KR100379583B1 - 축 진동 감쇠 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 축 진동 감쇠 장치는, 회전축(2, 21)을 지지하는 구름 베어링 부재(4, 23)를 감싸고 이에 고정된 저어널 부재(5, 25)와, 이 저어널 부재를 감싸는 하우징(1, 27, 31)의 사이에 일정한 간극(C)을 형성하게 하는 간극 형성 수단과, 상기 간극(C)에 충전되는 전기 유변 유체(6)와, 상기 전기 유변 유체(6)를 통전시키는 수단을 구비함으로써, 회전축에 의해 발생되는 진동을 안정하게 제진할 수 있다.

Description

축 진동 감쇠 장치 {APPARATUS FOR DAMPING VIBRATION OF AN AXLE}
본 발명은 고속 회전 기계용 축부재의 진동을 감쇠하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 유변 유체(Electro Rheological Fluid)를 이용하여 고속 회전 기계의 진동을 감쇠하기 위한 것으로 특히 전기적 방전(eletro discharge) 현상을 예방할 수 있는 스퀴즈 필름 댐퍼(Squeeze Film Damper)에 관한 것이다.
일반적으로 고속 회전 기계의 축부재의 진동을 감쇠하는 장치 중에 스퀴즈 필름 댐퍼는 구조가 단순하면서도 감쇠 성능이 우수하여 구름 베어링에 지지된 고속 회전체의 감쇠 장치로 이용되어 왔다. 그러나, 스퀴즈 필름 댐퍼는 매우 비선형적 진동 특성을 갖고 있기 때문에 부적절히 설계하면 오히려 고속 회전체의 진동 현상을 더욱 악화시키는 결과를 초래한다.
한편 최근에 이르러 지능 재료의 일종인 전기 유변 유체가 여러가지 기계 요소의 성능 향상과 진동 제어에 응용되면서 그 실용성을 인정받기 시작하였다. 전기 유변 유체는 전기장의 세기에 따라 감쇠(damping) 특성이 크게 변화하는 성질을 가진다. 즉, 전기 유변 유체는 전기장 무부하시 뉴우톤 유체의 거동 특성을 가지나 전기장 부하시 비-뉴우톤 유체인 빙햄 유체(Bingham Fluid)의 거동 특성을 갖는다. 빙햄 유체의 특성으로서 갖는 항복 전단 응력은 전기장의 크기에 따라 가역적으로 변화하며, 전기장 변화에 대한 응답성도 매우 양호하다. 이러한 장점으로 인하여 윤활 공학 분야에서 전기 유변 유체의 응용 연구가 최근에 진행되고 있다. 특히 고속 회전체의 축 진동 감쇠 장치인 스퀴즈 필름 댐퍼와 베어링의 유막에 전기 유변 유체를 적용하는 이론적 및 실험적 연구가 수행되고 있다.
도9는 종래 스퀴즈 필름 댐퍼를 설명하기 위해 도시된 개념도이다. 도시된 바에 의하면, 하우징(50)의 개구(51)에 삽입된 저어널 부재(52)의 단면이 도시되어 있다. 하우징(50)과 저어널 부재(52)의 중심은 편심되어 있고, 하우징(50)의 내주면과 저어널 부재(52)의 외주면 사이에는 반경 방향으로 간극(C)이 형성되어 있다. 이 간극(C)에 저어널 부재(52)의 외주면을 덮는 점성 유체가 채워진다. 이 점성 유체는 저어널 부재(52)의 진동을 흡수하는 역할을 한다.
점성 유체로서 전기 유변 유체를 사용하는 전기 유변성 스퀴즈 필름 댐퍼에서는 간극(C)을 전기장 간극으로 이용하게 된다. 그러나, 도9에 도시된 바와 같이, 하우징(50)의 개구(51) 중심과 저어널 부재(52)의 단면 중심 사이의 편심이 크게 되면, 최소 간극(Cmin)의 간격이 너무 적게 되어 최소 간극(Cmin)에서 방전이 발생된다. 이러한 경우, 최소 간극내의 전기 유변 유체는 전기장의 형성에 의해 항복 전단 응력이 변화하는 고유 기능을 상실하여 스퀴즈 필름 댐퍼로서의 기능이 일시적으로 정지하게 되고, 이에 따라, 저어널 부재의 진동을 제대로 흡수하지 못함으로써 고속 회전 기계에 치명적인 손상을 발생시킬 수 있다. 또한, 이렇게 최소 간극 사이에 있는 전기 유변 유체가 제 기능을 상실할 경우에는 저어널 부재의 외주면이 하우징의 내주면에 직접 접촉되어 회로 단선이 발생하는 문제점도 있었다.
따라서, 상기 간극에 전기 유변 유체를 직접 적용하는 종래와 같은 기술 구성으로는 항상 방전에 의한 위험성 등이 존재하기 때문에 이를 고속 회전 기계에 직접 적용하기에는 매우 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기 유변 유체의 전기장 간극을 충분히 확보하여 방전 현상을 방지하고 이로써 전기 유변 유체의 장점을 최대로 활용하여 고속 회전 기계에 설치된 축부재의 진동을 안정하게 감쇠할 수 있도록 한 스퀴즈 필름 댐퍼로서의 축 진동 감쇠 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 축 진동 감쇠 장치는, 회전축과 이 회전축을 지지하는 구름 베어링 부재와, 구름 베어링 부재를 감싸고 이에 고정된 저어널 부재와, 이 저어널 부재를 감싸는 하우징으로 구성되는 회전축 지지장치의 진동을 감쇠하기 위한 진동 감쇠 장치에 있어서, 상기 저어널 부재와 하우징의 사이에 일정한 간극을 형성하게 하는 간극 형성 수단과, 상기 간극에 충전되는 전기 유변 유체와, 상기 전기 유변 유체를 통전시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 간극 형성 수단은 바람직하게는 환형 부재이나, 그 이외에 사각형, 육각형, 팔각형 등 다각형 형상을 가질 수 있다.
상기 환형 부재는 내벽과 외벽을 구비하고, 내벽과 외벽의 사이에는 적어도 하나의 곡선형의 긴 슬롯이 리브에 의해 형성되어 있고, 상기 환형 부재는 한 측면이 개구되어 있다.
상기 전기 유변 유체를 통전시키는 수단은 상기 환형 부재의 내벽과 외벽에 각각 대향 위치한 전극 부재와, 이 전극 부재와 연결된 외부 직류 전원을 포함한다.
도1은 본 발명에 따른 축 진동 감쇠 장치로서 스퀴즈 필름 댐퍼의 개념도.
도2는 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 환형 부재를 도시한 정면도.
도3은 도2의 A-A 선을 따라 절개한 단면도.
도4는 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼를 통상의 회전 장치에 적용한 실시예를 도시한 개략도.
도5는 가변 전기장에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 주 감쇠 효과를 나타낸 그래프.
도6은 가변 전기장에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 연성 감쇠 효과를 나타낸 그래프.
도7은 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼와 종래 스퀴즈 필름 댐퍼의 불평형력의 효과를 비교하고 항복 전단 응력의 세기에 따라 불평형력의 감쇠 효과를 나타낸 그래프.
도8은 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼를 적용한 회전 장치에 있어서 축 진동 감쇠 제어를 위해 개략적으로 도시한 개념도.
도9는 일반적인 스퀴즈 필름 댐퍼를 설명하기 위해 도시한 개념도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1: 하우징
2: 회전축
4: 구름 베어링 부재
5: 저어널 부재
6: 전기 유변 유체
7: 환형 부재
11: 슬롯
17: 전극 부재
이하에 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 축 진동 감쇠 장치로서의 스퀴즈 필름 댐퍼를 설명하기 위해 개념적으로 도시한 도면이다.
도1 및 도2를 참조하면, 회전축(2)은 구름 베어링 부재(4)와 저어널 부재(5) 그리고 환형 부재(7)에 의해 하우징(1)내에 회전 가능하게 지지되어 있다.
구름 베어링 부재(4)로는 통상의 볼 베어링 등이 사용될 수 있으며, 저어널 부재(5)에 고정된다.
저어널 부재(5)의 외주면 양측부에는 요홈(13)이 형성되어, 이에 환형 부재(7)가 압착하여 끼워지도록 구성되어 있다. 하우징(1)에는 저어널 부재(5)의 각 요홈(13)에 대응하는 위치에 요홈(15)이 형성되고, 이에 환형 부재(7)가 끼워지도록 구성되어 있다.
환형 부재(7)는 내벽(7a)과 외벽(7b)을 구비하고, 내벽(7a)과 외벽(7b)사이에는 적어도 하나의 곡선형의 긴 슬롯(11)이 형성되도록 리브(7c)에 의해 이격되어 있다. 본 실시예에서는 슬롯(11)이 등간격으로 4개가 형성되어 있다. 환형 부재(7)는 저어널 부재(5)의 요홈(13)에 용이하게 끼워지고 그 상태로 유지되기 위해, 환형 부재(7)의 내벽(7a)의 내경은 저어널 부재(5)의 외주면의 외경보다 작게 형성된 한편, 그 한 측면(P)에서 개구되어 있다. 또한, 환형 부재(7)가 하우징(1)의 요홈(15) 내에 위치하고 그 상태로 유지되도록, 환형 부재(7)의 외벽(7b)의 외경은 하우징(1)의 내주면의 내경보다 크다.
환형 부재(7)의 내벽(7a) 및 외벽(7b)이 저어널 부재(5)와 하우징(1)의 요홈(13, 15)에 각각 끼워진 상태에서, 회전축(2)은 환형 부재(7)에 의해 하우징(1)내에서 좌우로 이동되지 않도록 설치된다. 또한, 하우징(1)의 내주면과 저어널 부재(5)의 외주면의 사이에는 간극(C)이 형성되고 간극(C)에는 전기 유변 유체(6)를 충전시킨다. 이때, 도시된 바와 같이, 저어널 부재(5)가 하우징(1) 내의 중공부(3)에 삽입되어 중공부(3)에 대하여 아래로 편심되어 있을지라도, 저어널 부재(5)는 환형 부재(7)에 의해 그 하측 부분에서 하우징(1)에 대해 항상 일정한 간극(C)을 유지한다. 간극(C)의 크기는 환형 부재(7)의 두께(d)(도2 참조)에 따라정해지며 전기 유변 유체(6)가 방전 현상을 일으키지 않는 범위에서 정해진다.
도3에는 슬롯(11)의 경계 부분을 구성하는 환형 부재(7)의 내벽(7a)과 외벽(7b)에 한 쌍의 전극 부재(17)가 대향 부착된 상태가 도시되어 있다. 전극 부재(17)는 외부 직류 전원(19)에 연결된다. 전극 부재(17)는 물론 도체이나 전극 부재(17)가 부착된 환형 부재(7)는 비전도체이다.
이상 설명한 본원 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 작용을 설명한다.
전극 부재(17)에 전류가 흐르면, 슬롯(11)에 채워진 전기 유변 유체(6)가 통전됨과 동시에 간극(C)에 채워진 전기 유변 유체(6)도 통전된다. 전기 유변 유체(6)는 통전되면 전기장의 세기에 따라 항복 전단 응력이 변화하여 저어널 부재(5)의 진동을 감쇠할 수 있는 제진 유체로서 작용한다. 즉, 전기 유변 유체(6)는 통전되면 항복 전단 응력이 증가하여 저어널 부재(5)의 진동을 감쇠하기에 적절한 상태로 변화한다.
도4는 도1에 도시된 기술 구성을 통상의 회전 장치에 적용한 실시예를 도시한 것이다.
도4를 참조하여 간단히 설명하면, 회전 질량체(20)를 구비한 회전축(21)의 양측부는 2개의 구름 베어링 부재(23)에 의해 지지되고, 각 구름 베어링 부재(23)를 감싸는 저어널 부재(25)가 도시되어 있다. 저어널 부재(25)는 원통형 내부 하우징(27)내에 소정의 간극을 가지면서 위치하고 내부 하우징(27)은 외부 하우징(31)내에 설치되어 있다. 상기 간극에는 전기 유변 유체(6)가 충전되어 있다. 저어널 부재(25)의 양측부에는 본 발명에 따른 한쌍의 환형 부재(33)가 각각설치되어 있다. 저어널 부재(25)의 하부는 스프링(35)에 의해 탄성 지지되어 있다.
도4에 도시된 기술 구성에 의하면, 회전축(21)의 회전에 의해 발생되는 진동은 구름 베어링 부재(23)를 통해 저어널 부재(25)로 전달된다. 저어널 부재(25)에 전달된 진동은 도1 내지 도3과 관련하여 상술한 바와 같이 소정의 간극을 유지하는 환형 부재(33)에 의해 전기 유변 유체에 의해 안정적으로 제진된다.
따라서, 본 발명의 스퀴즈 필름 댐퍼는 발명은 전기 유변 유체가 충분히 고유의 기능을 수행할 수 있도록 항상 일정한 크기의 간극을 유지하면서 전기장을 부하시킴으로써 종래 구조의 최소 간극에서 발생할 수 있는 방전 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 전기 유변 유체(6)는 통전되면 액체 상태에서 졸 및 겔 상태로 변형되는 특성이 있다. 따라서, 이러한 특성을 이용하면, 전기장의 크기를 조절함으로써 저어널 부재(5)의 양측 단부에서 슬롯(11)을 통과하는 전기 유변 유체(6)의 누설량을 제어하여 이에 상응하는 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 성능을 능동적으로 제어할 수 있고, 보수 유지가 필요없는 반 영구적인 구조를 갖출 수 있다.
이하에는 본 발명에 따른 진동 감쇠 장치의 성능을 입증하기 위해 도5 내지 도8에 도시된 그래프를 설명한다.
본 발명의 진동 감쇠 장치의 성능을 입증하기 위해 유한 차분법(FDM)의 수치적 해법과 스퀴즈 필름 댐퍼 양단에서 발생하는 전기 유변 유체의 누설량에 관한 이론식을 수립하여 유막 압력을 해석하였다. 그리고, 이를 기초로 하여 전기장의크기, 즉 전기 유변 유체의 항복 전단 응력의 변화에 따른 본 발명의 스퀴즈 필름 댐퍼의 진동 특성 계수를 해석하였다.
도5와 도6은 상기 수치 해석의 결과로서 전기 유변 유체의 항복 전단 응력의 크기에 따라 변화하는 무차원의 주 감쇠 계수(direct damping coefficient: Ctt)와 연성 감쇠 계수(cross coupled damping coefficient: Crt)를 각각 보여주고 있다. 주 감쇠 계수(Ctt)는 회전체의 진폭을 감소시키는 순수한 감쇠 역할을 하지만, 연성 감쇠 계수(Crt)는 회전체에 비선형적 진동 특성을 유발시키는 역할을 한다. 도면에 표시된 L/D는 스퀴즈 필름 댐퍼 형상비를 나타낸 것으로 도1을 참조하여 설명하면 L은 저어널 부재(5)의 길이 방향으로 전기 유변 유체가 분포된 간극(C)의 전체 폭 길이이고 D는 저어널 부재(5)의 직경이다. 도5 및 도6에서의 L/D 값은 0.25로 설정하였다. 도면에 표시된 τ0는 항복 전단 응력을 나타내고 그 값은 전기장 부하의 크기에 비례한다. 여기에서,τ0= 0 는 전기장 부하가 걸리지 않는 경우를 의미한다.
도5 및 도6을 참조하면, 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼는, 전기장 부하를 증대시킴으로써, 즉 전기 유변 유체의 항복 전단 응력(τ0)을 증대시킴으로써, 스퀴즈 필름 댐퍼 양단에서의 전기 유변 유체 누설량이 감소하고, 이에 상응하는 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 성능이 증대하고 있음을 알 수 있다. 이러한 효과는 편심율이 작아질수록 더욱 크게 나타나고 있으며 이론적으로 무한한 폭을 갖는 장폭형 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 계수값에 근접하고 있다.
한편 도5 및 도6에서 주목할 현상은 본 발명에 따른 슬롯이 형성된 환형 부재를 구비한 스퀴즈 필름 댐퍼는 주 감쇠 계수(Ctt) 값의 증가율이 연성 감쇠 계수(Crt) 값의 증가율보다 더욱 크다는 것이다. 예를 들면, 편심율이 0.2 이고 항복 전단 응력값이 0 에서 1 로 변화할 때 도5에서의 주 감쇠 계수(Ctt) 값은 도6에서의 연성 감쇠 계수(Crt)의 증가 값보다 크다. 연성 감쇠 계수(Crt) 값이 주 감쇠 계수(Ctt) 값보다 큰 경우 회전체는 비선형적 진동 특성에 의해 점프 현상이 발생하는 악영향을 받는다. 따라서, 전기 유변 유체를 스퀴즈 필름 댐퍼에 응용하고자 할 때는 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼가 더욱 우수한 감쇠 성능을 갖고 있음을 알 수 있다.
도7 및 도8은 본 발명에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼를 도4에 도시한 바와 같은 회전 장치에 장착하여 전기 유변 유체의 항복 전단 응력의 변화에 따른 회전체의 정상 상태 불균형 응답을 해석함으로써 본 발명의 스퀴즈 필름 댐퍼의 설계 변수들이 고속 회전 기계의 축 진동 현상에 미치는 영향을 분석한 그래프이다.
즉, 도7은 본 발명의 환형 부재에 따라 확보되는 소정의 간극에 부하되는 전기장의 크기, 즉 전기 유변 유체의 항복 전단 응력의 크기 변화가 정상 상태의 불평형 응답에 미치는 영향을 분석한 그래프이다. 여기에서, 본 발명의 스퀴즈 필름 댐퍼에 의해 지지된 탄성 회전 체계의 설계 변수는 각각 베어링 계수 B=0.3, 공진주파수비 f=0.4, 질량비 α=0.2, 스퀴즈 필름 댐퍼 형상비 L/D=0.25로 설정하였다. 전기 유변 유체의 항복 전단 응력(τ0)이 증가함에 따른 회전체의 진폭 변화가 각각 나타나 있다.
도7을 참조하면, 항복 전단 응력(τ0)이 증가함에 따라 회전체의 진폭이 감소하다가 다시 증가하고 있으며 위험 속도도 이동하는 것을 알 수 있다. 즉, 탄성 회전체의 최적 감쇠값이 존재함을 보여주고 있다. 또한, 적절한 전기장 제어 설계를 통하여 고속 회전체의 진동을 최소화할 수 있으며 또한 회전체의 위험 속도 조절도 가능함을 알 수 있다.
도8은 적절한 전기장 제어 설계를 통하여 고속 회전체의 진동을 최소화할 수 있으며 또한 회전체의 위험 속도 조절도 가능함을 보여주는 그래프이다. 여기에서, 8a는 스퀴즈 필름 댐퍼에 의해 지지된 회전체의 운전 개시 교차점 속도이고, 8b는 스퀴즈 필름 댐퍼에 의해 지지된 회전체의 임계 속도이고, 8c는 전기 유변 유체의 효과에 의한 스퀴즈 필름 댐퍼 지지의 회전체의 임계 속도이고, 8d는 회전체의 임계 속도 통과 후 교차점 속도이다.
도8을 참조하면, 본 발명의 스퀴즈 필름 댐퍼에 진동 감쇠되는 회전체는, 통상적인(전기 유변 유체를 이용한 스퀴즈 필름 댐퍼로서 제어 효과가 없는) 회전 속도에 따른 진폭의 경로인 8a→8b→8d가 아닌 8a→8c→8d의 스퀴즈 필름 댐퍼의 제어 효과를 지닌 경로로 운전됨을 알 수 있다. 이는 운전자로 하여금 안전하게 추후 상황을 대처할 수 있도록 시간적 여유를 제공할 수 있게 한다.
이상 설명한 본 발명에 의하면, 전기 유변 유체를 스퀴즈 필름 댐퍼의 점성 유체로서 적용할 경우, 스퀴즈 필름 댐퍼의 최소 간극에서 전기장 부하시 발생할 수 있는 방전 현상을 방지할 수 있다. 또한, 전기장의 크기를 조절함으로써 스퀴즈 필름 댐퍼의 양측부에서 환형 부재의 슬롯을 통과하는 전기 유변 유체의 누설량을 제어하여 이에 상응하는 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 성능을 능동적으로 제어할 수 있고 보수 유지가 필요없는 반 영구적인 구조를 갖출 수 있다.

Claims (4)

  1. 회전축(2, 21)과, 회전축(2, 21)을 지지하는 구름 베어링 부재(4, 23)와, 구름 베어링 부재(4, 23)를 감싸며 구름 베어링 부재(4, 23)에 고정된 저어널 부재(5, 25)와, 저어널 부재(5, 25)를 감싸는 하우징(1, 27, 31)으로 구성되는 회전축 지지 장치의 진동을 감쇠하기 위한 진동 감쇠 장치에 있어서,
    저어널 부재(5, 25)와 하우징(1, 27, 31)의 사이에 일정한 간극(C)을 형성하게 하는 환형 부재(7, 33),
    간극(C)에 충전되는 전기 유변 유체(6), 그리고
    전기 유변 유체(6)를 통전시키는 수단을 포함하고,
    상기 환형 부재(7, 33)는 내벽(7a)과 외벽(7b)을 구비하고, 내벽(7a)과 외벽(7b)의 사이에는 적어도 하나의 곡선형의 긴 슬롯(11)이 리브(7c)에 의해 형성되어 있으며, 한 측면(P)에서 개구된 것을 특징으로 하는 축 진동 감쇠 장치.
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  4. 제1항에 있어서, 전기 유변 유체(6)를 통전시키는 수단은 환형 부재(7, 33)의 내벽(7a)과 외벽(7b)에 각각 대향 위치하여 간극(C)에 충전된 전기 유변 유체(6)를 통전시키는 전극 부재(17)들과, 이 전극 부재(17)들에 연결되는 외부 직류 전원(19)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축 진동 감쇠 장치.
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