낮은 형상 계수 엘라스토머 활용

낮은 형상 계수 엘라스토머 활용

점탄성 폴리머 또는 엘라스토머는 본질적으로 높은 수준의 감쇠로 인해 진동 제어 응용 분야에 널리 사용됩니다. 엘라스토머는 또한 특정 모양으로 형성되어 저주파 진동을 효과적으로 격리할 수 있습니다. 형상 계수는 주어진 엘라스토머 형상의 분리 성능을 정량화하는 데 사용되는 기술 용어입니다. 이는 형상 계수가 낮을수록 잠재적 공진 주파수가 낮다는 것을 의미합니다. 낮은 공진 주파수는 일반적으로 넓은 대역폭의 진동을 차단합니다. 이것은 공진 주파수 이상의 진동 주파수가 분리되어 있기 때문입니다.

 

가장 일반적인 모양의 경우 모양 계수는 일반적으로 다음과 같이 정의됩니다.

형상 계수 =
평균 하중 표면적
불룩한 표면적

평균 하중 표면적은 하중을 지지하는 상부 및 하부 표면적의 평균입니다. 팽창된 표면적은 하중에 수직으로 팽창할 수 있는 표면적입니다.

 

엘라스토머의 안정성은 재료가 점점 더 커지고 좁아짐에 따라 특정 형상 요소 아래에서 손상될 수 있습니다. 일부 엘라스토머 제조업체는 지지되는 장비가 넘어질 수 있는 문제인 좌굴을 방지하기 위해 형상 계수 0.3 이상을 유지할 것을 권장합니다.

 

Carbide Base 바닥글에 사용되는 ViscoRing™ 엘라스토머를 설계할 때 0.17의 형상 계수가 계획되었습니다. 이것은 가장 낮은 가청 주파수가 효과적으로 분리될 수 있도록 공진 주파수를 충분히 낮추기 위해 선택되었습니다.

안정성 향상

ViscoRing™ 이 하중을 수직으로 지지하고 좌굴을 방지하는 능력을 테스트하기 위한 실험이 수행되었습니다. 실험은 점차적으로 질량을 적용하고 재료의 수직 변형을 측정하는 것으로 구성되었습니다. 실온 환경에서 1.13kg(2.5lbs) 증분으로 Medium ViscoRing™ 상단에 추를 적용했습니다. 수직 변형 거리는 표시된 응력-변형률 곡선의 형태로 표시됩니다. y축은 응력 또는 가해진 질량의 양을 나타내고, x축은 질량의 인가로 인한 변형 또는 수직 변형을 나타냅니다.

빨간색 곡선은 하우징 없이 ViscoRing™ 만 나타냅니다. 질량을 처음 적용한 직후에 재료가 하중을 받으면 크게 휘어지고 변형되기 시작했음을 알 수 있습니다. 이 재료는 극히 낮은 형상 계수를 감안할 때 예상했던 작은 질량조차도 제대로 지지하지 못했습니다.

 

ViscoRing™ 의 안정성을 향상시키기 위해 단순화된 그래픽에서 볼 수 있는 것처럼 Carbide Base 바닥글의 상단 부분에 하우징이 설계되었습니다. 리지는 ViscoRing™ 주변에 일정한 간격으로 추가되어 버팀대를 유지하고 좌굴을 방지합니다. 능선은 서로 떨어져 있어 표면적이 그들 사이에서 자유롭게 부풀어 오르므로 낮은 형상 계수의 이점을 보존합니다.

 

ViscoRing™ 이 바깥쪽으로 돌출됨에 따라 돌출된 표면적의 더 큰 비율이 경사진 융기 부분과 접촉하게 되었습니다. 질량 증가와 함께 증가하는 형상 계수는 더 넓은 범위의 하중 질량에 걸쳐 보다 일관된 공진 주파수를 제공했습니다. Carbide Base 바닥글의 격리 성능은 다양한 지지 질량에서 더욱 일정해졌습니다.

 

파란색 곡선은 Carbide Base 바닥글 상단 하우징에 배치된 동일한 ViscoRing™ 을 보여줍니다. 응력 또는 질량의 적용에 따른 변형 또는 수직 변형의 상대적으로 선형 증가가 관찰되었습니다. 재료가 의도한 대로 좌굴되지 않았습니다.

 

엘라스토머는 더 작은 부피로 압축할 수 없습니다. 따라서 엘라스토머는 하중 하에서 변형되기 위해 바깥쪽으로 부풀어 오를 수 있어야 합니다. 선택적으로 보강된 ViscoRing™ 은 재료가 추가로 부풀어오르는 것을 방지했을 때와 같이 경사나 강성의 급격한 증가를 나타내지 않았습니다. 이것은 낮은 공진 주파수를 달성하기 위해 낮은 강성 또는 스프링 속도가 필요하기 때문에 중요합니다.

수평 격리 개선

수직 절연을 위해 낮은 형상 계수 엘라스토머를 성공적으로 활용하면 수평 절연에 대한 유사한 이점이 필요했습니다. 수평으로 배향된 낮은 형상 계수 엘라스토머와 볼 베어링이 통합되어 수평 격리 성능을 더욱 향상시켰습니다.

 

수평 격리를 제공하기 위해 볼 베어링을 사용하는 것은 잘 알려진 개념입니다. 많은 디자인이 곡선 베어링 레이스 사이에 볼 베어링을 삽입합니다. 다른 디자인의 곡선형 베어링 표면은 베어링을 중앙에 유지합니다. 또한 상부 레이스와 하부 레이스가 서로에 대해 수평으로 이동함에 따라 진동의 전달 경로가 전환될 수 있습니다. 이 전송 경로 회피는 수평적 격리를 제공합니다 [1] .

 

Carbide Base 바닥글의 하단 부분을 위해 고안된 디자인은 베어링이 곡선 레이스가 아닌 평평한 레이스에서 굴러 가기 때문에 다릅니다. 수평 방향의 엘라스토머는 진동에 반응하여 장치를 중앙에 유지하는 고도로 감쇠된 스프링 역할을 합니다. 변형과 구름 저항을 최소화하기 위해 베어링에는 지르코늄이 선택되었고 베어링 레이스에는 연마된 경화 스프링강이 선택되었습니다. 이전 설계보다 더 높은 수준의 감쇠로 수평 격리를 달성했습니다.

진동 테스트

수평 절연 측정

수평 격리의 개선을 평가하기 위해 또 다른 실험이 수행되었습니다. 실험의 목표는 수평 격리를 위해 제공되는 볼 베어링과 수평 방향 엘라스토머의 추가 개선을 정량화하는 것이었습니다.

 

실험을 위한 진동을 발생시키기 위해 전자기 진동 테이블이 사용되었습니다. 테이블은 가변 주파수 드라이브(VFD)에 연결된 터치 스크린과 다이얼을 통해 디지털 방식으로 제어되었습니다. 이들은 테이블 표면의 진동 진폭과 주파수를 정밀하게 변조하는 데 사용되었습니다.

 

중형 ViscoRings™ 가 설치된 4개의 Carbide Base 바닥글이 진동 테이블 위에 배치되었습니다. 그런 다음 총 질량이 약 45kg(100lbs)인 무게가 있는 알루미늄 판을 바닥글 상단에 볼트로 고정했습니다. 두 개의 Measurement Specialties ACH-01 가속도계 센서가 진동을 측정하는 데 사용되었습니다. 첫 번째 센서는 진동 테이블의 앞쪽 가장자리에 양면 테이프로 부착되었습니다. 두 번째 센서는 알루미늄 판의 앞쪽 가장자리에 유사하게 부착되었습니다. 각 센서는 자체 보정된 진동 센서 증폭기에 연결되어 자체 벤치탑 멀티미터에 공급되었습니다. 각 멀티미터의 VRMS 판독값은 1mV RMS = 1m/s 2 가속도의 알루미늄 플레이트와 테이블이 경험하는 가속도를 별도로 결정하는 데 사용되었습니다.

수평 분리 그래프 작성

전후(Y축) 진동 주파수는 10Hz에서 300Hz까지 10Hz 단위로 설정되었습니다. 두 센서의 VRMS 값은 각 간격으로 표시되었습니다. 테이블의 진폭은 테이블이 약 4 m/s 2 의 가속도로 사인 곡선으로 진동하도록 조정되었습니다.

 

테이블 센서의 출력에서 플레이트 센서의 출력을 빼면 Carbide Base 바닥글을 통해 진동이 전달됩니다. 양수 값은 장치를 통한 진동의 증폭을 나타냅니다. 이것은 장치의 공진 주파수 주변의 진동 주파수에서 예상되었습니다. 음수 값은 테이블에서 발생하는 진동의 감소를 나타냅니다. 즉, 원하는 진동의 격리입니다. 값이 음수일수록 격리도가 높아집니다.

 

빨간색 선은 볼 베어링과 수평 방향 엘라스토머가 없는 Carbide Base 바닥글로 측정한 값을 보여줍니다. ViscoRing™ 엘라스토머만 수평 절연에 사용되었습니다. 파란색 선은 베어링과 수평 엘라스토머를 제자리에 놓고 측정한 값을 보여줍니다. 볼 베어링과 수평 엘라스토머의 통합으로 수평 격리 성능이 크게 향상되었습니다. 진동 진폭의 감소는 더 높은 감쇠 수준을 나타내는 공진 주파수 주변에서 특히 두드러졌습니다.

결론

저주파 진동 절연을 위해 낮은 형상 계수 엘라스토머를 안정적으로 활용하기 위해 여러 설계 기능이 Carbide Base 바닥글에 통합되었습니다. 이전에 너무 불안정한 것으로 간주되었던 형상 요소로 형성된 엘라스토머는 적절하게 설계된 하우징으로 충분히 안정적으로 만들어졌습니다. 베어링과 수평 방향 엘라스토머의 추가 조합으로 수평 절연이 더욱 향상되었습니다. 이러한 새로운 기능은 나중에 출원 중인 특허에 통합되었습니다.

참고문헌

[1] Kemeny, Zoltan A. “기계적 신호 필터.” US 6520283 B2, 미국 특허상표청, 2003년 2월 18일. 구글 특허, https://patents.google.com/patent/US6520283B2