KR101648268B1 - Tbm 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치, 분석방법, 분석시스템 및 그 기록매체 - Google Patents

Tbm 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치, 분석방법, 분석시스템 및 그 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치, 분석방법, 분석시스템 및 그 기록매체에 대한 것이다. TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치에 있어서, 기초프레임; 상기 기초프레임의 상부 일측에 구비되어 암석시편의 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되도록 상기 암석시편을 고정시키는 회전테이블과, 상기 회전테이블의 중심축을 기준으로 상기 회전테이블을 회전시키는 회전수단이 구비된 암석시편 고정 회전유닛; 상기 기초프레임의 상부 타측에 구비되며 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되는 메인 프레임과, 상기 암석시편을 절삭하기 위한 TBM디스크 커터가 회전가능하게 장착되는 커터브라켓을 전후방향인 제1방향으로 이동시키기 위한 액추에이터와, 상기 TBM디스크 커터에 의해 상기 암석시편이 절삭될 때 상기 TBM디스크 커터에 걸리는 3분력을 측정하는 측정장치가 구비된 메인유닛; 및 상기 액추에이터와 상기 회전수단의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치에 관한 것이다.

Description

TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치, 분석방법, 분석시스템 및 그 기록매체{Rotation cutting machine, system, method for evaluating driving performance of TBM and designing cutterhead of TBM}
본 발명은 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치, 분석방법, 분석시스템 및 그 기록매체에 대한 것이다.
최근 터널 및 지하공간의 굴착은 작업자의 안정성 증대, 소음 및 진동으로 인한 민원 감소, 공기 및 공비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다. 도 1은 TBM(tunnel boring machine)(1)을 이용한 터널 시공 개념도를 도시한 것이다. 또한, 도 2는 TBM 장비의 면판(2)을 나타낸 사시도를 도시한 것이다.
그러나, 현재 국내의 경우 터널 기계화시공과 관련한 핵심 시험장비와 기술개발이 미흡하여 TBM의 설계 및 제작 또는 성능 평가를 외국기술에 의존하고 있는 실정이다. 이로 인해 국내의 지반조건에 적절히 대응하지 못하여 TBM 굴착시 빈번한 붕괴나 붕락사고 또는 예상하지 못한 시공 지체시간(downtime)이 발생하고 공기 및 공사비가 증가하여 TBM의 굴진 효율이 떨어지는 문제점들이 발생하고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 경제적이고 신속한 TBM 시공을 위해서 지반조건에 따른 최적 TBM 면판설계인자 도출과 신뢰적인 굴진성능 평가가 필수적임에도 불구하고, 종래의 TBM 면판설계인자 도출과 굴진성능 예측은 단순히 지반의 일축압축강도와 밀도 등 단순 실내시험 결과에 근거한 경험적인 과정으로 이루어지고 있을 뿐이다.
아울러 최근 들어 수많은 시공자료의 축적을 통해 노르웨이 등에서 TBM의 굴진성능을 예측하기 위한 모델들이 개발되었으나, 이 역시 경험적인 모델이며 노르웨이의 지반조건에 적합한 것으로서 다양하고 복잡한 지반조건에 그러한 경험적인모델을 적용하는데에는 한계가 있다. 또한 TBM의 굴진성능을 예측하기 위하여 적용되는 대상 암석의 합경도(totalhardness) 측정용 시료의 크기는 실제 현장조건을 대표하기에 매우 작아 상당한 크기효과(size effect)가 있는 것으로 판명되었다.
이와 같은 경험적인 방식의 TBM의 면판설계인자 도출 및 TBM의 굴진성능 평가 방법은 비교적 단순한 과정으로 TBM의 면판설계인자 도출 및 TBM의 굴진성능을 예측할 수 있으나 i)경험적인 방법 또는 경험적인 모델의 한계로 인해 정확한 TBM 면판설계인자 도출이 불가능하며, ii)다양한 지반조건에 따른 굴진성능 예측결과의 신뢰성이 떨어지며, iii)시험에 사용되는 시료가 소형으로서 실제 현장조건을 대표할 수 없으며, iv)TBM의 면판설계인자 도출과 굴진성능 예측을 위한 표준 실대형 시험장비가 제시되어 있지 않으며, v)커터에 의한 지반의 절삭 메커니즘이 전혀 고려되지 않았다는 단점이 있다.
대한민국 등록 특허 제0701979호에서는 TBM면판설계 및 굴진성능 평가를 위한 선형절삭 시험장치에 대해 기재하고 있다. 그러나 이러한 등록 특허 제0701979호는 선형(직선)으로만 절삭시험이 가능하여 실제의 상황을 모사하지 못해 정확한 설계가 불가능한 문제점을 가지고 있다.
즉, TBM의 굴착원리는 TBM장비의 면판에 장착된 디스크 커터(또는 커터 비트)가 면판의 회전에 따라 회전함으로써 암석이나 흙을 잘게 부수면서 전진함에 따라 굴착되게 된다. 따라서, 암석이나 흙의 특성, TBM의 동력(추진력, 회전력 등), TBM 면판에 설치된 디스크 커터의 크기, 배치, 간격 등에 따라 TBM의 굴착속도가 좌우되게 된다.
도 3은 TBM 디스크 커터(3)의 실물 사진을 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 TBM 굴착원리를 나타낸 개념도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, TBM의 굴착원리를 그대로 모사한 실험을 수행하기 위해서는 추진력뿐 아니라 회전력을 정확히 측정해야할 필요가 존재하나, 기존의 선형절삭시험장치는 선형(직선)으로만 절삭시험이 가능하여 실제의 상황을 반영한 설계가 불가능하다는 문제점이 존재한다.
대한민국 등록특허 제10-0701979호 대한민국 공개특허 제10-2009-0036503호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 실제 TBM의 굴착원리인 회전절삭과정을 실제규모와 동일하게 모사하여 정확한 TBM면판설계, TBM 소요동력 설계, 디스크 커터의 수명 예측, 터널 굴착속도 분석이 가능한 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치, 분석방법, 분석시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은, TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치에 있어서, 기초프레임; 상기 기초프레임의 상부 일측에 구비되어 암석시편의 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되도록 상기 암석시편을 고정시키는 회전테이블과, 상기 회전테이블의 중심축을 기준으로 상기 회전테이블을 회전시키는 회전수단이 구비된 암석시편 고정 회전유닛; 상기 기초프레임의 상부 타측에 구비되며 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되는 메인 프레임과, 상기 암석시편을 절삭하기 위한 TBM디스크 커터가 회전가능하게 장착되는 커터브라켓을 전후방향인 제1방향으로 이동시키기 위한 액추에이터와, 상기 디스크 커터가 장착되는 액추에이터를 회전시키는 액추에이터 회전유닛과, 상기 TBM디스크 커터에 의해 상기 암석시편이 회전절삭될 때 상기 TBM디스크 커터에 걸리는 3분력을 측정하는 측정장치가 구비된 메인유닛; 및 상기 액추에이터와 상기 회전수단의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 측정장치는 로드셀 및 액추에이터의 변위를 측정하기 위한 LVDT로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 로드셀은 회전 절삭과정에서 TBM 디스크 커터에 걸리는 회전력, 추진력, 수평력 및 변위를 실시간으로 측정하여 측정값을 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터에 유압을 공급하는 제1유압펌프모터와, 상기 회전수단에 유압을 공급하는 제2유압펌프모터를 구비한 유압유닛를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 유압유닛은, 상기 제1유압펌프모터와 상기 제2유압펌프모터에 전원을 공급하는 전원부와, 상기 액추에이터에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계와, 상기 회전수단에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 유압유닛은, 상기 액추에이터에 공급되는 유압 유량을 조절하는 제1제어밸브와, 상기 회전수단에 공급되는 유압 유량을 조절하는 제2제어밸브와, 유압온도를 측정하는 온도센서와, 유압을 냉각시키기 위한 냉각수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 로드셀에서 측정된 수평력, 추진력, 회전력과, 상기 제1압력계와 상기 제2압력계에서 측정된 압력값, 온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로, 상기 액추에이터와 상기 회전수단과, 상기 제1제어밸브와 상기 제2제어밸브 및 냉각수단을 제어하고, 수평력, 추진력, 회전력, 변위값, 압력값, 온도값을 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 장착된 커터 브라켓을 제1방향으로 이동시키는 액추에이터를, 상기 전후방향과 수직이며 상기 메인프레임의 평면방향과 평행하는 제2방향으로 이동시키고, 회전시키는 이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 디스크 커터의 제1방향으로의 변위값을 측정하는 제1변위계와 상기 액추에이터의 제2방향으로의 변위값을 측정하는 제2변위계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템에 있어서, 기초프레임; 상기 기초프레임의 상부 일측에 구비되어 암석시편의 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되도록 상기 암석시편을 고정시키는 회전테이블과, 상기 회전테이블의 중심축을 기준으로 상기 회전테이블을 회전시키는 회전수단이 구비된 암석시편 고정 회전유닛; 상기 기초프레임의 상부 타측에 구비되며 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되는 메인 프레임과, 상기 암석시편을 절삭하기 위한 TBM디스크 커터가 회전가능하게 장착되는 커터브라켓을 전후방향인 제1방향으로 이동시키기 위한 액추에이터와, 상기 디스크 커터가 장착되는 액추에이터를 회전시키는 액추에이터 회전유닛과, 액추에이터의 변위를 측정하기 위한 LVDT와, 상기 TBM디스크 커터에 의해 상기 암석시편이 회전절삭될 때 상기 TBM디스크 커터에 걸리는 3분력을 측정하는 측정장치가 구비된 메인유닛; 상기 액추에이터에 유압을 공급하는 제1유압펌프모터와, 상기 회전수단에 유압을 공급하는 제2유압펌프모터와, 상기 액추에이터에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계와, 상기 회전수단에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력계가 구비된 유압유닛; 상기 액추에이터와 상기 회전수단과 상기 유압유닛의 구동을 제어하는 제어부; 및 상기 측정수단에서 측정된 측정값과, 상기 제1압력계와 상기 제2압력계에서 측정한 압력값을 기반으로 TBM 디스크 커터 수명, TBM의 소요동력, TBM디스크 커터의 수명, 굴착속도, TBM 면판 설계를 분석하는 분석 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 장착된 커터 브라켓을 제1방향으로 이동시키는 액추에이터를, 상기 전후방향과 수직이며 상기 메인프레임의 평면방향과 평행하는 제2방향으로 이동시키는 이동수단과, 상기 디스크 커터의 제1방향으로의 변위값을 측정하는 제1변위계와 상기 액추에이터의 제2방향으로의 변위값을 측정하는 제2변위계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1압력계와 상기 제2압력계에서 측정된 압력값과, 상기 제1변위계에서 측정된 변위값과 상기 제2변위계에서 측정된 변위값을 기반으로 상기 액추에이터와 상기 회전수단의 구동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 분석방법에 있어서, 암석시편을 회전테이블에 고정시키는 단계; TBM디스크 커터의 위치를 설정하고, 제어부가 이동수단을 구동시켜 상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 구비된 커터 브라켓과 액추에이터를 제2방향으로 이동시켜 설정된 위치로 이동시키는 단계; 제어부가 회전수단을 구동시켜, 상기 회전테이블을 중심축 기준으로 회전시키는 단계; 제어부가 액추에이터를 구동시켜, 제1방향으로 상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 구비된 커터 브라켓을 이동시켜, 상기 암석시편이 회전절삭되는 단계; 상기 회전절삭되는 단계에서, 측정수단이 상기 TBM디스크 커터에 걸리는 3분력을 실시간으로 측정하는 단계; 및 분석수단이, 상기 측정수단에서 측정된 측정값을 기반으로 TBM의 소요동력, TBM디스크 커터의 수명, 굴착속도, TBM 면판 설계를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 방법으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 회전시키는 단계에서, 제어부가 유압유닛의 제2유압펌프모터를 구동시켜 유압을 상기 회전수단에 공급하여 회전테이블을 설정된 회전속도로 회전시키고, 제2압력계가 회전수단으로 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 회전절삭되는 단계에서, 제어부가 유압유닛의 제1유압펌프모터를 구동시켜 유압을 상기 액추에이터에 공급하여 설정된 절삭깊이로 상기 암석시편이 회전절삭되도록 하고, 제1압력계가 액추에이터로 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 온도센서가 유압의 온도를 실시간으로 측정하고, 온도값을 기반으로 제어부가 냉각수단을 제어하여 상기 유압을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 디스플레이부가 수평력, 추진력, 회전력, 변위값, 압력값, 온도값을 실시간으로 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 컴퓨터에 의해 판독되며, 앞서 언급한 제3목적에 따른 분석 방법을 실행시키기 위한 분석 및 제어 프로그램이 기록된 기록매체로서 달성될 수 있다.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 실제 TBM의 굴착원리인 회전절삭과정을 실제규모와 동일하게 모사하여 정확한 TBM면판설계(TBM 디스크 커터 간격, TBM 디스크 커터의 크기, TBM 디스크 커터의 배치 설계)와, TBM 소요동력 설계(TBM추진력, 회전력 설계), 정확한 TBM 굴착 속도 예측, 디스크 커터의 수명예측, 일정 절삭깊이, 일정하중, 일정 강성조절 시험 등이 가능한 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 TBM 터널 시공의 개념도,
도 2는 TBM 장비의 면판의 사시도,
도 3은 TBM 굴착 원리 개념도,
도 4는 TBM 디스크 커터의 평면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치의 구성을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치의 일구성인 회전테이블의 정면도와 후면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기초프레임에 구비된 메인유닛과 암석시편 고정 회전유닛의 평면도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치의 일구성인 메인유닛의 정면도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기초프레임에 구비된 메인유닛과 암석시편 고정 회전유닛의 측면도,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 회전테이블의 정면도,
도 10b는 본 발명의 일실시에에 따른 회전테이블의 측면도,
도 10c는 본 발명의 일싱시예에 따른 회전수단의 정면도,
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터의 단면도,
도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터의 정면도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 제어흐름을 나타낸 흐름도,
도 13은 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치를 이용한 분석방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절
삭 시험장치(100)의 구성을 나타낸 사시도를 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)는, 기초프레임(110) 상부 일측에 구비되어 암석시편(4)을 고정하고, 중심축(14)을 기준으로 회전시키는 암석시편 고정회전 유닛(10)과, 기초프레임(110) 상부 타측에 구비되며 상기 암석시편 고정회전유닛(10)과 소정간격 이격되어 배치되는 메인유닛(20)을 포함하고 있음을 알 수 있다. 암석시편 고정회전유닛(10)은 후에 설명되는 바와 같이, 일측면 가장자리부에 다수의 클램프(12)가 구비되어 암석시편(4)을 고정시키기 위한 회전테이블(11)과, 이러한 회전테이블(11)을 중심축(14) 기준으로 설정된 속도로 회전시키기 위한 회전수단(13) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 메인유닛(20)은 후에 설명되는 바와 같이, 메인프레임(21)과, TBM 디스크 커터(3)가 회전가능하게 장착되는 커터 브라켓(22)을 전후 방향인 제1방향으로 구동시키는 액추에이터(23)와 암석시편(4)의 회전절삭진행시 디스크 커터(3)에 가해지는 3분력(추진력, 회전력, 수평력)을 실시간으로 측정하는 측정장치와, 커터 브라켓(22)과 액추에이터(23) 일체를 메인프레임(21)의 평면방향과 평행하는 제2방향으로 이동시키기 위한 이동수단(28) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 유압실린더 구조로 구성된 액추에이터(23)에 유압을 공급하고, 유압실린더 구조로 구성된 회전수단(13)에 유압을 공급하는 유압유닛(30)을 포함하고 있음을 알 수 있다. 또한, 유압유닛(30)과, 메인유닛(20)과, 회전수단(13)을 총체적으로 제어하기 위한 제어부(40)를 포함하며, 도 5에 도시된 바와 같이, 시험 중 비산 등의 유해물질로부터 작업자를 보호하기 위해, 메인유닛(20)과 암석시편 고정회전유닛(10)은 안전장치(70) 내에 설치되어 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)의 일구성인 회전테이블(11)의 정면도와 후면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기초프레임(110)에 구비된 메인유닛(20)과 암석시편 고정 회전유닛(10)의 평면도를 도시한 것이다.
또한, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)의 일구성인 메인유닛(20)의 정면도를 도시한 것이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기초프레임(110)에 구비된 메인유닛(20)과 암석시편 고정 회전유닛(10)의 측면도를 도시한 것이다.
또한, 도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 회전테이블(11)의 정면도를 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 일실시에에 따른 회전테이블(11)의 측면도를 도시한 것이다. 또한, 도 10c는 본 발명의 일싱시예에 따른 회전수단(13)의 정면도를 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 BM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)는 기초프레임(110) 상에 메인유닛(20)과 암석시편 고정회전유닛(10)이 소정간격 이격되어 설치되어 짐을 알 수 있다.
암석시편 고정회전유닛(10)은 도 6, 도 10a, 도 10b 및 도 10c에 도시된 바와 같이, 회전테이블(11)의 일측면 가장자리부에 클램프(12)가 구비되어 암석시편(4)을 고정할 수 있도록 구성되며, 회전테이블(11)의 타측면에는 회전테이블(11)을 중심축(14)을 기준으로 설정된 속도로 회전시키기 위한 회전수단(13)이 구성됨을 알 수 있다. 후에 설명되는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 회전수단(13)에는 유압유닛(30)에 의해 유압이 공급되어 동력을 제공받고, 제어부(40)는 이러한 유압유닛(30)을 제어하여, 회전수단(13)에 의해 회전되는 회전테이블(11)의 회전속도를 조절할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 메인유닛(20)은 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 평면방향이 기초프레임(110)의 평면방향과 수직인 메인프레임(21)과, 메인프레임(21) 상에 구비되어 전후방향인 제1방향으로 이동 구동되는 액추에이터(23), 액추에이터(23)의 끝단 측에 설치되는 커터 브라켓(22)과, 커터브라켓(22)에 회전가능하도록 설치되는 TBM 디스크 커터(3)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 메임프레임(21)에는 평면방향인 제2방향으로 가이드 레일(27)이 형성되어지며, 이동수단(28)은 액추에이터(23)가 이러한 가이드 레임을 따라 이동될 수 있도록 구동시킬 수 있게 된다.
또한, TBM 디스크 커터(3)는 TBM디스크 커터(3)의 중심축(14)을 기준으로 커터 브라켓(22)에 자유회동될 수 있도록 장착되게 된다. 그리고, 커터 브라켓(22)은 제1방향과 평행한 커터 브라켓(22)의 길이방향 중심축(14)을 기준으로 액추에이터(23)에 대해 자유회동될 수 있도록 액추에이터(23)의 끝단에 장착되게 된다.
또한, 본 발명의 일실시에에 따른 메인유닛(20)에는 회전절삭과정 시에 TBM 디스티 커터(3)에 가해지는 3분력을 측정하는 측정장치가 구비되게 된다. 이러한 측정장치는 로드셀(26)로 구성될 수 있으며, 3분력은 회전절삭과정에서 디스크 커터(3)에 가해지는 추진력, 회전력, 수평력에 해당한다. 이러한 추진력은 도 4에 도시된 바와 같이, 회전절삭과정에서 전후방향인 제1방향으로 디스크 커터(3)에 가해지는 힘을 의미하며, 회전력은 회전테이블(11)이 회전하게 되면서 디스크 커터(3)의 회전방향으로 가해지게 되는 힘을 의미하며, 수평력은 암석시편(4)의 평면방향으로 디스크 커터(3)에 가해지는 힘을 의미한다. 본 발명의 일실시예에 따른 로드셀(26)은 회전절삭과정에서 이러한 추진력, 회전력, 수평력을 실시간으로 측정하여 그 측정값을 후에 설명되는 바와 같이, 제어부(40)에 전송하게 된다.
또한, 본 발명의 액추에이터(23)는 유압실린더 형태로 구성되며, 후에 설명되는 바와 같이, 유압유닛(30)에 의해 유압이 공급되어 커터 브라켓(22)을 전후 방향인 제1방향으로 이동시킬 수 있도록 구성된다. 도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터(23)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터(23)의 정면도를 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터(23)는 유압실린더 구조로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 후에 설명되는 바와 같이, 유압유닛(30)에 의해 유압이 실린더(24)에 공급되게 됨으로써, 유압 압력에 따라 피스톤(25)이 전후 방향인 제1방향으로 구동 이동되게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)는 액추에이터(23)와 회전수단(13)에 유압을 공급, 조절하기 위한 유압유닛(30)을 포함하여 구성된다. 이러한 유압유닛(30)은, 액추에이터(23)에 유압을 공급하는 제1유압펌프모터와, 회전수단(13)에 유압을 공급하는 제2유압펌프모터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 유압유닛(30)은, 제1유압펌프모터와 제2유압펌프모터에 전원을 공급하는 전원부, 그리고, 액추에이터(23)에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계(33)와, 상기 회전수단(13)에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력계(34)를 포함하게 된다. 제1압력계(33)에서 측정된 압력값과, 제2압력계(34)에서 측정된 압력값은 실시간으로 제어부(40)로 전송되게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 유압유닛(30)은, 액추에이터(23)에 공급되는 유압 유량을 조절하는 제1제어밸브(35)와, 상기 회전수단(13)에 공급되는 유압 유량을 조절하는 제2제어밸브(36)를 포함하며, 유압온도를 측정하는 온도센서(37)와, 유압을 냉각시키기 위한 냉각수단(38)을 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(40)는 이러한 실시간으로 온도센서(37)에 의해 측정되는 유압 온도를 기반으로 유압온도가 설정된 온도값을 초과하게 되는 경우, 냉각수단(38)을 작동시켜 유압온도를 설정된 온도 이하로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)는 디스크 커터(3)의 제1방향으로의 변위값을 측정하는 제1변위계(51)와, 액추에이터(23)의 제2방향으로의 변위값을 측정하는 제2변위계(52)를 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(40)의 제어흐름을 나타낸 흐름도를 도시한 것이다. 제1변위계(51)에서 측정된 변위값과 제1압력값을 기준으로 액추에이터(23)에 의해 디스크 커터(3)가 설정된 위치에 유지될 수 있도록 제어부(40)가 제1제어밸브(35)를 제어하여, 액추에이터(23)에 유압을 공급할 수 있게 된다. 또한, 제2변위계(52)에서 측정된 값을 기준으로 액추에이터(23)가 설정된 위치에서 유지되도록 제어부(40)가 이동수단(28)을 제어하게 된다. 또한, 제어부(40)는 설정된 회전속도로 회전테이블(11)이 회전될 수 있도록 제2압력값을 기준으로 제2제어밸브(36)를 제어하여, 회전수단(13)에 유압을 공급하게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(40)는, 로드셀(26)에서 측정된 수평력, 추진력, 회전력, 제1압력계(33) 및 제2압력계(34)에서 측정된 압력값, 온도센서(37)에서 측정된 온도값을 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)는 분석수단(60)을 더 포함할 수 있다. 이러한 분석수단(60)은 회전 절삭 과정, 로드셀(26)에서 측정되는 추진력, 회전력, 수평력과, 제1압력계(33)와 상기 제2압력계(34)에서 측정한 압력값을 기반으로 TBM 디스크 커터(3) 수명, TBM의 소요동력, TBM 디스크 커터(3)의 수명, 굴착속도, TBM 면판 설계(디스크 커터(3) 간격, 디스크 커터(3) 크기, 디스크 커터(3)의 배치)를 분석하게 된다.
이하에서는 앞서 언급한 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)를 이용한 시험방법, 분석방법에 대해 설명하도록 한다. 도 13은 TBM 설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치(100)를 이용한 분석방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 암석시편(4)을 회전테이블(11)에 고정시키게 된다(S10). 앞서 언급한 바와 같이, 암석시편(4)은 회전테이블(11)의 일측면 가장자리에 구비된 다수의 클램프(12)에 의해 회전테이블(11)에 고정되게 된다.
그리고, TBM 디스크 커터(3)의 메임프레임(21)의 평면상의 위치를 설정하게 되고,제2변위계(52)에 의해 제2방향으로의 변위값을 기반으로 제어부(40)가 이동수단(28)을 구동시켜 TBM 디스크 커터(3)가 회전가능하도록 구비된 커터 브라켓(22)과 액추에이터(23)를 일체로, 제2방향으로 이동시켜 설정된 위치로 이동시키게 된다(S20).
그리고, 제어부(40)는 회전수단(13)을 구동시켜, 회전테이블(11)을 중심축(14) 기준으로 회전시키게 된다(S30). 보다 구체적으로, 회전테이블(11)을 회전시키기 위해 제어부(40)는 제2유압공급펌프를 구동시켜 회전수단(13)으로 유압을 공급하게 되고, 설정된 회전속도로 회전테이블(11)을 회전시키기 위해 제어부(40)는 제2제어밸브(36)를 제어하여 공급되는 유압을 조절하게 된다. 이때부터 회전절삭 시험이 완료될 때까지 제2압력계(34)는 회전수단(13)으로 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하고, 온도센서(37)는 공급되는 유압을 온도를 측정하게 된다.
그리고, 제어부(40)는 액추에이터(23)를 구동시켜, 설정된 절삭 깊이로 암석시편(4)을 회전절삭시키기 위해, 액추에이터(23)와 커터 브라켓(22)을 일체로 전후방향인 제1방향으로 이동시켜, 암석시편(4)이 회전절삭하게 된다(S40).
보다 구체적으로, 제어부(40)는 유압유닛(30)의 제1유압펌프모터를 구동시켜 유압을 액추에이터(23)에 공급하고, 설정된 절삭깊이로 암석시편(4)이 회전절삭될 수 있도록 즉 디스크 커터(3)의 위치가 유지될 수 있도록 제어부(40)는 제1제어밸브(35)를 제어하여 공급되는 유압을 조절하게 된다. 또한, 이때부터 회전절삭시험이 완료될 때까지, 제1압력계(33)는 액추에이터(23)로 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하고, 온도센서(37)는 공급되는 유압을 온도를 측정하게 된다.
또한, 회전절삭되는 단계에서, 로드셀(26)은 TBM 디스크 커터(3)에 걸리는 3분력을 실시간으로 측정하게 된다(S50). 즉, 회전절삭되는 과정에서 로드셀(26)은 디스크 커터(3)에 걸리게 되는 추진력과, 회전력과, 수평력을 실시간으로 측정하게 되고, 측정된 값은 제어부(40)로 전송되게 된다.
그리고, 제어부(40)의 디스플레이부는 이러한 수평력, 추진력, 회전력, 압력값, 온도값 등을 실시간으로 디스플레이하게 된다. 또한, 온도센서(37)에서 측정된 유압의 온도가 기준값을 초과하게 되는 경우, 제어부(40)는 냉각수단(38)을 작동시켜, 유압을 냉각시키게 된다.
마지막으로, 분석수단(60)은, 로드셀(26)에서 측정된 추진력, 회전력, 수평력을 기반으로 TBM 커터 수명, TBM의 소요동력, TBM커터의 수명, 굴착속도, TBM 면판 설계를 분석하게 된다(S60).
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1:TBM
2:TBM 면판
3:TBM 디스크 커터
10:암석시편 고정회전장치
11:회전테이블
12:클램프
13:회전수단
14:중심축
20:메인유닛
21:메인프레임
22:커터브라켓
23:액추에이터
24:실린더
25:피스톤
26:로드셀
27:가이드레일
28:이동수단
30:유압유닛
31:제1유압펌프모터
32:제2유압펌프모터
33:제1압력계
34:제2압력계
35:제1제어밸브
36:제2제어밸브
37:온도센서
38:냉각수단
40:제어부
51:제1변위계
52:제2변위계
60:분석수단
100:TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 시험장치
110:기초프레임

Claims (17)

  1. TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템에 있어서,
    기초프레임;
    상기 기초프레임의 상부 일측에 구비되어 암석시편의 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되도록 상기 암석시편을 고정시키는 회전테이블과, 상기 회전테이블의 중심축을 기준으로 상기 회전테이블을 회전시키는 회전수단이 구비된 암석시편 고정 회전유닛;
    상기 기초프레임의 상부 타측에 구비되며 평면방향이 상기 기초프레임의 평면방향과 수직이 되는 메인 프레임과, 상기 암석시편을 절삭하기 위한 TBM디스크 커터가 회전가능하게 장착되는 커터브라켓을 전후방향인 제1방향으로 이동시키기 위한 액추에이터와, 상기 TBM 디스크 커터가 장착되는 액추에이터를 회전시키는 액추에이터 회전유닛과, 액추에이터의 변위를 측정하고, 상기 TBM디스크 커터에 의해 상기 암석시편이 회전절삭될 때 상기 TBM디스크 커터에 걸리는 3분력을 측정하는 측정장치가 구비된 메인유닛;
    상기 액추에이터에 유압을 공급하는 제1유압펌프모터와, 상기 액추에이터에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계와, 상기 액추에이터에 공급되는 유압 유량을 조절하는 제1제어밸브와, 상기 회전수단에 유압을 공급하는 제2유압펌프모터와, 상기 회전수단에 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력계와, 상기 회전수단에 공급되는 유압 유량을 조절하는 제2제어밸브가 구비된 유압유닛;
    상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 장착된 커터 브라켓을 제1방향으로 이동시키는 액추에이터를, 상기 전후방향과 수직이며 상기 메인프레임의 평면방향과 평행하는 제2방향으로 이동시키는 이동수단;
    상기 TBM 디스크 커터의 제1방향으로의 변위값을 측정하는 제1변위계;
    상기 액추에이터와 상기 회전수단과 상기 유압유닛과, 상기 이동수단의 구동을 제어하는 제어부; 및
    상기 측정장치에서 측정된 측정값과, 상기 제1압력계에서 측정한 압력값과, 상기 제2압력계에서 측정한 압력값과, 제1변위계에서 측정된 변위값을 기반으로 TBM의 소요동력, TBM디스크 커터의 수명, 굴착속도, TBM 면판 설계를 분석하는 분석 수단;을 포함하고,
    제어부는, 상기 측정장치에서 측정된 수평력, 추진력, 회전력, 변위와, 상기 제1압력계와 상기 제2압력계에서 측정된 압력값, 제1변위계에서 측정된 변위값을 기반으로, 상기 액추에이터와 상기 회전수단과, 상기 제1제어밸브와 상기 제2제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유압유닛은,
    유압온도를 측정하는 온도센서와, 유압을 냉각시키기 위한 냉각수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 액추에이터의 제2방향으로의 변위값을 측정하는 제2변위계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    제어부는, 온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로, 상기 냉각수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    수평력, 추진력, 회전력, 변위값, 압력값, 및 온도값을 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템.
  7. 제 1항의 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 분석방법에 있어서,
    암석시편을 회전테이블에 고정시키는 단계;
    TBM디스크 커터의 위치를 설정하고, 제어부가 이동수단을 구동시켜 상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 구비된 커터 브라켓과 액추에이터를 제2방향으로 이동시켜 설정된 위치로 이동시키는 단계;
    제어부가 회전수단을 구동시켜, 상기 회전테이블을 중심축 기준으로 회전시키는 단계;
    제어부가 액추에이터를 구동시켜, 제1방향으로 상기 TBM디스크 커터가 회전가능하도록 구비된 커터 브라켓을 이동시켜, 상기 암석시편이 회전절삭되는 단계;
    상기 회전절삭되는 단계에서, 측정수단이 상기 TBM디스크 커터에 걸리는 3분력을 실시간으로 측정하는 단계; 및
    분석수단이, 상기 측정수단에서 측정된 측정값을 기반으로 TBM 디스크 커터 수명, TBM의 소요동력, TBM디스크 커터의 수명, 굴착속도, TBM 면판 설계를 분석하는 단계를 포함하고,
    상기 회전시키는 단계에서,
    제어부가 유압유닛의 제2유압펌프모터를 구동시켜 유압을 상기 회전수단에 공급하여 회전테이블을 설정된 회전속도로 회전시키고, 제2압력계가 회전수단으로 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 회전절삭되는 단계에서,
    제어부가 유압유닛의 제1유압펌프모터를 구동시켜 유압을 상기 액추에이터에 공급하여 설정된 절삭깊이로 상기 암석시편이 회전절삭되도록 하고, 제1압력계가 액추에이터로 공급되는 유압 압력을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    온도센서가 유압의 온도를 실시간으로 측정하고, 온도값을 기반으로 제어부가 냉각수단을 제어하여 상기 유압을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    디스플레이부가 수평력, 추진력, 회전력, 변위값, 압력값, 온도값을 실시간으로 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TBM 면판설계 및 연구를 위한 회전식 암석 절삭 분석 방법.
  11. 컴퓨터에 의해 판독되며, 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 분석방법을 실행시키기 위한 분석 및 제어 프로그램이 기록된 기록매체.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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  16. 삭제
  17. 삭제
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