Vibration Test System의 이해

(2007. 3. 20)

≪ 기술사업본부 경보장치팀 임채필 ≫

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-- 목 차 -–

1. 교육목적

2. 진동시험기 구성

3. 진동시험기 작동원리

4. 진동관련 용어의 정의

5. 진동시험기의 선택요건

6. 시험기 사용시 주의사항

7. 진동시험기의 구조 및 특성

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[ 1 ] 교육목적

검정기술기준 개정(’05. 12. 30)으로

IEC 60068-2-6의 진동시험방법 도입

- 진동시험의 이론적 이해

- 시험기 구성 및 특성 파악

- 시험기 작동 및 사용법의 숙지

☞ 시험, 검사업무의 신뢰성 향상

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[ 2 ]진동시험기(Vibration Test System) 구성

- 가진기(Vibrator or Shaker)

- 증폭기(Amplifier)

- 제어기(Controller)

- 가속도계(Accelerometer)

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[ 3 ] 진동시험의 작동원리

- 가진기는 자장(Magnetic Field)내의 도선에 전류가 흐를 때 고정 자기장에 반대하는 자기장을 생성하는 코일 내의 전류에 의해 전기자 (Amarture)의 운동이 발생

- 고정 자기장은 대형 가진기 내의 전자석에 의해 발생되어 “플레밍의 왼손법칙”에 따라 전기자(Amarture)가 상하 방향으로 운동에너지가 발생하여 진동시험이 가능함

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- 전자(電磁)식 진동시험기의 테이블을 움직이는

힘(F)은 구동 코일에 흐르는 전류(I)와 코일을

가로지는 강한 자기장(B) 사이의 상호작용에

의해서 발생됨

7

- 자장(Magnetic Field : B) 내에 발생되는

힘(F)은 F = BIL의 공식에 따라 자장의

세기(B), 전류(I) 그리고 코일의 길이(L)에

비례함. 즉 생성되는 힘의 크기는 코일에

흐르는 전류의 크기에 비례함

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- 공진이 없는 경우 이용 가능 가진력은 다음의 Newton 제 2법칙에 근거함

F = ma (m : 가동부 질량, a : 가속도)

- 즉, 빈 테이블에 질량들이 올라가게 되면 이용

가능한 가속도 값은 이와 비례해서 낮아짐

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가진기(Vibrator) 구조 - 고정 자기장은 소형 가진기 내의 영구자석 또는 대형 가진기 내의 전자석에 의해 발생됨

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[ 4 ] 진동시험 용어의 정의

1) 스위프속도 1옥타브/min

분당 주파수의 변화율이 진동시험을 시작하는

주파수 10 Hz 에서 시작 주파수의 2배가 되는 20 Hz로 변화시키는 속도를 의미함

『즉, 10Hz → (1분)20Hz → (1분)40Hz → (1분) 80Hz → (1분)160Hz : 총 4분이 소요되어 10 Hz

에서 150 Hz 까지 1옥타브/min 으로 변화시 약 3분 55초의 시간이 소요됨』

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2) 스위프 싸이클수

진동시험 주파수가 변동범위인 10 Hz 에서

150 Hz 까지 변화되었다가 다시 10 Hz 로

변화되는 횟수를 의미

※1 Sweep : 10 Hz →150 Hz → 10 Hz

『스위프 싸이클수가 1인 경우 시험시간은 약 7분49초가 소요됨』

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3) 진폭(Displacement)

- 진폭의 산출 : A = 2π²f²D

- 가속도(A) 4.905 m/s² 에서 진폭(D)은

☞ 주파수 10 Hz 인 경우 2.5 ㎜

☞ 150 Hz 인 경우 0.011 ㎜

『 시험진폭은 가속도에 따라 주파수에

반비례하여 변화됨』

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4) 기술기준에 의한 진동시험 소요 시간

- 통전 10 Hz, 1스위프싸이클 시험

☞ 7´49˝ × 3축(x,y,z) = 23분 26초 소요

- 무통전 150 Hz, 20스위프싸이클 시험

☞ 7´49˝ × 3축(x,y,z) × 20스위프싸이클

= 469분 소요 (7시간 48분)

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[ 5 ] 진동시험기의 선택요건

1) Newton 제2법칙(F = ma)

• F = 가진력[Max Force Output] (N)

• m =가동부질량 [전기자(Amarture)+

테이블+시료+JIG무게] (kg)

• a = 가속도[Acceleration] (㎨)

※ 1N은 1kg 질량의 물체를 1 ㎨의 가속도로

가속 시키는데 필요한 힘을 의미함

≪ 1 N = 0.1020 kgf, 1 G = 9.8 ㎨ ≫

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2) 가진력 3,000 kgf인 진동시험기의 경우

☞ 29,400 N = ma =(50kg+82kg+160kg

+130㎏) x a 에 의해 a = 69.7 ㎨ 이며,

1G = 9.8 ㎨ 이므로

최대가속도(a) = 7.1 G 값을 발생함

※ 상기 조건은 이론적 이상값이며 시험 가능한

시료중량, 가속도, 주파수는 각 제조사의 설계

사양에 의하여 결정됨.

☞ Random 가진력 = Sine 가진력/1.414

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3)진동시험기 특성곡선 MAXIMUM PERFORMANCE CURVE

Vibration Test SystemA

ccel

erat

ion

(m/s

^2）

2000

1000

500

100

50

20

Frequency (Hz)

10 5K5 50 1K100 500

Max. Acceleration 392m/s^2(40G) bare table with no load

Max

. Veloc

ity 1

.0 m

/s

Max

. Displ

acem

ent 50

mm

p-p

Model:G-9220

108m/s^2(11G) with horizontal table, no load

10

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4)진동시험기 사양비교

≪G-9230(S): ’07년도입 vs G-9220: ’06년도입≫

• Max Force Output : 29.4 kN(3,000 kgf) G-9230(S)

19.6 kN(2,000 kgf) G-9220

• Max.Velocity : 1.0 m/s 1.0 m/s

• Max. Acceleration : 420 ㎨ (42.8G) 392 ㎨ (40 G)

• Max. Displacement : 100 mm 50 mm

• Frequency Range : 3 ~ 500 Hz 5 ~ 1,000 Hz

• Max Payload : 1,000Kg(0.5 MPa) 500Kg(0.4 MPa)

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• Table Diameter : 400 mmΦ 400 mmΦ

• Movable Weight : 70 Kg 50Kg

• Table Ecc. Moment : 2,940 N.m 1,960 N.m

• Weight : 3,200 Kg 3,000 Kg

• Power Output : 21 KVA 14 KVA

• Table Size : 1,200x1,200 (㎜) 130 kg/170 kg

1,000x1,000 (㎜) 82 kg/107 kg

☞ G-9230(S)는 G-9220에 비하여 가진력, 변위, 최대적재하중, 편심허용율, 증폭기출력 및 테이블 크기가 크게 증대 되어 대형시료의 안정적인 시험에 적합

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[ 6 ] 시험기 사용시 주의사항

1) 가진기 에어쇼바 공기압 확인

☞ 대형시료 ‘Z’축 시험시 시험기 파손 우려

2) 가진기 가동 공기압 확인

☞ 0.4 Mpa(적재하중 500 Kg) 유지 확인

3) 시료 및 JIG 고정상태 확인

☞ 불안정한 고정시 시험기 Trip 및 시험불가

4) 수평테이블 Slip Oil 압력 정상 확인

☞ Oil 공급 불량시 수평테이블 파손

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5) 시험조건 입력시 가속도 단위의 철저한 확인

☞ 392 ㎨ = 40 G 이므로 9.8배의 차이발생

6) 대형시료의 설치 작업시 충분한 인원(4명) 참여

☞ 시료, JIG무게(400 Kg)에 따른 안전사고 위험

7) 안전모, 안전화 등 보호장구 착용

☞ 담당자외 시험지역 접근 금지

8) 시험기 가동능력이 검증된 직원에 의한 가동요구

☞ 무리한 사용에 의한 고장 및 파손 우려

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[ 7 ] 진동시험기 구조 및 특성

SYSTEM BLOCK DIAGRAMModel : G-9220

Digital VibrationController

D-5702

Table Position S ignal

Air Control PanelG03-052

Power SupplyC ircuit

A C D riv e S ig.

DC F ield S ig.

Blow er S upply 3-phase、200 V

CoolingBlowerVB52ｂM

Power Requied3-phase? 220V ,60 Hz

Approx. 27 KVA

HorizontalSlip TableG61-110H

VibrationGeneratorG25-230

A ccelerometer S ignal

(Silencer)

Master UnitG14-701

Power Amplifier UnitG14-007 X 2 sets

Air Required0.4MPa,　2L/min.

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1) 제어부(Vibration Control System)

Depth : 1000mmWe ight :Approx . 500Kg

Meter Pane l

Vent i lat ion Pane l

Key Board/Mouse

D-5701

D ig ita l V ibrat ion Contro l ler

Master Un i tG14-701

Tab le Contro l Pane l G03-052

Power Amp l i f ier Un i tG14-007

Power Amp l i f ierUn i tG14-007

ＭＯ ２．外観図－Ｇ １４ Ｃ ｏ． Ｌ ｔ ｄ．ＳＨ ＩＮＫＥＮ

尺度／ ＳＣＡ ＬＥ ：

型式／ Ｍ ＯＤＥ Ｌ ＮＯ。

図番／ ＤＲＡＷ ＩＮＧ ＮＯ。

ｍｍ 品名／ ＵＳＥＤ ＯＮ

１／１０ ＰＯＷＥＲ ＡＭＰ Ｌ Ｉ Ｆ ＩＥＲ ＣＯＮＳＯ ＬＥ

Ｇ１ ４－０ １ ４

４－１ ０ ２ ５ ０Ｂ

承 認 設計 （調査 ） 製 図

２ ０ ０ ６． ２ ． ２ ４

田 村

５ ８５

１８３５

23

2) 냉각시스템(Cooling system)

３φ ＡＣ ２ ０ ０／ ２ ２ ０ Ｖ， ５ ０Ｈ ｚ３ ．７ ｋｗ ，２ ｐ

－５ ．５ ｋＰ ａ （－５５０ｍｍＡ ｑ ）／ｍ ｉ ｎ３２ １ｍ

：：：：

：：Ｆ ＬＯＷ

PRESSURE１０１ ｋＰ ａ （１ ０３３３ｍｍＡ ｑ ）：SUCT ION PRESS .２０℃：SUCT ION TEMP .

Ｒ ． Ｐ．Ｍ ． ２ ９０ ０ ｒ ｐｍWE IGHT ２２ ７ ｋ ｇMOTORＳＵＰＰ Ｌ Ｙ

万 場

ＭＯ ２．外－ブロワ

製 図設 計 （調査 ）承 認

４－８ １ ８ ４

１／１５ＵＳＥＤ ＯＮ品名／ｍｍ

ＤＲＡＷ ＩＮＧ ＮＯ。図番／

Ｍ ＯＤＥ Ｌ ＮＯ。型式／

ＳＣＡ ＬＥ ：尺度／

ｖＢ５ ３ ｃＭ／５Ｓ ５

COOL ING BLOWER

SH INKEN CO . ,LTD .’ ０ １ ． ９ ． ２ ０

S i lencer

φ ３２０

７７

０７

６１

１５

３１

９０

０

φ１５０

６９７

φ ２８０

φ ６８４

５０８

24

3) 가진기(Vibration Generator)

Aux . Vert ica l Tab le

Hor izonta l S l ip Tab le

CO . , LTD .SH INKEN

V ib .Generator w/Aux .Tab les

We ight : 3000Kg

１６

２

A i rCy l inder

Hydrostat ic Bear ingGearedMotor

４－ １ ０ ２ ８ ０

Ｇ ２ ５－２ ３ ０／Ｇ ６ １－１ １０Ｈ

１ ００ ０＊ １ ０ ００

φ ２００

φ ３５０

１ ００ ０＊ １００ ０

７６

４１

３３

０

２３８１． ３

１２

９８

１４

６０

’ ０６ ． ３ ． １５

万 場

ＭＯ ２．外－Ｇ ２５

製 図設 計 （調査 ）承 認

１／２０ＵＳＥＤ ＯＮ品名／ｍｍ

ＤＲＡＷ ＩＮＧ ＮＯ。図番／

Ｍ ＯＤＥ Ｌ ＮＯ。型式／

ＳＣＡ ＬＥ ：尺度／

25

◈ 가진기와 Slip Table

- 가진기의 기능 • 증폭신호를 역학운동으로 변환해 시험체에 전달 • 기계식(mechanical)/ 전자식(electro-dynamic) / 유압식(electro-hydraulic)의 3종류 • 전자식은 폭넓은 주파수 대역 사용 및 임의 진동 레벨이나 힘의 생성 및 제어가 용이 - OIL Film Slip Table Mathod 사용

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◈ 수직테이블(Vertical Slip Table)

- 셰이커의 표면적을 늘리기 위한 수직 및

수평 보조 테이블이 일반적으로 사용됨

- Al 재질을 사용하며 테이블의 사양과 표

면적은 최대 동작 주파수와 시험질량에

서로 밀접히 관련되어 있음

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◈ 다용도 지그(JIG)의 설계

- JIG 설계의 고려사항 1) JIG는 단단하고 가벼워야 함 2) 시험 가속도 및 소요 가진력 고려 3) 시료 장착 표면적 및 주파수 범위 4) 적합한 재료의 선택(티타늄, 알미늄, 철 등) ※ JIG 설계는 기술적 노하우와 경험이 매우 중요

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◈ Cube JIG 의 설계

- 센서, 전자 부품, PCB와 같이 비교적 작고 가벼운

시험체를 높은 주파수까지 가진 시 사용

- 가진축의 변경 없이 X, Y, Z 축 동시테스트 가능

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◈ 가속도계(Accelerometer)의 역할

- 압전소자(Piezoelectric materials)의 역학적 성질을 전기적 성질로 변환시키는 효과를 이용

- 압전소자 발생 전위차는 가한 힘의 크기에 비례 하므로 정확한 진동량을 측정 및 제어부로 송신 하여 시험조건의 콘트롤 및 필요시 시험기 Trip

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◈ 복합환경 진동시험기

- 복합 환경 신뢰도 테스트 시스템은 설정된

온도 및 습도 조건에서 진동시험이 가능

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◈ 진동 프로그램 운영

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◈ Cube JIG의 활용

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◈ 가변형 JIG의 활용

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◈ 대형 JIG의 활용

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감사합니다..

경보장치팀 임채필 과장