저장윈치의 진동성능 향상을 위한 Sqirrel Cage 스프링 댐퍼 시스템의 설계 및 해석

Design and Analysis of the Sqirrel Cage Spring-Damper System for Improving Vibration Performance of the Storage Winch Drum

Abstract

In this study, the vibration performance of the storage winch drum was investigated to improve the vibration performance characteristics in case of sudden external impact forces. Storage winch drum of the mooring platform for aerostat is designed to automatically wind up the cable if required. However, aerostat is susceptible for sudden external forces due to turbulence. Simple bearing system with limited damping effect for the existing storage winch drum system may induce severe vibrations and failures in case of sudden external impacts. A new squirrel cage spring-damper for the storage winch drum was designed and analyzed in order to improve vibration performance. A visco-elastic material of Polyethylene was selected for the solid damping material and inserted between the spring cage and bearing housing. A finite element model of the rotor-bearing system with the squirrel cage spring dampers was constructed and analyzed. The vibration performance results of the rotor-bearing system showed that the vibrations was very much decreased in case of sudden impact forces. The newly designed squirrel cage spring-damper is very simple and compact and oil-free so that it can replace conventional rolling element bearing system.

1. 서론

계류형비행체(Aerostat)는 낙하산 강하훈련용으로 주로 사용될 수 있으며 지정된 고도에서 계류하는 비행체는 테더 케이블과 연결된 지상체에 의해 통제된다. 지상체는 온도, 풍속, 풍향 등 기후변화에 따른 견인력이 필요하고 비행체가 운용고도에서 계류 및 지상으로 견인될 때 테더 케이블의 꼬임없이 저장윈치 드럼에 자동정렬 감겨야 한다. Fig. 1에 소개된 지상체(mooring platform)는 테더 케이블의 자동정렬에 최적화된 Lebus Drum 구조를 기반으로한 저장윈치와 구동윈치가 동기화되어 구동하는 캡스턴 윈치, 잠재적 난기류 등 환경적 외란에 의한 테더 케이블의 파단을 예방할 수 있는 Auto Tension 등으로 구성된다.

Fig. 1. Mooring Platform for Aerostat

무어링 윈치는 1000 ft 이상의 테더 케이블을 다층 자동정렬 권취를 할 수 있도록 LeBus Drum & Groove 구조와 테더 케이블 저장용량을 가져야 한다. 하지만 1000 ft 이상의 운용고도에서 계류중인 비행체는 잠재적 난기류에 노출되어 있어 난기류에 의한 꼬임(heaving) 등의 고장발생과 갑작스런 외부충격의 위험이 내재되어 있다. 저장윈치는 견인력이 작용하며 회전하는 회전체로 회전체-베어링 진동시스템의 특성을 가진다. 회전체-베어링 시스템은 외부 충격이 발생할 시 충격을 완화하고 진동을 빠르게 감소시킬 수 있는 스프링-댐퍼가 요구되어 진다.

무어링 윈치의 자세한 설계와 요구조건은 Carral et al [1]의 논문에 소개되어 있다. 현재까지 상용화된 무어링 윈치의 베어링-스프링 시스템은 외팔보 형태의 스프링과 볼베어링으로 이루어져 있어 외부 충격 발생시 진동을 흡수할 장치가 마련되어 있지 않다. Wang, K et al [2]은 태풍등의 혹독한 해양조건과 얕은 수심에서의 선박의 무어링 시스템의 설계 조건을 시험하였다.

본 논문에서는 기존의 단순한 스프링과 결합된 볼베어링지지 무어링 윈치를 대체하는 새로운 개념의 Squirrel cage 스프링-점탄성 댐퍼 시스템을 설계 해석하고 진동성능을 개선하고자 한다. 회전체에 장착되는 베어링은 주로 구름베어링, 유체베어링, 그리고 자기베어링으로 나누어진다. 구름베어링은 베어링 하우징에 고정되면 매우 높은 강성과 거의 제로에 가까운 감쇠력으로 대부분의 진동을 억제하지 못하며 회전체 동역학 측면에서 볼 때 pin-pin 구조로 진동에 매우 취약한 구조이다. 마그네틱 댐퍼와 같은 능동댐퍼(active damper)는 직접 전해지는 힘의 크기와 방향을 변화시키는 것으로 진동제어에 효과적이나 에너지 소모가 많고 고장에 민감하게 반응하여 상용화에 어려움이 있지만 자기유변 댐퍼(magneto-rheological damper)와 같은 반능동 댐퍼(semi-active damper)는 직접 힘을 전달하는 것이 아니라 수동댐퍼의 상태를 변화시켜 전해지는 힘의 크기만을 변화시키기 때문에 적은 에너지로도 탁월한 진동성능을 보인다 [3].

Squirrel cage 스프링 댐퍼 시스템은 구름베어링 하우징 내측으로 leaf 형태의 squirrel cage 스프링이 삽입되고 스프링에 연결된 베어링의 안착단에는 구름베어링이 삽입되며 베어링의 외주면과 베어링 하우징 내주면 사이에 감쇠물질을 삽입하여 감쇠력을 발생시키는 형태의 스프링 댐퍼 시스템으로 스프링 상수의 설계가 가능하고 베어링의 운동을 이용하여 감쇠력을 효과적으로 부가하는 시스템으로 주로 항공기 엔진의 베어링시스템에 적용되어왔다 [4]. Squirrel cage 스프링은 주로 스퀴즈 필름 댐퍼와 구름베어링과 결합되어 진동 성능이 연구되었다 [5]-[6]. Squirrel cage 스프링 댐퍼 시스템은 진동절연(vibration isolation)을 유지하고 충격이 하우징으로 전달되는 것을 완화한다 [7]. 스퀴즈 필름 댐퍼를 이용한 Squirrel cage 스프링-댐퍼 시스템은 진동성능은 매우 우수하나 오일을 공급하는 추가적인 오일순환시스템이 필요하다.

본 논문에서는 일반적으로 상용화되어 적용되고 있는 Carral et al [1]에 소개되어 있는 전통적인 무어링 윈치의 베어링 시스템을 대체하여 혹독한 기상환경에서 갑작스런 외부충격이 발생할 때에도 진동성능을 유지할 수 있는 새로운 스프링-댐퍼 시스템을 제시하였다. 기존의 스퀴즈 필름 댐퍼를 대신하여 visco-elastic 재질의 댐퍼를 사용함으로서 설계가 간단하고 비용이 최소화 되는 Squirrel cage 스프링 댐퍼를 저장 윈치 드럼의 베어링 시스템에 설계 적용하고 진동을 분석하였다.

2. Squirrel Cage 스프링-댐퍼의 설계 및 해석

저장윈치 드럼 시스템은 큰 측력(side load)을 받으며 회전하는 회전체-베어링 시스템으로 진동 저감을 위한 회전체동역학 설계 및 최적화된 스프링 댐퍼의 적용이 필요하다. 기존의 윈치 드럼 시스템은 강성이 높고 감쇠력이 없는 볼베어링과 단순한 leaf 스프링이 결합된 드럼 동체로 이루어져 있어 진동에 취약하고 외부 충격에 의한 파손의 위험이 존재한다. 특히 매우 큰 측력(side load)을 받는 드럼 회전체의 경우 베어링이 pin-pin 구조로 굽힘(bending)이 일어나고 굽어진 회전체(bowed rotor) 형태로 회전하게 된다. 굽어진 회전체는 회전하면서 스트레스 반전(stress reversal)이 일어나며 피로 파괴의 원인이 될 수 있다. 회전체의 굽힘은 최대한으로 방지하고 강체모드에서 회전하는 것이 회전체 진동과 피로파괴를 방지하는데 도움이 된다. 따라서 기존의 윈치 드럼의 볼베어링에 squirrel cage 형태의 스프링과 댐퍼를 설치하여 굽힘모드를 최소화하고 강체모드에서 감쇠력을 주어 진동을 효과적으로 제어하도록 하는 설계가 필요하다. Squirrel cage와 결합되어 사용되어지는 스퀴즈 필름 댐퍼는 진동성능은 검증되었고 고속회전하는 항공기 엔진 등 가스터빈에 활용되지만 별도의 오일순환시스템이 필요하여 계류형 비행체의 저장윈치에는 적합하지 않다.

본 논문에서는 저장윈치의 진동성능 개선을 위하여 스퀴즈 필름 댐퍼를 대신하는 점탄성 재질의 댐퍼를 squirrel cage 스프링과 결합하는 새로운 형태의 스프링-댐퍼를 설계하고 적용하였다. 새로 설계한 squirrel cage 스프링-댐퍼 시스템은 오일이 필요하지 않은 간단한 시스템으로 비교적 효과적으로 감쇠성능을 보여준다. 새로 설계된 squirrel cage 스프링 댐퍼를 적용하면 댐퍼가 설치되지 않은 단순한 볼베어링 시스템보다 충격흡수에 강하며 스트레스 반전에 의한 피로파괴를 완화할 수 있다.

감쇠작용을 하는 물질은 O-링 형태의 visco-elastic 고무나 매쉬메탈, 오일, MR 유체 등을 사용할 수 있다. Fig. 2에 제안된 스프링 댐퍼 시스템은 leaf 구조의 squirrel cage 스프링과 볼베어링 결합체, 그리고 스프링과 베어링 하우징 사이에 채워진 visco-elastic 재질의 댐퍼로 구성된다. squirrel cage 형태의 스프링은 visco-elastic 재질의 댐퍼와 결합되어 회전체가 운전속도 이내의 진동모드에서 진동할 때 최적의 결과를 내는 스프링 상수와 감쇠계수를 도출할 수 있다.

Fig. 2. Squirrel Cage Spring Damper System

저장윈치 회전체-베어링에 감쇠를 주기 위하여 간단한 구조의 visco-elastic 물질의 O-링이 설계되었다. 점탄성 링은 진동 특성이 우수한 Polyethylene이 선택되었다 [8].

이중 leaf 스프링 구조의 squirrel cage 스프링은 크기를 최소화 할수 있고 시스템에 적합한 스프링 상수를 설계하는데 적합하다. 큰 베어링 스프링 상수는 회전체동역학적으로 굽힘모드를 발현시키고 감쇠 성능을 감소시키므로 최적의 스프링 상수를 선택하는 것이 중요하다. 최적의 스프링 상수는 회전체 동역학 해석과 시뮬레이션을 통하여 도출된다. Fig. 3은 상용 유한요소 프로그램(ANSYS)로 해석된 squirrel cage 스프링을 보여 준다. Squirrel cage 스프링은 윈치의 운전속도(1000 rpm 이내)를 고려하여 회전체-베어링 시스템의 2개의 강체모드 (lateral mode, conical model)의 고유진동수가 운전속도를 충분히 벗어 나도록 설계되어야 한다. 따라서 2개의 강체모드가 각각 1240 rpm과 2000 rpm이 되도록 스프링 상수 k= 40,000,000 N/m를 설정 하였다.

Fig. 3. ANSYS Analysis for the Squirrel Cage Spring

3. 저장윈치 회전체-베어링 진동시스템 해석

계류형비행체의 견인을 위한 지상체 시스템(mooring platform)은 구동윈치, 저장윈치 등으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 진동에 취약한 저장윈치에 새롭게 설계된 squirrel cage 스프링-visco-elastic 댐퍼를 적용하고 진동시스템 모델을 해석하였다. 상온에서의 Polyethylene 필름의 감쇠비(damping ratio)는 약 0.0124 로 제시되었다 [9]. Fig. 4 는 squirrel cage 스프링 댐퍼가 장착된 저장윈치 드럼 모델을 보여준다.

Fig. 4. Storage Winch Drum Model with Spring-Dampers

저장윈치 드럼 진동모델은 상용 유한요소 진동 해석 프로그램(XLrotor)를 이용하여 모델링 되었다. Fig. 5 는 Xlrotor 로 모델링된 저장윈치 유한요소 모델을 보여준다. 저장윈치 드럼 진동모델은 24개의 유한요소를 가진 오일러 베르누이 beam 모델을 적용하였고 각각의 베어링 위치에 설계된 squirrel cage 스프링-점탄성 댐퍼의 스프링 상수와 감쇠계수를 적용하였다.

Fig. 5. XLrotor Model for the Winch Drum

회전체-베어링 진동시스템은 2개의 강체모드(강체 고유진동수)와 1개의 굽힘모드(굽힘 고유진 동수)를 가지며 진동해석을 통하여 강체모드와 굽힘모드를 예측할 수 있다. Xlrotor 해석을 통하여 저장윈치 진동 모델의 2개의 강체모드와 회전속도 500 rpm, 1000 rpm, 1600 rpm 에서의 진동모드가 도출되었다. Fig. 6 와 Fig. 7 는 각각 lateral 강체 고유진동수와 그 고유진동수에서의 모드 (1238 rpm)와 conical 강체 고유진동수와 그 고유진동수에서의 모드(2097 rpm)를 보여준다.

Fig. 6 Lateral Natural Frequency and Mode Shape at 1238 rpm

Fig. 7 Conical Natural Frequency and Mode Shape at 2097 rpm

Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10은 각각 회전속도 500 rpm, 1000 rpm, 1600 rpm 에서의 윈치 드럼의 진동모드와 감쇠비(damping ratio)를 보여준다. 위 3개의 속도에서 진동모드는 거의 동일하고 강체모드를 유지함을 알 수 있다. 저장윈치의 최고 회전속도는 보통 1000 rpm을 넘지 않는다. 회전체-베어링 시스템의 베어링 설계를 통하여 최고 운전속도의 60%를 초과하여도 강체모드를 만나지 않도록 설계하였다.

Fig. 8 Vibration Mode Shape at 500 rpm

Fig. 9 Vibration Mode Shape at 1000 rpm

Fig. 10 Vibration Mode Shape at 1600 rpm

Squirrel cage 스프링은 약한 스프링상수(k=40,000,000 N/m)로 인하여 윈치 드럼 회전체의 굽힘(bending)을 최소화하고 진동절연(vibration isolation)과 베어링에서의 운동을 만들어내고 그에 따른 감쇠력을 유발하고 강체모드를 유지시키는 것을 알 수 있다. 또한 베어링에서의 운동으로 visco-elastic 재질의 Polyethylene 필름은 인장 압축을 하며 베어링 위치에서 댐퍼 역할을 하는 것을 알 수 있다. Fig. 11 은 회전속도 3000 rpm 까지회전속도를 올릴 때 불평형 진동응답(unbalance response)을 보여준다. 불평형 질량은 유한요소 스테이션 1과 24에 각각 1 gram-cm로 가정하여 인가하였다. Fig. 11은 윈치 드럼의 진동이 강체모드의 고유진동수를 지나갈 때 감쇠효과로 인하여 진동이 적절한 수준에서 제어되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11 Unbalance Response of the Rotor-Bearing System

4. 결론

본 연구에서는 Squirrel cage 스프링-visco-elastic 댐퍼로 지지된 저장윈치의 진동해석을 수행하였다. 기존의 저장윈치 드럼은 단순한 보형태의 스프링과 구름베어링으로 지지되어 있어 외부충격에 의한 진동을 효과적으로 제한하는데 한계를 보인다. 이에 새로운 형태의 leaf 타입의 squirrel cage 스프링과 visco-elastic 재질의 Polyethylene 필름이 채택된 스프링-댐퍼 시스템이 설계 해석되었다. squirrel cage 스프링은 운전속도 이내의 진동성능을 최적화하기 위하여 강체모드를 넘지 않도록 스프링 상수를 설계하였다. 회전체-베어링 진동모델의 해석과 시뮬레이션을 통하여 최적의 스프링 상수와 감쇠비가 도출되었다.

본 논문에서 설계된 Squirrel cage 스프링-visco-elastic 댐퍼의 장점은 비교적 저렴한 비용으로 작은 공간을 차지하며 오일이 필요없는 친환경적이며 시스템에 최적화된 진동시스템의 설계가 가능하다는 점이다. visco-elastic 재질의 Polyethylene 필름도 유체 댐퍼와 같이 복잡하지도 않고 간단한 링 형태를 가지면서도 저속으로 회전하는 저장윈치 진동시스템에 충분한 감쇠를 줄 수 있음을 알 수 있다. 태풍 등 혹독한 기상조건하에서 갑작스럽게 일어날 수 있는 케이블 꼬임과 외부 충격에 대응하여 안정적으로 저장윈치 회전체-베어링의 진동제어를 만족시켜줄 수 있는 Squirrel cage 스프링 댐퍼 시스템도 여러 가지 진동제어 방법 중에 충분히 대안이 될 수 있음을 확인하였다.