송풍기(Fan)-결함유형14-원심식팬과 orbit

송풍기(Fan)-결함유형14-원심식팬과 orbit

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중요한 역할을 담당하는 송풍기를 짐작하는 방법의 첫 번째는 크기(얼마나 큰가?)일 것이고 두 번째는 슬리브베어링을 사용하는가? 그 다음에는 진동센서가 많이 장착되어 있는가?를 언급할 수 있을 것이다. 예를 들면 발전소의 ID, FD fan류가 그에 해당할 것이다. 그런데 이러한 세가지 짐작의 근거가 되는 논제는 모두 하나로 연결되어 있다. 즉, 큰 하중을 받는 축이라면 슬리브베어링을 사용해야 하고 이 경우 대체로 비접촉변위센서를 통해서 축의 거동을 확인하기(orbit분석) 때문이다.

Fan결함진단- Centrifugal fan & orbit

슬리브베어링으로 지지하는 원심식팬을 분석할 경우에는 궤도분석(Shaft Orbit)을 통해 많은 정보를 입수할 수 있다. 많은 곳에서 와전류(Eddy current)방식의 센서가 베어링에 설치되어 있지만 모든 베어링에 걸쳐서 90도 각도를 가진 두 개의 센서가 설치되어 있지는 않다.  만약 회전자의 질량이 전체 설비의 질량의 적어도 50%이상이 된다면 슬리브베어링에서 비접촉센서는 거의 필요가 없다. 그러나 전체설비무게보다 로터의 무게가 비교할 수 없을 정도로 작다면 베어링 케이싱의 진동뿐만 아니라 베어링의 클리어런스 측면에서 축의 거동을 감시하는 것은 매우 중요한 것이다. 각 베어링에서 90도의 각도를 가진 센서를 설치한다는 것은 베어링에서 축거동의 궤적을 검사하는 것이다. 궤도(orbit)를 trigger하려면 tacho신호를 사용하면 좋다. 축궤도를 분석할 때 알 수 있는 정보를 정리하면 다음과 같다.

-       축의 최고거동의 방향

-       시동 후 정상가동까지 shaft centerline, 축(shaft)과 베어링(bearing)사이의 클리어런스 알려줌.

-       궤도의 위상안정성

-       접촉부위와 마모의 확인

-       축정렬불량의 확인, 바나나모양의 궤적 또는 ‘8’자모양의 궤적.

-       축의 공진(resonance), 두 번째 loop의 확인.

-       Oil whirl같은 수력학적 불안정성을 의미하는 불안정한 궤적.

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키워드	fan, blower, 송풍기의 진동, 설비진단, 진동진단, 진동측정, 팬진동진단

Synchronous 동기성분 결함들-Order analysis

Synchronous 동기성분 결함들-Order analysis

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주파수의 차수분석(Order analysis)은 TS(Turning speed, 회전주파수)와 어떠한 관계를 가지는가?가 큰 분석의 갈래길이라고 할 수 있다. 회전주파수의 몇 배인지, 하모닉이 얼마나 많이 발생하는 지 몇 배의 주파수가 특히 높은지를 확인한다. 특히 회전주파수의 정수배로 계산이 되는지는 아주 중요한 관찰사항이 된다. 즉, Synchronised swimming운동경기처럼 똑 같은 모습으로 다른 사람이 연기하는 어원을 이용하여 ‘동기성분’을 구분하고 해석한다.  

동기차수 결함들

주파수가 TS의 정수배로 맞아 떨어지는 결함의 패턴과 신호는 회전 이벤트와 관련이 있다. 즉 팬의 날개가 5개가 있다면 한 번 회전당 다섯 번의 이벤트가 발생할 것이고 이는 스펙트럼 그래프 상에서 5X의 진폭을 높게 표시해 준다. 기어의 잇수가 43개라면43개의 이벤트가 만들어 지고 정확히 43X의 진폭을 표기해 준다. 이는 구름베어링이나 벨트처럼 비정수배를 나타내지 않는 극히 정수배를 나타내므로 설비의 결함을 분석할 때 가장 먼저 확인해야 하는 사항이다.

TS 1X~8X	TS 8X이상
Imbalance Misalignment Mechanical Looseness Blade / Vane Pass Belt Sheave Runout Bent Shaft	Gears Blade Pass Slot Frequency (Motor)

여기서 주의할 것은 동기성분은 항상 나타날 때가 많다. 날개가 있으면 그 개수만큼 진폭이 있고 기어가 치가 접촉하면 충돌되므로 해당 ‘n’X가 발생한다. 물론 Imbalance는 반드시 나타나는 주파수이다. 문제는 해당 주파수가 다른 주파수보다 얼마나 큰지, 기타 하모닉 파형을 동반하고 있는지, 사이드밴드를 동반하고 있는지 진동방향은 어떠한지, 과거에는 어떠했는지 유사기계와 비교했을 때 어떠한지가 더 중요한 사항이다. 결국 핵심사항은 당연히 발생하는 주파수이지만 패턴과 상황에 따라서 그 경중이 다르다는 것이다.

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키워드	Order, TS, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼, 동기성분, Synchronous

진동과 기계의 상태

진동과 기계의 상태

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사람에게서 측정한 체온이 지나치게 높다거나 낮다면 누구라도 지금 몸이 좋지 않다는 것을 동감한다. 이 전제는 과학을 알지 못해도 오랫동안 수많은 결과를 통해서 학습해 왔기 때문에 당연하다고 생각한다. 어떤 청강생이 질문을 하였다. 중급연구원으로 보였는데 처음 듣는 참신한 생각이었다. “진동이 높으면 기계의 상태가 나쁜가요? 왜 그런 전제가 당연하다고 하시나요?” 옆에 있던 다른 모든 청강생들도 그를 이상하게 보았지만 나는 “진동도 온도처럼 상태를 표현한다”라고 에둘러 대답할 수 밖에 없었다.

진동신호에는 기계의 상태가 포함되어 있다.

진동으로 설비진단을 수행하는 저명한 전문기업체의 기본교제의 제일 앞장에는 이런 말이 적혀있다. ‘당신이 지금 기계로부터 측정하는 진동신호에는 기계의 모든 결함신호를 내포하고 있습니다. 이 신호를 잘 분석하면 기계가 어디가 아픈지 알 수 있습니다.’

기계로부터 측정한 온도가 평상시보다 높거나 지나치게 많이 상승하면 설비의 결함으로 판단하고 그 원인을 파악하기 위해서 많은 검토를 수행한다. 그런데 이 것은 회전하는 기계이건 회전하지 않는 기계이건 간에 동일한 예측과 현상의 검토가 당연하다. 왜냐하면 열을 표현한다는 것은 반드시 마찰로부터 출발하지 않더라도 열의 이동이 당연할 수 있기 때문이다. 여기서 온도는 정적현상과 동적현상에서 모두 관찰 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그런데 진동과 소음은 이와 달리 반드시 움직여야(동적현상) 신호가 발생한다. 즉, 진동은 시간에 따른 변동이 있는 힘을 가하고 물체나 공간이 구성하고 있는 강성과 질량에 달리 반응하는 것을 읽는 현상이다. 움직이지 않아도 된다는 다양한 물리적인 현상에 대해서 판단한다면 온도가 더 강력한 상태량이지만, 온도는 진동에 비해서 예측하거나 짐작하기에는 너무 늦고 자세하지 못한 점이 있다.

진동신호가 포함하는 기계의 상태는 ‘충격과 마찰’과 관련이 있다. 고체와 고체의 마찰(베어링, 기어 등), 고체와 기체에서 발생하는 힘의 불평형이나 마찰의 정도는 진동소음으로 측정되고 온도보다 더 자세한 신호의 원인분석의 근거가 되며 기계의 상태를 추정하며 수명을 예측할 수 있도록 한다. 추가로 진동의 용도가 부러지거나 파손되기 전의 위험의 상태를 이야기하거나 생산을 지속하지 못하는 상태를 미리 방지할 수 있는 곳으로 까지 쓰이기 시작하면서부터 중요한 상태진단요소가 되었다. 무엇보다도 진동은 온도처럼 하나의 값이 아닌 여러 가지 특성의 합으로 분리되었고 이를 수없이 다양하게 분리해 낼 수 있기 때문에 연구하고 학습하고 계측하고 진단하는 것이다.

이제 다시 한번 이야기 한다. ‘ 움직이고 있는 기계의 상태는 진동으로 판단할 수 있다. 

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키워드	PDM, 예지보전, 설비진단, 진동, 기계진단, 진동분석, 진동결함, 상태진단, CBM

비선형 진동

비선형 진동

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수학적으로 예측이 가능한 것과 그렇지 못한 것의 차이는 아마도 우리의 미래와 관련이 있을 것이다. 여기에 선형과 비선형이라는 용어를 많이 사용하게 되는데 수학적 근거로부터 탄생한 용어이다. 즉, 고속, 고정밀, 경량화 설계와 관련된 연성(coupling)이 포함된 자연적 혼돈 운동은 비선형(Non-Linier theory)이라 하며 너무 변동스럽고 불류칙하여 예상하기 힘든 운동을 말한다. 반면에 수학적으로 동질성의 원리(Principle of homogeneous)와 중첩의 원리(Principle of superposition) 를 만족하는 것을 선형(linier theory)이라 한다. 선형은 그래프 상으로나 수학적으로 통계적으로 예상이 가능하다.

비선형 진동(Non linier type vibration)

공학적 해석은 실제로 적용되는 가진력의 크기에 비례하지 않으며, 기진주파수와 응답주파수가 서로 달라질 수 있다.  비선형진동은 진동해석 부문 운동방정식에서 관성력항, 감쇠력항, 혹은 복원력항 중에서 어느 하나라도 선형식이 아닌 경우를 말한다. 예를 들면, 단진자나 외팔보를 지지하고 있는 부분이 고정되어 있지 않는 시간의 함수를 가지는 경우(고정된 부분이 움직임), 감쇠력항이 음의 기울기를 갖는(불규칙적으로 복원하는 도약현상을 가지는; 진동이 더 커짐), 자려진동(Self-Excited vibration)을 들 수 있다.  기계계에서 예를 들면, 회전기계의 베어링 간극에 의한 진동, 원자력 발전의 연료봉의 차단판과의 진동, 기어의 백래쉬(back lash)에 의한 치타음(rattle noise) 등 이 있다.

구 분	선형 진동	비선형 진동
중첩의 원리 적용성, 운동의 예상가능	OK	NO
수학적해석기법적용	많음	어렵다.
예시	단진동, 자유진동, 이록적 강제진동(보, 쉘,평판, 링, 막, 봉의 종진동, 비틀림진동, 현진동)	자려진동(마찰, 유체유동), 실제연속체진동
실현성	이론적, 수학적	물리적 실제현상, 실제거동체(산업기계)

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비선형, 선형, 진동, 자려진동

가속도센서 (고온용)

가속도센서 (고온용)

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몇 백도가 넘는 현장 또는 기계도 진동이 발생한다. 이러한 곳에 진동을 측정하는 방법을 문의한다면 측정이 어렵다는 것을 이미 말해주는 것과 같다. 왜냐하면 진동센서가 고온에 견디지 못하거나 현장에 부착하기 쉽지 않거나 측정값이 정확하지 않을 가능성이 높기 때문이다. 최근의 진동가속도센서는 가장 많이 활용되고 있지만 역시 고온에 치명적이다.

고온에 사용가능한 진동센서

우선 가장 많이 사용되는 진동가속도센서는ICP(Intergrated Circuit piezo)타입으로 말그대로 전자회로가 센서내에 내장되어 있으므로 섭씨 120도를 넘겨 사용할 수 없다. 더우기 실제로 고온의 터빈표면이나 원심터보압축기 등의 하우징에서 측정하게 되면 가속도값의 오차가 나기 시작하므로 잠시 쉬었다가 식혀서 측정한 경우도 많다. 이 것보다 더 높은 온도를 견딜 수 있는 압전센서는 압전소자만이 있는 타입(Charger type)으로 더 높은 온도인 섭씨480도, 더 좋은 하우징 방열처리가 된 것으로 섭씨640도까지 가능하다. 고온의 스팀배관이나 터빈용으로 측정이 가능하다 할 수 있다. 와전류타입 변위센서도 기본형은 120도가 한계이며 특별한 경우에 더 고온(~240도)을 측정할 수 있게 개발되어 있다. 따라서 접촉형 센서가 사용되는 제한된 온도범위는 센서내부의 회로가 견디는 온도를 의미하면 120도를 그 한계로 알면 된다. 그리고 최근 많이 사용되는 MEMS센서류는 집적회로의 형태이므로 고온에 대체로 취약하며 100도 아래에 적합하며 고온에는 아날로그형 센서가 더 적합하다는 것을 알 수 있다. 이와는 비교되는 비접촉형 센서는 레이져를 사용할 경우 온도의 제한이 거의 없으나 가격과 설치위치에 제한이 있다는 것을 기억하면 되겠다.

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진동센서, 가속도센서, Acceleration, Accelerometer, 압전효과, 압전소자, Piezo, ICP

감쇠7-임계감쇠계수의 의미

감쇠7-임계감쇠계수의 의미

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‘임계’는 진동공학분야에서 ‘critical’로 번역이 된다. 이 것은 진동의 상태가 변화하는 경계점으로 표현될 때가 많고 대표적으로 임계주파수, 임계감쇠계수가 있다. 이 ‘임계감쇠계수’는 과연 어떤 의미일까? 진동은 기준점에 대해서 반복하는 운동이고 감쇠계수는 진폭을 줄이는 역할을 한다. 감쇠는 유체마찰이든, 고체마찰이든 간에 속도에 반발하는 힘으로 지속적으로 반복하는 운동의 진폭을 줄이는 역할을 한다. 결국 진폭을 ‘0’으로 만든다.

임계감쇠계수(Critical Damping Coefficient)의 수학적 의미와 산출방법

먼저, 임계감쇠계수의 물리적 의미는 초기 힘을 주었을 때 반복하면서 진폭이 ‘0’이 되는 것과 반복 함이 없이 진폭이 즉각’0’이 되는 상태의 경계되었을 때의 감쇠계수이다. 이 것은 진동하느냐 하지 않느냐의 상태를 말하기도 하는데 따라서 매우 중요한 개념이다. 이제 수식을 예로 들어 설명한다.

좌측항은 감쇠를 의미하며 우측항은 주파수를 의미하는데 ‘√’항의 내측이 실수(Real)만이 있으면 진동하지 않고 이 것이 ‘허수(Ideal)’이어야 비로소 진동(반복하는 운동)이 성립되는 것이다. 따라서 √의 내측항이 ‘0’이 되는 값이 바로 임계점이 되는데 이 때의 ‘c’가 바로 임계감쇠계수이다. 그리고 감쇠계수와 임계감쇠계수와의 비를 무차원인 ‘감쇠비(Damping ratio)라고 하는 것이다.

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키워드,	감쇠, 진동의 감소, 진동의 구성 4요소, 임계감쇠, 감쇠비, 자이, 크시

덕트(Duct)의 소음과 진동

덕트(Duct)의 소음과 진동

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사람이 거주하는 건물 내에서 발생하는 기계적인 소음과 진동은 대체로 급수와 공조설비에 기인한다. 소방설비도 있지만 일시적으로만 가동하므로 안전 상시성 측면에서만 살펴보면 진동에 의한 난방, 냉방 순환 설비 등이 또한 관련성이 있다고 하겠다. 아무튼 건물에 함께 존재하며 사람의 쾌적감에 저해하는 진동과 소음의 원인은 기계라고 할 수 있으며 본 파트에서는 덕트(공조설비포함)에 대해서 그 연관성을 살펴보기로 한다. 공기를 운반하는 통로인 덕트계는 고체와 유체의 유동진동소음과 기계진동 파장을 전달하는 경로이기도 하다.

공조관련 진동 및 소음

공조관련 덕트 소음진동 발생원은 다음의 3가지로 압축할 수 있다.

1.     송풍기의 음향파워와 진동(접속 덕트 중으로 전달되는 PWL, 음향파워레벨)

PWL=Kw+10logQ+20logP

( Kw: 송풍기파워레벨(송풍기의 종류 및 날개통과주파수를 보정한 상수),Q: 유량[m³/hr],   P:압력[kgf/m²] )

저감대책- 고효율 작은 진동발생량의 송풍기사용, 덕트로의 플렉서블 조인트연결, 베인(Vane)의 사용에 의한 유속마찰 저감, 발란싱, 날개수를 적게 설계하여 저주파 유도, 송풍기 입출구 공기유동 안정적 설계(밸브, 스트레이너 및 곡관의 배치).

2.     기류발생소음 전달 및 감음

-직, 곡, 분지부, 소음기류, 댐퍼류, 개구부(취출구)에서는 덕트내부에서 전달측면에서는 소음이 자연 감쇠한다.(취출구에서 측정)

-반면에 위와 또 같은 위치에서도 유체기류에 의한 관벽의 진동에 의해서는 오히려 소음이 발생한다.(진동이 발생하는 곳의 덕트 외부에서 측정하는 경우)

-Lw(파워)=F+G+H

 (F:주파수보정 마찰St수 특성항, G:속도 높을수록,  H:주파수높을수록(옥타브밴드폭))

-기류속도가 2배 증가하면 곡관은 15~20dB 증가하고 직관은 10dB증가한다.

-취출 및 흡입구의 Lw=10logA(개구면적)+alogV(기류속도)+b(상수).

저감대책-흡음닥트 및 소음기를 사용한다.(단면팽창으로, 플리넘챔버, 능동소음제어ANC로 감음), 덕트의 외부 고정(네오프렌고무), 플렉서블 조인트사용, 덕트의 흡음재 및 감쇠재료에 의한 덧 시공, 벽면으로부터의 격리(관통부 감쇠재료이용) 등 고체기인소음으로부터의 진동전달 방지.

3.     공간의 누화 음원에 의한 추정(대략치)

PWL2=PWL1+10log(Sw/A)=SPL1+10logSw-6

(PWL2:측정공간의 음향파워, PWL1:발생공간의 음향파워, Sw:개구단면적, A:측정공간의 면적, SPL1:발생공간의 음압레벨)

공간간의 음의 전파(누음)에 관련해서 위와 같은 식으로 측정공간(수음측)의 소음을 예측할 수 있다. 단, 개구단의 음원으로부터 충분히 떨어지고 직접음의 영향을 받지 않음, 음원이 개구단에 가까울 때는 주의할 것.

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덕트발생진동 및 소음, 덕트설계

엔진-진동분석2

엔진-진동분석2

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자동차가 30000개 이상의 부품으로 이루어진 종합기계이지만 그 중에서 엔진도 많은 부품들로 조립되어 만들어져 있고 또 여러 기계요소들과도 연결되어 있다. 특히 벨트와 기어, 그리고 팬과 관련이 있으며 충격진동이 많아서 기계적이완(mechanical looseness)이 많은 진동신호의 패턴을 보인다. 무엇보다 신호가 정속이 거의 없고 가변속이므로 분석이 쉽지 않다.

내연기관 엔진의 진동분석2

연료, 점화, 타이밍, 엔진부하 등을 제외한 엔진진동의 또 다른 원인들을 살펴보면 발전기, 워터펌프, 오일펌프, 열료펌프, 냉각시스템, alternators, 터보챠져, 수퍼차져 등을 들 수 있겠다. 엔진에 의해 가동되는 냉각시스템은 라디에이터 가까이 배치된 회전팬을 벨트로 연결되어 있으므로 벨트 및 팬과 관련된 진동원인이 있다.  터보챠져(turbocharger, supercharger) 또한 진동의 원인이 된다. 엔진의 배기를 이용하므로 날개통과주파수(BPF, 100,000RPM까지 발생)가 발생하며 수퍼챠져(Supercharger)인 경우에는 기어맞물림주파수(GMF)과 벨트주파수가 발생하여 다른 시스템과 공진의 문제로 야기시킬 수 있다. 물론 벨트이므로 ‘Belt strand공진(벨트의 길이와 관련된)’도 관련이 있다.

엔진은 대부분 구동원(drive)이므로 자동차에서는 기어박스(transmission), 구동축(shaft), 액슬과 바퀴(real axle and wheels)를 가동하며 고정기계용 엔진은 압축기, 펌프 등 기타기계를 가동한다. 또한 엔진은 비틀림 진동을 발생시키며 크랭크축에 ‘jerky’모션(마찰, 회전이 고르지 않은)을 주는 원인이 되기도 한다. 이 것은 피스톤의 파워싸이클에서 발생하는 햄머링효과에 의한 것으로 크랭크축의 끝에 플라이휠(flywheel)을 달면 jerky를 부드럽게 다룰 수 있으나 피동측 기계로부터 발생한다면 영향이 없을 수 있다. 다음은 엔진으로부터 발생하는 진동의 분석 차트이다. (CSI인용수정).

엔진진동의 일반적원인
엔진차수	4cylinder	6cylinder	V8 (90degree V)
1/2 X	1실린더 불연소	1실린더 불연소	1실린더 불연소
1st X	비정상	비정상	비정상
2nd X	정상	-	배기불량
3rd X	-	정상	-
4th X	정상 (소량)	-	정상

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키워드	엔진진동, 내연기관, 왕복동진동,

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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