KR20120112943A

KR20120112943A - 구면베어링 및 이를 이용한 진동시험용 지지장치

Info

Publication number: KR20120112943A
Application number: KR1020110030551A
Authority: KR
Inventors: 조창민; 변관화
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-10-12
Also published as: KR101236437B1

Abstract

본 발명은 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 할 때, 수평방향 운동이 발생하더라도 수평방향 운동을 구속하지 않으면서 복원력을 가지도록 하고, 또한 수직방향으로는 체적이 큰 공기탱크가 부착된 에어스프링을 사용하여 시험대상물을 지지하는 지지력이 항상 일정하게 유지될 수 있게 함으로써 정밀한 진동시험을 할 수 있는 구면베어링 및 이를 이용한 진동시험용 지지장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 바닥에 설치되는 지지구조물(10); 지지구조물(10)의 상부에 결합되는 것으로서, 벨로우즈(21), 벨로우즈(21)의 상하부에 각각 구비되는 브래킷(22), 하부 브래킷(22)에 구비되는 공기관연결구(23)를 포함하는 적어도 하나의 에어스프링(20); 에어스프링(20)의 상단에 부착되는 고정단(31)과, 고정단(31) 위에서 미끄럼 운동을 하는 가동단(32)과, 고정단(31)과 가동단(32) 사이에 개재된 볼베어링(33)과, 가동단(32)의 상부에 구비된 볼소켓(34)과, 하단이 볼소켓(34)의 지지홈(34a)에 삽입 지지되고 상단에 시험대상 구조물을 지지하는 지지판(35b)을 갖는 볼지지대(35)를 포함하는 구면베어링; 일측면이 공기공급관(41)에 의해 상기 에어스프링(20)에 연결되고, 타측면에 구비된 공기주입구(42)를 통해 외부로부터 압축공기가 충진되는 공기탱크(40); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

구면베어링 및 이를 이용한 진동시험용 지지장치{Spherical Bearing and Supporting Apparatus for Vibration Test using the Same}

본 발명은 구면베어링 및 이를 이용한 진동시험용 지지장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 할 때, 수평방향 운동이 발생하더라도 수평방향 운동을 구속하지 않으면서 복원력을 가지도록 하고, 또한 수직방향으로는 체적이 큰 공기탱크가 부착된 에어스프링을 사용하여 스프링상수가 0인 자유지지상태를 만족하도록 하여 시험대상물을 지지하는 지지력이 항상 일정하게 유지될 수 있게 함으로써 정밀한 진동시험을 할 수 있는 구면베어링 및 이를 이용한 진동시험용 지지장치에 관한 것이다.

최근 전자현미경, 반도체 제조장비 등 정밀장비들의 경우 장비의 진동이 제품의 가장 중요한 성능 요인으로 등장하고 있다. 또한 고급 자동차의 경우 안전과 성능 그리고 승차감 측면에서 진동이 가장 중요한 품질 요인으로 대두하고 있다.

상기와 같은 이유로 진동에 민감한 장비들은 엄정한 이론적 해석으로 진동특성을 고려하여 장비를 설계하고 있으며, 시제품을 제작하여 실험적으로 장비의 고유진동수(Natural Frequency), 진동모드(Vibration Mode), 감쇄특성(Modal Damping) 등의 진동특성을 파악하고 있다. 이와 같은 목적으로 장비의 진동특성을 파악하기 위한 진동시험을 모달테스트(Modal Test)라고 한다.

구조물의 진동특성은 구조물의 구조 그 자체뿐만 아니라 그 구조물의 지지상태에 따라서도 달라지므로, 상기와 같은 진동시험에 있어서 시험대상 구조물을 지지하는 지지장치는 구조물의 진동특성에 영향을 가능하면 적게 주도록 설계하여야 한다. 이와 같이 구조물의 진동특성이 외부의 영향을 받지않는 상태를 자유지지상태라고 한다.

진정한 자유지지상태를 구현하려면 시험대상 구조물을 허공에 띄워놓은 상태가 되어야 하나, 이와 같은 완전한 자유지지상태는 실현이 불가능하다. 현실적으로는 지지장치와 시험대상 구조물로 이루어지는 진동계의 고유진동수가 시험대상 구조물 자체의 최저 고유진동수보다 충분히 낮을 경우 자유지지상태로 취급한다. 이 경우 시험을 위한 지지방법이 시험대상 구조물의 진동특성에 미치는 영향이 미미하다.

이와 같은 자유지지상태를 구현하기 위한 방법으로는, 진동체가 진동하더라도 지지력이 항상 일정하게 유지되는 방법으로 진동체를 지지하면 된다. 즉, 진동체에 변위가 발생하더라도 지지력이 일정하게 유지되는 지지장치의 경우 스프링상수가 0(영)인 탄성지지장치에 해당하고, 이 경우 지지장치가 진동체의 진동특성에 영향을 주지않으므로 자유지지상태를 만족한다.

대형 연성 구조물의 경우 자체의 최저 고유진동수가 1 내지 2Hz로 낮은 경우가 있으므로 이러한 연성 구조물의 진동시험을 위해서는 지지장치의 고유진동수가 0.5Hz이하로 일정하게 유지되어야 한다.

상기와 같은 자유지지상태를 구현하기 위하여, 종래의 진동시험장치는 스프링상수가 매우 낮은 에어스프링과 수평베어링을 사용하여 시험대상 구조물을 지지하는 방식을 채용하였다. 통상의 에어스프링은 유연한 고무막 등과 같이 신축력이 있는 재료로 제작된 벨로우즈의 상하단에 브래킷을 구비하여 시험대상 구조물과 지지할 장소의 바닥에 고정하도록 제작된다. 이와 같이 에어스프링과 수평베어링을 사용하여 구조물을 지지할 경우, 내부의 공기압력을 적절히 조정하면 수직방향으로는 매우 낮은 고유진동수를 갖게 하면서 수직방향으로는 하중에 대한 저항이 없어 자유지지상태에 근접하게 된다.

통상적인 에어스프링의 스프링상수는 벨로우즈의 단면적에 비례하고 내부체적에 반비례한다. 에어스프링으로 지지되는 진동계의 고유진동수를 낮추려면 에어스프링의 스프링상수를 낮추어야 하고, 스프링상수를 낮추려면 벨로우즈의 단면적은 작게 하고 내부체적은 크게 설계하여야 한다.

그러나 에어스프링을 이렇게 설계하는 데는 일정한 한계가 있다.

그리고 에어스프링은 하중을 받을 경우 벨로우즈가 변형을 하는데, 이 경우 벨로우즈의 단면적은 커지고, 내부체적은 작아진다. 이에 따라, 지지하고 있는 구조물이 진동을 하고 있을 동안 에어스프링의 스프링상수가 계속 변하여 지지력의 크기가 변하고, 그 결과 지지장치에 의하여 정해지는 진동계의 고유진동수가 계속 변하여 정밀한 시험이 이루어지지 않는 문제가 있다.

또한 수평베어링의 경우 수평방향 구속력이 전혀 없을 뿐만 아니라, 원래 위치로 복원력이 없어 아주 불안정한 지지상태가 되는 문제점이 있다.

이와 같이 연성 구조물의 진동시험을 할 때 에어스프링을 사용하여 자유지지상태를 만족하도록 시험대상 구조물을 지지하는 방법은 진동계의 고유진동수를 일정 이하로 낮추기 어려운 문제점이 있고, 또한 시험 중에 진동계의 진동특성이 계속 변하여 정밀한 시험이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

따라서 스프링상수를 아주 낮게 하여 지지장치가 자유지지상태를 구현하고, 시험중에 구조물을 지지하는 힘의 크기인 지지력이 항상 일정하게 유지되는 새로운 진동시험용 지지장치가 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 할 때, 수평방향 운동이 발생하더라도 수평방향 운동을 구속하지 않으면서 복원력을 가지도록 하고, 또한 수직방향으로는 체적이 큰 공기탱크가 부착된 에어스프링을 사용하여 스프링상수가 0인 자유지지상태를 만족하도록 하여 시험대상물을 지지하는 지지력이 항상 일정하게 유지될 수 있게 함으로써 정밀한 진동시험을 할 수 있는 구면베어링 및 이를 이용한 진동시험용 지지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 구면베어링은 상면에 오목한 구형의 일부 표면모양을 갖는 베어링 자리홈이 형성된 고정단;

상기 고정단의 베어링 자리홈에 배치되는 복수 개의 볼베어링;

상기 볼베어링 상면에 면접촉되게 탑재되어 상기 볼베어링 상면을 따라 미끄럼 운동이 가능하도록 하면이 볼록한 구형의 일부 표면모양을 갖는 가동단;

상기 가동단의 상부에 구비되고 오목한 반구형 지지홈을 갖는 볼소켓;

하단에 상기 볼소켓의 지지홈에 삽입 지지되는 구형의 볼스터드를 갖고, 상단에 시험대상 구조물을 지지하는 지지판을 가지며, 상기 볼스터드와 상기 지지판 사이에 수직으로 연결되는 커넥팅로드를 갖는 볼지지대;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 고정단의 양측면에는, 상기 가동단이 미끄럼 운동을 할 때, 상기 가동단이 상기 고정단으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위한 이탈방지부재가 각각 서로 대향하는 형태로 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 이탈방지부재 각각은, 그 말단부가 상기 고정단의 양 측면에 체결수단에 의해 체결되고 그 선단부가 상기 가동단의 측면 일부를 수용하는 형태로 상기 가동단의 상면과 일정 간격을 두고 상기 볼소켓을 향하여 뻗도록 기역자(ㄱ)자 모양으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 바닥에 설치되는 지지구조물;

상기 지지구조물의 상부에 결합되는 것으로서, 벨로우즈, 상기 벨로우즈의 상하부에 각각 구비되는 브래킷, 하부 브래킷에 구비되는 공기관연결구를 포함하는 적어도 하나의 에어스프링;

상기 에어스프링의 상단에 부착되어 시험대상 구조물의 하중을 에어스프링으로 전달하는 구면베어링으로서, 하면이 상기 에어스프링의 상부에 고정 결합되고 상면에 오목한 구형의 일부 표면모양을 갖는 베어링 자리홈이 형성된 고정단과, 상기 고정단의 베어링 자리홈에 배치되는 복수 개의 볼베어링과, 상기 볼베어링 상면에 면접촉되게 탑재되어 상기 볼베어링 상면을 따라 미끄럼 운동이 가능하도록 하면이 볼록한 구형의 일부 표면모양을 갖는 가동단과, 상기 가동단의 상부에 구비되어 오목한 반구형 지지홈을 갖는 볼소켓과, 하단에 상기 볼소켓의 지지홈에 삽입 지지되는 구형의 볼스터드를 갖고, 상단에 시험대상 구조물을 지지하는 지지판을 가지며, 상기 볼스터드와 상기 지지판 사이에 수직으로 연결되는 커넥팅로드를 갖는 볼지지대를 포함하는 구면베어링;

밀폐된 용기로서, 일측면이 공기공급관에 의해 상기 에어스프링에 연결되고, 타측면에 구비된 공기주입구를 통해 외부로부터 압축공기가 충진되는 공기탱크;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 지지구조물을 상승 또는 하강시키는 것으로서, 프레임, 상기 프레임의 상면에 구비되어 지지구조물을 상승 또는 하강시키는 구동장치, 그리고 지지구조물이 상승 또는 하강할 때 한쪽으로 기울어지거나 회전하는 것을 방지하기 위한 가이드바로 구성되는 승강장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 벨로우즈는, 작은 굴곡의 주름이 복수 개가 형성되어 있고, 각 주름의 목부분에 보강링을 삽입하여 제작된 것으로서, 외부 하중이 작용할 때 상하 방향으로 신축을 하고, 단면적의 변화가 적은 벨로우즈인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 벨로우즈의 상하부 브래킷 사이에는, 벨로우즈의 상하방향 신축운동을 허용하면서도 수평방향 운동을 구속하도록 복수 개의 수직가이드가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 구동장치는 프레임 상면 중앙에 고정 설치된 모터받침대, 모터받침대에 고정되어 정역회전이 가능한 모터, 모터의 모터축에 결합되어 모터의 회전력을 감속하는 감속기, 감속기의 출력축에 결합되는 베벨기어, 프레임 상면 일측에 수직으로 설치됨과 함께 베벨기어에 치합되어 모터의 회전운동을 상?하 왕복운동으로 전환시킴으로써 지지구조물을 승강시키는 승강나사축으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 에어스프링은 복수 개이며, 상기 공기공급관의 말단부는 복수 개로 분리되어 각 에어스프링의 공기관연결구에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 에어스프링과 상기 구면베어링 사이에는, 에어스프링에 하중을 분산시키는 평판형의 하중분산판이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 지지구조물의 상부에는, 상기 에어스프링 내의 공기가 빠졌을 때 상기 하중분산판의 하면에 밀착되도록 상기 하중분산판을 향하여 수직으로 돌출된 복수 개의 안전봉이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고정단과 가동단의 접촉면을 대략 구면으로 가공하여 볼베어링을 삽입하고 가동단의 상부에는 시험대상 구조물을 지지하여 그 하중을 전달하는 볼소켓을 구비하는 구면베어링을 채용함으로써, 모든 수평방향으로 베어링 작용을 함과 아울러 원래의 위치로의 복원력을 가져 구조물을 안정되게 지지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같은 구면베어링의 하부에 에어스프링을 설치하고 에어스프링에 체적이 큰 공기탱크를 부착하여 압축공기의 압력으로 시험대상 구조물을 지지할 수 있도록 구성함으로써, 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 하여 수평방향 운동이 발생하더라도 구면베어링에 의해 수평방향 운동을 구속하지 않고 복원력을 가지는 자유지지상태를 구현할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 에어스프링이 수축 또는 신장을 하여 체적변화가 일어나더라도, 에어스프링이 시험대상 구조물을 지지하는 지지력의 변화가 거의 없게 되어 에어스프링의 스프링상수가 0인 자유지지상태를 구현할 수 있으므로, 시험대상 구조물의 진동시험 시 진동계의 진동특성이 변하는 일 없이 지지장치의 지지력이 항상 일정하게 유지됨으로써 정밀한 진동시험을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 진동시험용 지지장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 구면베어링의 단면 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 구면베어링의 작용을 설명하기 위한 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 진동시험용 지지장치의 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치를 사용한 진동시험 시스템 구성도.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

＜제1 실시형태＞

본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 체적이 큰 공기탱크 위에 에어스프링을 장착한 상태에서 공기탱크에 압축공기를 주입하여 그 압축공기가 공기탱크와 에어스프링의 내부에 충진됨으로써 압축공기의 압력으로 시험대상 구조물을 지지할 수 있도록 구성한 것으로, 시험대상 구조물의 지지점 하부에 복수 개 설치하여 진동시험을 행하게 한 것이다.

이와 같은 구조의 지지장치를 이용하면, 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 하여 에어스프링이 수축 또는 신장을 하여 체적변화가 일어나더라도, 에어스프링이 시험대상 구조물을 지지하는 지지력의 변화가 거의 없는, 즉 지지장치의 수직방향 스프링상수가 0인 자유지지상태를 구현할 수 있어 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 하더라도 지지장치의 지지력이 항상 일정하게 유지되어 정밀한 진동시험을 할 수 있다.

도 1은 이와 같이 자유지지상태를 구현한 진동시험용 지지장치의 제1 실시형태의 구성도를 나타낸 것이다.

도 1에 한 바와 같이, 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는, 크게는 지지구조물(10), 에어스프링(20), 구면베어링(30), 및 공기탱크(40)를 포함하여 구성된다.

지지구조물(10)은 바닥에 설치되어 상부에 일정 간격을 두고 설치된 복수 개의 에어스프링(20)을 장착하기 위한 것으로서, 에어스프링(20)들이 올려져서 고정되는 베드(11)와, 베드(11)의 하부에 높낮이를 조절할 수 있는 복수 개의 다리(12)로 구성되어 있고, 또한 베드(11)의 상부에 수직으로 돌출 설치되는 복수 개의 안전봉(13)을 더 구비한다. 이 안전봉(13)은 후술하는 바와 같은 하중분산판(25)과 일정한 유격을 갖도록 하여 구면베어링(30)의 상부에 시험대상 구조물을 설치한 상태(도 5 참조)에서 에어스프링(10) 내의 공기가 빠졌을 때 하중분산판(25)의 하면에 밀착되도록 하여 시험대상 구조물이 전복되는 것을 막아주는 역할을 한다.

에어스프링(20)은 통상의 에어스프링과 마찬가지로 유연한 고무막으로 제작되는 벨로우즈(21)와, 벨로우즈(21)의 상하부에 각각 장착된 상하부 브래킷(22)과, 하부 브래킷(22)에 구비된 공기관연결구(23)와, 벨로우즈(21)의 상하부 브래킷(22) 사이에 설치되어 에어스프링(20)이 상하방향으로만 신축운동을 하게 하고, 횡하중이 작용하더라도 수평방향 운동을 구속할 수 있는 복수 개(예컨대, 2개 내지 4개)의 수직가이드(24)로 구성되어 있다.

상기한 에어스프링(20)은 용량이 작은 것으로 복수 개 사용되지만, 용량이 큰 것으로 1개만 사용할 수도 있다. 에어스프링(20)을 복수 개 사용하는 경우, 에어스프링(20)과 구면베어링(30) 사이에는, 복수 개의 에어스프링(2)에 하중을 고르게 분산시킬 수 있도록 충분한 강성을 갖는 하중분산판(25)이 개재될 수 있다. 이 하중분산판(25)은 상부 브래킷(22)에 체결수단에 의해 고정 설치된다.

벨로우즈(21)로서는, 통상의 에어스프링에 사용되는 벨로우즈를 사용할 수도 있으나, 압축공기가 충진된 상태에서 외부 하중이 작용하더라도 상하 방향으로만 신축하고 단면적의 변화가 적은 것을 사용하는 것이 좋다. 이와 같이 단면적의 변화가 적은 벨로우즈(21)는 작은 굴곡의 주름을 많이 가지고, 주름의 목부분에 보강링(미도시)을 삽입하여 제작된 형태로 되어 있다. 본 발명에서 사용되는 에어스프링(20)은 이러한 형태의 벨로우즈(21)에 하부 브래킷(22)을 통해 공기관연결구(23)를 연결한 것을 사용하면 좋다.

공기관연결구(23)는 에어스프링(20)과 연통되도록 지지구조물(10)의 베드(11)와 하부 브래킷(22)을 관통하는 관이면 족하나, 어댑터를 구비하여 삽입함으로써 연결과 기밀이 동시에 이루어지도록 하는 것이 좋다. 이러한 어댑터는 각종 공압장치의 공기파이프 연결에 많이 사용되는 것을 사용할 수 있다.

구면베어링(30)은 에어스프링(20)의 상단, 특히 상부 브래킷(22) 위에 장착됨으로써 시험대상 구조물을 지지하여 그 하중을 에어스프링(20)으로 전달하는 역할을 한다. 이러한 구면베어링(30)은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 고정단(31), 고정단(31) 위에 탑재되는 가동단(32), 고정단(31)과 가동단(32) 간의 접촉면에 개재되는 복수 개의 볼베어링(33), 가동단(32)의 상부에 결합되는 볼소켓(34), 및 볼소켓(34)에 결합되는 볼지지대(35)로 구성된다.

고정단(31)은, 하면이 상기 에어스프링(20)의 상부 브래킷(22) 또는 하중분산판(25)에 체결수단(미도시)에 의해 고정 결합되는 체결구멍(38)을 갖고 상면에 오목한 구형의 일부 표면모양을 갖는 베어링 자리홈(31a)을 구비한다.

가동단(32)은 볼베어링(33) 상면에 면접촉되게 탑재되어 볼베어링(33) 상면을 따라 미끄럼 운동이 가능하도록 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)의 형상에 대응하여 하면이 볼록한 구형의 일부 표면모양을 갖는 볼록부(32a)를 구비하는 형태로 가공된다.

볼베어링(33)은 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)에 배치되고, 그 위에 가동단(32)의 하면이 접하게 됨으로써 고정단(31)과 가동단(32)이 상대적인 운동을 할 때 구름마찰이 일어나게 한다. 볼베어링(33)이 놓인 자리, 즉 베어링 자리홈(31a)에는, 그리스를 주입하여 볼베어링과 볼베어링 간의 접촉마찰을 줄이는 것이 좋고, 구면의 판에 볼베어링(33)들이 놓일 자리를 형성한 리테이너(retainer)를 구비하여 볼베어링(33)들이 일정한 위치를 유지하도록 하는 것이 좋다.

볼소켓(34)은 중앙부에 오목한 반구형 지지홈(34a)을 구비한다. 볼소켓(34)은 가동단(32)의 상면에 직접 가공하여 형성할 수도 있으나, 지지홈(34a)이 형성된 블록을 용접, 나사결합 등의 방법으로 가동단(32)에 부착하는 방식으로 구비할 수 있다.

볼지지대(35)는 하단에 볼소켓(34)의 지지홈(34a)에 삽입 지지되는 구형의 볼스터드(35a)를 갖고, 상단에 시험대상 구조물을 지지하는 지지판(35b)을 가지며, 상기 볼스터드(35a)와 상기 지지판(35b) 사이에 수직으로 연결되는 커넥팅로드(35c)를 갖는 구조로 이루어져 있다. 볼스터드(35a)와 커넥팅로드(35c)는 별개로 형성하여 접합한 구조로 형성하거나 일체로 형성할 수도 있다. 볼지지대(35)의 상단, 즉 지지판(35b)은 지지하고자 하는 시험대상 구조물과 접하여 그 구조물을 지지하는 역할을 하며, 상면에는 미끄럼을 방지하기 위하여 고무패드 등을 부착하는 것이 좋다.

이와 같이 구면베어링(30)은 모든 방향으로 회전이 자유로운 볼지지대(35)와 볼소켓(34)에 의하여 물체를 지지하고 고정단(31)과 가동단(32)이 서로 구면 접촉을 하므로, 이 구면베어링(30)은 수직방향 하중을 지지하면서 모든 수평방향으로는 마찰이 거의 없는 베어링 작용을 한다.

그리고 수평방향 하중이 시험대상 구조물을 지지하는 볼지지대(35)로부터 가동단(32)으로 전달될 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 가동단(32)이 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)을 따라 미끄러져 올라가게 된다. 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)이 곡률반경이 충분히 큰 완만한 구면이고 수평방향 변위가 크지않다면, 베어링 자리홈(31a)에서 수평방향 운동에 저항하는 힘은 거의 무시할 수 있을 정도로 작다. 그리고 외부하중이 제거되면 수직하중에 의하여 가동단(32)이 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)을 따라 미끄러져 내려와 본래의 자리로 돌아가려는 복원력이 생긴다.

시험 중에 과도한 수평방향 변위가 발생할 경우 가동단(32)이 크게 운동하여 고정단(31)에서 이탈될 우려가 있으므로, 고정단(31)에는, 가동단(32)의 이탈을 방지하기 위한 이탈방지부재(36)가 구비되어 있는 것이 좋다. 이탈방지부재(36)는 고정단(31)의 양측면에 각각 서로 대향하는 형태로 설치된다. 이 경우, 각각의 이탈방지부재(36)는, 그 말단부가 상기 고정단(31)의 양 측면에 체결수단(37)에 의해 체결되고 그 선단부가 상기 가동단(32)의 측면 일부를 수용하는 형태로 상기 가동단(32)의 상면과 일정 간격을 두고 상기 볼소켓(34)을 향하여 뻗도록 기역자(ㄱ)자 모양으로 이루어진다.

한편 공기탱크(40)는 압축공기를 저장하기 위해 일정 두께의 금속판으로 제작된 밀폐된 원통형상의 용기로서, 일측면이 공기공급관(41)에 의해 에어스프링(20)의 공기관연결구(23)에 연결된다. 그리고 이 공기탱크(40)의 타측면에는, 공기주입구(42)가 형성되어 있어 이 공기주입구(42)를 통해 외부로부터 압축공기가 공기탱크(40) 내에 충진된다. 공기탱크(40)의 체적은 에어스프링(20)의 내부체적에 비하여 상당히 큰 체적을 가지도록 하는 것이 좋다. 진동시험 중에는 공기탱크(40)의 공기와 에어스프링(20) 내부의 공기가 공기공급관(41)에 의하여 서로 연통된다. 공기공급관(41)의 말단은 각 에어스프링(20)의 공기관연결구(23)에 연결되도록 복수 개로 분기(예컨대, 도 1과 같이 에어스프링(20)이 2개인 경우는, 두 갈래로 분기)되어 있고, 공기탱크(40)의 공기토출구와 공기공급관(41) 사이에는 공기토출구의 개도(開度)를 제어하는 제어밸브(44)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시형태에 의한 진동시험용 지지장치를 시험대상 구조물의 지지점 하부에 복수 개 배치하여 둔 상태에서, 공기주입구(42)를 통해 공기탱크(40)에 압축공기를 주입하면, 압축공기가 공기탱크(40)의 내부에 충진되고 이어서 공기공급관(41)을 통해 에어스프링(20)의 내부에도 일정 압력으로 충진된다. 이와 같이 공기가 충진되면, 에어스프링(20)과 공기탱크(40)는 공기가 충진된 하나의 밀폐 용기가 되고 압축공기의 압력으로 에어스프링(20)의 벨로우즈(21)가 신장되면서 시험대상 구조물을 지지하게 된다.

통상 밀폐된 공간에서 공기는 보일의 법칙에 따라 압력(P)과 부피(V)의 곱이 항상 일정한데(PV=K), 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 에어스프링(20)의 내부 체적에 비하여 아주 큰 체적의 공기탱크(40)를 가지고 있으므로, 진동시험 중 시험대상 구조물이 진동을 하여 에어스프링(20)이 수축 또는 신장하여 체적변화가 일어나더라도, 에어스프링(20)의 체적변화는 에어스프링(20)과 공기탱크(40)에 충진된 전체 공기부피에 비하여 무시할 수 있을 정도로 아주 작아, 일정한 압력을 유지하게 된다. 이에 따라, 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 항상 일정한 힘으로 구조물을 지지하게 된다.

에어스프링(20)이 시험대상 구조물을 지지하는 지지력(F)의 크기는 에어스프링(20)의 단면적(A)에 내부의 공기압력(P)을 곱한 값(F=PA)이 되는데, 에어스프링(20)의 단면적의 변화가 거의 없다면 상기와 같이 압력의 변화도 거의 없으므로 지지력의 변화도 거의 없게 된다. 실제로 통상의 에어스프링(20)의 경우에도 하중을 받아 수축을 하더라도 단면적(A)의 변화는 크지 않고, 특히 길이방향으로만 수축 또는 신장하는 에어스프링을 사용할 경우 단면적의 변화는 거의 없다.

진동시스템에서 고려하는 스프링은 변위(x)에 비례하는 지지력(F)을 진동체에 가하는 요소인데, 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 에어스프링(20)이 수축을 하더라도 지지력에 변화가 거의 없으므로 그 스프링상수가 0(Zero)인 상태를 계속 유지하게 된다. 이와 같이 스프링상수가 0인 지지상태를 자유지지상태라고 하고, 본 발명은 상기와 같이 스프링상수가 0이므로 수직방향으로 자유지지상태를 구현할 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치의 경우 도 2에 도시한 바와 같은 구면베어링(30)을 사용하여 수평방향의 하중에는 저항하는 힘이 없으므로 수평방향으로도 자유지지상태를 만족한다.

따라서 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 수직과 수평 모든 방향으로 자유지지상태를 만족하는 지지장치를 실현할 수 있다.

도 5는 상기와 같은 지지장치를 사용한 진동시험 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 진동시험 시스템은 본 발명에 의한 진동시험용 지지장치 복수 개를 사용하여 지지대(30)에 의해 시험대상 구조물(100)을 지지한 상태에서, 시험대상 구조물(100)에 진동을 가할 수 있는 가진기(110)를 부착하고, 시험대상 구조물(100)에는 복수 개의 진동측정센서(120)를 부착하고, 진동측정센서(120)에서 감지한 진동 신호를 처리하는 신호분석기(130)를 구비함으로써 구성된다.

이러한 진동시험 시스템에 의해, 진동시험은 가진기(110)로 시험대상 구조물(100)에 가하는 가진력 신호와 각 진동측성센서(120)에서 감지한 진동신호를 신호분석기(130)에서 처리하여 이들 신호들을 상호 비교하여 수행할 수 있고, 이와 같은 진동 시험, 즉 모달테스트(Modal Test)로 시험대상 구조물(100)의 진동특성을 파악할 수 있다.

＜제2 실시형태＞

도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 진동시험용 지지장치의 구성도를 나타낸 것이다.

본 실시형태는, 대형 구조물의 진동시험을 위하여 상기 제1 실시형태에 있어서 지지구조물(10)의 다리(12)에 지지구조물(10)을 상승 또는 하강시킬 수 있는 승강장치와 운반이 용이하도록 한 이동장치를 구비한 것을 제외하고는 상술한 제1 실시예와 동일한 구성과 작용을 가지므로, 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 병기하고, 그 중복된 설명은 생략한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 승강장치(50)는 프레임(51), 프레임(51)의 상면 일측에 설치되어 지지구조물(10)을 구성하는 베드(11)를 상승 또는 하강시키는 구동장치(52), 프레임(51)의 상면 타측에 설치되어 구동장치(52)에 의해 베드(11)가 상승 또는 하강할 때 한쪽으로 기울어지거나 회전하는 것을 방지하기 위한 복수 개의 가이드바(53)로 구성되어 있다.

구동장치(52)는 공압액츄에이터, 유압액츄에이터, 수동식 스크류 구동장치, 또는 도 4에 도시된 바와 같은 전동식 스크류 구동장치 등이 사용될 수 있다.

구동장치(52)로서의 전동식 스크류 구동장치는 프레임(51) 상면 중앙에 고정 설치된 모터받침대(52a), 모터받침대(52a)에 고정되어 정역회전이 가능한 모터(52b), 모터(52b)의 모터축에 결합되어 모터(52b)의 회전력을 감속하는 감속기(52c), 감속기(52c)의 출력축에 결합되는 베벨기어(52d), 프레임(51) 상면 일측에 수직으로 설치됨과 함께 베벨기어(52d)에 치합되어 모터(52b)의 회전운동을 상?하 왕복운동으로 전환시킴으로써 지지구조물(10)인 베드(11)를 승강시키는 승강나사축(52e)으로 구성되어 있다. 여기서, 승강나사축(52e)은 베드(11)의 하면에 연결 설치된 고정블럭(11a)을 거쳐 베드(11)를 관통하여 베드(11)의 상측으로 돌출 설치되어 있다. 그리고 가이드바(53) 또한 프렘임(51) 상면 타측에서 베드(11)의 하면에 고정 설치된 가이드블럭(11b)에 슬라이딩 가능하게 끼워진 상태에서 베드(11)를 관통하여 하부 지지판(31)을 향하여 수직으로 돌출 설치되어 있다. 여기서, 베드(11)의 상측으로부터 돌출된 승강나사축(52e)과 가이드바(53)의 각 말단부는 제1 실시형태의 안전봉과 같은 기능을 겸할 수 있다.

이와 같은 구동장치(52)는 복수 개의 가이드바(53) 중 어느 하나가 있는 자리에 설치될 수 있으나, 구동장치(52)를 프레임(51)의 중앙에 배치하고, 가장자리에 가이드(53)를 2개 내지 4개를 배치하는 방법으로 설치될 수도 있다.

한편 프레임(51)의 하면에는, 지지장치의 이동을 용이하게 하기 위한 바퀴(54)와 시험 장소에 고정하기 위한 고정장치(55)를 구비하는 것이 좋다. 그리고 프레임(51)의 상면에는, 공기탱크(40)를 탑재할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 제2 실시형태에 의한 지지장치는 상기한 제1 실시형태에 의한 지지장치와 같은 작용 효과를 발휘한다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시형태를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의한 진동시험용 지지장치는 구조체의 진동특성을 파악하기 위한 정밀 진동시험에 있어서 시험대상 구조물을 지지하는데 유용하게 이용된다.

10 : 지지구조물
20 : 에어스프링
30 : 상부지지대
40 : 공기탱크
50 :승강장치
11 : 베드
12 : 다리
13 : 안전봉
21 : 벨로우즈
22 : 고정브래킷
23 : 공기관연결구
24 : 수직가이드
25 : 하중분산판
30 : 구면베어링
31 : 고정단
32 : 가동단
33 : 볼베어링
34 : 볼소켓
35 : 볼지지대
36 : 이탈방지부재
40 : 공기탱크
41 : 공기공급관
42 : 공기주입구
51 : 프레임
52 : 구동장치
53 : 가이드바
54 : 바퀴
55 : 고정장치

Claims

상면에 오목한 구형의 일부 표면모양을 갖는 베어링 자리홈(31a)이 형성된 고정단(31);
상기 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)에 배치되는 복수 개의 볼베어링(33);
상기 볼베어링(33) 상면에 면접촉되게 탑재되어 상기 볼베어링(33) 상면을 따라 미끄럼 운동이 가능하도록 하면이 볼록한 구형의 일부 표면모양을 갖는 볼록부(32a)가 형성된 가동단(32);
상기 가동단(32)의 상부에 구비되고 오목한 반구형 지지홈(34a)을 갖는 볼소켓(34);
하단에 상기 볼소켓(34)의 지지홈(34a)에 삽입 지지되는 구형의 볼스터드(35a)를 갖고, 상단에 시험대상 구조물을 지지하는 지지판(35b)을 가지며, 상기 볼스터드(35a)와 상기 지지판(35b) 사이에 수직으로 연결되는 커넥팅로드(35c)를 갖는 볼지지대(35);
를 포함하는 것을 특징으로 구면베어링.
제1항에 있어서,
상기 고정단(31)의 양측면에는, 상기 가동단(32)이 미끄럼 운동을 할 때, 상기 가동단(32)이 상기 고정단(31)으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위한 이탈방지부재(36)가 각각 서로 대향하는 형태로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 구면베어링.
제2항에 있어서,
상기 이탈방지부재(36) 각각은, 그 말단부가 상기 고정단(31)의 양 측면에 체결수단(37)에 의해 체결되고 그 선단부가 상기 가동단(32)의 측면 일부를 수용하는 형태로 상기 가동단(32)의 상면과 일정 간격을 두고 상기 볼소켓(34)을 향하여 뻗도록 기역자(ㄱ)자 모양으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구면베어링.
바닥에 설치되는 지지구조물(10);
상기 지지구조물(10)의 상부에 결합되는 것으로서, 벨로우즈(21), 상기 벨로우즈(21)의 상하부에 각각 구비되는 브래킷(22), 하부 브래킷(22)에 구비되는 공기관연결구(23)를 포함하는 적어도 하나의 에어스프링(20);
상기 에어스프링(20)의 상단에 부착되어 시험대상 구조물의 하중을 에어스프링(20)으로 전달하는 구면베어링(30)으로서, 하면이 상기 에어스프링의 상부에 고정 결합되고 상면에 오목한 구형의 일부 표면모양을 갖는 베어링 자리홈(31a)이 형성된 고정단(31)과, 상기 고정단(31)의 베어링 자리홈(31a)에 배치되는 복수 개의 볼베어링(33)과, 상기 볼베어링(33) 상면에 면접촉되게 탑재되어 상기 볼베어링(33) 상면을 따라 미끄럼 운동이 가능하도록 하면이 볼록한 구형의 일부 표면모양을 갖는 볼록부(32a)가 형성된 가동단(32)과, 상기 가동단(32)의 상부에 구비되고 오목한 반구형 지지홈(34a)을 갖는 볼소켓(34)과, 하단에 상기 볼소켓(34)의 지지홈(34a)에 삽입 지지되는 구형의 볼스터드(35a)를 갖고, 상단에 시험대상 구조물을 지지하는 지지판(35b)을 가지며, 상기 볼스터드(35a)와 상기 지지판(35b) 사이에 수직으로 연결되는 커넥팅로드(35c)를 갖는 볼지지대(35)를 포함하는 구면베어링;
밀폐된 용기로서, 일측면이 공기공급관(41)에 의해 상기 에어스프링(20)에 연결되고, 타측면에 구비된 공기주입구(42)를 통해 외부로부터 압축공기가 충진되는 공기탱크(40);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제4항에 있어서,
상기 지지구조물(10)을 상승 또는 하강시키는 것으로서, 프레임(51), 상기 프레임(51)의 상면에 구비되어 지지구조물(10)을 상승 또는 하강시키는 구동장치(52), 그리고 지지구조물(10)이 상승 또는 하강할 때 한쪽으로 기울어지거나 회전하는 것을 방지하기 위한 가이드바(53)로 구성되는 승강장치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 벨로우즈(21)는, 작은 굴곡의 주름이 복수 개가 형성되어 있고, 각 주름의 목부분에 보강링을 삽입하여 제작된 것으로서, 외부 하중이 작용할 때 상하 방향으로 신축을 하고, 단면적의 변화가 적은 벨로우즈인 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 벨로우즈(21)의 상하부 브래킷(22) 사이에는, 벨로우즈(21)의 상하방향 신축운동을 허용하면서도 수평방향 운동을 구속하도록 복수 개의 수직가이드(24)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제5항에 있어서,
상기 구동장치는 프레임(51) 상면 중앙에 고정 설치된 모터받침대(52a), 모터받침대(52a)에 고정되어 정역회전이 가능한 모터(52b), 모터(52b)의 모터축에 결합되어 모터(52b)의 회전력을 감속하는 감속기(52c), 감속기(52c)의 출력축에 결합되는 베벨기어(52d), 프레임(51) 상면 일측에 수직으로 설치됨과 함께 베벨기어(52d)에 치합되어 모터(52b)의 회전운동을 상?하 왕복운동으로 전환시킴으로써 지지구조물(10)을 승강시키는 승강나사축(52e)으로 구성된 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 에어스프링(20)은 복수 개이며, 상기 공기공급관(41)의 말단부는 복수 개로 분리되어 각 에어스프링(20)의 공기관연결구(23)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제9항에 있어서,
상기 에어스프링(20)과 상기 구면베어링(30) 사이에는, 에어스프링(20)에 하중을 분산시키는 평판형의 하중분산판(25)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제10항에 있어서,
상기 지지구조물(10)의 상부에는, 상기 에어스프링(20) 내의 공기가 빠졌을 때 상기 하중분산판(25)의 하면에 밀착되도록 상기 하중분산판(25)을 향하여 수직으로 돌출된 복수 개의 안전봉(13)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 고정단(31)의 양측면에는, 상기 가동단(32)이 미끄럼 운동을 할 때, 상기 가동단(32)이 상기 고정단(31)으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위한 이탈방지부재(36)가 각각 서로 대향하는 형태로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 이탈방지부재(36) 각각은, 그 말단부가 상기 고정단(31)의 양 측면에 체결수단(37)에 의해 체결되고 그 선단부가 상기 가동단(32)의 측면 일부를 수용하는 형태로 상기 가동단(32)의 상면과 일정 간격을 두고 상기 볼소켓(34)을 향하여 뻗도록 기역자(ㄱ)자 모양으로 이루어진 것을 특징으로 하는 진동시험용 지지장치.