3.6 동흡진기로 진동제어

Controlling Resonance with a "Dynamic Absorber"

 

그림 9-22는 동일한 공진주파수를 가지는 직렬로된 2개의 Spring-Mass 시스템의 영향인 Anti-Node에 대한 설명이다. 여기서 한 공진시스템이 다른 시스템의 공진을 소거한 경우이다. 시스템이 공진으로 진단되면 2의 공진 Spring-Mass 시스템을 그곳에 부착함으로서 Anti-Node를 고의로 발생시켜 그 진동진폭을 감소시킬 수 있다. 이 기구를 "동흡진기"라고 한다. 예를 들면 그림 9-35의 베어링 페데스탈이 공진 상태라고 진단되었다고 하자. 공진하는 페데스탈과 직렬로 동흡진기를 부착시키면 베어링 페데스탈에 대하여 Anti-Node가 발생하며 공진 진폭이 크게 감소한다.

그림 9-35 공진하는 구조물에 조정된 공진하는 Spring-Mass 시스템을 부착시키면
공진을 유효하게 소거하는 Anti-Node가 발생한다.

 

동흡진기의 원리를 이해하기 위해서 그림 9-36의 Spring-Mass 시스템이 수직 방향으로 공진하고 있으며 불평형력 "U"에 의해 가진되고 있다고 하자. 만일 이 시스템이 공진주파수 이하에서 운전하고 있다면 질량 "A"의 운동은 불평형력과 반드시 동상일 것이다. 또한 시스템이 공진주파수 이상에서 운전하고 있다면 질량 "A"는 불평형력과 180˚ 역상으로 진동할 것이다. 그러나 시스템이 공진주파수나 그 부근에서 운전하고 있다면 그 시스템은 불평형 가진력과 90˚ 차이로 진동할 것이다. 환언하면 기계 운동은 공진점에서 불평형력보다 90˚ 지연된다. Spring-Mass 시스템 "B"가 "A"에 부착되고 동일한 공진주파수로 조정되면 "B"의 운동은 그 가진력보다 90˚ 지연되어야 한다. 그리고 "B"가 "A"에 부착되어 있기 때문에 시스템 "B"의 가진력은 시스템 "A"로 부터의 진동력이다. 그 결과 시스템 "B"의 운동은 시스템 "A"의 운동보다 90˚ 지연되고 시스템 "A"는 불평형 가진력보다 90˚ 지연된다. 따라서 시스템 "B"의 운동은 불평형력보다 180˚(90˚+90˚)지연된다. 그러므로 시스템 "B"에 의해 발생된 진동력은 불평형 가진력과는 180˚ 역상이며 반대하는 이들 힘 모두가 시스템 "A"에 작용하기 때문에 시스템 "A"의 진동이 크게 감소된다.

동흡진기는 공진을 제어하는 전혀 새로운 수단이 아니다. 여러 해 동안 많은 공진문제에 대한 실제적인 해결책으로 사용되어 왔다.

그림 9-36 질량 "B"로 인한 진동력은 불평형 가진력과 180˚ 역상이다.
질량"A"에 반대하는 힘들이 작용하므로 시스템 "A"의 진동이 크게 감소된다.

 

많은 자동차 제작자들도 공진문제를 제어하기 위해서 여러 해 동안 동흡진기를 사용해 왔다. 자동차는 Engine, Transmission, Drive Shaft, Axles 및 기타 회전 부품으로부터 여러가지 가변 가진주파수를 가진 상태에서 넓은 범위의 속도에서 운전해야 하기 때문에 공진 문제를 완전히 피한다는 것은 거의 불가능하다. 예를 들면 한 자동차 제작자는 구동장치에서의 공진 문제를 제어하기 위해서 Transmission Extension Housing에 동흡진기를 볼트로 체결하였다. 다른 예에서는 자동차의 배기가스 촉매 변환기에 동흡진기를 체결하여 배기 시스템의 골치 아픈 공진을 제어하고 있다. 이 두 경우에서 자동차가 공진 상태를 가진시키는 운전속도에 도달할 때마다 동흡진기는 진동을 최소화하도록 가진력에 대항하고 있다.

앞의 예에서 넓은 범위의 속도에 걸쳐 운전해야 하는 기계에서 동흡진기는 공진 상태를 제어하는데 상당히 효과적일 수 있다는 사실이 분명하다. 이 경우에서 공진주파수를 변경시키기 위해 시스템의 질량이나 강성을 증가 또는 감소시키는 것은 이와 같은 변경 작업이 단지 공진주파수를 다른 운전속도로 이동시키는 것이기 때문에 별로 효과가 없다. 또한 동흡진기는 반복적으로 기동, 정지해야 하고 그때마다 구조물의 공진주파수를 통과해야 하는 Sump 펌프, 공장 공기 압축기, 냉방설비 및 제조 공작기계와 같은 기계의 손상을 최소화하기 위해서 유효하게 사용될 수 있다. 진동이 정격운전속도에서는 조용할지라도 기동 및 정지중에 공진 주파수를 통과할 때마다 높은 진동 진폭을 가지는 기계는 손상 및 영구적인 고장을 당할 수 있다.

동흡진기는 다른 분석 기술로는 불가능한 공진 문제를 확증하는데 유용하다. 예를 들면 Cascade Plot, Bode Plot 또는 Nyquist Plot을 얻기 위해 Coast Down Test를 하기 위해서 기계를 정지하거나 기계 정지 상태에서의 Bump Test를 행하는 것이 불가능한 경우는 기계가 운전 중에도 그 기계에 동흡진기를 임시로 부착시킬 수 있다. 동흡진기가 일단 적절하게 조정되어 진동이 크게 감소하면 그 문제는 진정한 공진 문제인 것이다.

만일 그 진동의 문제가 공진이 아닌 경우 동흡진기를 설치하면 이로 인해 실제로 공진 문제가 발생할 수 있으며 기존 진동을 크게 증폭시켜 Absorber를 추가 설치하기 전보다 더 상태가 악화될 것이다. 임시의 동흡진기는 통상적으로 볼트나 "C" Clamp로 부착시킨다. 임시의 동흡진기가 진동을 크게 감소시키면 보다 영구적인 해결책이 이행될 때까지는 진동을 최소화시키는 곳에 그대로 놓아둘 수 있다.

그림 9-37은 정유 공장의 3000 rpm의 수평 원심 펌프에 부착시킨 동흡진기이다. 이 펌프는 2개의 같은 전동기 구동 펌프중 하나로 펌프 베어링의 수평 방향에서만 높은 진동을 나타내고 있었다. 수평 방향의 진동 진폭은 전형적으로 33~38 ㎜/sec인 반면에 수직 및 축방향 진폭은 3.8 ㎜/sec이하이었다. 전동기에서의 진동은 어느 방향에서나 3.0 ㎜/sec이하이었다. 공장의 설비 및 정비 기술자들에 의하면 이 펌프는 초기 설치 시부터 수평 방향의 진동이 높게 나타났고, 베어링 및 Seal 교체를 약 4주마다 시행하였다.

그림 9-37 Dynamic Absorber 설치로 원심 펌프의 공진이 33~38 ㎜/sec에서
2.3 ㎜/sec로 크게 감소되었다.

수평 방향 진동 진폭이 수직 및 축방향 진폭의 거의 10배인 것으로 보아 공진 상태인 것을 예측하였다. 진폭 대 주파수 분석 결과 진동 주파수는 3600 cpm 즉 1×RPM인 것을 확인하였다. 공진 시험을 하기 위해서 펌프 1대를 정지하고 고무 망치를 사용하여 펌프 베어링 박스에 수형 방향으로 충격시험을 실시하였다. 충격시험 결과 펌프 베어링 박스의 수평 방향 고유 진동수는 실제로 3600 cpm 이었다. 나중에 다른 동종 펌프도 충격시험한 결과 3600 cpm에서 수평 방향으로 공진하고 있었음이 밝혀졌다.

두 펌프가 모두 공진 상태에 있었음을 확인한 다음 동흡진기를 사용하여 문제 해결을 하려고 방침이 결정되었다. 이 경우 수평 방향의 강성과 고유 진동수를 높이기 위해서 베어링의 수직 지지대를 재설계하여 펌프베어링 박스 상의 수평 방향 강성을 증가시킴으로써 공진 문제는 거의 해결할 수 있었다. 당초의 수직 지지대는 베어링에 대한 수평 방향 또는 반경 방향의 강성이 거의 없었다. 그러나 공장 기술진은 공진 문제를 해결하기 위해서 동흡진기를 사용하기로 하고 그림 9-37과 같이 조립 설치하였다.

동흡진기 설치후 초기에 33~38 ㎜/sec이었던 진동이 2.3 ㎜/sec 이하로 두 펌프에서 크게 감소하였다. 이 동흡진기는 여러해 동안 신뢰성에 문제없이 계속 설치한 상태로 놓아두었다

 

TRAC Mark INCOSYS