항공 및 지상 수송기계류, 지진 영향 하의 기계류같이 동적 거동을 하고 있는 대부분 시스템에는 회전체가 응용되고 있다. 대표적인 예로 비행기나 원자력 발전소 분야가 있다. 비행기의 경우 비행 중 난기류를 만나 기체가 흔들릴 때 터빈의 안전성을 확보하지 못한다면 추진력에 문제가 생겨 인명피해로 이어질 수 있으며, 원자력 발전소의 경우 외부 진동의 영향으로 회전 중인 터빈이 제대로 작동하지 못할 경우 효율적인 전기 생산이 어려워진다. 따라서 작동 상태 회전체에 안정성을 확보하는 것은 매우 중요하며, 실험적으로 거동을 분석할 필요가 있다.

본 논문에서는 작동 상태 회전체가 외부에서 발생하는 조화가 진력에 대해 어떻게 응답하는지를 확인하기 위해 회전체 진폭의 변화량을 시험을 통해 측정하였다. 우선, Sine Sweep Test를 통해 회전체의 고유진동수를 도출하고, 이를 유한요소해석 프로그램인 ANSYS의 모드해석 결과와 비교하여 실험의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 또한, 조화가진력이 없는 경우의 회전체의 회전수별 진동량을 측정하고, 조화가진력이 있는 경우의 작동 상태 회전체의 회전수별 진동량을 측정하였다. 측정 결과들의 비교 분석을 통해 조화가진력이 작동 상태 회전체에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고자 하였다. 따라서, 본 실험을 통해 조화가진력을 받고 있는 작동 상태 회전체의 거동에 대해 분석하고자 한다.

본 논문에서는 조화가진력을 받고 있는 작동 상태 회전체의 불평형 질량에 대한 진폭의 크기 측정을 통해 회전체의 거동을 확인하였다. Figs. 14부터 19는 회전체의 회전 속도가 360 rpm일 때 각 주파수에 따른 진폭 그래프를 나타내었다.

Fig. 14 
Dynamic response at 360 rpm operating with 0 Hz excitation

Fig. 15 
Dynamic response at 360 rpm operating with 6 Hz excitation

Fig. 16 
Dynamic response at 360 rpm operating with 10 Hz excitation

Fig. 17 
Dynamic response at 360 rpm operating with 14 Hz excitation

Fig. 18 
Dynamic response at 360 rpm operating with 30 Hz excitation

Fig. 19 
Dynamic response at 360 rpm operating with 47 Hz excitation

동일한 방법으로 실험 결과를 측정하였고, 각 회전수에 대한 주파수별 변위 RMS를 Tables 4부터 6으로 나타내었다. 또한, 실험 결과를 Fig. 20과 같이 그래프로 나타내었다.

Fig. 20 
Results for dynamic response

본 논문에서는 외부에서 발생하는 조화가진력에 대한 작동 상태 회전체의 거동을 실험을 통하여 분석하였다. 우선, Sine Sweep Test를 통해 회전체의 고유진동수를 실험적으로 도출하였고, ANSYS 모드해석 결과와 비교하여 실험의 신뢰성을 확보하였다. 또한, 조화가진력이 작동 상태 회전체에 어떠한 영향을 끼치는지 분석하기 위해 회전체의 회전속도에 따른 주파수별 변위 RMS를 측정 및 분석하였다. 실험 결과 외부 가진이 없는 작동 상태 회전체의 변위 RMS는 평균적으로 0.0347 mm로 측정되었다. 외부 가진이 있는 작동 상태 회전체의 RMS 변위는 외부 가진이 없는 경우 대비 6 Hz는 0.044mm 이상, 10 Hz는 0.1286mm 이상, 14 Hz는 0.1802 mm 이상, 30 Hz는 0.0985 mm, 47 Hz는 0.5798 mm 이상 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 30 Hz 이상의 경우 진동이 심하여 시편과 진동시험기의 위험 때문에 변위를 5 mm에서 3 mm로 변경하여, 앞서 진행하였던 시험과 비교하면 작은 변위 RMS 추론되지만 전체적인 양상으로 보면 외부 가진이 없는 작동 상태 회전체보다 외부 가진이 있는 작동 상태 회전체의 변위 RMS가 증가되는 경향을 확인할 수 있다. 이를 통해 외부 가진력은 작동 중인 회전체의 거동에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 기계 장비 설계 시 동적 하중을 고려되어야 된다고 판단된다.