금속스프링과 고무패드 (차진재료)

금속스프링과 고무패드 (차진재료)

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진동이 심해서 인간이 고통을 호소하거나 건물의 안전 등의 이유로 진동을 줄이고 싶다면 최선의 방법은 물론 진동원인을 찾아서 그 가진력(Enforce)을 줄이는 방법이다. 그러나 진동원인 감소 방법을 취할 수 없을 경우에는 차선책으로 진동의 전달을 줄이는 방법을 택한다. 이때 사용되는 것이 차진재료인데 금속스프링, 공기스프링, 고무, 스티로폼, 펠트 류 등이 있으며 가장 많이 사용되는 것은 금속스프링과 고무패드 또는 이 두 가지 재료의 혼합형태라고 할 수 있다.

진동절연(진동전달경로차단)

고무와 스프링은 자동차에서 가장 흔하게 사용하는 차진재료로서 방진효율이 높은 편(80~97%)이므로 건물 내 기계실 , 배관방진, 공장 내 충격기계의 방진 등에도 많이 사용되고 있다. 진동을 차단하는 원리는 주로 지지하고 있는 가진원 물체(구조)자체의 고유주파수(Natural frequency)를 변동하여 전달률(전달력/가진력)을 줄이는 방법이며 고무의 경우에는 추가로 진동감쇠의 역할(damping, 가진력 자체의 전달을 감소시키는)을 하는데 사용하고 있고 고주파의 차진에 효과적이며 반면에 대체로 저주파가 많고 빈번한 가동이 적으며 환경이 나쁠수록 금속스프링을 사용한다.

	금속스프링	고무
적용 고유주파수	2~10Hz	5~100Hz
주요 차진주파수 대역 (고유주파수의 4배이상)	저주파, ~40Hz	고주파, 20Hz~
내구성	고주파에서 파손가능 (단락)	내화 O3(오존) 및 기름 등에 부식가능, 내열 50°C이하
충격진동 전달률	매우 적음, 그러나 최대변위시는 100%	연질재질은 매우적음, 경질재질은 잘 전달됨.
설치상 주의	Rocking, Rolling가능성(처짐, 뒤우뚱거림)	신장력에 취약
기타 참고사항	Surging에 주의(스프링 내부공진)	내부감쇠역할 있음
가동기준용도	정상가동기계류	빈번 시동 및 정지 기계적합

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키워드	방진, 진동전달률, 고무스프링, 금속스프링, 고유주파수, 차진재료

방진고무와 동적배율 (동적배율의 의미)

방진고무와 동적배율 (동적배율의 의미)

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지반에 기계를 지지하는 방법으로는 보통 콘크리트로 타설된 기초(foundation)에 직결하는 방식인 강지지(rigid support)방식과 기초 또는 가대(frame)과 기계의 사이에 금속스프링, 고무, 공기 등을 이용하여 전달되는 진동을 차단하는 방식인 탄성지지 또는 유연지지(Elastic flexible)이 있다. 그 중에서 탄성지지방식에 사용되는 방진고무는 형상의 선택이 자유롭고 각 방향(축, 회전)의 스프링 정수를 광범위하게 선택할 수 있을 뿐만 아니라 고무자체의 내부마찰에 의한 저항을 얻을 수도 있어서 진동의 차진에 양호하다. 그런데 고무의 동특성을 ‘동적배율’로 표현할 수 있는데 이에 대해 설명해 본다.

동적배율과 방진고무

방진고무는 정하중에 따른 수축량으로 10~15%이내가 적당한 것으로 알려져 있다. 물론 사용온도도 50℃이하로 사용해야 하는 물성이 대부분이며 고유진동수가 강제진동수의 1/3이하인 것을 선택해야 하는 등 약간의 사용제한이 있다.

동적배율이란 동적강성에 대한 정적강성의 비율로서 다음과 같이 정의된다.

금속스프링은 1, 천연고무는 1.2, 합성고무는 1.4~1.8정도를 나타낸다. 정의를 구성하는 정적강성은 정적인 힘 즉, 시간에 따라 변화를 가지지 않는 힘과 운동에 대한 원래의 상태를 유지하는 성질인 반면, 동적강성은 동적인 힘(시간에 따라 변화하는)즉 진동의 요소인 고유한 주파수를 형성하는 원래의 상태를 유지하는 성질을 의미한다. 이 두 가지 가치의 비율이라 하므로 마치 진동하면 진동하지 않을 때의 강성에 비해 어떠하냐는 의미로 이해 할 수 있다. 다시 정리해보면 진동할 때 합성고무는 천연고무나 금속스프링보다 더 뻣뻣하다는 것이다. 반대로 금속스프링은 진동하면 가장 잘 늘어날 수 있다는 뜻이다.

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키워드	방진고무, 동적배율, 탄성지지, 고무스프링, 금속스프링, 고유주파수, 차진재료

서징(Surging)- 금속스프링과 유체진동현상

서징(Surging)- 금속스프링과 유체진동현상

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기계분야 특히 유체기계에서 불리우는 ‘서징’은 유체의 유량변화에 의해 관로나 수조 등의 압력, 수위가 주기적으로 변동하여 펌프 입구 및 출구에 설치된 진공계·압력계의 지침이 흔들리는 현상으로 일종의 자려진동(Self-excited vibration)을 의미한다. 터보 냉동기나 펌프·팬 등에서 특성 곡선에 부적당(소량일 때)할 때 불안정 영역에서 운전하게 되어 압력·풍속이 반복해서 변동하는 현상으로, 이 범위에서의 운전은 되도록 피해야 한다. 그러나 진동분야에서 ‘서징’은 또 다른 의미로 많이 사용되는데 바로 코일 스프링이 고진동(高進動) 영역에서 스프링 자체의 고유 진동이 유발되어 고주파 탄성 진동을 일으키는 것을 말한다.

금속코일스프링의 고유진동(서징)

탄성지지계의 면진장치로 사용되는 금속코일스프링, 공기스프링, 방진고무 등을 살펴보면 각기 자체고유주파를 가지고 있으나 전체 계(系, SYSTEM)의 고유주파수를 구성하는 강성(Stiffness)의 역할을 담당하므로 그에 대한 것만 중요하게 생각할 경우가 많다. 물론 차진(Isolation)해야 하는 주파수와 동조여부를 피해야 하므로 비교적 고주파이므로 관심 대역 주파수와 연관이 적어서 그 자체고유주파수는 무시될 수도 있다. 그러나 금속코일스프링은 약간 이야기가 다르다. 자체고유주파수가 시스템의 고유주파수와 연관되어 전체진동이 크게 흔들리는 경우가 있기 때문이다.

(Fn 코일스프링 자체 고유주파수, m 코일스프링의 질량, k 코일스프링의 탄성계수, G 전단탄성계수, d 소선의 지름, D 감긴코일의 대지름, n 권선수)

이러한 진동으로 문제가 될 때 특히 ‘Rocking’이라고 말하기도 하는데 파생된 현상으로 ‘Rolling’은 전체적으로 계의 뒤우뚱하는 현상이 원인이 되기도 한다. 이때의 대책으로는 계의 고유주파수를 바꾸는 방법을 사용하며 코일스프링의 병합숫자를 바꾸어(병렬 또는 직렬) 탄성계수를 바꾸면 고유주파수가 바뀌는 방법이 있고 고무를 병합 사용하여 마찬가지로 탄성계수가 바뀌는 방법이 있다. 이때 동일한 스프링을 2개 병렬로 배치하면 강성이 2배로 되어 고유주파수가 2배가 되며, 마찬가지로 직렬로 배치하면 강성은 증가하지 않는데 강성합=1/(역수의 합)으로 계산되기 때문이다.

키워드	방진, 진동전달률, 고무스프링, 금속스프링, 고유주파수, 차진재료, 서징, Surging

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