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