KR101217534B1 - Working area calculating method for excavator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 굴삭기의 수평굴삭거리 및 수직굴삭깊이와 전도안전거리를 설정하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 지반의 무너짐 현상 없이 최대한 많은 양을 굴착할 수 있도록 최적의 수평굴삭거리 및 수직굴삭깊이를 설정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for setting a horizontal excavation distance and a vertical excavation depth and a felling safety distance of an excavator, and more particularly, an optimal horizontal excavation distance and a vertical excavation depth so as to excavate as much as possible without ground collapse. It is about how to set up.
일반적으로 굴삭기 숙련공이 굴삭작업을 수행할 때 굴삭작업을 실시하면서 지반상태를 자신의 경험을 바탕으로 파악하고 이를 토대로 반복적으로 굴삭작업을 수행해 나간다. 굴삭기의 여러 작업 중에서 굴착에 관한 이론적인 서적은 전무하며 실무에서 직접 습득한 경험적 지식에 의존하여 굴삭작업을 수행하게 된다.In general, when an excavator skilled worker performs an excavation work, the excavation work is carried out to grasp the ground state based on his or her own experience and to repeatedly perform the excavation work based on this. Among the many works of excavators, there are no theoretical books on excavation and they rely on empirical knowledge acquired directly from practice.
현재 IES(Intelligent Excavator System ; 지능형 굴삭 시스템) 연구단에서 발명한 자동화 굴삭기의 굴삭작업은 휴리스틱스(Heuristics)를 이용하여 수행되고 있으며, 이는 실제 토공 작업 현장의 굴삭기 운전자 9명, 현장 관리자 21명에 대한 설문조사를 토대로 모듈을 구성하여 사용되고 있다. The excavation work of the automated excavator, which was invented by the Intelligent Excavator System (IES) research group, is carried out using heuristics, which is performed for nine excavator operators and 21 field managers at actual earthworks sites. Modules are used based on surveys.
굴삭기 숙련공이 굴삭작업을 실시하면서 지반상태를 경험에 준거하여 파악하는 것은 안전성에 문제가 있으며, 이러한 경험적 기준은 숙련공 마다 각기 다르고, 사람이 하는 작업이기 때문에 판단 오류 및 피로 누적으로 인한 에러가 발생할 여지가 매우 높다. 또한 이러한 경험적 지식을 바탕으로 구성된 기존의 IES의 굴삭 모듈인 휴리스틱스 모듈은 지반 상태 및 굴삭기 하중의 영향을 고려하지 않고 모든 지반에 경험적 평균값을 일괄적으로 적용하였기 때문에 사면붕괴로 인한 굴삭기 전도의 위험에 노출되어 있으며, 일괄적 적용으로 인해 굴삭기 제원에 따른 버킷(굴삭) 영역 변화가 없어 작업의 효율성 및 생산성 향상에 어려움이 있다.Excavator skilled workers have a safety problem in grasping the ground condition based on their experiences during the excavation work, and these empirical standards are different for each skilled worker, and because it is a human work, there is room for errors due to judgment errors and cumulative fatigue. Is very high. In addition, the heuristic module, the excavation module of the existing IES, based on this empirical knowledge, applied the empirical average value to all the grounds without considering the effects of the ground condition and the excavator load, so the risk of excavator overturning due to the slope collapse. Due to the batch application, there is no change in the bucket (excavation) area according to the excavator specifications, which makes it difficult to improve the work efficiency and productivity.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 지반의 무너짐 현상 없이 최대한 많은 양의 흙을 굴착할 수 있도록 최적의 수평굴삭거리 및 수직굴삭깊이를 설정할 수 있고, 경험이 부족한 비숙련자라 할지라도 굴삭기 제원 및 토질정수만을 정확히 입력할 수 있으면 보다 정확하고 빠르게 굴삭영역을 설정할 수 있는 굴삭기 작업영역 산출방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, it is possible to set the optimal horizontal excavation distance and vertical excavation depth so as to excavate as much soil as possible without the collapse of the ground, inexperienced inexperienced Even if it is possible to accurately input only the excavator specifications and soil constants, the object of the present invention is to provide a method for calculating an excavator working area that can be set up more accurately and quickly.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법은, 굴삭기 제원 및 토질정수를 입력하고 수직굴삭깊이 초기값을 설정하는 제1 단계; 설정된 수직굴삭깊이에서의 가상 평면파괴면과 이에 따른 흙쐐기 중량을 산출하고, 흙쐐기 영역에 위치하는 부위의 굴삭기 중량(이하 '굴삭기부분중량'이라 약칭함) 초기값을 설정하는 제2 단계; 상기 굴삭기부분중량에 의해 가상 평면파괴면이 파괴되는지를 판단하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 상기 가상 평면파괴면이 파괴되면, 가상 평면파괴면이 파괴되기 바로 직전의 수평굴삭거리 및 수직굴삭깊이를 이용하여 버킷영역 단면적을 계산한 후 저장하는 제4 단계; 상기 수직굴삭깊이를 단위 크기만큼 증가시켜가면서 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복한 후 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하여 가장 큰 버킷영역 단면적의 전도안전거리, 수평굴삭거리, 수직굴삭깊이를 선택하는 제5 단계;를 포함한다.Excavator working area calculation method according to the present invention for achieving the above object, the first step of inputting the excavator specifications and soil constants and setting the initial vertical depth value; A second step of calculating a virtual planar fracture surface at the set vertical excavation depth and the soil wedge weight, and setting an initial value of an excavator weight (hereinafter, abbreviated as "excavator portion weight") of a portion located in the soil wedge region; A third step of determining whether the virtual planar fracture surface is destroyed by the excavator portion weight; A fourth step of calculating and storing a bucket area cross-sectional area using a horizontal excavation distance and a vertical excavation depth immediately before the virtual planar fracture plane is destroyed in the third step; Repeating the second and third steps while increasing the vertical digging depth by unit size, and comparing the stored bucket area cross-sectional areas to select the conduction safety distance, horizontal digging distance, and vertical digging depth of the largest bucket area cross-sectional area. And a fifth step.
상기 제3 단계는, 상기 굴삭기부분중량에 의해 가상 평면파괴면이 파괴되는지를 판단하되, 상기 가상 평면파괴면이 파괴되지 아니하면 상기 굴삭기부분중량을 단위 크기만큼 증가시켜가면서 상기 가상 평면파괴면이 파괴될 때까지 상기 굴삭기부분중량에 의한 가상 평면파괴 여부를 판단한다.In the third step, it is determined whether the virtual plane fracture surface is destroyed by the excavator part weight, but if the virtual plane fracture surface is not destroyed, the excavator plane weight is increased by a unit size while the virtual plane fracture surface is increased. It is determined whether the virtual plane is destroyed by the weight of the excavator until it is destroyed.
상기 제4 단계는, 상기 제3 단계에서 상기 가상 평면파괴면이 파괴되었을 때, 굴삭기전체중량에 대한 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만인지를 판단하여, 상기 굴삭기부분중량 비율이 기준치 이상이면 상기 버킷영역 단면적을 계산하는 과정으로 넘어가고, 상기 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만이면 상기 제5 단계 중 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하는 과정으로 넘어간다.In the fourth step, when the virtual planar fracture surface is destroyed in the third step, it is determined whether the ratio of the excavator portion to the total weight of the excavator is less than the reference value. If the excavator portion weight ratio is less than the reference value, the process proceeds to the step of comparing the bucket area cross-sectional areas stored in the fifth step.
상기 제5 단계는, 상기 수직굴삭깊이가 기준치 이상이 될 때까지 상기 수직굴삭깊이를 단위 크기만큼 증가시켜가면서 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복하고, 상기 수직굴삭깊이가 기준치 이상이 되면 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하여 가장 큰 버킷영역 단면적의 전도안전거리 및 수직굴삭깊이를 선택한다.In the fifth step, the second and third steps are repeated while increasing the vertical excavation depth by a unit size until the vertical excavation depth is greater than or equal to the reference value. The bucket area cross sections are compared and the conduction safety distance and vertical digging depth of the largest bucket area cross section are selected.
상기 제1 단계에서는 토양의 점착력(c)과 내부마찰각(Ø)과 단위중량(γ)을 입력하고, 상기 제2 단계에서의 가상 평면파괴면의 임계각(이하 '파괴임계각'이라 약칭함)은 하기 [식 1]에 의해 산출되고, 상기 흙쐐기중량은 하기 [식 2]에 의해 산출된다.In the first step, the soil adhesive force (c), the internal friction angle (Ø) and the unit weight (γ) are input, and the critical angle of the virtual plane fracture surface (hereinafter, abbreviated as 'destructive critical angle') in the second step is It is calculated by the following [formula 1], and the soil wedge weight is calculated by the following [formula 2].
[식 1][Formula 1]
(θ : 파괴임계각, Ø : 토양의 내부마찰각)(θ: fracture critical angle, Ø: internal friction angle of soil)
[식 2][Formula 2]
(
상기 제3 단계는, 안전율을 고려한 흙쐐기의 평균전단응력과 토양의 평균전단강도를 비교하여 상기 가상 평균파괴면의 파괴 여부를 판단하고,In the third step, by comparing the average shear stress of the soil wedge in consideration of the safety factor and the average shear strength of the soil to determine whether the virtual mean fracture surface failure,
상기 안전율을 고려한 흙쐐기의 평균전단응력은 하기 [식 3]에 의해 산출되고, 상기 토양의 평균전단강도는 하기 [식 4]에 의해 산출된다.The average shear stress of the soil wedge considering the safety factor is calculated by the following [Equation 3], and the average shear strength of the soil is calculated by the following [Equation 4].
[식 3][Equation 3]
(Fs : 안전율, Hv : 수직굴삭깊이, θ : 파괴임계각, γ : 토양의 단위중량, WBK : 굴삭기부분중량)(Fs: Safety Factor, Hv: Vertical Excavation Depth, θ: Fracture Critical Angle, γ: Soil Unit Weight, W BK : Excavator Part Weight)
[식 4][Formula 4]
Hv : 수직굴삭깊이, θ : 파괴임계각, γ : 토양의 단위중량, WBK : 굴삭기부분중량, Ø : 토양의 내부마찰각)Hv: vertical digging depth, θ: fracture critical angle, γ: unit weight of soil, W BK : excavator part weight, Ø: internal friction angle of soil)
상기 수평굴삭거리는 하기 [식 5]에 의해 산출된다.The horizontal excavation distance is calculated by the following [Equation 5].
[식 5][Equation 5]
(a : 붐 길이, b : 암 길이, c : 버킷 길이, d : 붐의 힌지 높이)(a: boom length, b: arm length, c: bucket length, d: hinge height of the boom)
본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법을 이용하면, 지반의 무너짐 현상 없이 최대한 많은 양의 흙을 굴착할 수 있는 최적의 수평굴삭거리 및 수직굴삭깊이를 산출할 수 있고, 굴삭기 제원 및 토질정수만을 정확히 입력할 수 있으면 보다 정확하고 빠르게 굴삭영역을 선정할 수 있으므로 경험이 부족한 비숙련자라 할지라도 굴삭기 작업영역을 설정할 수 있다는 장점이 있다.By using the method of calculating the working area of the excavator according to the present invention, it is possible to calculate the optimal horizontal excavation distance and vertical digging depth that can excavate as much soil as possible without ground collapse phenomenon, and only the excavator specification and soil constant If you can input more accurate and faster selection of the excavation area, even the inexperienced inexperienced can set up the excavator work area.
도 1은 굴삭기의 각부 길이를 도시하는 측면도이다.
도 2는 굴삭기의 제원을 설명하기 위한 측단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법 수행을 위한 구성요소를 도시하는 블록도이다.
도 5 및 도 6은 수평굴삭깊이 변경에 따른 버킷영역의 형상을 도시하는 측단면도이다.1 is a side view showing the length of each part of an excavator.
2 is a side cross-sectional view for explaining the specifications of the excavator.
3 is a flowchart of a method for calculating an excavator working area according to the present invention.
4 is a block diagram showing the components for performing the excavator work area calculation method according to the present invention.
5 and 6 are side cross-sectional views showing the shape of the bucket region according to the change in the horizontal digging depth.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the excavator working area calculation method according to the present invention in detail.
도 1은 굴삭기의 각부 길이를 도시하는 측면도이고, 도 2는 굴삭기의 제원을 설명하기 위한 측단면도이다.1 is a side view showing the length of each part of the excavator, Figure 2 is a side cross-sectional view for explaining the specifications of the excavator.
굴삭기는 붐(Boom), 암(Arm), 버킷(Bucket), 회전 가능한 플랫폼으로 구성되어있으며, 굴삭기가 회전하지 않고 굴삭작업을 할 수 있는 영역을 버킷영역이라 한다. 버킷영역은 버킷영역의 단면에서 수직굴삭깊이(Hv)와 수평굴삭거리(Lopt), 전도안전거리(Ls)에 의해 결정된다. 굴삭기를 중심으로 회전하여 버킷영역을 펼쳐 만들어진 굴삭영역을 로컬패키지라고 하며, 버킷영역과 버킷영역이 모여 만들어진 로컬패키지는 지능형 굴삭기의 기본적인 작업단위로 그 크기는 지능형 굴삭 시스템의 생산성과 경제성에 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 굴삭기의 안전에도 영향을 끼친다. 버킷영역의 크기를 결정하는 요소 중 하나인 수평굴삭거리(Lopt)는 일반적인 굴삭기의 붐과 암을 최대로 펼쳐 도달할 수 있는 거리가 최대이지만, 휴리스틱스에 의거하여 숙련공의 효율적이고 수월한 굴삭작업을 위해 굴삭기의 붐과 암의 각도를 약 135˚가 되도록 하여 버킷이 지면에 도달할 때 그 지점까지 굴삭을 하는 것을 적용하였다.The excavator is composed of boom, arm, bucket, and rotatable platform. The bucket area is the area where the excavator can work without rotating. The bucket area is determined by the vertical excavation depth Hv, the horizontal excavation distance Lopt, and the felling safety distance Ls at the cross section of the bucket area. The excavation area that is made by expanding the bucket area by rotating around the excavator is called the local package.The local area that the bucket area and the bucket area are gathered is the basic work unit of the intelligent excavator, and its size is closely related to the productivity and economic efficiency of the intelligent excavator system. This not only affects the safety of the excavator. Horizontal digging distance (Lopt), one of the factors that determine the size of the bucket area, is the maximum distance that can be reached by maximizing the boom and the arm of a general excavator, but based on the heuristic, efficient and easy digging work by skilled workers For this purpose, the angle of the boom and arm of the excavator is about 135 °, and the excavation is applied to the point when the bucket reaches the ground.
종래에 굴삭기 작업영역을 설정하고자 할 때에는 조종자의 경험에 의존하고 있고 휴리스틱스 모듈만을 이용하였으나, 본 발명은 Culmann해석법과 휴리스틱스를 바탕으로 하여 자동화 굴삭기의 굴삭작업에 보다 높은 신뢰성을 확보한다는 점에 특징이 있다. Culmann해석법은 연직사면의 안정성을 판단하기위한 방법으로 파괴를 일으키는 평균전단응력(τa)이 흙의 평균전단강도(τr)보다 더 클 때 평면을 따라 사면활동이 일어난다는 이론이다. 굴삭하려는 사면의 높이가 Hv인 연직사면은 지면과 파괴임계각만큼 기울어진 가상피괴면을 가지게 되고, 지표면에 작용하는 굴삭기 총 중량에서 가상파괴영역에 포함된 부분의 중량(이하 '굴삭기부분중량'이라 약칭한다)과 흙쐐기(△ABC)의 중량(Ws)을 더한 하중에 의해 가상파괴면(BC라인)에 평균전단응력(τa)과 평균전단강도(τr)가 발생하는데 이를 비교하여 연직사면의 파괴 여부를 판단한다.Conventionally, when setting up an excavator work area, it depends on the operator's experience and uses only the heuristic module. However, the present invention is based on the Culmann analysis and the heuristics. There is a characteristic. The Culmann analysis is a method for determining the stability of vertical slopes. It is the theory that slope activity occurs along a plane when the average shear stress (τa) causing fracture is greater than the average shear strength (τr) of soil. The vertical slope with the height of the slope to be excavated has a virtual fracture surface inclined by the ground and fracture critical angle, and the weight of the part included in the virtual fracture zone in the total weight of the excavator acting on the surface (hereinafter referred to as 'excavator portion weight'). The average shear stress (τa) and average shear strength (τr) are generated on the virtual fracture surface (BC line) by the load plus the weight (Ws) of the soil wedge (△ ABC). Judge for destruction.
일반적인 사면안정해석은 사면의 형태와 토질정수를 통해 사면의 안전율을 획득하는 것이 목표이지만 본 발명에서는 지반의 토질정수(점착력, 흙의 단위중량, 내부마찰각)와 안전율(FS), 굴삭기의 제원과 휴리스틱스를 바탕으로 사면안정해석을 수행하여 수직굴삭깊이(Hv)와 전도안전거리(Ls)를 산출하도록 구성된다.
General slope stability analysis aims to obtain slope safety factor through the shape of the slope and soil constant, but in the present invention, soil soil constant (adhesive force, unit weight of soil, internal friction angle), safety factor (FS), and Based on the heuristics, slope stability analysis is performed to calculate vertical excavation depth (Hv) and conduction safety distance (Ls).
도 3은 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법 수행을 위한 구성요소를 도시하는 블록도이며, 도 5 및 도 6은 수평굴삭깊이 변경에 따른 버킷영역의 형상을 도시하는 측단면도이다.Figure 3 is a flow chart of the method of calculating the excavator working area according to the present invention, Figure 4 is a block diagram showing the components for performing the excavator working area calculation method according to the present invention, Figures 5 and 6 change the horizontal excavation depth It is a side sectional view which shows the shape of the bucket area | region which follows.
본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법을 이용하여 굴삭기의 최적 전도안전거리, 수평굴삭거리, 수직굴삭깊이를 구하고자 하는 경우, 먼저 굴삭기 제원 및 토질정수를 입력하고(S11), 수직굴삭깊이 초기값을 설정한다(S12). 이때, 굴삭기 제원이라 함은 굴삭기의 각 부 규격을 뜻하는 것으로, 굴삭기의 총 중량(WB), 트랙길이(Lt), 트랙총너비(Ltw), 붐의 길이(a), 암의 길이(b), 버킷의 길이(c), 붐의 힌지 높이(d) 등이 포함된다. 또한, 토질정수라 함은 지반의 전단응력 및 전단강도를 구하는데 필요한 특성으로서, 토양의 점착력(c), 내부마찰각(Ø), 단위중량(γ) 등이 포함된다.In order to obtain the optimum felling safety distance, horizontal digging distance and vertical digging depth of the excavator by using the method for calculating an excavator working area according to the present invention, first input the excavator specification and soil constant (S11), and the initial vertical digging depth value Set (S12). At this time, the excavator specification refers to each sub-standard of the excavator, the total weight of the excavator (W B ), track length (Lt), track total width (Ltw), boom length (a), arm length ( b), length (c) of the bucket, hinge height (d) of the boom, and the like. In addition, soil constant is a property necessary to obtain the shear stress and shear strength of the ground, and includes the soil adhesion (c), internal friction angle (Ø), unit weight (γ) and the like.
한편, 본 발명에 의한 방법으로 굴삭기의 작업영역을 산출하고자 하는 경우, 처음에는 수직굴삭깊이(Hv)를 낮게 설정하여 전도안전거리(Ls)를 계산하고, 점차적으로 수직굴삭깊이(Hv)를 증가시켜가면서 전도안전거리(Ls)를 계산하는 과정을 거쳐야 하는바, 수직굴삭깊이(Hv)의 초기값은 비교적 낮게 설정된다. 이때, 굴삭기를 이용하여 토양을 굴삭을 할 때에는 최소 1미터 이상의 깊이로 굴삭하는바, 상기 수직굴삭깊이(Hv) 초기값은 일반적으로 1미터로 설정된다.On the other hand, when the work area of the excavator is to be calculated by the method according to the present invention, the vertical excavation depth (Hv) is initially set to calculate the felling safety distance (Ls), and gradually increases the vertical digging depth (Hv). The initial value of the vertical excavation depth (Hv) is set to be relatively low. At this time, when excavating the soil using an excavator is excavated to a depth of at least 1 meter or more, the vertical vertical depth (Hv) initial value is generally set to 1 meter.
상기 언급한 바와 같이 각종 데이터 입력과 초기값 설정이 완료되면, 설정된 수직굴삭깊이(Hv)에서의 가상 평면파괴면과 이에 따른 흙쐐기(△ABC) 중량을 산출한다(S13). 가상 평면파괴면이란 굴삭영역의 측벽이 무너질 때 파단되는 면을 뜻하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 굴삭영역의 바닥면으로부터 파괴임계각(θ)만큼 경사진 면을 뜻한다. 이때, 상기 파괴임계각(θ)은 하기 [식 1]에 의해 산출된다.
As described above, when various data input and initial value setting are completed, the virtual plane fracture surface at the set vertical excavation depth Hv and the soil wedge ΔABC weight are calculated (S13). The virtual planar fracture surface refers to a surface that is broken when the side wall of the excavation region collapses, and as shown in FIG. 2, the plane inclined by the fracture threshold angle θ from the bottom surface of the excavation region. At this time, the fracture critical angle θ is calculated by the following [Equation 1].
[식 1][Formula 1]
(θ : 파괴임계각, Ø : 토양의 내부마찰각)
(θ: fracture critical angle, Ø: internal friction angle of soil)
또한, 흙쐐기의 중량(Ws)은 하기 [식 2]에 의해 산출된다.
In addition, the weight Ws of the soil wedge is calculated by the following [formula 2].
[식 2][Formula 2]
(
(
가상 평면파괴면을 따라 흙쐐기(△ABC)가 무너지는 현상은 흙쐐기의 자중만으로도 발생되는 경우가 있을 수 있지만, 일반적으로는 흙쐐기에 굴삭기의 하중이 얼마나 인가되는지에 따라서 흙쐐기의 무너짐 여부가 결정된다. 따라서 굴삭기의 하중 중 몇%가 흙쐐기에 인가되는지 즉, 굴삭기가 흙쐐기에 얼마만큼 걸쳐져 있는지를 파악하여, 굴삭기부분중량을 산출해야 하는데, 초기에는 굴삭기 중 아주 조금만 흙쐐기에 걸쳐져 있는 경우 즉, 굴삭기부분중량이 매우 작은 경우를 초기값으로 설정한다(S14).The soil wedge (△ ABC) collapses along the virtual plane fracture surface may be caused by the weight of the soil wedge alone.However, the soil wedge collapses depending on how much the excavator load is applied to the soil wedge. Is determined. Therefore, it is necessary to find out what percentage of the load of the excavator is applied to the soil wedge, that is, how much the excavator is over the soil wedge, and calculate the weight of the excavator. When the excavator portion weight is very small, the initial value is set (S14).
굴삭기부분중량이 설정되면, 설정된 굴삭기부분중량을 근거로 하여 가상 평면파괴면이 파괴되는지를 판단하는데(S15), 가상 평면파괴면의 파괴 여부는 안전율을 고려한 흙쐐기의 평균전단응력(τa)과 토양의 평균전단강도(τr)를 비교하여, 흙쐐기의 평균전단응력(τa)이 토양의 평균전단강도(τr)보다 큰 경우 가상 평면파괴면이 파괴된 것으로 판단한다.When the excavator part weight is set, it is determined whether the virtual planar fracture surface is destroyed based on the set excavator part weight (S15), and whether or not the virtual plane fracture surface is destroyed is determined by the average shear stress (τa) of the soil wedge considering the safety factor. By comparing the average shear strength (τr) of the soil, if the average shear stress (τa) of the soil wedge is greater than the average shear strength (τr) of the soil, it is determined that the virtual plane fracture surface is destroyed.
이때, 상기 안전율을 고려한 흙쐐기(△ABC)의 평균전단응력은 하기 [식 3]에 의해 산출되고, 상기 토양의 평균전단강도는 하기 [식 4]에 의해 산출된다.
At this time, the average shear stress of the soil wedge (ΔABC) in consideration of the safety factor is calculated by the following [Equation 3], the average shear strength of the soil is calculated by the following [Equation 4].
[식 3][Equation 3]
(Fs : 안전율, Hv : 수직굴삭깊이, θ : 파괴임계각, γ : 토양의 단위중량, WBK : 굴삭기부분중량)
(Fs: Safety Factor, Hv: Vertical Excavation Depth, θ: Fracture Critical Angle, γ: Soil Unit Weight, W BK : Excavator Part Weight)
[식 4][Formula 4]
Hv : 수직굴삭깊이, θ : 파괴임계각, γ : 토양의 단위중량, WBK : 굴삭기부분중량, Ø : 토양의 내부마찰각)
Hv: vertical digging depth, θ: fracture critical angle, γ: unit weight of soil, W BK : excavator part weight, Ø: internal friction angle of soil)
한편, 가상 평면파괴면이 파괴되는지를 판단하는 단계에서 가상 평면파괴면이 파괴되지 아니하는 경우, 굴삭기부분중량을 단위 크기만큼 증가시킨 후(S17) 다시 가상 평면파괴면의 파괴 여부를 판단한다. 이때 가상 평면파괴면이 파괴되는지의 여부를 판단하는 과정(S15)과 굴삭기부분중량을 단위 크기만큼 증가시키는 과정(S17)은, 가상 평면파괴면이 파괴될 때까지 반복함으로써, 해당 수직굴삭깊이(Hv)에서 지반 붕괴 없이 굴삭기가 얼마만큼까지 전진을 할 수 있는지를 파악한다.On the other hand, when the virtual plane fracture surface is not destroyed in the step of determining whether the virtual plane fracture surface is destroyed, after increasing the excavator portion weight by a unit size (S17) again determines whether the virtual plane fracture surface is destroyed. At this time, the process of determining whether the virtual plane fracture surface is destroyed (S15) and the process of increasing the excavator part weight by a unit size (S17) are repeated until the virtual plane fracture surface is destroyed, thereby reducing the corresponding vertical excavation depth ( In Hv), find out how far the excavator can move forward without ground collapse.
가상평면파괴면이 파괴되면 즉, 흙쐐기가 무너지면, 가상 평면파괴면이 파괴되기 바로 직전의 전도안전거리(Ls)를 계산하고(S18), 수평굴삭거리(Lopt)에서 전도안전거리(Ls)를 뺀 길이(굴삭공간의 수평방향 길이)에 수직굴삭깊이(Hv)를 곱하여 버킷영역(굴삭영역) 단면적을 계산한 후 이를 저장한다(S19). 이때, 수평굴삭거리(Lopt)는 굴삭기의 붐 길이와 암 길이, 버킷 길이, 붐의 힌지 높이에 따라 결정된다. 즉, 상기 수평굴삭거리(Lopt)는 하기 [식 5]에 의해 산출된다.
When the virtual plane fracture surface is destroyed, that is, when the soil wedge collapses, the conduction safety distance Ls immediately before the virtual plane destruction surface is destroyed is calculated (S18), and the conduction safety distance Ls at the horizontal excavation distance (Lopt). Calculate the bucket area (excavation area) cross-sectional area by multiplying the vertical excavation depth (Hv) by the length minus the length (horizontal length of the excavation space) (S19). At this time, the horizontal excavation distance (Lopt) is determined according to the boom length and arm length of the excavator, the bucket length, the hinge height of the boom. That is, the horizontal excavation distance Lopt is calculated by the following [Equation 5].
[식 5][Equation 5]
(a : 붐 길이, b : 암 길이, c : 버킷 길이, d : 붐의 힌지 높이)
(a: boom length, b: arm length, c: bucket length, d: hinge height of the boom)
한편 전도안전거리(Ls)는 버킷영역으로부터 트랙이 이격된 거리 즉, 굴삭기 전면여유거리(α)에 트랙길이(Lt)의 절반 길이를 합하여 산출되며, 굴삭기 전면여유거리(α)는 하기 [식 6]에 의해 산출된다.
On the other hand, the fall safety distance (Ls) is calculated by summing the half of the track length (Lt) to the distance that the track is spaced from the bucket area, that is, the excavator front clearance (α), the excavator front clearance (α) is 6].
[식 6][Equation 6]
(Hv : 수직굴삭깊이, K : 흙쐐기 상의 굴삭기 거치비율, Lt : 트랙길이)
(Hv: vertical digging depth, K: excavator loading rate on soil wedge, Lt: track length)
수직굴삭깊이(Hv) 초기값에 대한 버킷영역 단면적 산출 및 저장이 완료되면, 수직굴삭깊이(Hv)를 단위 크기만큼 증가시켜가면서 흙쐐기 중량 산출과정(S13)부터 굴삭영역 단면적 계산 및 저장과정(S19)까지를 수차례에 걸쳐 반복하며, 상기 수직굴삭깊이(Hv)가 기준치 이상이 되면 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하여 버킷영역 단면적이 가장 클 때의 전도안전거리(Ls) 및 수직굴삭깊이(Hv)를 선택한다. 버킷영역 단면적이 가장 크다는 것은 지반이 무너질 우려 없이 많은 양의 토양을 굴삭할 수 있다는 것을 뜻하는 바, 이 때의 전도안전거리(Ls) 및 수직굴삭깊이(Hv)가 가장 최적의 굴삭효율을 얻을 수 있는 조건이라 할 수 있다.When the bucket area cross-sectional area calculation and storage for the initial value of vertical excavation depth (Hv) is completed, the soil wedge weight calculation process (S13) is performed to calculate and store the excavation area cross-sectional area by increasing the vertical excavation depth (Hv) by the unit size. S19) is repeated several times, and when the vertical digging depth Hv is greater than or equal to the reference value, the stored safety area Ls and the vertical digging depth Hv when the bucket area cross section is largest are compared. Select). The largest cross-sectional area of the bucket area means that a large amount of soil can be excavated without fear of ground collapse, and the fall safety distance (Ls) and vertical digging depth (Hv) at this time will obtain the most optimal digging efficiency. It can be called a condition that can be.
이때, 저장된 버킷영역 단면적별 수직굴삭깊이(Hv)와 전도안전거리(Ls)는 모두 상이한데, 수직굴삭깊이(Hv)와 전도안전거리(Ls)는 상호 반비례 관계에 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 수직굴삭깊이(Hv)가 깊은 경우에는 전도안전거리(Ls)를 크게 확보해야 하므로 멀리까지 굴삭을 할 수 없으며, 도 6에 도시된 바와 같이 수직굴삭깊이(Hv)가 얕은 경우에는 전도안전거리(Ls)를 좁게 확보해도 붕괴의 우려가 없으므로 멀리까지 굴삭을 할 수 있게 된다. 이와 같이 수직굴삭깊이(Hv)와 전도안전거리(Ls)는 상호 반비례 관계에 있으므로 어느 경우에 가장 효과적인 굴삭을 할 수 있는지는 버킷영역 단면적의 넓이를 계산해 보아야 한다.At this time, the vertical excavation depth Hv and the conduction safety distance Ls are different according to the stored bucket area cross-sectional area, and the vertical excavation depth Hv and the conduction safety distance Ls are inversely related to each other. That is, when the vertical excavation depth (Hv) is deep as shown in Figure 5, because the fall safety distance (Ls) must be secured large, the excavation can not be far away, as shown in Figure 6 vertical excavation depth (Hv) In the case of shallow), it is possible to excavate to a long distance because the fall safety distance (Ls) is narrow, so there is no risk of collapse. Since the vertical excavation depth Hv and the conduction safety distance Ls are inversely related to each other, it is necessary to calculate the area of the bucket area cross-section to determine the most effective excavation.
한편, 가상 평면파괴면이 파괴되었을 때 굴삭기전체중량에 대한 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만이라는 것은, 굴삭기가 흙쐐기에 아주 약간만 거치되더라도 흙쐐기의 붕괴가 발생된다는 것을 뜻하는바, 가상 평면파괴면의 파괴여부를 판단하는 과정(S15)에서 가상 평면파괴면이 파괴된 것으로 판단되었을 때 굴삭기전체중량에 대한 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만인지를 판단하여 진행방향을 결정하는 단계(S16)가 추가로 구비될 수 있다. 즉, 굴삭기부분중량 비율이 기준치 이상이면 전도안전거리 계산(S18) 및 버킷영역 단면적을 계산하는 과정(S19)으로 넘어가고, 상기 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만이면 굴삭기부분중량이 인가되지 아니하더라도 흙쐐기가 자체적으로 붕괴될 우려가 있는 것이므로 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하는 과정(S21)으로 곧바로 넘어가도록 구성된다.On the other hand, when the virtual plane fracture surface is destroyed, the proportion of the excavator portion to the total weight of the excavator below the reference value means that the soil wedge collapse occurs even if the excavator is only slightly mounted on the soil wedge. When the virtual plane fracture surface is determined to be destroyed in the process of determining whether the fracture of the (S15), the step of determining the traveling direction by determining whether the proportion of the excavator portion to the total weight of the excavator is less than the reference value (S16) It may be provided. In other words, if the excavator portion weight ratio is greater than or equal to the reference value, the transfer to the safety safety distance calculation (S18) and the process of calculating the bucket area cross-sectional area (S19). If the excavator portion weight ratio is less than the reference value, even if the excavator portion weight is not applied, the soil Since the wedge is likely to collapse itself, it is configured to go directly to the process (S21) of comparing the stored bucket area cross-sectional areas.
본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법을 수행하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 각종 데이터를 입력받기 위한 입력부(10)와, 상기 주어진 식에 따라 연산을 수행하는 제어부(20)와, 연산된 계산값을 저장하는 저장부(30)와, 최종적으로 산출된 데이터를 출력하는 출력부(40)가 필수적으로 요구되는데, 이와 같은 입력부(10), 제어부(20), 저장부(30), 출력부(40)는 종래의 지능형 굴삭 시스템에도 적용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.In order to perform the method for calculating an excavator working area according to the present invention, as shown in FIG. 4, an
이와 같이 본 발명에 의한 굴삭기 작업영역 산출방법을 이용하면, 수직굴삭깊이(Hv)가 어느 정도 일때 굴삭기가 어느 지점까지 안전하게 전진할 수 있는지 즉, 최소 전도안전거리(Ls)가 얼마인지를 간편하게 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 수직굴삭깊이(Hv)와 전도안전거리(Ls)가 얼마로 설정될 때 가장 효율적인 굴삭을 할 수 있는 지까지 산출할 수 있으므로, 굴삭기의 자동화에 큰 기여를 할 수 있는 장점이 있다.As described above, when the excavator working area calculation method according to the present invention is used, it is easy to determine how far the excavator can safely advance to the point where the vertical excavation depth Hv is, that is, how much the minimum fell safety distance Ls is. Not only that, but also how much the most efficient excavation can be done when the vertical digging depth (Hv) and conduction safety distance (Ls) are set, the advantage that can make a great contribution to the automation of the excavator have.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
10 : 입력부 20 : 제어부
30 : 저장부 40 : 출력부10: input unit 20: control unit
30: storage unit 40: output unit
Claims (7)
설정된 수직굴삭깊이에서의 가상 평면파괴면과 이에 따른 흙쐐기 중량을 산출하고, 흙쐐기 영역에 위치하는 부위의 굴삭기 중량(이하 '굴삭기부분중량'이라 약칭함) 초기값을 설정하는 제2 단계;
상기 굴삭기부분중량에 의해 가상 평면파괴면이 파괴되는지를 판단하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 상기 가상 평면파괴면이 파괴되면, 가상 평면파괴면이 파괴되기 바로 직전의 수평굴삭거리 및 수직굴삭깊이를 이용하여 버킷영역 단면적을 계산한 후 저장하는 제4 단계;
상기 수직굴삭깊이를 단위 크기만큼 증가시켜가면서 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복한 후 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하여 가장 큰 버킷영역 단면적의 전도안전거리, 수평굴삭거리, 수직굴삭깊이를 선택하는 제5 단계;
를 포함하는 굴삭기 작업영역 산출방법.
A first step of inputting an excavator specification and a soil constant and setting an initial vertical depth value;
A second step of calculating a virtual planar fracture surface at the set vertical excavation depth and the soil wedge weight, and setting an initial value of an excavator weight (hereinafter, abbreviated as "excavator portion weight") of a portion located in the soil wedge region;
A third step of determining whether the virtual planar fracture surface is destroyed by the excavator portion weight;
A fourth step of calculating and storing a bucket area cross-sectional area using a horizontal excavation distance and a vertical excavation depth immediately before the virtual planar fracture plane is destroyed in the third step;
Repeating the second and third steps while increasing the vertical digging depth by unit size, and comparing the stored bucket area cross-sectional areas to select the conduction safety distance, horizontal digging distance, and vertical digging depth of the largest bucket area cross-sectional area. A fifth step;
Excavator work area calculation method comprising a.
상기 제3 단계는, 상기 굴삭기부분중량에 의해 가상 평면파괴면이 파괴되는지를 판단하되, 상기 가상 평면파괴면이 파괴되지 아니하면 상기 굴삭기부분중량을 단위 크기만큼 증가시켜가면서 상기 가상 평면파괴면이 파괴될 때까지 상기 굴삭기부분중량에 의한 가상 평면파괴 여부를 판단하도록 구성되는 굴삭기 작업영역 산출방법.
The method of claim 1,
In the third step, it is determined whether the virtual plane fracture surface is destroyed by the excavator part weight, but if the virtual plane fracture surface is not destroyed, the excavator plane weight is increased by a unit size while the virtual plane fracture surface is increased. Excavator working area calculation method configured to determine whether the virtual plane destruction by the excavator portion weight until it is destroyed.
상기 제4 단계는, 상기 제3 단계에서 상기 가상 평면파괴면이 파괴되었을 때, 굴삭기전체중량에 대한 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만인지를 판단하여, 상기 굴삭기부분중량 비율이 기준치 이상이면 상기 버킷영역 단면적을 계산하는 과정으로 넘어가고, 상기 굴삭기부분중량 비율이 기준치 미만이면 상기 제5 단계 중 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하는 과정으로 넘어가도록 구성되는 굴삭기 작업영역 산출방법.
The method of claim 1,
In the fourth step, when the virtual planar fracture surface is destroyed in the third step, it is determined whether the ratio of the excavator portion to the total weight of the excavator is less than the reference value. The process of calculating the cross-sectional area, and if the excavator portion weight ratio is less than the reference value Excavator working area calculation method configured to go to the process of comparing the stored bucket area cross-sectional area of the fifth step.
상기 제5 단계는, 상기 수직굴삭깊이가 기준치 이상이 될 때까지 상기 수직굴삭깊이를 단위 크기만큼 증가시켜가면서 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복하고, 상기 수직굴삭깊이가 기준치 이상이 되면 저장된 버킷영역 단면적들을 비교하여 가장 큰 버킷영역 단면적의 전도안전거리 및 수직굴삭깊이를 선택하도록 구성되는 굴삭기 작업영역 산출방법.
The method of claim 1,
In the fifth step, the second and third steps are repeated while increasing the vertical excavation depth by a unit size until the vertical excavation depth is greater than or equal to the reference value. A method for calculating an excavator working area configured to compare bucket area cross-sectional areas to select the felling safety distance and the vertical digging depth of the largest bucket area cross-sectional area.
상기 제1 단계에서는 토양의 점착력(c)과 내부마찰각(Ø)과 단위중량(γ)을 입력하고,
상기 제2 단계에서의 가상 평면파괴면의 임계각(이하 '파괴임계각'이라 약칭함)은 하기 [식 1]에 의해 산출되고, 상기 흙쐐기중량(Ws)은 하기 [식 2]에 의해 산출되는 굴삭기 작업영역 산출방법.
[식 1]
(θ : 파괴임계각, Ø : 토양의 내부마찰각)
[식 2]
(
The method of claim 1,
In the first step, the adhesive force (c), the internal friction angle (Ø) and the unit weight (γ) of the soil are inputted.
The critical angle (hereinafter abbreviated as 'critical critical angle') of the virtual plane fracture surface in the second step is calculated by the following [Equation 1], and the soil wedge weight (Ws) is calculated by the following [Equation 2] How to calculate excavator working area.
[Formula 1]
(θ: fracture critical angle, Ø: internal friction angle of soil)
[Formula 2]
(
상기 제3 단계는, 안전율을 고려한 흙쐐기의 평균전단응력과 토양의 평균전단강도를 비교하여 상기 가상 평균파괴면의 파괴 여부를 판단하고,
상기 안전율(Fs)을 고려한 흙쐐기의 평균전단응력(τa)은 하기 [식 3]에 의해 산출되고, 상기 토양의 평균전단강도(τr)는 하기 [식 4]에 의해 산출되는 굴삭기 작업영역 산출방법.
[식 3]
(Fs : 안전율, Hv : 수직굴삭깊이, θ : 파괴임계각, γ : 토양의 단위중량, WBK : 굴삭기부분중량)
[식 4]
Hv : 수직굴삭깊이, θ : 파괴임계각, γ : 토양의 단위중량, WBK : 굴삭기부분중량, Ø : 토양의 내부마찰각)
The method of claim 1,
In the third step, by comparing the average shear stress of the soil wedge in consideration of the safety factor and the average shear strength of the soil to determine whether the virtual mean fracture surface failure,
The average shear stress τa of the soil wedge considering the safety factor Fs is calculated by Equation 3 below, and the average shear strength τr of the soil is calculated by Equation 4 below. Way.
[Equation 3]
(Fs: Safety Factor, Hv: Vertical Excavation Depth, θ: Fracture Critical Angle, γ: Soil Unit Weight, W BK : Excavator Part Weight)
[Formula 4]
Hv: vertical digging depth, θ: fracture critical angle, γ: unit weight of soil, W BK : excavator part weight, Ø: internal friction angle of soil)
상기 수평굴삭거리(Lopt)는 하기 [식 5]에 의해 산출되는 굴삭기 작업영역 산출방법.
[식 5]
(a : 붐 길이, b : 암 길이, c : 버킷 길이, d : 붐의 힌지 높이)The method of claim 1,
The horizontal excavation distance (Lopt) is an excavator working area calculation method calculated by the following [Equation 5].
[Formula 5]
(a: boom length, b: arm length, c: bucket length, d: hinge height of the boom)
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|---|---|---|---|
| KR1020120013686A KR101217534B1 (en) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | Working area calculating method for excavator |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090015354A (en) * | 2007-08-08 | 2009-02-12 | 성균관대학교산학협력단 | Excavating system for excavator and excavating method excavator thereby |
-
2012
- 2012-02-10 KR KR1020120013686A patent/KR101217534B1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| KR20090015354A (en) * | 2007-08-08 | 2009-02-12 | 성균관대학교산학협력단 | Excavating system for excavator and excavating method excavator thereby |
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