KR20160009062A

KR20160009062A - 동조 질량 댐퍼 및 이를 포함하는 시스템

Info

Publication number: KR20160009062A
Application number: KR1020157035741A
Authority: KR
Inventors: 자르코 케이나넨; 칼레 베빌라이넨
Original assignee: 테크놀로지안 투트키무스케스쿠스 브이티티 오와이
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2016-01-25
Also published as: CN105612366B; JP2016521833A; EP3004682B1; EP3004682C0; CN105612366A; WO2014195575A1; FI125726B; US20160123422A1; EP3004682A1; DE202014011406U1; KR101777319B1; FI20135610A; JP6669648B2; US10655699B2

Abstract

본 발명은 광범위해진 주파수 밴드를 갖고, 작고 값싼 구조체뿐만 아니라, 크고 값비싼 구조체에 채택될 수 있는 단순한 동조 질량 댐퍼를 제공한다. 신규한 자가 동조 질량 댐퍼(self-tuned mass damper)(100)는, 보조 질량부(120); 및 상기 보조 질량부(120)를 진동 구조체(200)에 연결하도록 구성된 비선형 서스펜션(110)을 구비한다. 상기 보조 질량부의 상기 질량 및 상기 비선형 서스펜션(110)의 강성은, 상기 고유 주파수가 적어도 6 Hz이고, 그리고 상기 진동 구조체(200)에 대한 상기 보조 질량부(120)의 상대 변위의 진폭은 최대 12 mm가 되도록 선택된다.

Description

동조 질량 댐퍼 및 이를 포함하는 시스템{SELF-TUNED MASS DAMPER AND SYSTEM COMPRISING THE SAME}

본 발명은 동조 질량 댐퍼에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 동조 질량 댐퍼에 관한 것이다.

동조 질량 댐퍼는 불필요하거나 유해한 기계적 하모닉 진동(mechanical harmonic vibrations)의 진폭을 감소시키는 잘 공지된 해결책이다. 동조 질량 댐퍼는 마이크로 회로로부터 고층 건물까지의 대규모의 진동을 감쇠하는데 이용된다. 동조 질량 댐퍼의 배경에 있는 기본 아이디어는 단순한데, 일반적으로 스프링 및 댐퍼로 이루어지는 서스펜션 요소를 통해 진동 구조체에 보조 질량부가 부착되므로, 진동 구조체의 진동 특성을 변경한다. 스프링 및 댐퍼 대신에, 서스펜션 요소는 하나만의 요소, 예컨대 양자의 요구되는 특성을 포함하는 고무 스프링에 의해 대안적으로 제공될 수 있다.

질량 댐퍼는 동조 질량부의 잘량 및 서스펜션 요소의 강성이 방해스런 가진력(excitation force)에 대한 적절한 대항력을 제공하도록 선택된다. 특히, 질량비, 즉 보조 질량부와 진동 구조체 사이의 질량 상대성, 및 질량 댐퍼의 동조 주파수는 잘 공지된 설계 원리에 따라 연산된다.

동조 질량 댐퍼가 일반적으로 선형이지만, 비선형 질량 댐퍼가 일부 문헌에 제안되어 있는데, 그 이유는 비선형 질량 댐퍼가 더욱 광범위한 주파수 밴드에서 작동하기 때문이다. 비선형 동조 질량 댐퍼는 비선형 스프링 및/또는 비선형 댐퍼와 질량을 채용한다. 특정한 타입의 비선형 동조 질량 댐퍼는 와이어 로프 스프링 댐퍼인데, 그 원리는, 예컨대 "Parametric experimental study of wire rope spring tuned mass dampers" Gerges & Vickery in the Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics (91, 2003, 1363-1385)에 개시되어 있다. Gerges & Vickery에 따르면, 결과적인 구조체(resulting structure)의 연구된 주파수 영역은 최대 4.5 Hz이다.

종래의 동조 질량 댐퍼와 관련된 문제점은, 이러한 댐퍼가 오히려 좁은 주파수 밴드로만 동조될 수 있다는 점이다. 종래의 동조 질량 댐퍼의 작동 윈도우는, 주파수 밴드의 폭이 높은 감쇠 효율과 주파수 밴드의 폭 사이에서 균형을 유지한다는 점에서 감쇠 구조에 의해 좌우된다. 더욱 상세하게, 감쇠 효율의 증대는 감소된 주파수 밴드를 초래하는 한편, 주파수 밴드는 그 밴드 내의 특정 주파수에 대해 감쇠면에서 덜 최적인 경향이 있다. 질량 댐퍼의 주파수 밴드를 넓히기 위한 많은 시도가 있어왔다. 다수의 제안에서 소정의 주파수를 감쇠하도록 질량 댐퍼를 채택하는 일련의 액추에이터를 조절하는 제어 유닛을 채용하는 액티브 또는 조정식 질량 댐퍼를 이용하는 것을 수반한다. 이와는 달리, 이러한 액티브 질량 댐퍼는 서스펜션을 거쳐 카운터 질량을 진동 구조체에 제공하는 견지에서 패시브 댐퍼와 유사하게 설계된다. 불행히도, 종래의 액티브 질량 댐퍼는 과도한 에너지를 이용하고 오히려 복잡하므로, 마이크로 회로보드와 같은 작고 값싼 구조체를 감쇠하는데 실행가능하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 광범위해진 주파수 밴드를 갖고, 작고 값싼 구조체뿐만 아니라, 크고 값비싼 구조체에 채택될 수 있는 단순한 동조 질량 댐퍼를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 보조 질량부와, 상기 보조 질량부를 진동 구조체에 연결하도록 구성된 비선형 서스펜션을 구비하는 자가 동조 질량 댐퍼를 제공하는 신규하고 완전히 특이한 방식의 도움으로 성취된다. 상기 보조 질량부의 상기 질량 및 상기 비선형 서스펜션의 강성은, 상기 고유 주파수가 적어도 6 Hz이고, 그리고 상기 진동 구조체에 대한 상기 보조 질량부의 상대 변위의 진폭은 최대 12 mm가 되도록 선택된다.

더욱 상세하게, 본 발명에 따른 동조 질량 댐퍼는 청구항 1의 특징부를 특징으로 한다.

본 발명의 도움으로 상당한 이점이 얻어진다. 질량 댐퍼가 일반적인 상세 이외에 치수설정되기 때문에, 광범위해진 주파수 밴드가 매우 단순하게 성취되며, 작고 값싼 구조체뿐만 아니라, 크고 값비싼 구조체에 채택될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 더욱 상세하게 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동조 질량 댐퍼 구성에 대한 입체도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동조 질량 댐퍼 구성에 대한 입체도,
도 3은 도 2의 구성에 대한 측면도,
도 4는 횡축 상에 플로팅된 동적 진폭, 좌측의 수직축 상에 플로팅된 동적 강성 및 우측의 수직축 상에 플로팅된 손실률, 즉 감쇠 특성 사이의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 가진 진폭 레벨(excitation amplitude level)로서 2.5 g을 이용하여 도 1에 따른 스프링-질량 시스템의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프,
도 6은 가진 진폭 레벨로서 0.3 g을 이용하여 도 1에 따른 스프링-질량 시스템의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프,
도 7은 가진 진폭 레벨로서 0.5 g을 이용하여 도 1에 따른 스프링-질량 시스템의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프,
도 8은 가진 진폭 레벨로서 1 g을 이용하여 도 1에 따른 스프링-질량 시스템의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프,
도 9는 가진 진폭 레벨로서 4 g을 이용하여 도 1에 따른 스프링-질량 시스템의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프,
도 10은 주파수 영역(frequency domain) 내에 200 kg의 모드 질량(modal mass)을 갖는 구조체의 진동을 나타내는 그래프,
도 11a는 주파수 영역 내에 자가 동조 질량 댐퍼 없는 회로 보드의 진동을 나타내는 그래프,
도 11b는 주파수 영역 내에 자가 동조 질량 댐퍼를 갖는 회로 보드의 진동을 나타내는 그래프,
도 12는 주파수 영역 내에 900 kg의 모드 질량을 갖는 구조체의 진동을 나타내는 그래프,
도 13은 도 12의 예의 횡축 상에 플로팅된 동적 진폭, 좌측 수직축 상에 플로팅된 동적 강성 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 14는 와이어 로프 아이솔레이터에 관한 예에서 횡축 상에 플로팅된 동적 진폭, 좌측 수직축 상에 플로팅된 동적 강성 사이의 관계를 나타내는 그래프로서, 그 높이는 130이고, 폭은 145 mm이며, 와이어 직경은 6 mm이고 4턴인 도면.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 동조 질량 댐퍼(100) 구성은 와이어 로프 아이솔레이터(110)를 통해 진동 구조체(200)에 부착되는 보조 질량부(120)를 특징으로 한다. 와이어 로프 아이솔레이터(110)는 부착 블록(113, 112) 각각에 의해 보조 질량부(120)에 그리고 진동 구조체(200)에 부착되는 권취된 와이어를 구비한다. 본 문맥에서, 용어 "와이어 로프 아이솔레이터"는 표현 "케이블 마운트", "케이블 아이솔레이터" 및/또는 "와이어 로프 스프링"으로 당해 기술에 공지된 구조체를 지칭한다. 와이어 로프 아이솔레이터는, 예컨대 헬리컬이고 콤팩트하며 짧은 바아 또는 특정한 조립체를 채용함으로써 다수의 방식으로 형성될 수 있다. 상이한 모든 로프 아이솔레이터 타입은 자가 채택 질량 댐퍼와 동일한 방식으로 작동한다.

도 2 및 3은 또 다른 실시예에 따른 동조 질량 댐퍼 구성을 도시한다. 제2 실시예에서, 도 1의 질량 댐퍼(110)는 부착 블록(112, 113)들 사이에 추가적인 중간 블록(114)를 구비하고 있다. 본 실시예에서, 부착 블록(112, 113)은 큰 헬리컬 스프링 와이어(111a)에 의해 결합되는 한편, 중간 블록(114)은 안착된 작은 헬리컬 스프링 와이어(111b, 111c) 각각을 통해 부착 블록(112, 113)에 결합된다. 안착된 스프링 와이어(111b, 111c)가 중간 블록(114)을 부착 블록(112, 113)에 연결하는 상태에서의 중간 블록(114)을 이용함으로써, 결과적인 동조 질량 댐퍼(110)는 감쇠 및 강성을 위해 더욱 양호한 제어를 제공한다.

도 4는 횡축 상에 플로팅된 동적 진폭, 좌측의 수직축 상에 플로팅된 동적 강성 및 우측의 수직축 상에 플로팅된 감쇠 특성으로서 알려진 손실률 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 도시된 예는 특정한 질량 댐퍼 구조체의 결과이며, 여기서 와이어 직경은 12 mm이고, 높이는 122 mm이며, 폭은 144 mm이다. 질량 댐퍼의 구조는 진폭-강성 곡선에 대한 효과를 갖는다. 와이어 로프 아이솔레이터의 가장 유용한 비선형 영역은 도 4에 제공된 바와 같은 진폭-강성 곡선의 슬로프를 이용하여 평가될 수 있다. 슬로프가 값 1에 도달하지만, 와이어 로프 아이솔레이터는 선형 스프링 댐퍼, 예컨대 고무 또는 헬리컬 강철 스프링에 근접하고, 질량 댐퍼의 자가 동조 특성은 없다. 자가 동조 질량 댐퍼가 더욱 잘 작동하는 한편, 진폭-강성 곡선의 슬로프는 선형 방정식보다는 2차 또는 고차 함수에 근접한다는 것은 실험에 따른 유용한 접근(the rule of thumb)이다. 그 원리는 도 4에 도시되며, 여기서 선형 방정식은 4 mm에서 시작하고, 4 mm 미만으로 2차 함수에 근접한 것으로 보인다. 진폭-강성 곡선의 슬로프에서의 선형 방정식은 여전히 비선형 스프링이지만, 그 효과는 슬로프에서의 2차 함수에 비해 더 낮다. 주파수 영역에서의 가속 진폭에 대한 변위의 상관성은 2차 함수이고, 종종 진동 가속 진폭의 구조가 더욱 높은 주파수로 높아지므로, 비선형 스프링은 넓은 주파수 영역에서 작동하도록 가능한 한 비선형이 될 필요가 있다. 또한, 진폭-강성 곡선의 슬로프의 선형 방정식은 좁은 주파수 밴드에서만 작동하는 종래의 동조 질량 댐퍼에 비해 더욱 넓은 주파수 영역의 작동 영역을 제공한다.

따라서, 도시한 예에서의 자가 동조 질량 챔버를 제공하기 위해, 보조 질량부(120)의 질량 및 비선형 서스펜션(110)의 강성은, 상기 고유 주파수가 바람직하게 적어도 6 Hz이고, 진동 구조체에 대한 보조 질량부(120)의 상대 변위의 진폭은 바람직하게 최대 12 mm가 되도록 선택되어야 한다. 그 다음, 질량비에 대한 강성은 정적 강성(static stiffness)을 이용하여 적어도 1.4 kN/(m·kg)일 것이다.

도 14를 참조하여 또 다른 예를 기술한다.

더욱 바람직한 실시예에 의하면, 고유 주파수는 적어도 10 Hz이므로, 정적 강성(static stiffness)을 이용하여 적어도 4 kN/(m·kg)의 질량비에 대한 강성을 산출(yield)한다. 훨씬 더 바람직한 실시예에 의하면, 고유 주파수는 적어도 14 Hz이므로, 정적 강성을 이용하여 적어도 7 kN/(m·kg)의 질량비에 대한 강성을 산출한다.

도 5 내지 9는 예시적인 가진 진폭 레벨(excitation amplitude level), 즉 2.5 g, 0.3 g, 0.5 g, 1 g 및 4 g 각각을 이용할 때, 도 1에 도시한 실시예에 따른 스프링-질량 시스템의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프이다. 이들 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 응답/가진비는 넓은 주파수 범위에서 1 이상이다.

다음으로, 3가지의 설계 예를 참조함으로써 신규한 질량 댐퍼의 설계 원리를 더욱 상세하게 기술한다.

도 10은 주파수 영역(frequency domain) 내에 200 kg의 모드 질량(modal mass)을 갖는 구조체의 진동을 나타내는 그래프이다. 두꺼운 선은 임의의 댐퍼 없는 원래의 구조체이고, 얇은 선은 종래의 동조 질량 댐퍼를 갖는 동일한 구조이며, 점선은 자가 동조 질량 댐퍼를 갖는 구조이다. 도 10에서, 주파수 영역에서 두꺼운 선으로 나타낸 3가지 공진을 갖는 구조를 알 수 있다. 진동 가속 [g]은 수직축에 제공되고, 주파수 [Hz]는 횡축에 제공된다. 얇은 선은 13 및 14.5 Hz로 보이는 2가지 공진의 진동을 감소시키는 종래의 동조 질량 댐퍼를 갖는 동일한 구조를 제공하지만, 12 Hz 근방의 제1 공진에 대한 효과를 가지지 않는다. 점선은 모든 공진을 감소시킬 수 있는 자가 동조 질량 댐퍼를 갖는 동일한 구조를 제공한다.

질량 댐퍼의 또 다른 예는 도 11a 및 11b에 도시되며, 이 댐퍼는 훨씬 더 작은 진동 구조체, 즉 회로 보드에서 발생하는 진동을 감쇠하는데 이용된다. 회로 보드는 넓은 주파수 소음 가진을 이용하여 전자기 쉐이커(electro-magnetic shaker)에 의해 동적으로 시험되었다. 회로 보드에서 다수의 공진이 발견됨(도 11a 참조). 자가 동조 질량 댐퍼는 회로 보드의 중간에 설치되어, 동일한 가진으로 시험되었다(도 11b 참조). 자가 동조 질량 댐퍼는, 예컨대 90, 290 및 460 Hz 근방의 다수의 공진을 감소시킬 수 있었다.

주파수 영역 내에 900 kg의 모드 질량을 갖는 구조체의 진동을 나타내는 그래프인 도 12 및 13을 참조하여 제3 예가 도시된다. 자가 동조 질량 댐퍼는 모드 질량이 900 kg인 공진 테이블(도 12에서의 질량 댐퍼의 두꺼운 라인 없는 평면 테이블)로 동적으로 시험되었다. 자가 동조 질량 댐퍼는 40, 60 및 80 Kg(두꺼운 선)의 이동하는 보조 질량부를 이용하여 시험되었다. 도 12로부터, 자가 동조 질량 댐퍼는 3가지의 모든 공진(29, 44 및 51 Hz 근방)에서의 공진 시험 테이블의 진동 레벨을 감소시킬 수 있었다. 본 시험에 이용된 와이어 로프 아이솔레이터는 8 턴을 갖는 16 mm 강철 와이어 로프를 이용하여 제조되었고, 그 프레임의 길이는 267 mm이었고, 아이솔레이터의 높이는 109 mm이었고, 폭은 135 mm이었다.

공진 테이블 시험에 이용된 와이어 로프 아이솔레이터의 진폭-강성 곡선은 도 13에 제공되어 있다. 도 13으로부터, 자가 동조 질량 댐퍼의 고유 주파수가 연산될 수 있고, 공진 테이블의 결과와 비교한 시험 결과가 도 12에 제공된다. 연산 결과는 하기의 표 1에 제공된다. 자가 동조 질량 댐퍼의 운동은 감쇠된 공진 테이블의 운동에 비해 3배 내지 4배가 더 컸다.

연산 결과예

구조체 진동			질량 댐퍼 운동			자가 동조 질량 댐퍼
acc [g]	X [mm]	f [Hz]	acc [g]	X [mm]	f [Hz]	k [N/m]	m [kg]	f [Hz]
0,1	0,010	51	0,4	0,039	51	3500000	40	47
0,3	0,039	44	0,9	0,118	44	2500000	40	40
0,3	0,090	29	0,9	0,271	44	1200000	40	28

위에서 설명된 바와 같이, 도 4의 예를 참조하여 제공된 치수설정 값은 질량 댐퍼의 구조에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 진동 구조체에 대한 보조 질량부의 상대 변위의 더욱 높은 진폭을 갖는 또 다른 예가 이후에 제공된다.

도 14는 횡축 상에 플로팅된 동적 진폭, 좌측 수직축 상에 플로팅된 동적 강성 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 와이어 로프 아이솔레이터의 가장 유용한 비선형 영역은 도 14에 제공된 바와 같이 진폭-강성 곡선의 슬로프를 이용하여 평가되었다. 슬로프가 값 1에 도달하지만, 와이어 로프 아이솔레이터는 선형 스프링 댐퍼, 예컨대 고무 또는 헬리컬 강철 스프링에 근접하고, 질량 댐퍼의 자가 동조 특성은 없다. 자가 동조 질량 댐퍼가 더욱 잘 작동하는 한편, 진폭-강성 곡선의 슬로프는 선형 방정식보다는 2차 또는 고차 함수에 근접한다는 것은 실험에 따른 유용한 접근(the rule of thumb)이다. 그 원리는 도 14에 도시되며, 여기서 선형 방정식은 12 mm에서 시작하고, 12 mm 미만으로 2차 함수에 근접한 것으로 보인다. 진폭-강성 곡선의 슬로프에서의 선형 방정식은 여전히 비선형 스프링이지만, 그 효과는 슬로프에서의 2차 함수에 비해 더 낮다. 주파수 영역에서의 가속 진폭에 대한 변위의 상관성은 2차 함수이다. 구조체의 진동 가속 진폭은 종종 더욱 높은 주파수에 의해 더욱 높아서, 비선형 스프링은 넓은 주파수 영역에서 작동하도록 가능한 한 비선형이 될 필요가 있다. 또한, 진폭-강성 곡선의 슬로프의 선형 방정식은 좁은 주파수 밴드에서만 작동하는 종래의 동조 질량 댐퍼에 비해 더욱 넓은 주파수 영역의 작동 영역을 제공한다.

도 4의 예와 도 14의 예 간의 차이는 와이어 로프 아이솔레이터의 높이 및 폭에 비교한 와이어 직경이다. 따라서, 특정한 진폭값이 존재하며, 여기서 비선형 강도가 증가되는 한편, 와이어 직경 대 와이어 로프 아이솔레이터의 높이 및 폭은 감소된다. 이는 와이어 로프 아이솔레이터의 상대적으로 큰 높이 및 폭에 비해 작은 와이어 직경인 경우, 비선형 강도부는 진폭이 상대적으로 높은데, 예컨대 도 14의 예에서 12 mm이고, 여기서 와이어 직경은 6 mm이고, 높이는 130 mm이고 폭은 145 mm이지만, 도 4의 예에서 4 mm이고, 여기서 와이어 직경은 12 mm이고, 높이는 122 mm이고, 폭은 144mm이다.

100: 동조 질량 댐퍼
110: 와이어 로프 아이솔레이터
111; 와이어
112: 부착 블록
113: 부착 블록
114: 중간 블록
120: 보조 질량부

Claims

동조 질량 댐퍼(tuned mass damper)(100)에 있어서,
- 보조 질량부(120); 및
- 상기 보조 질량부(120)를 진동 구조체(200)에 연결하도록 구성된 비선형 서스펜션(110)
을 포함하며,
상기 보조 질량부(120)의 질량 및 상기 비선형 서스펜션(110)의 강성은 결과적인 구조체를 위한 적절한 고유 주파수를 산출하도록 구성되며,
상기 보조 질량부의 상기 질량 및 상기 비선형 서스펜션(110)의 강성은,
- 상기 고유 주파수가 적어도 6 Hz이고, 그리고
- 상기 진동 구조체(200)에 대한 상기 보조 질량부(120)의 상대 변위의 진폭은 최대 12 mm가 되도록 선택되며,
상기 질량 댐퍼(100)는 자가 동조(self-tuned)되는 것을 특징으로 하는,
동조 질량 댐퍼.
제1항에 있어서,
상기 진동 구조체(200)에 대한 상기 보조 질량부(120)의 상대 변위의 진폭은 최대 4 mm인,
동조 질량 댐퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 비선형 서스펜션(110)은 와이어 로프 아이솔레이터(wire rope isolator)인,
동조 질량 댐퍼.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
질량비에 대한 강성은 정적 강성(static stiffness)을 이용하여 적어도 1.4 kN/(m·kg)인,
동조 질량 댐퍼.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고유 주파수는 적어도 10 Hz인,
동조 질량 댐퍼.
제3항에 있어서,
질량비에 대한 강성은 정적 강성(static stiffness)을 이용하여 적어도 4 kN/(m·kg)인,
동조 질량 댐퍼.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고유 주파수는 적어도 14 Hz인,
동조 질량 댐퍼.
제7항에 있어서,
질량비에 대한 강성은 정적 강성(static stiffness)을 이용하여 적어도 7 kN/(m·kg)인,
동조 질량 댐퍼.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 구조체(200)에 대한 상기 보조 질량부(120)의 상대 변위의 진폭은 최대 2 mm인,
동조 질량 댐퍼.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 구조체(200)에 대한 상기 보조 질량부(120)의 상대 변위의 진폭은 최대 1 mm인,
동조 질량 댐퍼.
진동 구조체(200)를 포함하는 진동 시스템에 있어서,
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 동조 질량 댐퍼를 특징으로 하는,
진동 시스템.