KR102540258B1 - 베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치 및 베어링블록의 제조방법 - Google Patents

베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치 및 베어링블록의 제조방법 Download PDF

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Abstract

마찰 진자형 면진장치에 적합하게 사용될 수 있는 베어링블록이 개시된다. 상기 베어링블록은 표면에 마찰재 장착홈이 형성된 베어링블록 본체 및 열변형온도로 가열된 상태로 그리고 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착된 상태에서 오목구면이 형성된 가압부재에 의해 상기 베어링블록 본체를 향해 가압되는 것에 의해 압축처짐되어 형성된 볼록구면을 구비하고, 상기 마찰재 장착홈에 고정된 마찰재를 포함하는 구성을 하며, 마찰재 장착홈의 바닥을 평면으로 가공하여도 되기 때문에 베어링블록 본체의 제작이 쉽고, 하중분포가 균일하고, 큰 횡력을 받아줄 수 있다는 장점을 가진다.

Description

베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치 및 베어링블록의 제조방법{BEARING BLOCK, FRICTION PENDULUM TYPE SEISMIC ISOLATOR USING THE SAME AND METHOD FOR MAKING THE BEARING BLOCK}
본 발명은 마찰 진자형 면진장치에 관련된 것으로, 특히, 마찰 진자형 면진장치와 이에 적합하게 사용될 수 있는, 표면에 마찰재가 설치되는 베어링블록의 제조방법에 관련된 것이다.
일반적으로, 교량 상판 등의 상부구조물과 교각 등의 하부구조물 사이에 온도 변화 등에 따른 상부구조물의 신축을 허용하고 차량 또는 열차의 시, 제동 하중을 완충하여 받아주고 지진 시에 면진 기능을 수행하면서 외력이 제거되면 복원 기능을 가지도록 하는 면진장치가 설치된다.
면진장치로는 다양한 형식의 것이 알려져 있다. 면진장치들 중에는 지진 발생 시 하부구조물에 대한 상부구조물의 변위를 허용하고 볼록구면의 마찰면을 가지는 베어링블록의 마찰에 의해 지진 에너지를 소산시킬 수 있도록 하면서 복원력을 제공할 수 있는 마찰 진자형 면진장치가 알려져 있다. 이러한 마찰 진자형 면진장치의 일례가 등록번호 10-1987231호(발명의 명칭: 마찰 진자 받침, 발명자: 김성원, 김유청)의 등록특허공보에 개시되어 있다.
위와 같은 김성원 등의 발명은 "상부구조물과 체결되며 하면이 오목한 반구형상으로 이루어지고 미끄럼판이 형성된 상판과, 하부구조물과 체결되며 상면이 오목한 반구형상으로 이루어진 하판과, 상기 상판과 하판 사이에 배치되어 상면은 마찰판을 매개로 상기 상판의 오목한 면에 접촉하고 하면은 회전 마찰판을 매개로 상기 하판과 오목한 면에 접촉되며 하면이 볼록한 반구 형상으로 이루어진 중간판을 구비한 마찰 진자 받침에 있어서, 상기 중간판에는, 상기 미끄럼판과 상기 마찰판이 서로 상대운동이 가능하면서 접촉하는 제 1접촉면에서 받는 압력의 크기를 조절하기 위하여, 상기 마찰판과 중간판 사이의 제 2접촉면의 면적을 줄여 상기 제1 접촉면에서 받는 압력을 증대시키도록 적어도 하나 이상의 비접촉 홈부가 형성되며, 상기 중간판은 상면에 상기 마찰판을 수용하는 수용 홈부가 형성되고, 상기 수용 홈부는 측면을 따라 역구배되는 경사면으로 형성되는 구성"을 하고 있다.
위 김성원 등의 발명에서도 알 수 있는 바와 같이 마찰 진자형 면진장치에 사용될 수 있는 베어링블록은 볼록구면에 마찰판 장착을 위한 홈형태의 마찰판 장착부를 형성하고 이 마찰판 장착부에 접착제를 이용하여 폴리테트라플루오로에틸렌(이하, "PTFE"라 칭함) 등으로 이루어진 마찰판을 접착하여 소정 곡률의 볼록구면을 형성하도록 한다.
위 김성원 등의 발명은 홈형태의 마찰판 장착부의 바닥에 상부구조물의 하중에 의해 마찰판이 유입될 수 있는 홈을 형성함으로써 마찰판이 압축되더라도 일부가 홈속으로 들어가도록 하여 접촉표면의 면적이 증가하는 것을 억제함으로써 마찰판의 접촉면적을 일정하게 유지되도록 하는 장점은 있으나, 마찰판 장착부의 바닥에 홈이 형성된 부분과 홈이 형성되지 않은 부분이 혼재함에 따라 마찰판에 작용하는 압력이 마찰판 전체 면적에 걸쳐서 균일하지 않게 된다는 단점이 있다.
또한, 김성원 등의 발명은 마찰판 장착부의 바닥을, 마찰면을 형성하기 위한 볼록구면과 동일한 곡률의 볼록구면으로 형성하여야 하기 때문에 제작하기가 매우 까다롭다는 단점도 있다. 통상 마찰판으로는 6~15mm 정도의 두께의 것이 사용되는데, 두께가 너무 얇아서 마찰판의 표면을 구면으로 기계가공하기는 너무 어렵다.
그 외에 마찰판으로 초고분자량폴리에틸렌(이하, "UHMW-PE"로도 칭함)이나 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic)으로 된 것이 사용될 수 있는데, 이들은 접착제에 의한 접착성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 김성원 등의 발명에 비해 균일한 하중 분포로 상부구조물의 하중을 지지할 수 있는 베어링블록 및 마찰 진자형 면진장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 마찰재가 부착되는 표면을 평면으로 가공하여도 되기 때문에 만들기가 쉽고 원하는 형상의 볼록구면을 정밀하게 그리고 쉽게 만들 수 있는 베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 마찰재가 베어링블록 본체에 견고하게 부착될 수 있고, 큰 횡력에 대한 저항성이 뛰어난 베어링블록을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치를 만드는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 베어링블록은 표면에 마찰재 장착홈이 형성된 베어링블록 본체; 및 열변형온도로 가열된 상태로 그리고 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착된 상태에서 오목구면이 형성된 가압부재에 의해 상기 베어링블록 본체를 향해 가압되는 것에 의해 압축처짐되어 형성된 볼록구면을 구비하고, 상기 마찰재 장착홈에 고정된 마찰재를 포함하는 구성을 한다.
상기 마찰재 장착홈의 바닥에 처짐성형홈이 형성되고, 상기 가압되는 것에 의해 상기 마찰재의 일부가 상기 처짐성형홈에 삽입되어 처짐성형부로 성형된 것이 바람직하다.
상기 처짐성형홈은 원형 또는 환형의 평면모양을 하고, 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출된 상기 마찰재의 상단 가장자리를 따라 상기 마찰재 장착홈의 측방으로 팽출된 팽출부가 형성된 구성을 할 수 있다.
상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 적어도 60%가 상기 처짐성형홈으로 삽입되고, 상기 팽출부는 상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 40%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
상기 마찰재 장착홈의 바닥은 평면으로 형성되고, 상기 마찰재는 UHMW-PE 또는 엔지니어링 플라스틱인 것이 좋다.
상기 베어링블록 본체는 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 것으로 상기 마찰재 장착홈의 가장자리를 따라 형성되고 상기 가압부재에 의해 상기 마찰재와 함께 가압되어 상기 볼록구면의 둘레를 따라 구면을 형성하는 링구면부를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 마찰 진자형 면진장치는 하부구조물의 상면에 설치되는 하부부재; 상부구조물의 저면에 설치되는 상부부재; 및 상기 하부부재와 상기 상부부재 사이에 설치되고, 상방 또는 하방으로 볼록하게 형성되어 상기 상부부재와 상기 하부부재 중 구면홈이 형성된 적어도 하나에 대해 상기 구면홈과 미끄럼 접촉되면서 좌우 또는 전후, 혹은 좌우 및 전후로 이동하는 것을 허용하며, 열변형온도로 가열된 상태에 오목구면을 가지는 가압부재에 의해 가압되어 형성된 볼록구면을 구비하여 상기 상부구조물의 하중을 지지하는 베어링블록을 포함하는 구성을 한다.
본 발명에 따른 베어링블록 제조방법은 상면과 하면 중 적어도 하나의 표면에 마찰재 장착홈이 형성된 베어링블록 본체와 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착될 수 있는 마찰재를 준비하는 재료준비과정; 상기 마찰재를 열변형온도로 가열하는 마찰재 가열과정; 상기 마찰재를 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착하는 마찰재 장착과정; 및 상기 마찰재 장착홈에 장착된 상기 마찰재를 오목구면이 형성된 가압부재로 상기 베어링블록 본체를 향해 가압하여 압축처짐에 의해 상기 마찰재의 표면에 볼록구면을 형성하는 볼록구면형성과정을 포함하는 구성을 한다.
상기 재료준비과정은 상기 마찰재 장착홈의 바닥에 처짐성형홈이 형성된 상기 베어링블록 본체를 준비하고, 볼록구면형성과정은 상기 마찰재의 일부가 상기 처짐성형홈에 삽입되도록 상기 마찰재를 가압하는 것이 바람직하다.
상기 재료준비과정은 상기 처짐성형홈이 원형 또는 환형의 평면모양을 하는 것을 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출된 상기 마찰재의 상단 가장자리를 따라 상기 마찰재 장착홈의 측방으로 팽출된 팽출부가 형성되도록 상기 마찰재를 가압할 수 있다.
상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 적어도 60%가 상기 처짐성형홈으로 삽입되고, 상기 팽출부는 상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 40%를 초과하지 않도록 상기 마찰재를 가압하는 것이 좋다.
상기 재료준비과정은 상기 마찰재로 UHMW-PE 또는 엔지니어링 플라스틱을 준비하고, 상기 가열과정은 상기 마찰재를 섭씨 40~150도로 가열하는 것이 바람직하다.
상기 재료준비과정은 상기 베어링블록 본체로 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 것으로 상기 마찰재 장착홈의 가장자리를 따라 링부가 형성된 것을 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 가압부재로 상기 마찰재와 함께 상기 링부를 가압하여 상기 볼록구면의 둘레를 따라 구면을 형성하는 링구면부가 형성되도록 가압하는 구성을 할 수 있다.
본 발명에 따른 베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치는 종래의 것에 비해 균일한 하중 분포로 상부구조물을 지지할 수 있다.
본 발명에 따른 베어링블록과 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치는 마찰재 장착홈의 바닥을 평면으로 가공하여도 되기 때문에 베어링블록 본체의 제작이 매우 쉽다.
본 발명에 따르면 열변형온도로 가열된 마찰재를, 원하는 형상의 오목구면이 형성된 가압부재로 가압함에 따라 마찰재의 압축처짐에 의해 볼록구면이 형성되도록 하기 때문에 정밀한 볼록구면을 쉽게 만들 수 있고, 베어링블록 본체와의 접착력도 크다.
본 발명에 따르면, 마찰재의 내측면에 압축처짐되어 처짐성형부가 성형되기 때문에 접착면적을 증가시켜 마찰재의 고정력을 증가시킬 뿐만 아니라 2중의 걸림부를 형성하여 마찰변위 시 마찰재에 가해지는 매우 큰 수평력 또는 횡력에 대한 저항성을 크게 증가시킨다.
본 발명에 따르면 마찰재 상단 가장자리를 따라 팽출되는 팽출부의 팽출정도를 적정하게 조정하여 베어링블록을 만들 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 베어링블록의 일례를 나타낸 단면도,
도 2는 도 1의 베어링블록을 이용한 마찰 진자형 면진장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 베어링블록을 만드는 과정을 설명하기 위한 공정도,
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 베어링블록을 만드는 과정을 순서대로 나타낸 도면,
도 8은 처짐성형부와 팽출부의 압축처짐 정도를 설명하기 위한 도면,
도 9는 도 1에 나타낸 베어링블록 본체의 평면도,
도 10은 도 4에 나타낸 베어링블록 본체의 평면도,
도 11은 본 발명에 따른 베어링블록의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 12는 본 발명에 따른 베어링블록의 제조과정의 변형 예를 설명하기 위한 반폭 단면도,
도 13은 도 12의 베어링블록 본체와 마찰재를 이용한 베어링블록의 반폭 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 설명에 앞서, 본 발명에서는 마찰재가 베어링블록 본체에 결합된 구조 또는 형태가 중요하므로, 설명의 편의상 베어링블록 본체에 비해 마찰재의 두께를 과장하여 두껍게 도시하였음을 밝혀 둔다.
도 1은 본 발명에 따른 베어링블록의 일례를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 베어링블록을 이용한 마찰 진자형 면진장치의 단면도이다.
도 1에는 본 발명에 따른 베어링블록(100)의 일례가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 베어링블록(100)을 이용한 본 발명에 따른 마찰 진자형 면진장치(200)가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링블록(100)은 베어링블록 본체(110)와 마찰재(130)를 구비하여 구성된다. 이러한 베어링블록(100)은 마찰재(130)에 형성된 볼록구면(132)을 구비하여 교각 등의 하부구조물(10)의 상면에 설치되는 하부부재(210)와 교량 상판 등의 상부구조물(20)의 저면에 설치되는 상부부재(220) 사이에 설치된다. 이 실시 예는 베어링블록 본체(110)의 하면에도 볼록구면(112)이 형성된 것을 예시한다. 통상, 베어링블록 본체(110)의 하면의 볼록구면(112)의 곡률반경은 마찰재(130)의 상면에 형성되는 볼록구면(132)의 곡률반경보다 작게 형성된다. 이러한 베어링블록(100)은 하부구조물(10)에 대한 상부구조물(20)의 변위를 허용하면서 상부구조물(20)의 하중을 하부구조물(10)로 전달하여 지지하는 역할을 한다. 베어링블록(100)은 지진, 풍하중, 차량 또는 열차의 시, 제동 하중 등의 외력이 작용하면 하부구조물(10)에 대한 상부구조물(20)의 상대적인 변위를 허용하였다가 외력이 제거되면 상부구조물(20)을 원위치로 복원시키는 복원력을 제공하는 역할도 한다. 이 베어링블록(100)에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 면진장치(200)를 구성하는 하부부재(210)는 통상 기초볼트(B)와 너트(N) 등을 통해 교각 등의 하부구조물(10)에 고정되고, 상부부재(220)는 용접 등에 의해 교량 상판 등의 상부구조물(20) 저면에 고정된다. 이러한 하부부재(210)와 상부부재(220)의 고정방식은 변경될 수 있음은 물론이다. 하부부재(210)의 상면과 상부부재(220)의 저면에는 베어링블록(100)의 볼록구면(112, 132)과 각각 면접촉 상태로 마찰을 하면서 활주할 수 있도록 접촉되는 오목구면(212, 232)이 형성되어 있다. 통상, 하부부재(210)의 상면에 형성되는 오목구면(212)의 곡률반경은 상부부재(220)의 저면에 형성되는 오목구면(232)의 곡률반경보다 작게 형성된다.
그리고 상부부재(220) 저면의 오목구면(232)과 하부부재(210) 상면의 오목구면(212)에는 바람직하게 미끄럼재층(SL)이 설치된다. 미끄럼재층(SL)의 재료로는 스테인리스 스틸판이 많이 이용된다. 때에 따라, 크롬도금층이 미끄럼재층(SL)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 때에 따라, 상부부재(220)의 미끄럼재층(SL)은 바람직하게, 스테인리스 스틸판이 이용될 수 있고, 하부부재(210)의 미끄럼재층(SL)으로는 바람직하게 크롬도금층이 이용될 수 있다. 하부부재(210) 및/또는 상부부재(220)가 엔지니어링 플라스틱으로 만들어지는 경우, 별도의 미끄럼재층(SL)이 설치되지 않을 수 있다.
도 1과 도 2는 상방과 하방으로 볼록하게 형성되어 상부부재(220)의 오목구면(232)과 하부부재(210)의 오목구면(212) 모두에 접촉되는 베어링블록(100)을 예시하고 있다. 물론, 상부부재(220)와 하부부재(210) 중 어느 하나에만 오목구면이 형성되고 나머지 하나에는 평면 등 여타의 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 베어링블록(100)에서 상면과 하면 중 오목구면과 접촉하는 어느 하나에만 볼록구면(132)이 형성되어야 한다. 베어링블록(100)은 상부부재(220)의 오목구면(232) 및/또는 하부부재(210)의 오목구면(212)과 미끄럼 접촉되면서 상부부재(220)가 하부부재(210)에 대해 좌우 또는 전후, 혹은 좌우 및 전후로 이동하는 것을 허용한다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 베어링블록(100)은 베어링블록 본체(110)와 마찰재(130)를 가진다. 베어링블록 본체(110)로는 금속재 또는 엔지니어링 플라스틱이 이용될 수 있다. 베어링블록 본체(110)가 엔지니어링 플라스틱으로 구성되는 것과 관련하여서는 등록번호 10-1256829호(발명의 명칭: 스페리컬 베어링 및 이를 위한 플라스틱 구면블록, 발명자: 김성규), 10-1410025호(발명의 명칭: 플라스틱 베어링블록 조립체 및 이를 이용한 면진장치, 발명자: 김성규 외 2) 등의 등록특허공보에 개시되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 베어링블록 본체(110)의 한쪽 표면에는 마찰재 장착홈(114)이 형성되어 있다. 본 발명에 따른 베어링블록(100)에서, 마찰재 장착홈(114)의 바닥은 바람직하게 평면으로 형성된다. 마찰재 장착홈(114)의 바닥을 평면으로 형성하는 경우, 볼록구면으로 형성하는 것에 비해 기계가공하기가 매우 수월하고 정밀도도 높일 수 있다. 바람직하게, 마찰재 장착홈(114)의 바닥에는 처짐성형홈(116)이 형성되어 있다. 이 처짐성형홈(116)은 열변형온도로 가열된 마찰재(130)가 베어링블록 본체(110)를 향해 가압되는 것에 의해 마찰재(130)의 일부가 처짐성형홈(116)에 삽입되어 성형되도록 하여 마찰재(130)의 상단 가장자리가 측방으로 팽출성형되는 것을 줄일 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한, 처짐성형홈(116)은 마찰재(130)와 베어링블록 본체(110) 간의 접착면적을 증가시켜 마찰재(130)의 고정력을 증가시키고, 마찰재 장착홈(114)과 함께 2중의 걸림턱을 형성하여 마찰변위 시 마찰재(130)에 가해지는 매우 큰 수평력 또는 횡력에 대한 저항성을 크게 증가시킨다.
처짐성형홈(116)은 사각형 등 다양한 평면 모양으로 형성될 수 있으나 기계가공성을 위해서는 원형 또는 환형의 평면모양으로 형성하는 것이 좋다. 이에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.
위와 같은 마찰재 장착홈(114)에 마찰재(130)가 결합되어 있다. 이 마찰재(130)의 바깥 표면에는 볼록구면(132)이 형성되어 있다. 바람직하게, 마찰재(130)의 내측면에는 처짐성형부(136)가 형성된다. 볼록구면(132)은 바람직하게, 평판상의 마찰재료가 열변형온도로 가열된 상태로 그리고 마찰재 장착홈(114)에 장착된 상태에서 마찰재 장착홈(114)의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 마찰재 장착홈(114)에 장착된 상태에서 오목구면이 형성된 가압부재에 의해 베어링블록 본체(110)를 향해 가압되는 것에 의해 압축처짐되어 형성된다. 이때, 열변형온도로 가열된 마찰재(130)가 오목구면이 형성된 가압부재에 가압되는 것에 의해, 마찰재(130)는 베어링블록 본체(110)와 더욱 견고하게 접착되어, 마찰재 장착홈(114)에 견고하게 고정된다.
이렇게 하면 쉽게 그리고 정밀하게 원하는 곡률의 볼록구면(132)을 형성할 수 있고, 견고한 표면의 볼록구면(132)을 얻을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 베어링블록(100)은, 마찰재(130)가 열변형온도로 가열된 상태에서 오목구면을 가지는 가압부재에 의해 가압되어 형성된 볼록구면(132)을 가진다는 점에서 박판의 마찰재료를 구면상의 표면에 접착하여 볼록구면을 형성하던 기존의 베어링블록과 차별된다.
또한, 본 발명에 따른 베어링블록(100)은 마찰재 장착홈(114)의 외부로 돌출된 마찰재(130)의 상단 가장자리를 따라 마찰재 장착홈(114)의 측방으로 팽출된 팽출부(138)를 가진다. 이 팽출부(138)가 지나치게 팽출되는 상태로 형성되면, 마찰재(130)의 마찰가능 두께가 얇아져 마모 수명이 짧아지고, 마찰재(130)의 중요 기능 중 하나인 미끄럼 허용이 원활하게 이루어지지 않고, 상부부재(220) 등과 베어링블록 본체(110)가 서로 직접 접촉될 우려가 있다. 하지만, 팽출부(138)가 소정의 범위 내에서 적정 수준으로 팽출되어 형성되는 경우, 위 단점들이 해소됨은 물론이고, 마찰재(130)의 가장자리에 탄력성을 주어 지진 등에 의해 급작스럽게 활주를 시작할 때 부드럽게 활주를 시작할 수 있도록 해준다.
위와 같은 마찰재(130)로는 경도 60~95D, 압축강도 20~85MPa, 비중 0.9~1.2의 물리적 특성을 가지는 엔지니어링 플라스틱 또는 초고분자량폴리에틸렌이 적당하다.
엔지니어링 플라스틱으로는 폴리아미드(PA: Polyamide)로 된 것, 폴리아세탈(POM: Polyacetal or Polyoxymethylene)로 된 것, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate)로 된 것, 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin)로 된 것, 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone)으로 된 것, 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide)로 된 것, 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide)로 된 것, 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole)로 된 것, 폴리이미드(PI: Polyimide)로 된 것 및 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone)으로 된 엔지니어링 플라스틱이 사용될 수 있다.
상기와 같은 엔지니어링 플라스틱은 베어링블록 본체(110)를 만드는데에도 사용될 수 있다. 베어링블록 본체(110)를 만들기에 적합한 엔지니어링 플라스틱은 밀도가 1.0 ~ 1.2 g/㎤이고, 압축강도가 600 ~ 1,100㎏/㎠ 정도인 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 베어링블록을 만드는 과정을 설명하기 위한 공정도이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 베어링블록을 만드는 과정을 순서대로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4에 나타낸 바와 같이 마찰재 장착홈(114)이 형성된 베어링블록 본체(110)와 판상의 마찰재(130)를 준비한다(S1). 바람직하게, 베어링블록 본체(110)로는 마찰재 장착홈(114)의 바닥에 처짐성형홈(116)이 형성된 것을 사용한다. 마찰재 장착홈(114)의 바닥은 가공의 편의상 바람직하게, 평면으로 이루어진 것을 사용한다. 또한, 예를 들어, 마찰재(130)의 두께가 10㎜ 정도인 경우, 마찰재 장착홈(114)의 깊이는 4~6㎜ 정도로 형성한다. 처짐성형홈(116)의 깊이는 다양하게 조정될 수 있다. 예를 들어, 처짐성형홈(116)의 깊이는 1~3㎜ 정도로 형성한 것, 예를 들면 1㎜, 2㎜, 3㎜ 등으로 형성한 것이 이용될 수 있고, 처짐성형홈(116)의 반지름(원형의 경우) 또는 반지름과 폭(환형의 경우) 또는 평면 면적은 압축처짐에 의해 형성하기 위한 처짐성형부(136)의 부피에 따라 다양하게 조정될 수 있다. 경우에 따라, 처짐성형홈(116)의 깊이는 1㎜ 미만, 예를 들면 0.5㎜ 등으로도 형성될 수 있고, 마찰재(130)의 두께가 10㎜ 이상으로 두꺼운 경우 3㎜보다 더 깊게, 예를 들어 3.5㎜ 등으로 형성될 수 있음은 물론이다. 마찰재 장착홈(114)의 깊이는 마찰재(130)의 두께에 따라 4~6㎜를 벗어날 수 있음도 물론이다. 처짐성형홈(116)은 가공의 편의상 환형 또는 원형의 평면모양을 가지도록 형성된 것이 바람직하다. 하지만, 처짐성형홈(116)은 여타의 평면모양으로 형성될 수 있다.
판상의 마찰재(130)로는 평판 형태의 것을 사용한다. 판상의 마찰재(130)로는 완전한 평판 형태의 것뿐만 아니라 예를 들어, 곡률반경이 2000㎜, 3000㎜ 등의 큰 곡률반경을 가지는 것도 사용될 수 있다.
준비된 마찰재(130)를 가압부재의 가압하중에 대한 열변형 온도로 가열한다(S2). 마찰재(130)의 열변형 온도는 마찰재(130)의 종류와 가압하중에 따라 달라지지만, 마찰재(130)로 UHMW-PE나 엔지니어링 플라스틱을 사용하는 경우, 베어링블록(100)의 마찰재(130)에 볼록구면(132)을 성형하는 데에는 섭씨 40~150도 정도가 적당하다.
열변형 온도로 가열된 마찰재(130)를 도 5에 나타낸 바와 같이 마찰재 장착홈(114)에 장착한다(S3). 마찰재 장착홈(114)에 장착된 상태에서 마찰재(130)의 일부는 마찰재 장착홈(114)의 외부로 돌출된다.
그런 다음, 도 6에 나타낸 바와 같이 마찰재 장착홈(114)에 장착된 마찰재(130)를 오목구면(32)이 형성된 가압부재(30)로 베어링블록 본체(110)를 향해 가압한다(S4). 이에 따라 열변형온도로 가열된 마찰재(130)는 압축처짐되면서 도 7에 나타낸 바와 같이 마찰재(130)의 표면에 볼록구면(132)을 형성한다. 또한, 마찰재 장착홈(114) 속의 바닥쪽의 마찰재(130)는 압축처짐되면서 처침성형홈(116) 속으로 삽입되어 처짐성형부(136)를 형성하고, 가압된 마찰재(130)의 상단 가장자리는 마찰재 장착홈(114)의 측방으로 돌출되는 팽출부(138)를 형성한다. 바람직하게, 마찰재(130)가 상온으로 냉각될 때까지 가압부재(30)로 마찰재(130)를 가압하는 상태를 유지한다.
이때, 마찰재(130)는 베어링블록 본체(110)에 접착된다. 마찰재(130)가 UHMW-PE로 이루어진 경우, 접착제를 사용할 필요가 없다. 하지만, 엔지니어링 플라스틱으로 된 것인 경우, 필요에 따라 마찰재(130)를 마찰재 장착홈(114)에 장착하기 전에 대응 접착면에 접착제를 도포하여 마찰재(130)가 베어링블록 본체(110)와 더 잘 접착될 수 있도록 할 수 있다. 마찰재(130)가 오목구면(32)이 형성된 가압부재(30)에 가압되는 것에 의해, 마찰재(130)는 베어링블록 본체(110)와 더욱 견고하게 접착되어, 마찰재 장착홈(114)에 견고하게 고정된다.
볼록구면(132)과 처침성형부(136) 및 팽출부(138)가 완전히 성형된 후 가압부재(30)를 이탈시켜 도 7에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 베어링블록(100)을 완성한다(S5).
때에 따라, 도 2에서 설명한 상부부재(220)가 가압부재로(30)로 사용될 수 있고, 저면에도 마찰재(130)에 볼록구면을 형성하는 경우, 하부부재(210)도 가압부재(30)로 사용될 수 있다. 이 경우, 가압상태를 해제하되 가압부재(30)를 이탈시키는 S5의 과정없이 포장하여 본 발명에 따른 마찰 진자형 면진장치(200)를 만들 수 있고, 설치될 때까지 결합상태를 유지할 수 있다.
위와 같은 본 발명은 열변형온도(Heat Deflection Temperature)까지 가열한 UHMW-PE나 엔지니어링 플라스틱으로 된 마찰재(130)를 마찰재 장착홈(114)에 장착한 상태에서 오목구면이 형성된 가압부재로 마찰재(130)를 가압하여 마찰재(130)의 표면에 원하는 곡률의 볼록구면(132)이 형성되도록 하는 베어링블록 제조방법이다.
도 8은 처짐성형부와 팽출부의 압축처짐 정도를 설명하기 위한 도면이다.
앞에서 설명한 바와 같이 마찰재(130)가 가압부재에 의해 가압될 때, 볼록구면(132)을 형성하면서 압축처침된 압축처짐부피(A1)는 60%이상, 바람직하게 85% 이상이 처짐성형홈(116)으로 삽입되어 처짐성형부(136)를 형성하도록 하고, 팽출부(138)는 마찰재(130)의 압축처짐부피(A1)의 40%를, 바람직하게 15%를 초과하지 않도록 한다. 그래야, 마찰재(130)와 베어링블록 본체(110) 간의 접착력, 횡력에 대한 저항성을 크게할 수 있고, 앞에서 설명한 바와 같은 과도한 팽출부(138)로 인한 단점이 발생하지 않는다.
때에 따라, 팽출부(138)의 팽출정도를 아주 적게 하고자 하는 경우, 예를 들어 압축처짐부피(A1)의 97% 정도가 처짐성형홈(116)으로 삽입되어 처짐성형부(136)를 형성하도록 하고, 팽출부(138)는 마찰재(130)의 압축처짐부피(A1)의 3% 정도로 형성되도록 할 수 있다.
도 9는 도 1에 나타낸 베어링블록 본체의 평면도이고, 도 10은 도 4에 나타낸 베어링블록 본체의 평면도이다.
도 9에 나타낸 베어링블록 본체(110)에는 원형의 마찰재 장착홈(114)이 형성되어 있다. 이 마찰재 장착홈(114)의 바닥의 중앙부에 원형의 처짐성형홈(116)이 형성되어 있다. 이 처짐성형홈(116)은 열변형온도로 가열된 마찰재의 일부가 가압에 의해 처짐되면서 삽입되어 앞의 도 1에서 설명한 바와 같은 원형의 처짐성형부가 형성될 수 있도록 한다.
도 10과 도 4를 함께 참고하면, 처짐성형홈(116)은 마찰재 장착홈(114)의 바닥에 환형으로 형성될 수 있다. 이 처짐성형홈(116)은 열변형온도로 가열된 마찰재의 일부가 가압에 의해 처짐되면서 삽입되어 도 4에 나타낸 환형의 처짐성형부를 형성할 수 있도록 한다.
도 11은 본 발명에 따른 베어링블록의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
때에 따라, 상하 양면 모두에 마찰재 장착홈(114)이 형성된 베어링블록 본체(110)와 베어링블록 본체(110)의 상하 양면에 마찰재(130)가 결합된 베어링블록(100)을 구성할 수 있다. 이 경우, 상하 양쪽에 가압부재를 배치하고 열변형온도로 가열된 마찰재(130)를 상하 양측의 마찰재 장착홈(114)에 각각 장착하여 앞에서 설명한 과정으로 가압하여 도 11에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 베어링블록(100)을 만들 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 베어링블록의 제조과정의 변형 예를 설명하기 위한 반폭 단면도이고, 도 13은 도 12의 베어링블록 본체와 마찰재를 이용한 베어링블록의 반폭 단면도이다.
마찰재(130)의 팽출(Cold flow)이 심하면 마찰 가능 두께가 얇아져 마모 수명이 짧아지고 마찰재(130)의 중요 기능 중 하나인 미끄럼 허용이 원활하게 이루어지지 않고 상부부재와 베어링블록 본체(110)가 서로 직접 접촉되어 구조적으로 문제를 일으킬 수 있다.
베어링블록 본체(110)로 엔지니어링 플라스틱으로 된 것을 이용하는 경우, 팽출부(138)가 과도하게 팽출되는 것을 방지하기 위해, 마찰재 장착홈(114)의 가장자리를 따라 링부(118)가 형성된 것을 사용할 수 있다. 팽출부(138)의 팽출정도와 부피를 최소화하기 위해 링부(118)의 높이를, 마찰재 장착홈(114)에 장착된 상태의 마찰재(130)의 상단보다 약간 낮거나(압축처짐 양정도 만큼 낮게) 도 12에 나타낸 바와 같이 비슷하게 하면 마찰재(130)가 적절히 구속되어 팽출부(138)의 팽출정도와 부피를 최소화하여 마찰재(130)의 가장자리가 과도하게 팽출되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 베어링블록 본체(110)를 이용하는 경우, 볼록구면(132)의 형성과정은 가압부재로 마찰재(130)와 함께 링부(118)를 가압하여, 도 13에 나타낸 바와 같이 볼록구면(132)의 둘레를 따라 링모양의 구면을 형성하는 링구면부(139)가 형성되도록 한다.
베어링블록 본체(110)가 금속으로 이루어진 경우, 가압부재로 가압 시 링부(118)가 가압부재에 접촉되지 않도록 마찰재(130)는 링부(118)보다 충분히 높게(압축처짐 양보다 높게) 돌출되는 것을 사용하여야 한다.
본 발명은 마찰 진자형 면진장치에 적합하게 사용될 수 있는, 볼록구면을 가지는 베어링블록 및 이를 이용한 마찰 진자형 면진장치의 제작에 이용될 가능성이 있다.
10: 하부구조물 20: 상부구조물
30: 가압부재 32: 오목구면
100: 베어링블록 110: 베어링블록 본체
112, 132: 볼록구면 114: 마찰재 장착홈
116: 처짐성형홈 118: 링부
130: 마찰재 136: 처짐성형부
138: 팽출부 139: 링구면부
200: 마찰 진자형 면진장치 210: 하부부재
212, 232: 오목구면 220: 상부부재
B: 기초볼트 N: 너트

Claims (13)

  1. 표면에 마찰재 장착홈이 형성된 베어링블록 본체; 및
    열변형온도로 가열된 상태로 그리고 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착된 상태에서 오목구면이 형성된 가압부재에 의해 상기 베어링블록 본체를 향해 가압되는 것에 의해 압축처짐되어 형성된 볼록구면을 구비하고, 상기 마찰재 장착홈에 고정된 마찰재를 포함하고,
    상기 마찰재 장착홈의 바닥에 처짐성형홈이 형성되고, 상기 가압되는 것에 의해 상기 마찰재의 일부가 상기 처짐성형홈에 삽입되어 처짐성형부로 성형되고,
    상기 처짐성형홈은 원형 또는 환형의 평면모양을 하고, 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출된 상기 마찰재의 상단 가장자리를 따라 상기 마찰재 장착홈의 측방으로 팽출된 팽출부가 형성되고,
    상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 적어도 60%가 상기 처짐성형홈으로 삽입되고, 상기 팽출부는 상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 40%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 베어링블록.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 마찰재는 UHMW-PE 또는 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 베어링블록.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베어링블록 본체는 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 것으로 상기 마찰재 장착홈의 가장자리를 따라 형성되고 상기 가압부재에 의해 상기 마찰재와 함께 가압되어 상기 볼록구면의 둘레를 따라 구면을 형성하는 링구면부를 가지는 것을 특징으로 하는 베어링블록.
  7. 하부구조물의 상면에 설치되는 하부부재;
    상부구조물의 저면에 설치되는 상부부재; 및
    상기 하부부재와 상기 상부부재 사이에 설치되고, 상방 또는 하방으로 볼록하게 형성되어 상기 상부부재와 상기 하부부재 중 구면홈이 형성된 적어도 하나에 대해 상기 구면홈과 미끄럼 접촉되면서 좌우 또는 전후, 혹은 좌우 및 전후로 이동하는 것을 허용하며, 열변형온도로 가열된 상태에 오목구면을 가지는 가압부재에 의해 가압되어 형성된 볼록구면을 구비하여 상기 상부구조물의 하중을 지지하는 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항의 베어링블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 진자형 면진장치.
  8. 상면과 하면 중 적어도 하나의 표면에 마찰재 장착홈이 형성된, 엔지니어링 플라스틱 또는 금속재로 이루어진 베어링블록 본체와 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착될 수 있는, UHMW-PE 또는 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 마찰재를 준비하는 재료준비과정;
    상기 마찰재를 열변형온도로 가열하는 마찰재 가열과정;
    상기 마찰재를 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착하는 마찰재 장착과정; 및
    상기 마찰재 장착홈에 장착된 상기 마찰재를 오목구면이 형성된 가압부재로 상기 베어링블록 본체를 향해 가압하여 압축처짐에 의해 상기 마찰재의 표면에 볼록구면을 형성하는 볼록구면형성과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링블록 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 재료준비과정은 상기 마찰재 장착홈의 바닥에 처짐성형홈이 형성된 상기 베어링블록 본체를 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재의 일부가 상기 처짐성형홈에 삽입되도록 상기 마찰재를 가압하는 것을 특징으로 하는 베어링블록 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 재료준비과정은 상기 처짐성형홈이 원형 또는 환형의 평면모양을 하는 것을 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출된 상기 마찰재의 상단 가장자리를 따라 상기 마찰재 장착홈의 측방으로 팽출된 팽출부가 형성되도록 상기 마찰재를 가압하는 것을 특징으로 하는 베어링블록 제조방법.
  11. 상면과 하면 중 적어도 하나의 표면에 마찰재 장착홈이 형성된 베어링블록 본체와 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착될 수 있는 마찰재를 준비하는 재료준비과정;
    상기 마찰재를 열변형온도로 가열하는 마찰재 가열과정;
    상기 마찰재를 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출되는 부분을 가지도록 상기 마찰재 장착홈에 장착하는 마찰재 장착과정; 및
    상기 마찰재 장착홈에 장착된 상기 마찰재를 오목구면이 형성된 가압부재로 상기 베어링블록 본체를 향해 가압하여 압축처짐에 의해 상기 마찰재의 표면에 볼록구면을 형성하는 볼록구면형성과정을 포함하고,
    상기 재료준비과정은 상기 마찰재 장착홈의 바닥에 처짐성형홈이 형성된 상기 베어링블록 본체를 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재의 일부가 상기 처짐성형홈에 삽입되도록 상기 마찰재를 가압하고,
    상기 재료준비과정은 상기 처짐성형홈이 원형 또는 환형의 평면모양을 하는 것을 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재 장착홈의 외부로 돌출된 상기 마찰재의 상단 가장자리를 따라 상기 마찰재 장착홈의 측방으로 팽출된 팽출부가 형성되도록 상기 마찰재를 가압하고,
    상기 볼록구면형성과정은 상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 적어도 60%가 상기 처짐성형홈으로 삽입되고, 상기 팽출부는 상기 마찰재의 상기 압축처짐된 부피의 40%를 초과하지 않도록 상기 마찰재를 가압하는 것을 특징으로 하는 베어링블록 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 마찰재 가열과정은 상기 마찰재를 섭씨 40~150도로 가열하는 것을 특징으로 하는 베어링블록 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 재료준비과정은 상기 베어링블록 본체로 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 것으로 상기 마찰재 장착홈의 가장자리를 따라 링부가 형성된 것을 준비하고, 상기 볼록구면형성과정은 상기 가압부재로 상기 마찰재와 함께 상기 링부를 가압하여 상기 볼록구면의 둘레를 따라 구면을 형성하는 링구면부가 형성되도록 가압하는 것을 특징으로 하는 베어링블록 제조방법.
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