 지름이 감소한 경우에도 운전 속도 80 000 r/min을 기준으로 30 % 이상의 분리 여유를 갖는 것을 확인할 수 있으며, 안정한 운전이 가능한 것으로 판단할 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도장 시스템의 운전 속도를 높이려는 이유?	그러나, 최근에는 도장 시스템의 운전 속도를 더욱 높이고자 하는 노력이 진행되고 있다. 운전 속도를 높일 경우, 보다 다양한 점도의 도료와 광택제 등을 활용할 수 있어 도장 품질의 향상을 이끌 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 아직 이러한 운전 속도를 위한 기계 부품의 설계나 연구는 알려지지 않고 있으며, 국내에서는 관련 연구가 전무한 실정이다.
	현재 사용되고 있는 도장 시스템의 회전 속도는?	현재 사용되고 있는 도장 시스템의 일반적인 회전 속도는 35 000 r/min이며, 최대 50 000 r/min까지 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 도장 시스템의 터빈과 벨 컵의 설계는 이러한 운전 속도에서 안전하게 사용될 수 있도록 설계되고 있다.
	제품 생산에서 매우 중요한 공정 중 하나인 도장시스템의 문제점은 무엇인가?	자동차와 선박, 전자 제품 등 다양한 산업 제품들의 기능적 측면과 함께 디자인 측면에서의 상품가치를 향상시킬 수 있는 도장 시스템은 제품 생산에서 매우 중요한 공정 중 하나이다. 화학 도료가 많이 사용되는 공정의 특성으로 인해 작업 환경이 사람에게 유해한 상태가 발생할 수 있으며, 부주의 등으로 인한 갑작스러운 폭발의 위험 등이 있어, 최근에는 로봇을 이용한 도장 시스템이 많이 활용되고 있다. 이러한 도장 시스템에서 벨 컵은 도료가 미립화 되어 분사되는 최종 단계의 기계 부품이며, 연결되어 있는 터빈 축과 함께 고속으로 회전하게 된다.

참고문헌 (12)

Lefebvre, A. H., 1988, Atomization and Sprays, Hemisphere Publishing Corporation, New York.
Kimio, T., Abraham, S. and Kozo, S., 2012, Automotive Painting Technology, Springer Science & Business Media, London.
Cha, S. W, Lee, C. and Ko, Y. S., 2002, Effect of Serrated Disk of Electrostatic Rotary Atomizer on Transfer Characteristics, Clean Technology, Vol. 8, No. 1, pp. 45-51.
Lee, C. and Cha, S. W., 2002, Study on the Development System of Rotary Atomizing Painting Equipment and Its Application, Clean Technology, Vol. 8, No. 2, pp. 101-110.
Lee, C. and Cha, S. W., 2003, Study on the RPM Characteristics of Rotary Atomizer for Various Air Turbine and Nozzle Types, Clean Technology, Vol. 9, No. 4, pp. 163-168.
Lee, C., Cha, S. W. and Ho, K. I., 2004, Development of the Rotary Electrostatic Painting Equipment with High Transfer Efficiency, Journal of Fluid Machinery, Vol. 7, No. 6, pp. 7-14.
Park, B. S. and Kim, B. H., 2013, Design of Rotary Atomizer Using Characteristics of Thin Film Flow on Solid Surfaces, Transaction of Korean Society of Mechanical Engineering A., Vol. 37, No. 12, pp. 1473-1482.

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Yang, B. S., 2003, Vibration of Rotating Machinery, Intervision, Seoul.
Hong, D. K., Jung, S. W., Woo, B. C., Koo, D. H. and Ahn, C. W., 2012, Unbalance Response Analysis of Copper Die Casting High Speed Induction Motor, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 22, No. 7, pp. 642-649.

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ISO 1940-1, Mechanical Vibration - Balance Quality Requirements of Rigid Rotors - Part 1: Determination of Permissible Residual Unbalance.
API Standard 611, 2008, General-purpose Steam Turbines for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services, Fifth Edition, American Petroleum Institute, Washington, D.C., U.S.A.
Jeon, S. M., Kwak, H. D., Yoon, S. H. and Kim, J., 2008, Rotordynamic Analysis of a High Thrust Liquid Rocket Engine Turbopump, Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 36, No. 7, pp. 688-694.

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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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