탄성지지와 강지지 (기계 및 구조를 고정하는 방법)

탄성지지와 강지지 (기계 및 구조를 고정하는 방법)

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기계나 구조의 지지를 하는 방법은 주로 진동과 관련된 이유로 선택되는 경우가 대부분이다. 즉 지진에 의한 위치변경방지, 회전이나 굽힘에 의한 파괴방지, 대상체를 진동으로부터 보호 또는 강한 진동을 차단시키는 등에 관한 이유일 것이다. 그런데 이미 건설 및 엔지니어링설계상에서 대처한 이러한 방법들은 크게 두 가지로 나뉘고 있음을 알 수 있다. 다름아닌 차단이 목적인가 또는 강하게 고정하는 것이 목적인가 하는 것이다.

Flexible(Elastic) & Rigid support

탄성지지는 진동의 차단(Isolation)이 목적인 지지방법으로서 지지로 인한 상부 물체가 가진원이든 또는 진동의 전달을 피해야 하는 피물체이든 간에 차진재료의 적절한 설계로 인해 큰 효과를 볼 수 있다.  이때 차진재료로서 사용되는 고무, 공기, 금속스프링, 스펀지재료(경량기포방식) 등은 이형재질의 배치로 인한 응력파전달저항(임피던스 Mismatching)에 의한 차단원리 이외에도 또 다른 원리는 주요한 지지계의 고유주파수를 변동시켜서 공진을 피하자는 공진회피 방식으로 저동조(Low frequency tuned)의 방식, 즉 가진주파수가 고주파에 배치되도록 계의 고유주파수를 최대한 저주파로 marking하는 설계방법이다 이렇게 두 가지 원리를 이용하여 진동을 보통 20~40dB 가량 차진하게 된다. 가진주파수의 종류에 따라서 금속스프링은 저주파 차단에 우수하며 고무재질은 고주파 차진에 우수하므로 현장에서는 두 가지 원리가 조합된 장치를 많이 사용하며 공기는 고급차단기술에 사용된다. 사실 탄성지지 방법은 다층형 공장, 건물내 기계장치, 시험장치류 등에 주로 사용되는 설계방법으로서 그 결과가 사람의 피해와 많이 결부된다.

반면에 강성지지방법은 탄성지지와는 달리 진동체(회전 및 왕복)를 기초(foundation)에 강하게 지지한 방법으로서 강성을 크게 늘려 주요 가진주파수보다 고주파의 고유진동수를 marking하는 설계방법(고동조, high tuned)이나, 대부분의 대형공장 지층 내 생산설비의 지지방법이다. 이 때에는 진동의 전달이 중요하다기 보다는 진동에 대한 기계의 수명을 관리해야 하는 것이 더 중요한 이슈가 된다.

정리하면 탄성지지와 강지지를 구분하는 정석은 계의 고유주파수보다 1.25배 이상인 곳에 운전주파수(회전주파수, 가진주파수)가 있다면 즉, 가동하려면 반드시 고유주파수를 통과해야하는 시스템은 탄성지지이며 고유주파수가 항상 회전주파수보다 상위 주파수에 있을 경우는 강성지지라한다. 쉽게 설명하자면 스프링이나 고무로 지지되어 있으면 탄성지지, 바닥에 직접체결되어 있으면 강성지지, 또다르게 건물에 설치되어 있으면 탄성지지, 공장(전용공업지역, 발전소 등)에 설치되어있으면 강지지로 구분하면 대체로 맞다.

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키워드	방진, 고유주파수, 공진회피, 진동전달률, 탄성지지, 강지지

강지지와 유연지지 (ISO10816 지지방법 평가기준)

강지지와 유연지지 (ISO10816 지지방법 평가기준)

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어떠한 법, 규정, 기준 등을 평가하기 위해서는 기준내용에 구분요소가 있는데 이 내용을 이해하지 못하면 평가를 할 수 없다. 회전기계를 평가하기 위해서 가장 많이 사용되는 ISO10816을 살펴보면 ‘군(group)’,  ‘경계(A,B,C,D)’, ‘지지종류(강지지, 유연지지)’가 바로 이에 해당된다. 이 중에서 지지종류는 기계를 지지하고 있는 방식을 구분하는 것인데 기록되어 있는 내용이 또한 이론적이다. 자세하게 적혀있어도 이론적인 것은 틀림없다. 다름아닌 차단이 목적인가 또는 강하게 고정하는 것이 목적인가 를 판단하는 것인데 ‘고유주파수’를 현장에서 평가하는 사람들이 즉시 알 수는 없기 때문이다. 예를 들어 설명한 것도 실제현장과는 다르다.

Rigid & Flexible support

ISO10816에서 정의하고 있는 내용은 다음과 같다.

－강성 지지대

－유연 지지대

이들 지지대 상태는 기계와 기초의 유연성 사이의 상호 관계로서 결정된다. 만일 측정 방향으로 기계 및 지지 시스템으로 된 복합체의 최저 고유 진동수가 주 가진 주파수(대부분의 경우 회전 주파수)보다 적어도 25 % 이상 크다면, 이 지지 시스템은 그 방향으로 강성이라 간주할 수 있다. 그렇지 않은 경우의 다른 모든 지지 시스템은 유연하다고 간주할 수 있다.

출력 10 MW를 초과하는 터보 발전기나 압축기 및 수직형 기계 세트에는 보통 유연 지지대를 채택한다든지, 주로 저속으로 회전하는 중대형 전기 모터에는 강성 지지대를 채택한다든지 하는 것이 지지대 선택에 대한 대표적인 예이다.

위의 내용에서 가장 중요한 단어는 바로 ‘고유주파수’이다. 고유주파수를 바로 알 수 있으면 25%를 초과한다는 것을 계산할 수 있겠지마는 별도로 측정을 해야만 알 수 있는 값이다. 이 것을 보면 현실적이지 않은 이론적인 것만은 틀림이 없다. 그리고 아래 예에 터보발전기나 압축기 등도 대체로 강성지지 방법을 사용하는데 현장과 잘 맞지 않은 것이다. 실제는 이렇다.

유연지지방법은 대체로 스프링, 고무, 공기 등을 사용해서 기계전체의 고유주파수를 낮춰 유연하게 만든 지지방법으로 사람과 건물을 위해 진동을 차단하도록 사용된 방법이다. 설비를 가동시 반드시 고유주파수를 통과하므로 그 만큼 진동기준을 완화해준 것이다. 건물내 및 옥상설비, 실험실 및 반도체 설비 등 정밀설비 등이 이에 해당된다. 대부분 반면에 강성지지방법은 진동체(회전 및 왕복)를 기초(foundation)에 강하게 지지한 방법으로서 강성을 크게 늘린 것으로 기계의 진동을 최대한 적게 하도록 한 것으로 기계의 수명을 위해서 고안한 방법이다. 이 것은 대부분의 대형공장 지층설치 설비 및 생산설비의 지지방법이다.

정리해 보면 유연지지와 강지지를 구분하는 정석은 계의 고유주파수보다 1.25배 이상인 곳에 운전주파수(회전주파수, 가진주파수)가 있다면 즉, 가동하려면 반드시 고유주파수를 통과해야 하는 시스템은 유연지지이며 고유주파수가 항상 회전주파수보다 상위 주파수에 있을 경우는 강성지지라 한다. 쉽게 설명하자면 스프링이나 고무로 지지되어 있으면 탄성지지, 바닥에 직접 체결되어 있으면 강성지지, 또 다른 예로 건물에 설치되어 있으면 유연지지, 공장(전용공업지역, 발전소 등)에 설치되어있으면 강지지로 구분하면 대체로 맞다. 참고로 ‘유연지지’는 소음진동 이론에서는 ‘탄성지지’라 한다.

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최대진폭 최대변위

최대진폭 최대변위

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최대진폭이라 함은 두 가지 의미를 가지고 있다. 하나는 주파수가 변동되면서 가장 높은 진폭을 나타내는 경우이고 이 때에 주파수는 공진을 일으키는 고유주파수일 것이고 만약 감쇠가 있을 경우에는 그 조건이 다르게 된다. 또 하나의 의미의 최대진폭은 금속스프링 등에서 최대변위를 설명할 때 자주 쓰는 표현으로 스프링의 상하권선이 서로 닿게 되면서 스프링이 충격흡수를 하지 못하고 충격하중이 그대로 전달되는 때가 발생하는 현상으로 이 때의 정해진 한계점을 의미한다. 이 두 가지 의미 중에서 여기서는 가장 높은 진폭을 나타낼 때의 최대진폭을 구하는 방법을 설명해 본다.

최대진폭이 생기는 조건(수학적)

이를 실용에 응용해 볼 때, 실제에는 약간의 감쇠가 항상 존재하므로 진폭이 최대가 될 때는 고유주파수가 아닌 주파수에서 발생하며 이는 우리가 이상적인 상태에서 측정하거나 해석하는 값과는 약간 다른 값이며 바로 이 것이 ‘감쇠고유주파수’를 의미하는 것이다.

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키워드	진폭비, 전달률, 방진, 고유주파수, 공진회피, 진동전달률, 탄성지지, 강지지