진동의 절연

 진동의 절연

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일반적으로 진동이 심하면 제일 먼저 고무나 종이, 스펀지 등을 사용하여 잘 전달이 되지 않거나 꽉 잡아서 고정하는 방법을 사용한다. 이 것을 과학적으로 풀이하면, 주어진 가진 조건하에서 계의 동적 응답을 줄이기 위해 진동하는 질량(또는 장비, 장치)과 가진원 사이에 탄성부재(절연자)를 삽입하는 것으로 이 것을 ‘진동절연’이라 한다. 한마디로 진동을 줄이기 위해 차단하는 방법으로서 이 진동절연은 크게 수동식절연(금속스프링, 코르크, felt, 공기, 고무)와 능동절연(센서-신호처리-액츄에이터시스템)으로 나눌 수 있다.

 

진동절연의 구분

진동절연은 절연의 주체에 따라서 가진 진동의 전파를 막거나 외부진동으로부터 보호하는 양면성이 있다. 진동절연의 구체적 예를 들어 설명한다.

 

진동절연의 방법	구체적 예
강체기반의 절연	지지부에 전달되는 힘의 감소(불평형->탄성지지), 질량에 전달되는 힘의 감소(질량에 민감한 장비, 기계)
주변으로부터의 진동원 절연	지지로부터 전달률(회전불평형->지지부로 전달력감소), 1자유도
탄성지지대에 설치된 진동절연	2자유도 탄성지지, 동흡진기유사, 선박탑재터빈, 비행기탑재 엔진
부분적으로 유연한 지지대	땅 위에 놓인 콘크리트 상판설치, 토질의 스프링 질량감쇠 감안
충격절연	해머단조, 프레스, 타격, 폭발(충격절연은 큰 값의 진동수비와 넓은 진동수 범위에서 수행되어야, 일반적으로 진동절연과 상충될 수도 있지만 변위와 속도를 작게 한다. F=kx+cv )
능동진동제어	센서-액츄에이터의 시스템과 충격스펙트럼을 이용한다.

 

키워드	확성기의 원리, 방진, 진동전달률, 래깅, 진동차단, 진동절연

 

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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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키워드	방진, 고유주파수, 공진회피, 진동전달률, 탄성지지, 강지지, 유연지지

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

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

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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