KR102128942B1 - anti-vibration design method of 2DOF Resonance Type Mixer - Google Patents

anti-vibration design method of 2DOF Resonance Type Mixer Download PDF

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KR102128942B1
KR102128942B1 KR1020190021764A KR20190021764A KR102128942B1 KR 102128942 B1 KR102128942 B1 KR 102128942B1 KR 1020190021764 A KR1020190021764 A KR 1020190021764A KR 20190021764 A KR20190021764 A KR 20190021764A KR 102128942 B1 KR102128942 B1 KR 102128942B1
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김석현
김영선
변준호
박영식
박병혁
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강원대학교산학협력단
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    • B01F31/00Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/44Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement
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    • G06F30/10Geometric CAD
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Abstract

The present invention relates to a vibration proof design method of a two-DOF resonance type mixer which comprises: a stirring unit; a driving unit; and a case accommodating the stirring unit and the driving unit, wherein the stirring unit is connected to and supported on an inner upper surface of the case by means of a first elastic body having stiffness k1, the stirring unit and the driving unit are connected to each other by means of a second elastic body having stiffness k2, and stirring unit is connected to and supported on an inner lower surface of the case by means of a third elastic body having stiffness k3. The vibration proof design method of a two-DOF resonance type mixer comprises the steps of: (a) obtaining a relational expression between the mass of the stirring unit and the mass of the driving unit that satisfy the condition in which the stirring unit resonates by the excitation frequency and the condition that prevents vibration from being transmitted to the case in a resonant state and determining the mass of the stirring unit and the mass of the driving unit based on the relational expression; and (b) determining the stiffness of the first to third elastic bodies satisfying the condition in which the excitation force of the driving unit is minimized, and static deflection of the stirring unit and the driving unit is equal to or less than a predetermined value.

Description

2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법{anti-vibration design method of 2DOF Resonance Type Mixer}Anti-vibration design method of 2DOF Resonance Type Mixer}

본 발명은 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a dustproof design method of a two-degree-of-freedom resonant mixer.

믹서는 두 종류 이상의 분말이나 액체를 혼합하는 장치로, 정밀화학 소재, 바이오 소재, 식품, 의약품 및 화장품 재료의 혼합에 널리 사용된다. 믹서는 혼합 방법에 따라 회전날개 형과 자기장, 진동, 초음파를 사용하는 다양한 방식이 있다. 대부분의 산업 현장이나 가정에서는 회전날개 형 믹서가 사용되고 있다. 그러나 회전날개 형 믹서는 장시간 사용 시, 날개나 회전축의 마모로 불순물이 혼입되거나 날개와 소재의 충돌과 마찰열로 소재가 변형될 수 있다. 바이오소재, 식품, 의약품, 화장품 소재의 경우 이러한 문제는 불량품의 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 믹서로 진동형 믹서가 있다. 일반 진동형 믹서는 회전 불평형으로 가진력을 발생시켜 소재를 담은 용기를 진동시킴으로써 소재를 섞는다. 작은 가진력으로 큰 진동을 만들기 위해 공진을 이용하는 공진형 믹서가 종래의 기술이다. 그러나 공진을 이용하므로 물질을 섞는 용기뿐만 아니라 믹서를 담고 있는 케이스 전체에 큰 진동이 발생한다. 이 문제를 해결하고자 균형추를 사용하는 공진형 믹싱 기술이 가장 최신 기술로 적용되고 있다. 그럼에도 불구하고 종래 기술은 다음의 문제점을 갖고 있다.A mixer is a device that mixes two or more types of powders or liquids, and is widely used for mixing fine chemical materials, bio materials, food, medicine, and cosmetic materials. There are various types of mixers using rotary blade type, magnetic field, vibration, and ultrasonic wave depending on the mixing method. Rotary wing mixers are used in most industrial sites and homes. However, when used for a long time, the rotor blade type mixer may be contaminated with impurities due to wear of the blade or the rotating shaft, or the material may be deformed due to collision of the blade and the material and heat of friction. In the case of biomaterials, food, pharmaceuticals, and cosmetic materials, these problems are the cause of defective products. A mixer developed to solve this problem is a vibrating mixer. The general vibrating mixer mixes the material by vibrating the container containing the material by generating an excitation force due to rotational imbalance. Resonant mixers that use resonance to create large vibrations with small excitation are prior art. However, since resonance is used, a large vibration occurs not only in the container for mixing the substance, but also in the entire case containing the mixer. In order to solve this problem, a resonant mixing technique using a balance weight is applied as the most recent technique. Nevertheless, the prior art has the following problems.

첫째, 균형추를 사용하지 않는 공진형 믹서는 몸체 케이스의 진동이 너무 커서 안정된 믹싱 공정을 어렵게 한다. 뿐만 아니라 가진력을 발생시키는 모터부의 진동도 커서 모터 수명을 단축시킨다. 둘째, 균형추를 사용하는 공진형 믹서는 위 문제를 해결할 수는 있으나, 구조가 복잡하고 무거워져 제작 단가가 높아지고 관리 운영이 불편하다. First, a resonant mixer that does not use a counterweight makes the vibration of the body case so large that it makes the stable mixing process difficult. In addition, the vibration of the motor part that generates the excitation force is also large, shortening the motor life. Second, a resonant mixer using a counterweight can solve the above problem, but the structure is complicated and heavy, resulting in high production cost and inconvenient management operation.

한국 공개특허 제10-2014-0091557호(공개일:2014.07.21.)Korean Patent Publication No. 10-2014-0091557 (Publication date: 2014.07.21.)

본 발명은 균형추를 사용하지 않는 종래의 2자유도 공진형 믹서에서 발생하는 케이스의 심한 진동을 저감시키는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for reducing severe vibration of a case occurring in a conventional two-degree-of-freedom resonant mixer without using a counterweight.

본 발명은 균형추를 사용하지 않는 종래의 2자유도 공진형 믹서에서 발생하는 케이스의 심한 진동을 저감시키는 방법으로서 두 가지 새로운 기술적 특징을 포함한다. 첫째, 믹싱을 위한 진동을 만드는 데 필요한 가진력을 최소화시키는 기술이다. 이를 통해 작은 모터로 믹싱이 가능하게 되므로 모터 구동부의 중량도 감소하고 몸체의 진동도 줄일 수가 있다. 둘째, 믹서 시스템의 2차 공진모드를 이용하여 케이스로의 진동전달을 최소화시키는 기술이다. 2차 공진 모드를 이용함으로써, 용기부 스프링을 통해 케이스로 전달되는 진동과 모터 구동부 스프링을 통해 케이스로 전달되는 진동을 서로 상쇄시켜 진동전달을 저감시킬 수 있다. 본 발명은 각 부분의 질량과 스프링 강성이 이 조건을 만족시키도록 만드는 설계기법을 제공한다. 도 1은 용기부와 모터부로 구성된 공진형 교반기의 구성도이고, 도 2는 진동해석을 위한 단순 운동계이다. The present invention includes two new technical features as a method for reducing severe vibration of a case occurring in a conventional two-degree-of-freedom resonant mixer without using a counterweight. First, it is a technique that minimizes the excitation force required to create vibrations for mixing. This allows mixing with a small motor, which reduces the weight of the motor drive and reduces the vibration of the body. Second, it is a technology that minimizes the transmission of vibration to the case using the secondary resonance mode of the mixer system. By using the secondary resonance mode, vibration transmission can be reduced by canceling vibrations transmitted to the case through the container spring and vibrations transmitted to the case through the motor drive spring. The present invention provides a design technique for making the mass and spring stiffness of each part satisfy this condition. 1 is a block diagram of a resonant stirrer composed of a container part and a motor part, and FIG. 2 is a simple motion system for vibration analysis.

보다 구체적으로, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, More specifically, the present invention to achieve the above-described technical problem,

교반부; 구동부; 및 상기 교반부와 구동부를 수용하는 케이스를 포함하며, Stirring unit; Drive unit; And a case accommodating the stirring unit and the driving unit,

상기 교반부는 강성 k1의 제1 탄성체를 매개로 상기 케이스 내부의 상면에 연결되어 지지되고, The stirring portion is supported by being connected to the upper surface inside the case via the first elastic body of rigid k 1 ,

상기 교반부 및 상기 구동부는 강성 k2의 제2 탄성체로 상호 연결되고, The stirring portion and the driving portion are interconnected with a second elastic body of rigid k 2 ,

상기 교반부는 강성 k3의 제3 탄성체를 매개로 상기 케이스 내부의 하면에 연결되어 지지되는 것을 특징으로 하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법에 있어서, In the dustproof design method of the two-degree-of-freedom resonant mixer, characterized in that the stirring unit is connected to and supported by a lower surface inside the case via a third elastic body of rigid k 3 ,

(a) 가진 주파수에 의해 교반부가 공진되는 조건 및 공진 상태에서 진동이 케이스로 전달되는 것을 방지하는 조건을 만족하는 교반부 질량 및 구동부 질량 간의 관계식을 얻고 상기 관계식에 기초해 교반부 질량 및 구동부 질량을 결정하는 단계; 및 (a) Obtain a relational expression between the mass of the stirring portion and the mass of the driving portion that satisfies the condition that the stirring portion is resonated by the excitation frequency and the condition for preventing vibration from being transmitted to the case in the resonant state, and based on the relational expression, the mass of the stirring portion and the mass of the driving portion Determining; And

(b) 구동부의 가진력을 최소로 하되, 교반부 및 구동부의 정적 처짐(static deflection)이 소정값 이하가 되는 조건을 만족하는 제1 탄성체 내지 제3 탄성체의 강성을 결정하는 단계;를 포함하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법을 제안한다.(b) determining the stiffness of the first to third elastic bodies satisfying the condition that the excitation force of the driving portion is minimized, but the static deflection of the stirring portion and the driving portion is equal to or less than a predetermined value; We propose a dust-proof design method for a freedom mixer.

이때, 상기 교반부 질량 및 구동부 질량 간의 관계식은 아래 식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다. At this time, the relationship between the mass of the stirring unit and the mass of the driving unit is characterized in that it is represented by Equation 1 below.

<식 1><Equation 1>

Figure 112019019462488-pat00001
Figure 112019019462488-pat00001

(상기 식 1에서 m1은 교반부 질량, m2는 구동부 질량, X1/X2는 구동부 대비 교반부 진폭 비, β는 k3/k1).(In the formula 1, m 1 is the mass of the stirring unit, m 2 is the mass of the driving unit, X 1 /X 2 is the amplitude ratio of the stirring unit to the driving unit, β is k 3 /k 1 ).

또한, 상기 단계 (b)에서 탄성체 강성비 α (k2/k1) 값에 관계없이 가진력 최소값이 존재하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (b), the minimum value of the excitation force is present regardless of the value of the elastic stiffness ratio α (k 2 /k 1 ).

또한, 상기 α 값이 증가할수록, 가진력 최소값을 만족하는 탄성체 강성 k1 값은 감소하고, 교반부 및 구동부의 정적 처짐은 증가하는 것을 특징으로 한다.In addition, as the α value increases, the elastic body stiffness k 1 value that satisfies the minimum excitation force decreases, and the static deflection of the stirring portion and the driving portion increases.

본 발명에 따른 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법에 의하면, 첫째, 최소 가진력으로 믹싱 공정이 가능하므로 모터 구동부의 크기와 중량을 최소화시키고 몸체로의 진동전달도 감소시킬 수 있고, 둘째, 케이스로 전달되는 진동을 상쇄시켜 차단함으로써, 안정된 상태에서 믹싱 작업을 수행할 수 있으며, 셋째, 위 조건을 만족하는 시스템 설계기법을 제공하므로, 다양한 용량의 제품을 개발하여 새로운 시장을 개척할 수 있다. According to the anti-vibration design method of the two-degree-of-freedom resonant mixer according to the present invention, first, since the mixing process is possible with the minimum excitation force, the size and weight of the motor driving part can be minimized, and vibration transmission to the body can also be reduced. By canceling and blocking the vibration transmitted to, mixing can be performed in a stable state, and third, since a system design technique that satisfies the above conditions is provided, a new market can be developed by developing products of various capacities.

또한, 본 발명에 따라 설계된 2자유도 공진형 믹서 정밀화학 소재, 바이오 소재, 식품, 의약품 및 화장품 소재의 혼합을 위한 기존의 회전 날개형 믹서를 대체하여 널리 적용될 수 있고, 기존의 균형추를 갖는 공진형 믹서의 구조를 단순화시키고 중량을 감소시켜 제작단가를 절감시키며, 용기부의 용량을 키워 생산량을 증대시키는 시스템 개발이 가능하다. In addition, the two-degree-of-freedom resonant mixer designed according to the present invention can be widely applied as a replacement for the existing rotary vane mixer for mixing of fine chemical materials, bio materials, food, pharmaceuticals, and cosmetic materials, and resonance with an existing balance weight It is possible to develop a system that simplifies the structure of the type mixer and reduces the production cost by reducing the weight, and increases the production capacity by increasing the capacity of the container.

도 1은 2자유도 공진형 교반기의 모식도이다.
도 2는 상기 도 1의 공진형 교반기를 단순 운동계로 나타낸 모식도이다.
도 3은 α 및 k1과 가진력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 α와 전달력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 α에 따른 정적 처짐을 도시한 그래프이다.
도 6은 공진형 교반기의 진동모드이다.
도 7은 공진형 교반기의 주파수 응답 곡선이다.
1 is a schematic diagram of a two-degree-of-freedom resonant stirrer.
2 is a schematic diagram showing the resonant stirrer of FIG. 1 with a simple motion system.
3 is a graph showing the relationship between α and k 1 and excitation force.
4 is a graph showing the relationship between α and the transfer force.
5 is a graph showing static deflection according to α.
6 is a vibration mode of the resonant stirrer.
7 is a frequency response curve of a resonant stirrer.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention may be modified in various ways and have various forms, and thus, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiment according to the concept of the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described is present, and one or more other features or numbers. It should be understood that it does not preclude the existence or addition possibilities of, steps, actions, components, parts or combinations thereof.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.The embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not interpreted to be limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

<실시예><Example>

1. 공진형 믹서의 진동 1. Vibration of resonant mixer

도 2는 도 1의 믹서 시스템을 단순화시킨 구조이다. 용기부(

Figure 112019019462488-pat00002
)은 스프링
Figure 112019019462488-pat00003
으로 케이스에 연결되어 지지된다. 모터 구동부(
Figure 112019019462488-pat00004
)는 스프링
Figure 112019019462488-pat00005
로 케이스에 지지된다. 용기부와 모터 구동부의 운동을 결정하기 위해 뉴턴 제 2법칙을 적용하여 운동 방정식을 아래와 같이 구할 수 있다. FIG. 2 is a simplified structure of the mixer system of FIG. 1. Container part(
Figure 112019019462488-pat00002
) Is spring
Figure 112019019462488-pat00003
It is supported by being connected to the case. Motor drive (
Figure 112019019462488-pat00004
) Is spring
Figure 112019019462488-pat00005
It is supported by the furnace case. In order to determine the motion of the container part and the motor drive part, the equation of motion can be obtained as follows by applying Newton's second law.

Figure 112019019462488-pat00006
Figure 112019019462488-pat00006

변위

Figure 112019019462488-pat00007
Figure 112019019462488-pat00008
를 조화운동으로 보면, 식 (1),(2)는 식 (3)의 행렬방정식으로 나타낼 수 있다.Displacement
Figure 112019019462488-pat00007
Wow
Figure 112019019462488-pat00008
Looking at the harmonic motion, Eqs. (1) and (2) can be expressed as the matrix equation of Eq. (3).

Figure 112019019462488-pat00009
Figure 112019019462488-pat00009

시스템의 공진주파수를 결정하는 특성 방정식은 계수행렬의 행렬식이 영이 되는 조건인 식 (4)로 나타낼 수 있다. The characteristic equation for determining the resonant frequency of the system can be expressed by Equation (4), which is a condition where the matrix of the coefficient matrix becomes zero.

Figure 112019019462488-pat00010
Figure 112019019462488-pat00010

식 (3)으로부터 도출된 교반부와 모터부의 진폭은 식 (5),(6)과 같다. The amplitudes of the stirring part and the motor part derived from equation (3) are as shown in equations (5) and (6).

Figure 112019019462488-pat00011
Figure 112019019462488-pat00011

2. 공진주파수 2. Resonant frequency

공진주파수는 60Hz로 설정한다.

Figure 112019019462488-pat00012
에 대한 스프링 강성비를 사용하여
Figure 112019019462488-pat00013
,
Figure 112019019462488-pat00014
로 표시하면 특성 방정식 (4)를 식(7)로 나타낼 수 있다. 식(7)에 공진주파수 값을 적용하면 질량과 스프링상수 사이의 관계를 얻을 수 있다.The resonance frequency is set to 60 Hz.
Figure 112019019462488-pat00012
Using the spring stiffness ratio for
Figure 112019019462488-pat00013
,
Figure 112019019462488-pat00014
When expressed as, the characteristic equation (4) can be expressed as equation (7). By applying the resonance frequency value to equation (7), the relationship between mass and spring constant can be obtained.

Figure 112019019462488-pat00015
Figure 112019019462488-pat00015

3. 전달력 상쇄3. Transmission power offset

케이스로의 전달력은 모터구동부의 진동이 스프링 k3을 통해 전달되는 경로와, 용기부의 진동이 스프링 k1을 통해 전달되는 두개의 경로를 통한다. 두 전달 경로의 합력을 0으로 상쇄시키려면, 두 경로로 전달되는 힘의 방향이 반대가 되도록 만들어 전달력 상쇄 조건 식 (8)을 만족시키도록 하면 된다.The transmission force to the case passes through a path in which the vibration of the motor driving portion is transmitted through the spring k3 and a path in which the vibration of the container portion is transmitted through the spring k1. In order to cancel the sum of the two transmission paths to zero, the direction of the force transmitted between the two paths is made to be opposite so that the condition (8) of the condition for canceling the transmission force can be satisfied.

Figure 112019019462488-pat00016
Figure 112019019462488-pat00016

식 (7)과 식(8)로부터 모터부와 용기부의 질량 관계를 식 (9)와 같이 스프링 상수비 (

Figure 112019019462488-pat00017
)
Figure 112019019462488-pat00018
를 사용하여 얻을 수 있다.From Eq. (7) and Eq. (8), the spring constant ratio (
Figure 112019019462488-pat00017
)
Figure 112019019462488-pat00018
Can be obtained using

Figure 112019019462488-pat00019
Figure 112019019462488-pat00019

4. 시스템 설계4. System Design

식(5)와 식(6)을 식(8)에 적용하고 식 (9)를 사용하면, 용기부 질량을 결정할 수 있다. 그러나 스프링 강성의 경우 조건을 만족하는 경우가 하나로 결정되지 않으므로 적절한 스프링 상수 값을 선정해야 한다. 우선 60Hz에서 용기부의 진동 가속도가 100g를 만족하되 모터부의 가진력은 최소가 되도록 만든다. 추가적으로 스프링의 정적 처짐 범위를 제한하여 적절한 스프링 강성 값을 도출할 수 있다.By applying equations (5) and (6) to equation (8) and using equation (9), the mass of the container can be determined. However, in the case of spring stiffness, the case where the condition is satisfied is not determined as one, so an appropriate spring constant value should be selected. First, the vibration acceleration of the container part satisfies 100 g at 60 Hz, but the excitation force of the motor part is minimized. Additionally, it is possible to derive an appropriate spring stiffness value by limiting the static deflection range of the spring.

용기부 질량

Figure 112019019462488-pat00020
으로 설정하고 용기부 진폭대비 모터부 진폭의 비를 0.2로 설정하였다. 이 값은 믹서의 크기에 따라 조절이 가능하다. 식(5)에 가진 주파수
Figure 112019019462488-pat00021
에서 용기부의 진동 가속도
Figure 112019019462488-pat00022
를 만족시키는 조건을 적용하면, 가진력
Figure 112019019462488-pat00023
는 아래와 같이 나타낼 수 있다.Container mass
Figure 112019019462488-pat00020
And the ratio of the amplitude of the motor portion to the amplitude of the container portion was set to 0.2. This value can be adjusted according to the size of the mixer. Frequency in Equation (5)
Figure 112019019462488-pat00021
Vibration acceleration of container part
Figure 112019019462488-pat00022
Applying the condition that satisfies the
Figure 112019019462488-pat00023
Can be represented as below.

Figure 112019019462488-pat00024
Figure 112019019462488-pat00024

도 3은 스프링 상수비

Figure 112019019462488-pat00025
의 값에 따라 스프링 상수
Figure 112019019462488-pat00026
과 가진력
Figure 112019019462488-pat00027
의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 감쇠는 스프링 연결부의 마찰로 인한 작은 감쇠를 고려하여,
Figure 112019019462488-pat00028
의 작은 값을 부여하였다. 본 발명에서 규명한 흥미로운 현상은
Figure 112019019462488-pat00029
에 무관하게 최소 가진력이 존재한다는 사실이다. 즉, 본 발명이 제공하는 최소 가진력으로 공진시켜 요구치인 100g의 믹싱 가속도를 얻을 수 있다. 종래에는 과도한 가진력을 사용하였므로 요구치를 초과하는 믹싱 가속도를 얻을 수는 있었으나, 모터 구동부의 중량이 증가하고 케이스의 진동이 커지는 문제가 발생했다.3 is a spring constant ratio
Figure 112019019462488-pat00025
Spring constant according to the value of
Figure 112019019462488-pat00026
Overexcitation
Figure 112019019462488-pat00027
It is a graph showing the correlation of. The damping takes into account the small damping due to the friction of the spring connection,
Figure 112019019462488-pat00028
Was given a small value of. Interesting phenomenon identified in the present invention
Figure 112019019462488-pat00029
It is true that regardless of the minimum excitation force exists. That is, it is possible to obtain a mixing acceleration of 100 g, which is a required value, by resonating with the minimum excitation force provided by the present invention. In the prior art, since excessive excitation force was used, mixing acceleration exceeding a required value could be obtained, but the weight of the motor drive portion increased and the vibration of the case increased.

도 4는 스프링 상수 비

Figure 112019019462488-pat00030
에 따른 케이스로 전달력의 변화를 보인다.
Figure 112019019462488-pat00031
가 증가하고 감쇠가 작아질수록 케이스 전달력은 감소한다. 그러나 도 3에서
Figure 112019019462488-pat00032
가 증가하면 최소 가진력을 만족하는 스프링 상수
Figure 112019019462488-pat00033
값이 감소한다. 스프링 상수가 너무 작아지면 시스템이 취약해지므로 허용 가능한 범위에서 적절한 스프링 강성을 정해야 한다. 이 문제는 스프링의 정적 처짐 식 (10)을 사용하여 해결이 가능하다. 4 is a spring constant ratio
Figure 112019019462488-pat00030
According to the case, it shows the change of transmission power.
Figure 112019019462488-pat00031
And the damping decreases, the case transfer force decreases. However, in Figure 3
Figure 112019019462488-pat00032
Increases, the spring constant satisfies the minimum excitation force
Figure 112019019462488-pat00033
Value decreases. If the spring constant becomes too small, the system becomes vulnerable, so the proper spring stiffness should be determined within an acceptable range. This problem can be solved using the static deflection equation (10) of the spring.

Figure 112019019462488-pat00034
Figure 112019019462488-pat00034

Figure 112019019462488-pat00035
Figure 112019019462488-pat00036
는 각각 용기부와 모터부의 정적 처짐이다. 도 5은
Figure 112019019462488-pat00037
에 따른 정적 처짐의 변화다.
Figure 112019019462488-pat00038
가 증가하면서 정적 처짐의 값도 증가한다. 정적 처짐을 1mm로 설정하면, 스프링 상수비
Figure 112019019462488-pat00039
=11로 결정된다. 이 스프링 상수는 도 4에서 15[N] 아래의 작은 힘만 전달한다.
Figure 112019019462488-pat00035
and
Figure 112019019462488-pat00036
Is the static deflection of the container part and the motor part, respectively. Figure 5
Figure 112019019462488-pat00037
It is the change of static deflection according to.
Figure 112019019462488-pat00038
The value of static sag increases with increasing. If the static deflection is set to 1mm, the spring constant ratio
Figure 112019019462488-pat00039
=11. This spring constant transmits only a small force below 15[N] in FIG. 4.

5. 공진모드5. Resonance mode

이러한 해석과정을 통해 용기부가 60Hz에서 100g의 진동가속도를 만족하되, 모터 가진력과 케이스 전달력을 최소화 시키는 믹서 시스템의 제원을 결정할 수 있다. 표 1은 용기부 질량을 5kg으로 설정했을 때의 공진형 믹서의 제원이다. Through this analysis process, it is possible to determine the specifications of the mixer system that satisfies 100 g of vibration acceleration at 60 Hz while minimizing motor excitation and case transmission. Table 1 shows the specifications of the resonant mixer when the container mass is set to 5 kg.

<표 1> 2자유도 공진형 교반기의 제원<Table 1> Specification of two degree of freedom resonant stirrer

Figure 112019019462488-pat00040
Figure 112019019462488-pat00040

본 발명은 용기부 질량

Figure 112019019462488-pat00041
을 다르게 해도 동일한 해석 방법을 통해 시스템의 제원을 결정할 수 있다.The present invention is the mass of the container
Figure 112019019462488-pat00041
Even if is different, the specifications of the system can be determined through the same analysis method.

도 6은 제시된 방법으로 결정된 공진형 믹서의 진동모드와 고유주파수이다. 2차 고유주파수는 60Hz로 용기부와 모터부가 서로 반대 위상으로 진동한다. 따라서 2차 모드로 공진시키면 용기부와 모터구동부가 서로 반대 방향으로 진동하면서 케이스로의 전달력이 상쇄된다. 또 용기부 대비 모터부의 진폭 비는 0.2로, 모터의 내구성에도 유리하다. 이 시스템의 진동응답 특성은 도 7의 주파수 응답 곡선으로 최종 확인된다. 2차 고유주파수인 60Hz로 진동시, 용기부의 진동 가속도(Acc1)는 목표치 100g를 만족한다. 이때 모터부(Acc2)는 그 1/5인 20g의 가속도로 진동하고, 용기부(Phase1)와 모터부(Phase2)의 위상은 서로 반대 방향이다. 결론적으로 이와 같이 2차 공진모드로 공진시킬 때, 최소한의 가진력으로, 케이스로의 전달력을 최소화시키며, 모터부 진동은 용기부 진동의 1/5 정도로 제한된다. 6 is a vibration mode and natural frequency of the resonant mixer determined by the proposed method. The second natural frequency is 60 Hz, and the container part and the motor part vibrate in opposite phases. Therefore, when resonating in the secondary mode, the container portion and the motor driving portion vibrate in opposite directions, and the transmission force to the case is canceled. In addition, the amplitude ratio of the motor portion to the container portion is 0.2, which is advantageous for the durability of the motor. The vibration response characteristic of this system is finally confirmed by the frequency response curve of FIG. 7. When vibrating at the second natural frequency of 60 Hz, the vibration acceleration (Acc1) of the container part satisfies the target value of 100 g. At this time, the motor part (Acc2) vibrates at an acceleration of 20g, which is 1/5, and the phases of the container part (Phase1) and the motor part (Phase2) are opposite directions. In conclusion, when resonating in the secondary resonance mode, the transmission force to the case is minimized with minimal excitation force, and the vibration of the motor part is limited to about 1/5 of the vibration of the container part.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains have other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that can be carried out. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (5)

교반부; 구동부; 및 상기 교반부와 구동부를 수용하는 케이스를 포함하며,
상기 교반부는 강성 k1의 제1 탄성체를 매개로 상기 케이스 내부의 상면에 연결되어 지지되고,
상기 교반부 및 상기 구동부는 강성 k2의 제2 탄성체로 상호 연결되고,
상기 교반부는 강성 k3의 제3 탄성체를 매개로 상기 케이스 내부의 하면에 연결되어 지지되는 것을 특징으로 하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법에 있어서,
(a) 가진 주파수에 의해 교반부가 공진되는 조건 및 공진 상태에서 진동이 케이스로 전달되는 것을 방지하는 조건을 만족하는 교반부 질량 및 구동부 질량 간의 관계식을 얻고 상기 관계식에 기초해 교반부 질량 및 구동부 질량을 결정하는 단계; 및
(b) 구동부의 가진력을 최소로 하되, 교반부 및 구동부의 정적 처짐(static deflection)이 소정값 이하가 되는 조건을 만족하는 제1 탄성체 내지 제3 탄성체의 강성을 결정하는 단계;
를 포함하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법.
Stirring unit; Drive unit; And a case accommodating the stirring unit and the driving unit,
The stirring portion is supported by being connected to the upper surface inside the case via the first elastic body of rigid k 1 ,
The stirring portion and the driving portion are interconnected with a second elastic body of rigid k 2 ,
In the dustproof design method of the two-degree-of-freedom resonant mixer, characterized in that the stirring unit is connected to and supported by a lower surface inside the case via a third elastic body of rigid k 3 ,
(a) Obtain a relational expression between the mass of the stirring portion and the mass of the driving portion that satisfies the condition that the stirring portion is resonated by the excitation frequency and the condition that prevents vibration from being transmitted to the case in the resonant state, and based on the relational expression, the mass of the stirring portion and the mass of the driving portion Determining; And
(b) determining the stiffness of the first to third elastic bodies satisfying the condition that the excitation force of the driving portion is minimized, but the static deflection of the stirring portion and the driving portion is equal to or less than a predetermined value;
Dustproof design method of a two-degree-of-freedom resonant mixer comprising a.
제1항에 있어서,
상기 교반부 질량 및 구동부 질량 간의 관계식은 아래 식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법:
<식 1>
Figure 112019019462488-pat00042

(상기 식 1에서 m1은 교반부 질량, m2는 구동부 질량, X1/X2는 구동부 대비 교반부 진폭 비, β는 k3/k1).
According to claim 1,
The relationship between the mass of the stirring unit and the mass of the driving unit is a method for anti-vibration design of a two-degree-of-freedom resonant mixer, which is represented by Equation 1 below:
<Equation 1>
Figure 112019019462488-pat00042

(In the formula 1, m 1 is the mass of the stirring unit, m 2 is the mass of the driving unit, X 1 /X 2 is the amplitude ratio of the stirring unit to the driving unit, β is k 3 /k 1 ).
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 탄성체 강성비 α (k2/k1) 값에 관계없이 가진력 최소값이 존재하는 것을 특징으로 하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법.
According to claim 1,
In the step (b), a method for anti-vibration design of a two-degree-of-freedom resonant mixer, characterized in that a minimum excitation force exists regardless of the value of the elastic stiffness ratio α (k 2 /k 1 ).
제3항에 있어서,
상기 α 값이 증가할수록, 가진력 최소값을 만족하는 탄성체 강성 k1 값은 감소하고, 교반부 및 구동부의 정적 처짐은 증가하는 것을 특징으로 하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법.
According to claim 3,
As the α value increases, the elastic rigidity k 1 value that satisfies the minimum excitation force decreases, and the static deflection method of the two-degree-of-freedom resonant mixer is characterized in that the static deflection of the stirring portion and the driving portion increases.
제1항에 있어서,
가진 주파수 60Hz, 교반부 가속도 100 × 9.81m/s2, 정적 처짐 1mm, 교반부 질량 5kg 및 교반부 대비 구동부 진폭 비(X1/X2) 0.2의 조건하에서, 최소 가진력 조건 및 공진 상태에서 진동이 케이스로 전달되는 것을 방지하는 조건을 모두 만족시키기 위해,
구동부 질량은 25kg로 설정하고, k1 내지 k3 값은 각각 50,043 N/m, 550,470 N/m 및 250,220 N/m로 설정하는 것을 특징으로 하는 2자유도 공진형 믹서의 방진 설계 방법.
According to claim 1,
Excitation frequency 60Hz, stirring part acceleration 100 × 9.81m/s 2 , static deflection 1mm, stirring part mass 5kg and driving part amplitude ratio (X 1 /X 2 ) under conditions of 0.2, vibration at minimum excitation force condition and resonance In order to satisfy all the conditions to prevent delivery to this case,
The drive mass is set to 25kg, and k 1 to k 3 values are 50,043 N/m, 550,470 N/m, and 250,220 N/m, respectively.
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