KR100293002B1 - 공진과댐퍼를이용한대형구조물동특성시험용가진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진과 댐퍼를 이용한 대형구조물 동특성 시험용 가진기에 관한 것으로서, 도 4에서와 같이 저주파수에서는 힘을 P2에서 P1로 증가시키고 높은 주파수에서는 P4에서 P3으로 발생력을 억제하여 넓은 주파수 대역에서 가진력을 고르게 발생시킬 수 있는 장비이다. 본 발명의 가진기는 진동 모터를 사용하여 샤프트에 설치된 불평형성 질량에 회전력을 주어 가진력을 얻고, 즉 불행형 질량에 회전할 경우 구동부는 상하 방향으로 움직이고, 이 때 발생되는 가진력은 질량체를 지지하는 스프링과 댐퍼로 구성되는 서스펜션을 통하여 베이스 플레이트에 작용되며, 다시 이 힘은 힘 측정 센서를 통해 시험 대상 구조물에 전달됨으로써 구조물을 가진하게 된다. 동일한 주파수에서 큰 가진력을 필요로 할 경우에는 불평형 질량의 크기를 변화시키고 가진력의 조정을 미세하게 할 필요가 있을 경우에는 불평형 질량을 장착시 설치각을 변화 시켜 중심까지의 거리를 조정하여 발생력을 조정할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 초기 기동시 소요되는 큰 토오크를 발생시킬 수 있도록 진동 모터의 양 샤프트에 감속 기어를 사용하여 낮은 주파수에서도 큰 토오크를 얻을 수 있다.

진동 모터의 회전수 변조 및 일정한 회전수의 동작을 위하여 인버터를 설치하여 구조물 시험에 적합한 주파수로 가진할 수 있도록 하고, 인버터에서는 진동모터의 기본적인 셋팅값을 저장하여 최적의 상태로 모터를 가진할 수 있도록 하며, 제어박스는 진동 모터를 움직이는 인버터를 컴퓨터를 통하여 제어하고 각조 신호및 동작 상태를 모니터를 통하여 감시, 통제하는 역할을 한다.

Description

공진과 댐퍼를 이용한 대형구조물 동특성 시험용 가진기{The Dynamic Exciter for the Structural Test Using the Resonance}

본 발명은 스프링과 댐퍼로 지지된 질량체의 공진효과를 이용한 대형구조물 동특성 시험용 가진기에 관한 것으로서, 도 4에서와 같이 낮은 가진주파수에서는 힘을 P2에서 P1로 증가시키고, 높은 가진주파수에서는 P4에서 P3으로 발생력을 억제하여, 기존의 불평형모터를 이용한 가진모터에서 기대할 수 없는 넓은 가진주파수 대역에서 가진력을 고르게 발생시킬 수 있는 장비에 관한 것이다.

현재까지 국내 및 국외에서 상품화되어 제작, 판매하고 있는 가진기의 가진모터에서 장착된 불평형성 질량의 회전수의 제곱에 비례하여 발생되므로 도 2에서와 같이 회전수가 증가할 수록 발생력은 급격히 커지게 된다. 이 때의 발생력은 식(1)을 이용하여 간단히 계산할 수 있다.

발생력은 낮은 주파수에서는 너무 작은 발생력이 발생하여 구조물을 가진하기 어렵고 높은 주파구에서는 지나치게 큰 힘이 발생되어 시험 대상 구조물이나 가진기의 구조에 치명적 손상을 가져올 수 있는 문제점이 있었다.

본 가진기는 이러한 단점을 보완하여 도 4에서와 같이 저주파수에서는 힘을 P2에서 P1으로 증가시키고 높은 주파수에서는 P4에서 P3으로 발생력을 억제하여 넓은 주파수 대역에서 충분한 가진력을 발생시킬 수 있는 구조물 동특성 시험 장치이다.

도 1은 공진과 댐퍼를 이용한 대형 등특성 시험용 가진기의 적용 예,

도 2는 가진 모터의 회전수에 따른 발생 가진력 곡선,

도 3은 주파수에 따른 발생 전달율 곡선(Transmissibility),

도 4는 공진과 댐퍼를 이용한 대형 동특성 시험용 가진기의 넓은 주파수 대역에서 얻을 수 있는 가진력 신호,

도 5는 공진과 댐퍼를 이용한 대형 동특성 시험용 가진기의 구조도(정면도),

도 6은 공진과 댐퍼를 이용한 대형 동특성 시험용 가진기의 구조도(측면도),

도 7은 불평형성 질량의 형태 및 회전 향방향.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명

＜도 5＞ 공진과 댐퍼를 이용한 대형 동특성 시험용 가진기의 구조도(정면도)

1 : 메인 프레임 2 : 엘엠 가이드

3 : 스프링 4 : 구동부의 상·하부 플레이트

5 : 구동부 샤프트 6 : 기어 박스

7 : 불평형 질량 8 : 전달력 측정 힘 센서

9 : 수평 조정 볼트 10 : 베이스 플레이트

11 : 댐퍼 12 : 구동 모터

13 : 제어박스

＜도 6＞ : 도 5 우A부의 상세도

4 : 구동부의 상·하부 플레이트 7 : 불평형성 질량

14 : 불평형성 질량 고정볼트 15 : 기어 박스

16 : 운반 고리

＜도 7＞ : 불평형성 질량의 형태 및 회전 방향

1 : 기어 박스 2 : 불평형성 질량 고정 볼트

3 : 불평형성 질량의 회전 방향 4 : 불평형성 질량의 형상

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

발생력이 서스펜션을 통하여 대상 구조물에 전달되는 가진력은 식(2)와 같이 계산된다.

본 가진기는 도 5의 (12)와 같이 샤프트가 양쪽으로 설치되어 있는 진동 모터를 사용하여 샤프트에 설치된 불평형성 질량에 회전력을 주어 가진력을 얻는다.

이와 같은 가진력은 동일한 주파수에서 큰 가진력을 필요로 할 경우에는 도 5(7)의 불평형성 질량의 크기를 변화시키고 가진력의 조정을 미세하게 할 필요가 있을 경우에는 불평형 질량을 장착시 설치각을 변화시켜 질량 중심과 회전 중심까지의 거리를 조정하여 발생력을 조정할 수 있다.

초기 기동시 소요되는 큰 토오크를 발생시킬 수 있도록 도 5의(6)과 같이 진동 모니터의 양 샤프트에 감속기어를 사용하여 낮은 주파수에서도 큰 토오크를 얻을 수 있도록 한다.

불평형 질량이 도 6의 (3)과 같이 회전할 경우 구동부는 상하 방향으로 움직이게 된다. 이 때 발생되는 가진력은 서스펜션(도 5의 (3)과 (11))을 통해 도 5(10)의 베이스 플레이트에 작용되며 이 힘은 도 5(9)의 수평 조정 볼트와 하단에 설치된 도 5 (8)의 힘 측정 센서를 통해 시험 대상 구조물에 전달된다.

이때 구동부에서 발생되는 가진력은 큰 힘의 변화를 필요로 할 경우에는 불평형 질량을 추가로 장착하거나 작은 가진력의 변화가 필요할 경우에는 불평형 질량의 장착시 질량의 사잇각을 조정하여 불평형 질량의 무게중심과 모터의 회전중심까지의 거리 변화로 가진력의 크기를 조절한다.

불평형 질량의 가진력에 의해 상·하로 움직임이 발생되는 구동부는 원활한 슬라이딩을 위하여 도 5(2)의 직선운동기구인 엘엠 가이드(LM guide)로 가진기의 메인 프레임과 연결하여 수직 발생력이 원활하게 구조물에 전달되도록 하며, 가진기에서 발생되는 수평 가진력으로 인해 발생되는 구동부의 흔들림을 방지하였다. 또한, 도 5(5)의 볼부싱과 볼부싱 샤프트를 이용하여 가진력 발생시 유발될 수 있는 스프링의 이탈 및 흔들림을 보강하였다.

넓은 주파수에서 안정되고 시험대상 구조물에 안정한 힘을 전달시킬 수 있는 서스펜션의 전달율은 도 5(4)와 (10)사이에 장착된 스프링과 댐퍼의 특성에 의해서결정된다.

진동 모터의 회전수 변조 및 일정한 회전수의 동작을 위하여 인버터를 설치하여 구조물 시험에 적합한 주파수로 가진 할 수 있도록 하고, 인버터에서는 진동모드의 기본적인 셋팅값을 저장 최적의 상태로 모터를 가진할 수 있도록 한다.

진동모터의 운전에 관련된 각종 코드 및 설정값의 변경과 불평형성 질량의 회전 방향 변환, 스위핑 운전(Sweeping operation), 스텝운전(Step operation) 등 구조물 가진에 필요한 모든 설정은 제어 박스에 설치된 인버터를 통하여 할 수 있다.

제어상자는 진동 모터를 움직이는 인버터 컴퓨터를 통하여 제어하고 각종 신호 및 동작 상태를 모니터를 통하여 감시, 통제 한다.

식(1) : 발생력

식(2) : 전달력(발생력*전달율)

상기한 바에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 동일한 주파수에서 큰 가진력을 필요로 할 경우에는 불평형 질량의 크기를 변화시키고 가진력의 조정을 미세하게 할 필요가 있을 경우에는 불평형 질량을 장착시 불평형 질량 사이의 설치각을 변화시켜, 모터의 회전중심으로부터 불평형 질량의 무게중심까지의 거리를 조정하여 모터에서 발생되는 가진력을 조정할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 초기 기동시 소요되는 큰 토오크를 발생시킬 수 있도록 진동 모터의 양 샤프트에 감속 기어 또는 벨트 등의 동력전달장치를 사용하여 낮은 주파수에서도 큰 토오크를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 진동 모터의 회전수 변조 및 일정한 회전수의 동작을 위하여 인버터를 설치하여 구조물 시험에 적합한 주파수로 가진할 수 있도록 하고, 인버터에서는 진동모터의 기본적인 셋팅값을 저장하여 최적의 상태로 모터를 가진할 수 있도록 하며, 제어박스는 진동 모터를 움직이는 인버터를 컴퓨터를 통하여 제어하고 각조 신호 및 동작 상태를 모니터를 통하여 감시, 통제하는 역할을 한다.

나아가, 힘 센서(Force transducer)를 부착하여 상기한 제어상자, 인버터와 함께 최적의 상태로 구조물에 전달되는 가진력의 크기를 제어, 감시, 통제할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (1)

1. 질량체, 스프링 및 댐퍼를 이용한 대형 구조물 동특성 시험용 가진기에 있어서, 불평형 가진모터에서 발생되는 가진력을 가진대상 구조물에 직접 작용시킬 때의 문제점을 극복하기 위하여, 스프링과 댐퍼로 이루어진 서스펜션과 질량체간의 고유진동수에 의한 공진현상(Resonance)을 이용하여, 불평형 모터에서 발생되는 구조물 가진력을 저주파수에서는 충분한 크고, 고주파수에서는 구조물의 파손 등의 안전성에 영향을 주지 않도록 안정된 가진력을 갖도록 불평형질량이 장착되고 서로 반대방향으로 회전하는 불평형모터와,

   상기 불평형모터에 의해 발생되는 가진력을 시험대상 대형구조물에 전달하는 매개체인 베이스 플레이트와,

   상기 가진기의 출력을 직접 측정하고 넓은 주파수대에 걸쳐 가진력을 쉽게 조절하도록 상기 베이스 플레이트에 장착된 힘 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공진과 댐퍼를 이용한 대형구조물 동특성 시험용 가진기.