KR910001844B1 - 가진기에 의한 선박의 진동측정 및 진동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

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Description

가진기에 의한 선박의 진동측정 및 진동 제어 장치

제1도 (a) (b) (c)는 본 발명의 가진원리에 대한 개념도.

제2도 (a) (b)는 본 발명에 의한 가진기의 2가지타입 예시도

제3도는 본 발명의 가진기에 대한 구성도.

제4도는 본 발명의 가진기 작용의 개략도.

제5도는 가진기를 이용한 본 발명의 선박 진동 측정 시스템의 블럭도.

제6도는 선박의 주요 측정대상을 표시하는 참고 예시도.

제7도는 가진기를 이용한 본 발명의 선박 진동 제어 시스템의 블럭도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

E : 가진기 1 : 로드셀(Load Cell)

2 : 프레임 (Frame) 3 : 유압실린더

4 : 피스톤로드 5 : 가속도계(Accelerometer)

6 : 매스(Mass) 7 : 서보밸브(Servo Valve)

S : 센서 (Vibration Transducers) H : 선체면

본 발명은 대형선박을 건조함에 있어서, 선체에서 발생될 수 있는 진동요소를 건조중에 사전 탐지하여 진동이 거의 없도록 선박을 완공시키고저하는 가진기(加振機)와 그의 진동측정 및 진동제어장치에 관한 것이다.

운항하는 선박은 주로 프로펠러와 엔진에 의하여 기진력이 가해지므로 선박마다 정도의 차이는 있겠지만 반드시 진동이 발생된다. 그러므로 설계시에는 진동이 허용범위를 넘지 않도록하는 방진 설계를 실시하게되나, 실제로 선체가 완성된뒤 시운전 상태에서의 진동특성을 측정해보면 선체의 국부, 혹은 전체에서 발생되는 진동이 허용한계를 초과하게되여 완공된 선박을 인도하려는측과 인수측간에 이문제로 마찰을 빚는 경우가 많이 있다.

당연히, 인수측에서는 저 진동, 소음의 선박을 요구하게되고 또한, 선박의 진동에 관한 규제가 더욱 강화되고 있는 현재의 추세에 따라 당업계에서 선박을 설계하고 건조하는 과정에서의 방진(防振)문제는 비중있게 다루어진다.

이에따라 선박의 진동억제를 위한 많은 연구가 추진중에 있는 실정이며, 주로 진동 예측을 위한 전산투울(TOOL)의 개발 및 해석에 관한 연구가 중점이 되어왔으나 본격적인 진동대책을 위해서는 좀더 명확한 해석과 이를 뒷받침할 수 있는 실험을 통하여 완벽한 방진 대책을 강구할 필요가 있다.

선행방법으로서, 선박진동시험으로 활용되어 왔던 기진원은 앵커(Anchor)의 자유낙하에 의한 충격법과 햄머링 (Hammering)에 의한 충격법이 있으나 이방법은 정확한 측정치를 구하기 어렵고 측정결과의 해석이 매우 난이하였다.

또한, 엔진 가동에 의하여 발생되는 진동원을 측정할 수도 있으나 시운전시 다양한 기진원(프로펠러, 기계류)등이 장해요인으로 간섭되어 선체의 진동응답이 매우 불규칙하고 그 측정값이 정확치 못한 문제점이 있었다.

이러한 문제를 보다 능률적으로 접근하기위한 진동시험방법인 "가진기에 의한 응답 측정시험방법"이 연구되어 최근에 널리 활용되고 있는데 이것은 원하는 형태의 힘을 발생시킬 수 있는 장치가 필수적인 요소이다.

종래의 이러한 가진장치는 대형선박에 적응함에 있어서, 기진력이 작고 가진의 형태를 원하는 대로 바꿀수가 없어서(주파수 기진력, 파형등의 변경이 용이하지 못함) 많은 제약이 있었던 것이다.

본 발명은 종래의 기계식보다도 큰힘 (5∼10Ton)을 낼수 있으며, 기진력의 형태도 임의로 변경할 수 있는 새로운 장치를 제시하는 것으로서 지금까지의 진동 측정방법보다 정확히 선체의 진동 특성을 규명하여 저진동, 저 소음의 선박을 건조시키는데 이바지하려는 것이다.

본 발명의 목적을 달성할 수 있는 가진기는 가진 시험 및 선체 진동제어 장치의 기진원으로 활용되는 기기로서 본 발명의 핵심구성을 이룬다.

이 가진기는 소규모 제품의 진동특성계측에 사용되는 가진기와 근본적으로 다른 개념으로 도면 제1도와 같은 생각에서 발상되었다.

(a)의 그림은 진동계 위에 측정대상물을 올려 놓고 진동을 발생시켜 그 주파수를 측정하는 것으로서 미와 같은 원리에 의하여 선박의 진동을 측정하려면 (b)의 그림과 같이 진통계 위에 선박을 올려 놓아야 한다는 원리가 적용된다.

그러나, 이것은 불가능한 일이므로 (c)의 그림과 같이 꺼꾸로 선박위에 진동계를 뒤집어 놓으면 측정을 가능하게 할 수 있을 것이다.

가장 이상적인 기진원은 정확한 힘과 주파수를 가할 수 있는 것이여, 상기와 같은 원리에 의해서 선체의 진동특성을 가장 완벽하게 측정할 수 있게 된다.

본 발명은 힘과 주파수 조정이 가능한 유압 서보 메카니즘(Hydraulic Servo Mechanism)을 상기한 다)의 원리에 적용하는 것으로서 가진기의 장치는 아래와 같다.

제2도는 가진기의 개략도로서 (A) (B)의 두가지 타입을 예시하고 있으나 그 작용과 기능은 동일하게 일어 난다.

(A) 타입은 선체면에 로드셀(Load cell : 압전 결정에 압력을 걸어 결정을 가로지르는 전답을 측정함으로서 큰 압력을 측정하는 장치) (1)을 안착하고, 그위에 중공형 프레임 (2)을 얹히며, 상단부에는 서보 밸브(7)를 통하여 압송되는 유압이 실린더(3)를 작용시키도록 설치하되 피스톤 로드(4)의 하부 말단에는 가속도계(Accelerometer) (5)을 부착시키고 상부에는 중량체의 매스(mass) (6)를 달아서 구성된 것이다.

(B) 타입은 상기와 유사한 구조를 가지며, 프레임(2)의 상단부가 꺼꾸로 설치된 구조 즉, 매스(6)가 중공부에 위치하고 가속도계(5)는 상단에 위치되는 상태로 실린더(3)를 장착시킨 것을 나타낸다.

위 두가지 타입의 구조에 있어서 매스(6)의 중량을 감안할 때 (B) 타입이 더 안정적이고 높이가 줄어들수 있는 구조이므로 이를 채택하여 제3도에 구체적으로 도시하였다.

덧붙혀 유압서보 밸브(7)의 일지점에는 콘트롤러에 의하여 작용되는 연결단(8)이 설치되어 있고 유압유는통상의 모터(M)에 의하여 유압펌프(P)로부터 압송된다.

물론, 탱크의 오일을 여과할 수 있는 필터와 당연히 따르고 단일 유압라인으로 압송되거나 드레인 되며 이 유압은 콘트롤러에 의한 서보밸브의 개폐 여하에 따라 상,하로 구분된 통로를 거쳐 실린더 내부로 유입되면서 피스톤의 밸런스를 유지시킨다.

제 4도는 상술한 구조의 기능적 역할을 이해 시키기 위하여 개략적으로 도시한 것으로서 프레임의 상단면 즉 실천더가 장착된 지점을 "F"로 하여 프레임에 작용하는 작용력 이라하고, "X"는 중량체의 매스가 작동하는 변위라할때

이 가진력 F는 바닥에 전달되어 선체의 진동을 유발시킨다.

여기에서 로드셀(1)은 절달되는 힘의 크기를 측정하여 전기적 신호를 콘트롤러에 보내고 콘트롤러는 이 신호의 값과 기준입력을 비교하여 나타나는 오차를 보상하는 제머를 수행한다.

(응용예 1)

상기와 같은 가진기(Exciter)를 이용하여 선박의 진동특성을 측정하기 위한 "가진기 시험(Exciter test)"을 할 수 있고 또한 "선박진동 제어 시스템"을 구성하기 위한 진동 발생원으로도 활용할 수 있다.

먼저, 가진기 시험에 관하여 설명하면, 제5도와 같이 마이크로 컴퓨터를 이용한 콘트롤 시스템을 구성하여야한다.

도면에 준하여 설명하면, 선박의 일지점에 가진기 (E)를 설치하고 매스(6)가 동작될때 가속도계(5)의 값과 로드셀(1)이 받근 압력을 측정하여 그 신호를 가진기 콘트롤러로 보낸도록 연결구성함과 더불어 이곳으로부터 서보밸브(7)를 제어할 수 있는 신호가 입력된다.

한편, 선체의 각 요소에는 센서(S) (Vibration Transducers)를 설치하여 진동값을 멀티 찬넬 증폭기(Multi channel Amplifier)로 보내어 증폭한후 마이크로 컴퓨터 (Data Acquisition system)에서 수집되게하며, 여기에서 비교회로를 통하여 분석된 값을 함수 발생기(Function Generator)로 출력하여 상기한 가진기 콘트롤러 (Exciter Controller)로 보내도록 연결 구성한다

따라서 상기 구성에 의하여 가진기 시험을 하려면 최초에 가진기 (E)가 선체에 기진력을 유발시키면서 비롯된다.

즉, 원하는 힘과 주파수를 가할 수 있는 가진기가 선체에 힘을 가함에 따라 그 강제 진동이 전체에 전달되고 신체의 각 부위에 설치된 센서(S)들이 이 진동을 포착하여 전기적인 신호를 멀티 찬넬 증폭기에 보내게 되는 것이다.

여기에서 증폭된 아날로그 신호는 컴퓨터 내부의 A/D 변환기에서 디지탈 신호로 변환되어 마이크로 컹퓨터로 입력되며 이 데이타를 초기의 설정값과 비교하며 컨퓨터 모너터 또는 컴퓨터 프린트로 나타내주고, 한편으로는 로드셀(1) 및 가속도계(5)에 주어진 가진량과 상기 진동량을 비교하여 종합적으로 선체의 각 부위에 대한 진동특성을 계측하게된다.

다시말하면, 선체의 고유진동수(Natural Frequency)와 감쇄계수(Damping Coef(icients) 및 진동질량(Vibration Mass)을 1차 분석하고 이것을 토대로 실측치의 비교와 모우드 해석 (Modal Analysis)등을 수행하여 선박이 원하는 진동특성을 규명 하게되는 것이다.

상기 진동 측정시험시 센서 (5)의 설치 즉, 측정하고저하는 위치의 결정은 상당히 중요한 사항으로서 선박에 따라 그 위치가 달라지게 되므로 전체적인 설계사양을 검토하여 반영시키며 그 예를 제 6도에 나타내었다

그림과 같이 진동 예측 부분에 다수의 센서를 설치하여 전술한 바와 같이 진동을 측정하면 취약 구조를사전에 판별할 수 있으므로 합리적인 방진 설계를 위한 구조물의 수학적인 모델을 작성할 수가 있고 선박의실험적 진동해석이 가능한 효과를 얻는다.

위와 같은 가진기의 웅용 방법으로 건조중에 진동이 일어날 수 있는 요소를 개선하게 됨과 아울러 완공후에는 항주중에 발생될 수 있는 진동을 측정하면서 취약한 부분에 대하여 가진기를 다시 응용하여 방진 대책을 수립할 수 있다.

(응용예 2)

진동 억제 기술에는 진동을 전달하는 경로에 대응 진동을 주므로서 감쇄시킬 수 있다.

따라서 전술한 바와 같이 진동을 유발 시킬 수 있는 가진기를 이용하여 진동요소를 측정해낸후 해당요소에 가진기를 설치하여 고유 진동만큼의 대응진동을 유발시키는 제어 시스템을 구성한다.

제 7도는 이것을 설명하기 위한 개략도이다.

이미 측정된 진동취약요소에 본 발명의 가진기를 설치하되, 콘트롤러에 의하여 가진운동이 일어나며 그압력은 다시 큰트롤러로 피드 백(Feed Back)되어 상호 신호를 주고 받는다.

진동경로에는 센서 (S)를 부착하여 고유진동을 감지한 다음 증폭기를 통하여 마이크로 컴퓨터 (콘트롤러)로 보내고 그 진동값에 대응한 신호를 콘트롤러를 통하여 가진기 (I)에 명령하여 진동을 유발시킴으로서 선체면이 받을 수 있는 진동량을 0(제로) 수준으로 상쇄시켜 버리게 된다.

이 시스템은 가진기 (E)가 중심기진원으로 작용하고 센서 (5)에서는 진동량을 측정하여 가진기의 제어 장치로 하여금 감쇄기진력을 유발시키는 신호를 서보 밸브(7)에 입력 전원으로 가하여 감쇄진동을 발생시키게되 는 것이다 .

물론, 종전에도 대응 진동을 원리로하는 전기 발란서 (Electro Balancer)가 주엔진에 사용되어 그 행정폭발에 의한 힘의 불균형을 보상하므로서 선체진동원의 일부를 감소시키는 역할을 하였다.

그러나, 상기한 본 발명은 전기 발란서의 역할을 포함한 선체의 진동억제에 전반적으로 기여하므로 저진동이 요구되는 여객선의 건조기술 확보에 일익을 주게되는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 거대한 선박의 많은 진동요소를 건조중에 측정할 수 있으며, 그 측정치가 정확하여 건조작업과 더불어 보다 완벽한 방진 설계를 실시할 수 있도록 도와주는 효과가 제공되는 것이며 또한, 건조후 시운전을 통하여 진동요소를 탐지할 수 있으므로서 진동방지 대책을 수립할 수 있게 된다.

따라서, 선박의 인도시 진동문제로 인한 시비가 해소될 수 있으며 대외적으로는 저 진동선 설계를 통한신뢰성을 바탕으로 조선업의 우위를 확보할 수 있는 기틀이 될 것이다.

더 나아가, 선박의 운항중에 도 진동요소가 발생된다면 본 발명의 가진기 및 그 시스템을 적절히 활용하여진동을 억제시킬 수 있는 기능으로 대처하므로서 선박(특히, 여객선)이 정숙하게 운항될 수 있다.

그러므로 본 발명치 가진기는 "진동측정용"과 "진동억제용"으로 활용되면서도 단위 제품으로의 상품화가 가능하여 조선사업에 널리 보급될 수 있는 긴요한 기술이라 확신하며, 전반적으로 신극한 조합기술임을 감안하여 턱 발명의 특허청구 범위를 크게 벗어나지 않는한 그 범주내에서 타의 모방으로부터 폭넓게 보호되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 진동을 유발시키는 가진기 (I)를 선체의 일 지점에 설치하고, 진동을 측정로저하는 모든 부위에 설치된 진동센서 (5)를 멀티 찬빌 증폭기에 연결하되, 그 증폭값을 마이크로 컴퓨터에 신호하도록 연결하며, 이 컴퓨터는 선체 진동불당특성을 분석할 수 있는 소프트 웨어에 의하여 선체의 진동특성을 모니터로 표시해주게끔 연결 구성하o=1서 된 것을 특징으로 하는 선박의 진동 측정 시험장치.
2. 진동 취약 요소에 가진기 (E)를 설치하고 진동경로에는 진동센서 (S)를 부착하여 이 진동신호를 증폭기에 전달하도록 연결하며 증폭기는 콘트롤러의 입력단에 연결하는 한편, 그 출력 단에는 가진기의 서보밸브(7)와 연.결되게하고 또한 가진기 바닥의 로드셀(1:로부터 콘트롤러로 다시 연결하여 진동량을 피드백되게함으로서 콘트롤러에서는 고유 진동신호와 가진기의 진동량을 비교하면서 대응진동을 가할 수 있도록 연결수성함을 특징으로 하는 선박의 진동 제어장치 .
3. 선체면(H)에 로드셀(1)을 안착하고 그 위에 중공형 프레임 (2)을 얹히며 상단부에는 서보밸브(7)를 통하여 압송되는 유압이 실린더 (3)를 작용시키도록 설치하되, 내부의 피스톤로드(4)에는 하단에 가속도계(5)를 부착:차며, 상부에는 중량체의 메스(6)를 달아 모터 (M) 및 핌프(P)에 의한 유압이 서보밸브(7)로 압송될때 별도의 콘트롤로 명령에 따라 서보밸브(7)가 개폐 운동하여 유압의 힘으로 매스(6)를 포함한 피스톤이 상하로 진동을 유발할 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 가진기
4. 제 3항에 있어거, 간진기 (I)의 프레임 (2) 상단부가 역으로 설치되어 매스(6)가 중공부내에 위치되고 가속도계 (5)는 상안에 위치하는 상태로 실린더를 구성하는 가진기 .

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