KR200177503Y1 - 그네형 중력진자식 흡진장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 진동 구조물의 진동을 감쇠시키기 위한 흡진 장치에 관한 것으로, 특히 선박 등 대형 구조물의 진동 흡수 장치로 사용할 수 있는 그네형 중력 전자식 흡진장치에 관한 것이다. 본 고안에 따른 흡진 장치는 진동 구조물에 소정 높이로 설치된 지지 프레임, 지지 프레임에 일정 지지점을 중심으로 제자리 회동 가능케 설치되고, 지지점 하부로 연장된 부분을 구비하여 진자 운동 가능한 진동자 암, 지지점 아래쪽 진동자 암의 일측에 진동자 암과 상호 회동 가능케 결합된 진동자 탑재 프레임 및 진동자 탑재 프레임에 탑재되어 진동하면서 진동 구조물의 진동 에너지를 흡수하는 진동자를 포함하는 구성으로 이루어져 있고, 고유 진동수를 폭 넓게 조정할 수 있어 진동 구조물의 상태 변화에 적응적으로 대처할 수 있다는 효과를 가지고 있으며, 특히 선체에 사용하기에 적당하다.

Description

그네형 중력 진자식 흡진 장치

본 고안은 진동 구조물의 진동을 감쇠시키기 위한 흡진 장치에 관한 것으로, 특히 선박 등 대형 구조물의 진동 흡수 장치로 사용할 수 있는 그네형 중력 전자식 흡진 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 선박이 운항 중에 있을때 주기관, 추진기, 추진기축 등의 동작으로 인하여 선체에 진동과 소음이 발생된다. 선박에 있어서 선체의 진동은 선체 구조물 또는 항해 기기 등의 피로 수명 및 안전 관점에서 매우 중요한 문제이다. 물론, 일반 기계 및 일반 구조물에 있어서도 진동은 중요한 문제이다. 선박 등 진동 구조물의 진동을 흡수하기 위해 흡진 장치가 사용된다. 흡진 장치에는 흡진 장치가 설치되는 구조물의 진동을 흡수하기 위한 진동자가 설치되어 있다. 진동하는 구조물에 흡진 장치를 설치하게 되면 구조물의 진동 에너지를 흡진 장치의 진동자가 흡수하게 되어 진동자는 심하게 진동을 하지만 진동 구조물의 진동은 현격하게 감소하게 된다.

진동 구조물의 진동을 감소시키기 위한 흡진 장치로는 진동의 발생 형태, 설치 장소, 경제성 등에 따라 여러 가지 형태의 것이 있다.

일반적으로 선체에는 판스프링형 동흡진 장치가 사용된다. 이러한 흡진 장치에 관한 기술은 본원 출원인에 의해 출원된 "1995년 실용신안 등록 출원 제12039호"와 "1995년 특허출원 제14005호"에 자세히 기재되어 있다.

도 1은 종래의 판스프링형 동흡진 장치의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에서 진동 구조물(10)에는 사각 박스 모양의 고정 부재(11)가 고정 설치되어 있다. 이 고정 부재(11) 내부의 양측벽에는 볼트(12)에 의해 판스프링(13)이 각각 결합되어 있다. 두 판스프링(13) 사이에는 볼트(14) 등에 의해 판스프링(13)에 결합된 진동자(15)가 설치되어 있다. 즉, 진동 구조물(10)이 화살표 방향으로 진동하면 여기에 고정된 고정 부재(11)도 같은 방향으로 진동한다. 이 고정 부재(11)의 진동은 판스프링(13)을 통해 진동자(15)에 전달되고, 진동자(15) 역시 화살표 방향으로 계속 진동하면서 진동 구조물(10)의 진동을 감쇠시킨다.

도 2는 종래의 판스프링형 동흡진 장치의 다른 예를 나타낸 도면으로, 도 2(a)는 정면 모습을 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 평면 모습을 나타낸 도면이다. 도 2에서 진동 구조물(10)의 기초 지지부(10a) 상에 사각 박스 모양의 고정 부재(11)가 설치되어 있다. 이 고정 부재(11) 내부의 양측벽에는 볼트(12)에 의해 4개의 판스프링(13)이 마주보고 각각 결합되어 있다. 고정부재(11)와 판스프링(13) 사이에는 진동 감쇠 부재(16)가 설치되어 있다. 이 진동 감쇠 부재(16)는 판스프링(13)과 고정 부재(11)간의 에너지 전달을 완충적으로 할 수 있도록 하기 위한 것이다.

두 판스프링(13) 사이에는 볼트(12) 등에 의해 판스프링(13)에 결합된 진동자(15)가 설치되어 있다. 진동자(15)와 판스프링(13) 사이에는 진동 감쇠부재(16)가 설치되어 있다. 이 진동 감쇠 부재(16)는 진동자(15)와 판스프링(13)간의 에너지 전달을 완충적으로 할 수 있게 하기 위한 것이다.

즉, 도 2의 판스프링형 동흡진 장치는 스프링(13)과 고정 부재(11) 사이, 진동자(15)와 판스프링(13) 사이에 진동 감쇠 부재(16)가 더 설치되어 있고, 4개의 판스프링(13)이 사용되었다는 점에서 도 1의 동흡진 장치와 그 구성이 다르며, 효과면에서 진동 감쇠 부재(16)로 인해 판스프링(13)의 변형이 적다는 장점이 따른다.

도 1과 도 2를 통해 설명한 바와 같은 종래의 판스프링형 동흡진 장치는 진동 구조물 즉, 선체 등의 급격한 선회 또는 파랑에 의해 선박이 수평 방향으로 움직일 때 선체는 수평 방향으로 큰 힘을 받게 되고, 이 때의 힘은 도 2(b)에 점선으로 나타낸 바와 같은 자세로 진동자(15)를 수평 방향으로 회전시키려는 관성력으로 작용한다. 이에 따라 진동자(15)와 연결된 판스프링(13)의 비틀림 변위는 증가하게 된다. 일반적으로 판스프링(13)은 경도가 높은 강철 등의 재료로 구성되어 있어 비틀림 응력에 취약하므로 비틀림 응력이 반복적으로 작용하면 쉽게 깨어진다.

즉, 종래의 판스프링형 동흡진 장치에서는 판스프링이 쉽게 파손되어 자주 교체해 주어야 한다. 또한, 하나의 판스프링이 파손되면 인접 판스프링의 연쇄적인 파손을 유발하게 되어 동흡진 장치의 판스프링 전체를 교체해 주어야 할 우려도 높다. 판스프링의 교체 작업은 설치 장소의 협소함 등으로 매우 힘들어 시간이 많이 걸리고 인력도 많이 소모된다.

도 1과 도 2에 나타낸 형태의 것 외에 프로펠러 상부의 선저판에 박스형태의 구조물을 설치하고 여기에 여러 개의 구멍을 뚫어 프로펠러에 의한 변동 압력이 감소되어 선체에 전달되도록 한 것도 있다. 이러한 형태의 흡진 장치는 안전을 중요하게 고려하는 선체의 외판에 구멍을 내므로 상관된 선체의 강도를 보강하는 조치가 반드시 병행되어야 하고, 파랑의 외력에 의한 선저부의 요구되는 강도를 만족하기 위해 선체의 많은 구조적 변화가 뒤따라야 된다.

앞에서 설명한 형태의 것 외에도 선박과 같은 진동 구조물의 진동을 억제하기 위한 여러 형태의 흡진 장치가 있지만 종래의 흡진 장치들은 고유 진동수를 변경할 수 없어 진동 구조물의 여건 변화에 적응적으로 대처할 수 없다는 단점이 있다.

본 고안은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 제안한 것으로서, 구성 부품에 선박 등 진동 구조물의 급격한 운동 변화에 따른 충격력이 미치더라도 구성 부품이 파손되지 않고, 진동자의 질량 조정이 용이하며 유지 보수도 편리한 흡진 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

제1도는 종래의 판스프링형 동흡진 장치의 구조를 나타낸 도면,

제2도는 종래의 판스프링형 동흡진 장치의 다른 예를 나타낸 도면,

제3도는 본 고안에 따른 그네형 중력 진자식 흡진 장치의 일 실시 예를 나타낸 도면,

제4도는 제3도의 지지 프레임의 측벽에 진동자 주파수 조절용 탄성 부재를 더 설치한 상태를 나타낸 도면,

제5도는 진동자의 탑재 상태를 나타낸 도면,

제6도는 진동자의 무게중심 변화에 따른 고유 진동수를 설명하기 위한 도면,

제7도는 본 고안에 따른 흡진 장치를 설치하기 전후의 진동 구조물의 진동 상태를 설명하기 위한 도면이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 진동 구조물 20 : 지지 프레임

21,41 : 힌지 24 : 탄성 부재 지지대

26 : 탄성 부재 30 : 진동자 암

40 : 진동자 탑재 프레임 50 : 진동자

52 : 평판

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 그네형 중력 전자식 흡진장치는, 진동 구조물에 설치되어 상기 진동 구조물의 진동을 감소시키기 위한 흡진 장치에 있어서, 진동 구조물에 소정 높이로 설치된 지지 프레임, 지지 프레임에 일정 지지점을 중심으로 제자리 회동 가능케 설치되고 지지점 하부로 연장된 부분을 구비하여 진자 운동 가능한 진동자 암, 지지점 아래쪽 진동자 암의 일측에 상호 회동 가능케 결합된 진동자 탑재 프레임 및 진동자 탑재 프레임에 탑재되어 진동하면서 진동 구조물의 진동 에너지를 흡수하는 진동자를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 고안에 따른 그네형 중력 진자식 흡진 장치의 일 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 3의 진동 구조물(10) 상에는 내부가 빈 4각 박스 형태의 지지 프레임(20)이 소정 높이로 설치되어 있다. 이 지지 프레임(20)에는 진동자 암(30)이 소정 간격을 두고 마주보고 설치되어 있다. 이 진동자 암(30)은 지지 프레임(20)의 상단 양측에 힌지(31)에 의해 결합되는 제1수평 부재(32)와 수직 부재(34) 및 수직 부재(34)의 하단에 연결된 제2수평 부재(36)로 구성되어 있으며, 전체적으로 H자 형태를 하고 있다. 제2수평 부재(36)의 양 끝단은 뒤에서 설명되는 진동자 탑재 프레임(40)에 힌지(41)에 의해 결합되는 부분이다. 즉, 진동자 암(30)은 지지 프레임(20)에 지지된 상태에서 진자 운동 가능하다.

진동자 암(30)의 하단 일측에는 힌지(41)를 통해 연결되어 상호 회동가능케 결합된 진동자 탑재 프레임(40)이 설치되어 있다. 진동자 탑재 프레임(40)은 진동자 암(30)의 하단 부근을 연결하는 제1수평부(42), 제1수평부(42) 양 끝단에 마주보고 위쪽으로 설치된 수직부(44) 및 수직부(44)의 상단 부근을 연결하는 제2수평부(46)를 구비하고 있다. 즉, 진동자 탑재 프레임(40)은 진동자 암(30)에 지지된 상태에서 진동자 암(30)의 진자 운동에 의해 진동 가능하다.

진동자 탑재 프레임(40)의 제1수평부(42)에는 진동자(50)가 탑재되어 있다. 이 진동자(50)는 진동하면서 진동 구조물(10)의 진동 에너지를 흡수하기 위한 것이다. 진동자(50)로는 진동자 탑재 프레임(40)에 용이하게 탑재하거나 이탈시킬 수 있는 평판(52) 형태의 여러 개의 단위 질량체로 구성하는 것이 좋다. 그렇게 하면 아주 용이하게 진동자(50)의 질량을 조정할 수 있어 진동 구조물(10)의 상태 변화에 대응하여 적응적으로 진동자(50)의 질량을 조절할 수 있기 때문이다. 경우에 따라서는 진동자 탑재 프레임(40)의 제2수평부(46)에 평판 형태의 단위 질량체를 더 탑재할 수도 있다. 즉, 단위 질량체는 여러 개의 판, 육면체 등의 조합으로 구성된다.

다시 말해서, 도 3의 상태에서 진동 구조물(10)이 화살표 방향으로 진동하면 지지 프레임(20)도 같은 방향으로 진동하게 된다. 이에 따라 진동자 암(30)은 진자 운동을 하고, 진동자 암(30)에 연결된 진동자 탑재 프레임(40)과 진동자(50)도 진동하면서 진동 구조물(10)의 진동 에너지를 흡수하여 진동 구조물(10)의 진동을 감쇠시킨다.

도 4는 도 3의 지지 프레임의 측벽에 진동자 주파수 조절용 탄성 부재를 더 설치한 상태를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 지지 프레임(20)의 양측벽(22)에는 탄성 부재 지지대(24)가 마주보고 설치되어 있고, 그 끝단에는 진동자 암(30)과 연결된 탄성 부재(26)가 각각 설치되어 있다. 이 탄성 부재(26)는 진동자(50)의 주파수를 조정하기 위한 것으로 코일 스프링, 판스프링 등을 사용하면 된다. 이러한 탄성 부재(26)는 반드시 진동자 암(30)에 연결되어야 하는 것은 아니고, 경우에 따라서는 진동자 탑재 프레임(40) 또는 진동자(50)에 직접 연결될 수도 있다.

도 4의 상태에서 진동 구조물(10)이 진동하면 진동자 암(30)은 상단 힌지(21)를 중심으로 진자 운동을 하는 데, 진동자(50)가 왼쪽으로 힘을 받으면 진동자 암(30), 진동자 탑재 프레임(40) 및 진동자(50)는 점선으로 나타낸 바와 같은 위치로 이동하게 된다.

도 5는 진동자의 탑재 상태를 나타낸 도면으로, 도 5(a)는 진동자가 여러 개의 평판으로 구성된 상태를 나타낸 것이고, 도 5(b)는 진동자가 블록으로 구성된 상태를 나타낸 것이다. 도 5(a)에 나타낸 바와 같이 여러 개의 평판(52)을 진동자 탑재 프레임(40)에 탑재하여 진동자(50)를 구성하는 경우 진동자(50)의 질량 조정이 아주 용이하다. 또한 필요할 경우에 진동자 탑재 프레임(40)의 제2수평부(46)에도 평판(52) 등의 질량체를 더 탑재할 수도 있다. 경우에 따라서는 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 블록 형태의 여러 개의 단위 질량체를 진동자 탑재 프레임(40)에 탑재하여 진동자(50)를 구성할 수도 있다. 이때 평판(52) 1개의 질량을 m으로 표시하면 총 평판의 개수는 n으로 표시할 수 있고, 실용상 n은 20개에서 100개까지 가능하다.

즉, 도 5에 나타낸 바와 같이 n×m 크기에 상당하는 단위 질량체로 진동자(50)의 질량을 조절하고, 지지 프레임(20)의 양측벽에 탄성 부재 지지 부재(24)를 통해 설치되는 탄성 부재(26)의 스프링 상수를 조정함으로써 진동 구조물(10)의 진동 특성에 맞는 흡진 장치를 구성할 수 있다.

또한, 진동자 탑재 프레임(40) 하면과 진동 구조물(10) 사이에 진동 방향으로 형성된 안내홈과 핀 등을 설치하여 진동자(50)가 구조물의 진동 방향으로 진동하는 것을 안내하고 여타의 방향으로 움직이는 것을 방지하게 하면 선박 등이 급선회 시에도 진동자(50)에 충격력이 작용하지 않아 각종 구성 부품들이 파손될 염려가 줄어든다.

그 외, 진동자 탑재 프레임(40)의 하부와 진동 구조물(10) 사이에 진동자(50)의 진동 주파수를 증가시키고, 진동 구조물(10)의 진동을 부가적으로 감쇠시키기 위해 목재 등의 감쇠재를 더 설치할 수도 있다.

도 6은 진동자의 무게중심 변화에 따른 고유 진동수를 설명하기 위한 도면으로, 도 6(a)와 도 6(b)에 각각 도시되어 있다. 도 6(a)에서 a는 진동자의 등가 질량 위치에서 지지점까지의 거리로 도 3의 상단 힌지에서 진동자의 무게중심까지의 거리로 볼 수 있다. 여기서 l은 진자의 지지점과 스프링간의 거리인 데, 도 4의 상단 힌지와 탄성 부재간의 거리로 볼 수 있다. 진자의 구성요소인 질량판 1개의 등가 질량이 m, 중력 가속도를 g, 스프링 상수를 k라 하면 진동자에 작용하는 힘의 관계는 도 6(b)에 표시된 바와 같고, 질량판 1개 사용시 진자의 고유 진동수 W₁은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

진자의 질량판을 n개 사용하였을 때 진자의 고유 진동수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

식 1), 2)에서 알 수 있는 바와 같이 진자 질량판의 개수를 1개에서 n개로 증가시킴에 따라 진자의 고유 진동수가 W₁에서 W_n으로 변화시킬 수 있고, 부가적으로 스프링과 힌지 사이 l가 변함에 따라 진자의 고유 진동수 W₁도 변화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3에서 힌지(21)와 진동자의 스프링까지의 거리가 가까워지면 고유 진동수는 증가하게 되고 커지면 감소하게 된다.

도 7은 본 고안에 따른 흡진 장치를 설치하기 전후의 진동 구조물의 진동 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 7에서 I은 본 고안에 따른 흡진 장치를 설치하기 전의 선체 등 진동 구조물의 진동 상태를 나타낸 것이고, Ⅱ와 Ⅲ은 본 고안에 따른 흡진 장치를 설치한 후의 진동 상태를 나타낸 것으로 Ⅱ는 질량판이 1개이고 고유 진동수가 W₁일 때의 성능 곡선이며, Ⅲ은 질량판이 n개이고 고유 진동수가 W_n일 때의 성능 곡선이다.

앞에서 도 3 내지 도 7을 통해 설명한 바와 같이 본 고안의 그네형 중력 진자식 흡진 장치는 고유 진동수(f2)를 W_n에서 W₁범위로 작동할 수 있도록 폭 넓게 조정할 수 있어 진동 구조물의 진동 특성에 맞추어 진동시키고, 또한 진동자의 질량을 최대한 증가시킬 수 있는 구조로 배치시킴으로써 진동 구조물의 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다. 특히, 프로펠러에 의한 선체의 진동을 억제하기 위하여 사용하는 경우 선체의 구조에 변화를 주지 않고도 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 선체 구조의 진동특성에 맞도록 흡진장치의 고유 진동수를 현장에서 쉽게 조정함으로써 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 진동 구조물에 설치되어 상기 진동 구조물의 진동을 감쇠시키기 위한 흡진 장치에 있어서, 상기 진동 구조물에 소정 높이로 설치된 지지 프레임; 상기 지지 프레임에 일정 지지점을 중심으로 제자리 회동 가능케 설치되고, 상기 지지점 하부로 연장된 부분을 구비하여 진자 운동 가능한 진동자 암; 상기 지지점 아래쪽 상기 진동자 암의 일측에 상기 진동자 암과 상호 회동 가능케 결합된 진동자 탑재 프레임; 및 상기 진동자 탑재 프레임에 탑재되어 진동하면서 상기 진동 구조물의 진동 에너지를 흡수하는 진동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 지지 프레임은 사각 박스 모양의 형태를 하고 있으며, 상기 진동자 암은 상기 지지 프레임의 상단 양측에 힌지 결합되는 제1수평 부재와 상기 진동자 탑재 프레임의 하단 양측에 힌지 결합되는 제2수평 부재 및 상기 제1수평 부재와 제2수평 부재는 연결하는 수직 부재를 구비하여 구성되고 소정 간격을 두고 한 쌍이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 진동자 탑재 프레임은 상기 진동자 암의 하단 부근을 연결하는 제1수평부, 상기 제1수평부 양 끝단에 마주보고 위쪽으로 설치되고 상기 진동자 암의 진자 운동을 허용하는 수직부 및 상기 수직부의 상단 부근을 연결하는 제2수평부를 구비하는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동자는 상기 진동자 탑재 프레임에 용이하게 탑재하거나 이탈시킬 수 있는 여러 개의 판, 육면체 등 단위 질량체의 조합으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 지지 프레임의 양측벽과 상기 진동자 사이 또는 상기 지지 프레임의 양측벽과 상기 진동자 암 사이 또는 상기 지지 프레임 양측벽과 상기 진동자 탑재 프레임 사이에는 상기 진동자의 진동 주파수를 증가시키기 위한 탄성 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 진동자가 상기 구조물의 진동 방향으로 진동하는 것을 안내하고 여타의 방향으로 움직이는 것을 방지하기 위한 안내구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 진동자의 하부와 진동 구조물 사이에는 상기 진동자의 진동 주파수를 증가시키고, 상기 진동 구조물의 진동을 부가적으로 감쇠시키기 위한 감쇠재가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 흡진 장치.