진동 격리 방법 및 장치 document_id A220623022969

동작중인 기계는 선박에서의 주요 진동원이어서, 선체(hull)에 전달되는 것을 감소시키는 격리 시스템의 개발에 상당한 노력을 쏟고 있다. 해양 환경에 있어 기계의 격리와 관련된 구체적인 문제는 구조적 공진(structural resonance)이다. 이것은 주로 기계를 지지하는 구조물에서 발생한다. 이러한 공진에 의해 기계 마운트(machinery mount) 전체에 매우 강한 힘이 전달되며, 이것은 매우 중요한 진동 문제를 내포한다. 움직이는 기계는 비평형력(out-of-balance forces)의 복소 스펙트럼(complex spectrum)을 생성하고, 선박 분야에서는 이러한 힘이 기계 마운트를 통해 선체에 전달되는 것을 감소시키는 탄성 장착 시스템(resilient mounting system)을 개발하는데 상당한 노력을 기울이고 있다. 진동 격리에 대한 일반적인 접근법은 박용 기계 제품(items)을 프레임워크(framework) 또는 래프트(raft) 위에 탑재하고, 이 래프트를 한 세트의 고무 마운트 상에서 선체로부터 지지하는 것이다. 지지되는 구조물이 이상적인 강성체(rigid body)로 작용하면, 힘 전달율 곡선(force transmissibility curve)(전달되는 힘에 대한 진동력의 전달 함수)은, 도 1의 단조 감소하는 선처럼 될 것이다. 하지만, 실지로는, 지지되는 기계와 그 래프트는 항상 어느 정도는 플렉시블(flexible)할 것이다. 결과적으로, 구조적 공진은 여기되고(exited), 탄성 마운트(resilient mount)에 대한 일반적인 힘 전달율 곡선은 도 1에서 피크가 있는 곡선으로 나타난다. 이것은 3개의 다른 주파수 영역(frequency regime)을 설명한다: 첫 번째는, 기계에 의해 생성되는 모든 힘, 주로 중력(gravitational force)이 탄성 마운트를 통해 전달되는 5 Hz보다 낮은 공진이고; 두 번째는, 강성체로 작용하는 기계가 탄성 마운트 상에서 "바운싱(bouncing)"하는 5 Hz 공진 그 자체이며; 세 번째는 기계가 플렉시블하게 되고 개별적인 구조적 공진 모드가 여기되는 5 Hz보다 높은 공진이다. 이 이상의 주파수에서는, 힘 전달율이 일반적으로 주파수의 증가함에 따라 감소하기 때문에, 기계 진동에 의해 발생된 힘이 선체에 도달하기 이전에 감쇠된다. 하지만, 이 영역(regime)에서의 힘의 감쇠는 구조적 진동에 의해 좌우될 수 있다. 구조적 진동은 기계적인 증폭기로 작용하기 때문에, 도시된 바와 같이 힘 전달율 곡선에 큰 피크를 만든다. 설계 시에는 절충하여야 하므로, 수동, 능동, 및 준능동 격리 시스템이 제안되었다. 국제특허출원 WO 01/18416 및 Daley, S. 등의 "Active vibration control for marine applications(선박 애플리케이션을 위한 능동 진동 제어)" [IFAC Journal Control Engineering Practice, Volume 12, Number 4, pp465-474, published 25 July 2003]; 그리고 Johnson, A.와 Daley, S.의 "A Smart Spring Mounting System for Marine Applications(선박 애플리케이션을 위한 스마트 스프링 장착 시스템)"[ISCV11 Conference on Sound and vibration, St Petersburg, July, 2004]에서는, 다수의 마운트의 어레이를 포함하는 능동 마운트 시스템을 제안하였으며, 각각의 마운트는 수동 소자(passive element)와 병렬인 전자석 액추에이터를 포함하여 도 2에 개략적으로 나타낸 합성 마운트(composite mount)를 형성한다. 지지되는 구조물의 공진에 상응하는 주파수에서 큰 힘이 전달되는 것을 예방하기 위해, 장착 시스템(mounting system)은 다수의 핵심 요건을 갖춘다. 그 첫 번째 요건은, 지지되는 구조물의 장착된 지점에서의 임의의 로컬 변위(local displacement)의 결과로서, 합성 마운트가 어떠한 추가적인 힘도 선체에 전달하지 않는 것이다. 결과적으로, 여기된 공진으로부터 추가적인 힘이 선체에 생성되지 않는다. 따라서 합성 마운트는 사실상 제로 스티프니스(zero stiffness)이어야 한다. 두 번째 요건은, 구조물을 지지하기 위해 각각의 합성 마운트는 또한 비평형력을 보상하는 외부 요구 힘(external demand force)을 발생시킬 수 있어야 한다는 것이다. 움직이는 기계에 의해 생성된 비평형력에 의해, 지지되는 구조물의 선변위(linear diplacement) 및 각변위(angular displacement)가 모두 발생한다. 각각의 합성 마운트에 의해 생성된 외부 요구 힘은, 이들 선 변위와 각 변위가 제어된 방식으로 그들의 평형 상태로 돌아가려는 것에 계속하여 대항할 수 있게 하는 수단이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 합성 마운트에 의해 생성된 선체에 대한 실제적 힘은 하중 센서(load cell) (또는 스트레인 게이지, strain gauge)에 의해 측정되어, 전자석의 전류를 계속하여 보정하기 위해, 전체 요구치(gloval demand value)와 비교된다. 사용 시에, 먼저 각각의 전자석을 사용하여 정력(static force) F로 수동 마운트 소자에 예비 응력(pre-stress)을 가하여, 전자석을 지나는 전류를 증가 또는 감소시킴으로써 기계에 대한 힘의 변화가 ± F가 될 수 있도록 하고; 이에 따라 적어도 2F의 최대 제어력이 생성될 것이 요구된다. 전원이 스위치 오프되면, 이 예비 응력은 해방된다. 이 간편한 접근법이 가지고 있는 문제는, 전자석의 큰 비선형성이 간편한 피드백 제어를 불만족스럽게 만든다는 것이다. 이를 극복하기 위해, 상대적인 마운트 변위의 피드포워드(feed-forward) 및 전달되는 힘의 피드백 모두를 포함하는 더욱 복잡한 로컬 제어가 필요하다. 장착 시스템의 추가적인 개선, 특히 장착 시스템의 복잡도 및 크기를 감소시키는 것이 바람직하다.