KR19990078693A - 진동보상장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박이나 기계장치 등의 구조물에서 발생하는 단일 주파수 성분의 진동운동을 중화시키는 진동보정장치에 관한 것으로서, 중공(中空)의 외회전축 및 상기 외회전축과 동심(同心)이며 외회전축의 내부에 위치하고 상기 외회전축에 대하여 상대적으로 회전가능한 내회전축으로 이루어진 복합회전축 2개가 하우징 내에 축회전 가능하도록 서로 평행하게 설치되어 있고; 상기 2개의 외회전축 및 2개의 내회전축에는 각각 편심된 무게중심을 갖는 회전체가 고정결합되어 있어; 상기 각 복합회전축은 동일 rpm으로 역방향으로 회전함으로써 각각의 복합회전축에 고정된 편심 회전체의 합성 무게중심점을 연결하는 직선이 상기 복합회전축과 교차할 때 0(영)의 합력(合力)성분을 생성하고 상기 방향에 대하여 수직하는 방향에 대하여 0에서 회전체 1개의 회전에 의한 원심력의 4배에 이르는 조화합력(調和合力)을 얻을 수 있는 진동보상장치를 제공한다
본 발명에 따른 진동보상장치는 차지하는 공간이 매우 적고, 회전체의 배치를 효율적으로 조정함으로써 불균형 모멘트의 발생이 없으며, 용이하게 조화합력을 조절할 수 있다.

Description

진동보상장치{Vibration-Compensating Apparatus}
본 발명은 선박이나 기계장치 등의 구조물에서 발생하는 단일 주파수 성분의 진동운동을 중화시키는 진동보정장치에 관한 것이다.
내부 또는 외부 기진원에 의해 구조물에 과도한 진동이 발생는 경우 임의의 단일주파수에서 기진력이 과도하거나 구조물의 공진에 의한 문제가 일반적인 원인이다. 따라서 이러한 경우 진동의 주원인인 기진력 자체를 상쇄시켜주거나 구조물의 진동응답 크기를 감소시키기위해 단일주파수로 역방향의 힘을 발생시킬수 있는 장치인 진동보상장치를 설치하는 것이 효과적이다.
회전장치의 원심력을 이용하여 선체 등의 진동을 감쇄시키는 원리를 이용한 진동보상장치 즉, 각각의 회전체를 구비하는 2개의 회동가능하게 장착된 상호평형한 회전축을 구비하는 진동보상장치는 이미 오래 전부터 학계 및 산업계에 널리 보편화되어 있다[예:「eleltric balance」, 1991, 선박 진동소음 제어지침]. 이 경우 상기 회전체(5)는 회전축에 대하여 편심된 무게중심을 갖고 있고, 동일한 rpm으로 역방향으로 회전함으로써 일 방향에 대하여 0(영)의 합력(合力)성분을 생성하고 상기 방향에 대하여 수직하는 방향에 대하여 0에서 회전체 원심력의 2배에 이르는 합력을 조화적(調和的)으로 얻을 수 있는 것이다.
이러한 형태로서, 대형선박에서 2차(secondary order)의 수직방향 불균형 모멘트를 보상하기 위한 진동보상장치가 알려져 있다. 미합중국 특허제2,914,964호에 이러한 장치가 개시되어 있는데, 이 장치에 의하면 회전축 사이의 거리는 횡단면 또는 측면에서 보아 회전체가 회전축 공통영역을 동시에 횡단하도록 설정된다. 이를 위해 하나의 회전체는 허브부재에 연결된 2개가 서로 이격배치된 판 형상 부분을 포함하고, 제2회전체는 허브부재에 연결된 판 형상 부분을 포함하여, 상기 제2회전체의 판 형상부분은 제1회전체의 판형상 부분 사이의 간극을 통과하는 것이 가능하도록 되어 있다. 이러한 진동보상장치는 비교적 공간을 적게 차지하는 콤팩트형 이지만, 소정의 조화력 성분을 얻기 위해서는 장치의 길이가 크게 증가하는 단점이 있다.
한편, 대한민국 특허출원 제98-18753호, 국제특허출원 PCT/DK94/282, PCT/DK94/283에는 서로 평행하는 두개의 회전축과, 각각의 회전축에 고정된 편심회전체 및 해제가능하게 연결된 편심회전체가 하나씩 존재하며, 각 회전축은 동일한 rpm으로 역방향으로 회전함으로써 일 방향에 대하여 0(영)의 합력(合力)성분을 생성하고 상기 방향에 대하여 수직하는 방향에 대하여 0에서 회전체 원심력의 2배에 이르는 조화합력(調和合力)을 얻는 진동보상장치가 개시되어 있다. 그러나 상기 장치의 경우 축방향에서 양 축에 설치된 회전체의 중심이 이격되어 있기 때문에 회전시 회전체 무게중심의 축방향 거리를 h, 회전체의 회전시 원심력을 f라 할 때, 항상 2f ×h 크기의 원하지 않는 불균형 모멘트를 형성하여 진동보상작용을 교란하는 문제(도 1)가 있을 뿐 아니라 조화합력의 크기를 조절하기 위하여 별도의 유압공급장치를 이용해야 하는 불편함이 있다. 즉, 합력을 조절하기 위해 회전축 및 그 회전축에 억지끼워맞춤(interference fit)되어 있는, 해체가능하게 연결된 편심회전체 사이에 유압을 가하여 해제하고, 편심회전체에 별도로 형성된 구멍 및 핀을 사용하여 상기 고정되어 있는 편심회전체를 소정의 각도로 회전시킴으로써 상기 해제가능한 회전체와 고정되어 있는 회전체사이의 각도를 변화시킨 다음 유압을 해소하여 재차 상기 해제가능한 회전체를 상기 회전축에 억지끼어맞춤해야 하는 것이다.
본 발명은 부피가 최소화되는 구조를 가지면서 불균형 모멘트의 발생이 없으며, 조화합력을 조절하는 방식이 간편한 진동보상장치를 제공하고자 한다.
도 1은 종래 진동보상장치에 있어서 원하지 않는 불평형 모멘트의 발생기작을 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 수직단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 평면투시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 잇어서 조화합력을 조절하는 방식을 나타내는 부분개략도.
도 5는 본 발명에 따른 진동보상장치의 사용예를 나타내는 흐름도.
***** 도면부호의 설명 *****
1. 외회전축 2. 내회전축 3. 복합회전축 4. 하우징
5. 회전체 6. 원통 7. 바닥판 8. 덮개판
9. 기어 10. 각도조절판 11. 모터 12. 동력전달수단
13. 체결수단 14. 지지판
이를 위하여 본 발명은, 중공(中空)의 외회전축(1) 및 상기 외회전축(1)과 동심(同心)이며 외회전축(1)의 내부에 위치하고 상기 외회전축(1)에 대하여 상대적으로 회전가능한 내회전축(2)으로 이루어진 복합회전축(3) 2개가 하우징(4) 내에 축회전 가능하도록 서로 평행하게 설치되어 있고, 상기 외회전축(1)의 길이는 상기 내회전축(2)의 길이 이하이며; 상기 2개의 외회전축(1) 및 2개의 내회전축(2)에는 각각 편심된 무게중심을 갖는 회전체(5)가 고정결합되어 있어; 상기 각 복합회전축(3)은 동일 rpm으로 역방향으로 회전함으로써 각각의 복합회전축(3)에 고정된 편심 회전체(5)의 합성 무게중심점을 연결하는 직선이 상기 복합회전축(3)과 교차할 때 0(영)의 합력(合力)성분을 생성하고 상기 방향에 대하여 수직하는 방향에 대하여 0에서 회전체(5) 1개의 회전에 의한 원심력의 4배에 이르는 조화합력(調和合力)을 얻을 수 있으며; 조화합력의 크기는 상기 복합회전축(3)의 외회전축(1)과 내회전축(2)을 상대적으로 회전시켜 고정함으로써 회전체의 상대각을 원하는 만큼 회전시킨 후 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동보상장치를 제공한다(도 2 및 도 3).
본 발명에 따른 진동보상장치는 하우징(4)을 포함한다. 하우징(4)은 필요에 따라 원통(6)과 상기 원통(6)의 상하단부에 배치된 바닥판(7) 및 덮개판(8)으로 이루어진 폐쇄형(도 2 및 도 3)일 수도 있고, 단지 바닥판(7)과 덮개판(8) 및 상기 바닥판(7) 및 덮개판(8)을 고정연결하는 복수개의 지지대로 이루어진 개방형(도시 생략)일 수도 있다. 한편, 상기 바닥판(7)에는 필요에 따라 복수개의 고정용 지지부(도시생략)를 추가로 형성시킬 수 있다.
상기 복합회전축(3)은, 중공(中空)의 외회전축(1)과, 외회전축(1)의 내부에 회동가능하도록 위치하는 내회전축(2)으로 이루어진다. 2개의 복합회전축(3)은 하우징(4)의 내부에 평행하게 장착되고, 상기 복합회전축(3)은 각 단부가 상기 바닥판(7)의 안쪽과 덮개판(8)의 안쪽에 회동가능하게 지지고정된다. 이때 상기 복합회전축(3)을 지지고정하기 위하여 베어링장치(도시 생략)를 사용한다.
도면에 도시된 바와 같이 외회전축(1)은 내회전축(2)에 비해 약 1/2 이하의 길이를 가지며, 상기 2개의 외회전축(1) 및 2개의 내회전축(2)에는 각각 회전축의 중심선에 대하여 편심된 무게중심을 갖는 회전체(5)가 고정결합된다. 상기 편심 회전체(5)는 원형, 타원형, 사각형 등 다양한 형상이 가능하지만, 진동보상의 효과 측면에서 축방향에서 볼 때 부채꼴 형상인 것이 바람직하다. 또한 상기 4개의 회전체(5)는 아래에서 설명할 조화합력을 조절하기 위해 질량 및 무게중심이 상이한 것이 사용될 수 있지만, 제작 및 유지관리의 편의를 위해 동일한 크기와 재질로 이루어지며, 동일한 무게중심을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 진동보상장치에서 상기 2개의 복합회전축(3)의 일단은 덮개판을 관통하여 외부로 돌출되어 있고, 상기 복합회전축(3)의 각각의 외회전축(1)에는 동일한 크기와 형상의 기어(9)가 서로 맞물리도록 고정연결되어 있으며 상기 복합회전축(3)의 각각의 내회전축(2)에는 각도조절판(10)이 고정연결되어 있고, 상기 기어(9)와 각도조절판(10)은 해제가능한 체결수단(13)으로 연결되어 있다. 따라서 전기식 모터(11), 바람직하게는 AC 서보모터(11)에 의한 구동력이 벨트, 체인, 기어 등과 같은 동력전달수단(12), 바람직하기로는 타이밍벨트(도시 생략)를 통해 상기 복합회전축(3)에 전달되면, 상기 각 복합회전축(3)(즉, 외회전축(1)과 내회전축(2)) 및 그에 고정된 회전체(5)는 동일 rpm으로 역방향으로 회전한다. 이때, 축방향에서 볼 때 각각의 복합회전축(3)에 고정된 편심 회전체(5)의 합성 무게중심점을 연결하는 직선이 상기 복합회전축(3)과 교차할 때 0(영)의 합력(合力)성분을 생성하고 상기 방향에 대하여 수직하는 방향에 대하여 0에서 회전체(5) 1개의 회전에 의한 원심력의 4배에 이르는 조화합력(調和合力)을 얻을 수 있다(도 4). 다시말해, 상기 4개 회전체(5)의 회전에 의해 미리 정해진 한 방향에 대하여 미리 정해진 최대의 원심력이 발생하고, 이와 직각을 이루는 방향에서 원심력이 상쇄되는 주기적인 조화운동이 가능해 지는 것이다.
본 발명에 따른 진동보상장치에서 상기 2개의 복합회전축(3)의 일단은 덮개판(8)을 관통하여 외부로 돌출되어 있고, 상기 복합회전축(3)의 각각의 외회전축(1)에는 동일한 크기와 형상의 기어(9)가 서로 맞물리도록 고정연결되어 있으며 상기 복합회전축(3)의 각각의 내회전축(2)에는 각도조절판(10)이 고정연결되어 있고, 상기 기어(9)와 각도조절판(10)은 해제가능한 체결수단(13)으로 연결되어 있다. 따라서, 상기 체결수단(13)을 해제하여 상기 복합회전축(3)의 외회전축(1)과 내회전축(2)을 상대적으로 회전시켜 고정함으로써, 즉, 결과적으로 상기 외회전축(1)과 내회전축(2)에 고정결합된 회전체(5)의 축방향에서 볼 때의 무게중심간의 거리(또는 무게중심과 축으로 이루어지는 각도)를 조정함으로써 조화합력의 크기를 조정하는 것이 가능하다.
이를 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 각도조절판(10)의 원주변의 상면에 일정한 간격으로 구멍을 형성하고, 그에 대응되는 상기 기어(9) 원주변의 상면에도 일정한 간격으로 구멍을 형성하여 원하는 각도만큼 회전체의 상대각을 회전시킨 후 고정핀(13)으로 상기 각도조절판(10)의 구멍 및 기어(9)의 구멍을 관통하여 고정시키거나 해제하여 원하는 크기의 조화합력을 얻을 수 있게 하였다. 즉, 상기 기어(9) 원주변의 상변 및 상기 각도조절판(10) 원주변의 상면에는 일정한 간격으로 동일한 직경의 구멍이 수 개 형성되어 있어, 상기 기어(9)와 각도조절판(10)의 상대각도를 원하는 만큼 조절한 후 상기 구멍에 내접하는 봉 형상의 고정핀(13)을 상기 기어(9) 및 각도조절판(10)의 구멍을 일체로 관통시켜 고정하거나 해제할 수 있는 것이다. 예컨데, 상기 기어(9)에 형성된 구멍이 중심축에 대하여 60° 간격으로, 상기 각도조절판에 형성된 구멍이 중심축에 대하여 20° 간격으로 형성된 경우, 상기 회전체의 상대적 각도는 약 3.3°(60°×20°÷360°) 간격으로 미세하게 조정될 수 있다.
본 발명에서는 상기 회전체(5) 무게중심의 축방향 거리차에 의한 불평형 모멘트를 최소화하기 위하여 상기 하나의 복합회전축(3)에 결합된 2개의 편심 회전체(5)는 각각 상기 복합회전축(3)의 양단에 치우쳐 위치하며, 다른 하나의 복합회전축(3)에 결합된 2개의 편심회전체(5)는 각각 상기 복합회전체(5)의 중앙에 위치하도록 하는 것이 바람직하다(도 2).
한편, 본 발명에 따른 진동보상장치의 용량이 큰 경우 상기 복합회전축(3) 및 회전체(5)의 중랑 증가에 따른 지지를 강화하기 위하여 상기 4개의 회전체(5)의 중간 또는 각 회전체(5) 사이에 상기 복합회전축(3)심에 수직으로 1개 또는 3개의 지지판(14)을 설치하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 복합회전축(3)에 대응하는 지지판(14) 부위에는 축공이 형성되고 복합회전축(3)을 회동가능하도록 지지하기 위한 베어링(도시 생략)이 설치된다.
본 발명의 진동보상장치를 실제 사용하는 일례를 설명한다(도 5).
본 발명에 의한 진동보상장치에 의한 구동부(101)의 복합회전축(3)에는 회전속도 및 회전체(5)의 각위치를 검출하는 신호검출부(102)(예를 들면 엔코더)를, 진동의 보상이 요구되는 구조물(103)(예를 들면, 선박)에 진동의 주파수 및 위상을 검출하는 신호검출부(104)를 설치한다. 상기 신호검출부(102, 104)로부터의 신호를 분석하여 구동부(101)의 회전을 조절하는 제어부(105)를 설치한다.
먼저, 신호검출부(104)가 구조물의 진동주파수, 위상 및 진동의 강도를 검출하면 이를 참조하여 상기 구조물의 진동강도에 대응하는 조화합력을 갖을 수 있도록 상기 외회전축(1)과 내회전축(2)에 고정결합된 회전체(5)의 축방향에서 볼 때의 무게중심간의 거리를 조정한다. 이후, 신호검출부(102,104)는 각각 구동부(101)의 회전속도 및 각위치과, 구조물의 진동주파수 및 위상을 검출하여 그 신호를 제어부(105)로 전달한다. 상기 신호를 전달받은 제어부(105)는 구조물의 진동주파수 및 위상을 연산처리하고 분석하여 그에 역행하는 진동주파수 및 위상을 나타내도록 구동부(101)의 모터(11) 회전을 제어한다.
본 발명에 따른 진동보상장치는 차지하는 공간이 매우 적고, 회전체의 배치를 효율적으로 조정함으로써 불균형 모멘트의 발생이 없으며, 용이하게 조화합력을 조절할 수 있다.

Claims (6)

  1. 중공(中空)의 외회전축(1) 및 상기 외회전축(1)과 동심(同心)이며 외회전축(1)의 내부에 위치하고 상기 외회전축(1)에 대하여 상대적으로 회전가능한 내회전축(2)으로 이루어진 복합회전축(3) 2개가 하우징(4) 내에 축회전 가능하도록 서로 평행하게 설치되어 있고, 상기 외회전축(1)의 길이는 상기 내회전축(2)의 길이 이하이며,
    상기 2개의 외회전축(1) 및 2개의 내회전축(2)에는 각각 편심된 무게중심을 갖는 회전체(5)가 고정결합되어 있어,
    상기 각 복합회전축(3)은 동일 rpm으로 역방향으로 회전함으로써 각각의 복합회전축(3)에 고정된 편심 회전체(5)의 합성 무게중심점을 연결하는 직선이 상기 복합회전축(3)과 교차할 때 0(영)의 합력(合力)성분을 생성하고 상기 방향에 대하여 수직하는 방향에 대하여 0에서 회전체(5) 1개의 회전에 의한 원심력의 4배에 이르는 조화합력(調和合力)을 얻을 수 있으며,
    조화합력의 크기는 상기 복합회전축(3)의 외회전축(1)과 내회전축(2)을 상대적으로 회전시켜 고정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동보상장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 복합회전축(3)에 결합된 2개의 편심 회전체(5)는 각각 상기 복합회전축(3)의 양단에 치우쳐 위치하며, 다른 하나의 복합회전축(3)에 결합된 2개의 편심회전체(5)는 각각 상기 복합회전체(5)의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 진동보상장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2개의 복합회전축(3)의 일단은 덮개판을 관통하여 외부로 돌출되어 있고, 상기 복합회전축(3)의 각각의 외회전축(1)에는 동일한 크기와 형상의 기어(9)가 서로 맞물리도록 고정연결되어 있으며, 상기 복합회전축(3)의 각각의 내회전축(2)에는 각도조절판(10)이 고정연결되어 있고, 상기 기어(9)와 각도조절판(10)은 해제가능한 체결수단(13)으로 연결되어 있어 해제, 상대적 회전 및 재고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 진동보상장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기어(9) 원주변의 상변 및 상기 각도조절판(10) 원주변의 상면에는 일정한 간격으로 동일한 직경의 구멍이 수 개 형성되어 있어, 상기 기어(9)와 각도조절판(10)의 상대각도를 원하는 만큼 조절한 후 상기 구멍에 내접하는 봉 형상의 고정핀(13)을 상기 기어(9) 및 각도조절판(10)의 구멍을 일체로 관통시켜 고정하거나 해제할 수 있는 것을 특징으로 하는 진동보상장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 4개의 회전체(5) 사이에 상기 복합회전축(3)심에 수직하게 지지판(14)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동보상장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 4개의 회전체(5)는 동일한 형상과 크기와 재질로 이루어지며, 동일한 무게중심을 갖는 것을 특징으로 하는 진동보상장치.
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