KR101771424B1 - 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치 - Google Patents

충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치 Download PDF

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Abstract

충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예는, 회전력을 발휘하는 구동부; 상기 구동부에 연결되어 회전되며, 원주방향으로 다수의 접촉돌기가 등간격으로 배열되어 구성되는 로터; 상기 로터의 외주면에 근접하여 형성되며, 다수의 접촉돌기에 충돌되도록 형성된 충격해머; 상기 로터의 회전속도를 감지하는 속도센서; 상기 충격해머의 충돌시 발생하는 변위를 측정하는 변위센서;를 포함하여 구성된다.
이에 따르면, 본 발명의 장치는 주기적인 충격하중이 회전계의 횡방향 진동특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한 이론 분석의 결과를 검증하는 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치{Test rig for characterization of a rotor vibration under impact loadings}
본 발명은 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주기적인 충격하중을 받는 회전계의 횡방향 진동특성을 실험적으로 분석할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연삭기를 비롯한 각종 공작기계로부터 펌프, 가스터빈 등의 유체기계, 그리고 컴퓨터 하드디스크와 같은 정보저장기기에 이르기까지 광범위한 분야에 활용되고 있는 회전기기에서 발생하는 횡방향 진동은 회전속도와 계에 작용하는 외부 하중에 의해 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
국내 특허출원 10-2013-0159983호 「회전 원판의 고유진동 측정 장치」가 개시되어 있다.
상기 선행기술을 살펴보면, 회전 원판으로부터 소정의 거리 이격된 위치에서 상기 회전 원판으로 투사체를 발사하여 상기 회전 원판에 진동을 인가하는 진동 인가부; 상기 회전 원판으로부터 소정의 거리 이격된 위치에서 상기 회전 원판의 진동량을 감지하는 진동량 감지부; 및 상기 진동량에 기초하여 상기 회전 원판의 고유진동을 측정하는 측정부;를 포함하는 것으로, 원거리에서도 회전 원판에 가진력을 전달하고 고유진동을 측정할 수 있도록 한 것이었다.
한편 주기적인 충격하중의 형태로 주어지는 외부하중이 회전기기의 안정성, 임계속도 등에 미치는 영향을 분석하는 것은 매우 중요하다.
이에 관해 집중질량법, 갤러킨방법, 플로케 이론과 같이 이론적으로 분석하는 방법은 널리 있으나 이를 검증할 수 있는 실험 분석 사례는 없었다.
특허등록 제10-1514576호 (2015.04.16.)
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 주기적인 충격하중이 작용하는 회전계의 횡진동 특성을 분석할 수 있고, 고속회전하는 로터에 가해지는 충격하중의 크기와 주기를 핀 조인트에서의 마찰과 충격점의 개수를 변화시킴으로써 조절할 수 있도록 한 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시예는, 회전력을 발휘하는 구동부; 상기 구동부에 연결되어 회전되며, 원주방향으로 다수의 접촉돌기가 등간격으로 배열되어 구성되는 로터; 상기 로터의 외주면에 근접하여 형성되며, 다수의 접촉돌기에 충돌되도록 형성된 충격해머; 상기 로터의 회전속도를 감지하는 속도센서; 상기 충격해머의 충돌시 발생하는 변위를 측정하는 변위센서;를 포함하여 구성된다.
상기 충격해머는 접촉돌기에 하부가 접촉되도록 수직하게 형성되며, 상부는 프레임에 핀조인트로 힌지결합되어 자중에 의해 회전될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 로터는 원형의 판상이며, 중심부에 구동부가 연결되고, 로터와 구동부가 장착되는 장착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 장착부는 지면에 안착된 베드; 베드의 상면에 완충기로 지지되는 플레이트; 상기 플레이트의 상면에 복수로 형성되는 베어링하우징; 상기 베어링하우징에 결합되며 구동모터의 축에 연결되며 로터의 중심부에 결합되는 회전축;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 속도센서는 로터의 일면에 대응하여 형성되며 다수의 접촉돌기의 회전속도를 분석하여 속도를 연산하는 것을 특징으로 한다.
상기 변위센서는 플레이트의 상면에 형성되며, 충격해머의 하부에 대해 수직되게 설치되는 것이고, 충격해머가 정지되어 수직하게 배치되었을때를 정점으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 장치는 주기적인 충격하중이 회전계의 횡방향 진동특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한 이론 분석의 결과를 검증하는 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치를 나타낸 정면도,
도 2는 상기 도 1에서 일부를 나타낸 측면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치를 이용하여 회전속도에 따른 횡진동 진폭을 실험한 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치를 이용하여 충격에 따른 횡진동 진폭 변화를 실험한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치를 나타낸 정면도, 도 2는 상기 도 1에서 일부를 나타낸 측면도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치를 이용하여 회전속도에 따른 횡진동 진폭을 실험한 그래프, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치를 이용하여 충격에 따른 횡진동 진폭 변화를 실험한 그래프이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동실험장치(A)는, 회전력을 발휘하는 구동부(2); 구동부(2)에 연결되어 회전되며, 원주방향으로 다수의 접촉돌기(42)가 등간격으로 배열되어 구성되는 로터(4); 로터(4)의 외주면에 근접하여 형성되며, 다수의 접촉돌기(42)에 충돌되도록 형성된 충격해머(6); 로터(4)의 회전속도를 감지하는 속도센서(7); 충격해머(6)의 충돌시 발생하는 변위를 측정하는 변위센서(8);를 포함하여 구성된다.
충격해머(6)는 타원형이되 도 2에 나타낸 바와 같이, 하단이 상단보다 작은 직경으로 형성되어 이경 타원형상이며, 접촉돌기(42)에 하부가 접촉되도록 수직하게 형성되며, 상부는 프레임(62)에 핀조인트(64)로 힌지결합되어 자중에 의해 회전될 수 있도록 형성된다.
충격해머(6)는 2개의 접촉돌기(42) 사이에 하부가 배치될 수 있도록 길게 형성됨으로써 로터(4)의 회전시 접촉돌기(42)들과 충돌될 수 있고, 접촉돌기(42)와 충돌시 일정한 범위 내에서 회전될 수 있도록 하였다.
따라서 로터(4)의 회전속도가 증가될수록 충돌된 충격해머(6)의 회전범위가 증가될 것이고, 충돌세기가 증가되는 것과 같다.
로터(4)는 원형의 판상이며, 중심부에 구동부(2)가 연결되고, 로터(4)와 구동부(2)가 장착되는 장착부(9)가 형성된다.
장착부(9)는, 지면에 안착되며 일정 면적의 판상으로 된 베드(92)와, 베드(92)의 상면에 복수개가 수직되게 설치되는 완충기(93)와, 완충기(93)의 상부에 안착되어 탄성지지되는 플레이트(94)와, 플레이트(94)의 상면에 복수로 형성되되 일렬로 배열되는 베어링하우징(97)과, 복수의 베어링하우징(97)에 관통 결합되며 구동모터(22)의 축(223)에 연결되고, 아울러 로터(4)의 중심부에 결합되는 회전축(96)을 포함하여 구성된다.
복수의 베어링하우징(97)의 내부에는 각기 베어링이 장착되고, 회전축(96)은 복수의 베어링하우징(97)에 관통 결합되어 안정적으로 수평되게 결합되고, 회전될 수 있다.
회전축(96)의 일단은 구동모터(22)의 축(223)과 커플링부재(226)에 의해 결합된다. 따라서 구동모터의 회전력을 전달받아 회전될 수 있다.
물론 커플링부재(226) 외에 회전속도를 조절할 수 있도록 감속기(미도시)가 추가될 수 있다.
로터(4)는 회전축(96)이 중심을 관통하여 결합됨으로써 회전축(96)의 회전에 동반하여 회전될 수 있다.
속도센서(7)는 로터(4)의 일면에 대응하여 형성되며 다수의 접촉돌기(42)의 회전속도를 분석하여 연산한다.
변위센서(8)는 플레이트(94)의 상면에 형성되며, 충격해머(6)의 하부에 대해 수직되게 설치된다.
바람직하게는 충격해머(6)가 정지되어 수직하게 배치되었을때를 정점으로 판단하도록 설정된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 충격하중을 인가하기 위하여 정지된 프레임(62)에 핀조인트(64)로 힌지 결합되어 진자 운동하는 충격해머(6)가 로터(4)의 원주방향으로 위치한 접촉돌기(42)와 충돌함으로써 충격이 전달되도록 형성된다.
따라서 핀조인트(64)에서의 마찰과 접촉돌기(42)의 개수를 변경시킴으로써 전달되는 충격하중의 크기와 주기를 효과적으로 조절할 수 있다.
예를들어 핀조인트(64)를 조여서 충격해머(6)의 진자운동의 선회 속도를 조절하도록 마찰을 발생시키는 것이다.
또는 접촉돌기(42)의 갯수를 증가 또는 감소시킴으로써 충격하중을 변화시킬 수 있다.
또는 핀조인트(64)에서의 마찰을 최소화함으로써 로터(4)의 접선방향으로의 하중 전달 효율을 높이고 접선 이외 방향으로의 불필요한 상호작용을 방지하도록 하였다.
이하 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 진동실험장치(A)는 주기적인 충격하중이 회전계의 횡방향 진동특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석할 수 있고 또한 이론 분석의 결과를 검증하는 용도로 활용할 수 있는 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 장치를 이용하여 고속회전(~3000 rpm)하는 로터(4)에 1회전당 8회의 주기적인 충격이 가해지는 경우의 횡방향 진동의 크기를 측정하여 이론 분석으로 얻은 결과와 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 이론해석 결과의 불안정 회전속도에서는 충격하중이 작용하면 진폭이 크게 증가하는 것을 나타낸 것이다.
가로축은 회전속도이고, 세로축은 횡면진동(lateral vibration)을 의미한다.
한편 도 4는 충격 유무에 따른 진폭 변화의 비율을 보여주는 것이다.
가로축은 회전속도이고, 세로축은 진폭 변화를 의미한다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, U00~U02 구간이 불안정 영역으로 해석된다.
이러한 이론분석의 결과와의 비교를 통하여 본 발명은 충격하중이 회전계의 진동특성에 미치는 영향을 실험적으로 검증하는데 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시 예들을 설명하였지만, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 고안이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
2 : 구동부 4 : 로터
6 : 충격해머 7 : 속도센서
8 : 변위센서 42 : 접촉돌기
62 : 프레임 64 ; 핀조인트
9 : 장착부 92 : 베드
94 : 플레이트 97 : 베어링하우징
96 : 회전축

Claims (6)

  1. 회전력을 발휘하는 구동부;
    상기 구동부에 연결되어 회전되며, 원주방향으로 다수의 접촉돌기가 형성된 로터;
    상기 로터의 외주면에 근접하여 설치되고, 정지된 프레임에 핀조인트로 힌지 결합되어 진자 운동하며, 다수의 접촉돌기에 충돌되는 충격해머;
    상기 로터의 회전속도를 감지하는 속도센서; 및
    상기 충격해머의 충돌시 발생하는 변위를 측정하는 변위센서;를 포함하며,
    상기 충격해머는, 접촉돌기에 하부가 접촉되도록 수직하게 형성되며, 상부는 프레임에 핀조인트로 힌지결합되어 자중에 의해 회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충격해머는, 하단이 상단보다 작은 직경으로 형성되는 이경 타원형상인 것을 특징으로 하는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 로터는 원형의 판상이며, 중심부에 구동부가 연결되고, 로터와 구동부가 장착되는 장착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 장착부는
    지면에 안착된 베드;
    베드의 상면에 완충기로 지지되는 플레이트;
    상기 플레이트의 상면에 복수로 형성되는 베어링하우징;
    상기 베어링하우징에 결합되며 구동모터의 축에 연결되며 로터의 중심부에 결합되는 회전축;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 속도센서는 로터의 일면에 대응하여 형성되며 다수의 접촉돌기의 회전속도를 분석하는 것을 특징으로 하는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변위센서는 충격해머의 하부에 대해 수직되게 형성되는 것을 특징으로 하는 충격하중이 작용하는 회전계의 특성분석을 위한 진동 실험장치.
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