KR102073568B1 - Axial-type cutting head having reduced drilling deviation and torque reaction force - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 축방향 회전식 커팅헤드는 드럼이 두 개 이상의 부분으로 분할되고 각 부분이 서로 반대방향으로 회전되므로 쉬어링 작업과 섬핑 작업시 발생하는 굴진 편향 및 토크 반력으로 인한 편향을 감소시킬 수 있다는 장점을 갖는다. The axial rotary cutting head according to the present invention can reduce the deflection due to the bending deflection and the torque reaction force generated during the shearing and sump operation because the drum is divided into two or more parts and each part is rotated in opposite directions. Has the advantage.

Description

굴진 편향과 토크 반력을 감소시키는 축방향 회전식 커팅헤드 및, 그 설계 방법{Axial-type cutting head having reduced drilling deviation and torque reaction force}Axial-type cutting head having reduced drilling deviation and torque reaction force to reduce drilling deflection and torque reaction force

본 발명은 축방향 회전식 커팅헤드에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 드럼이 두 개 이상의 부분으로 분할되고 각 부분이 서로 반대 방향으로 회전되므로 쉬어링 작업과 섬핑 작업시 발생하는 굴진 편향 및 토크 반력으로 인한 편향을 감소시킬 수 있는, 축방향 회전식 커팅헤드에 대한 것이다.The present invention relates to an axial rotary cutting head, and more particularly, because the drum is divided into two or more parts and each part is rotated in the opposite direction, due to the bending deflection and torque reaction forces generated during the shearing and sumping operations. It is for an axial rotary cutting head, which can reduce the deflection.

아울러, 본 발명은 이러한 축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법에 대한 것이기도 하다. In addition, the present invention also relates to a method of designing such an axially rotating cutting head.

일반적으로, 커팅 헤드는 로드헤더(road header), continuous miner, pavement miller 등에 설치되어 암반이나 도로 포장 등을 파쇄 또는 제거하기 위해 사용된다. 커팅 헤드에는 작업붐의 축과 커팅헤드의 회전축이 동일한 축방향 회전식 커팅 헤드(또는 종방향 회전식 커팅 헤드, axial type or longitudinal type cutting head로 불리기도 한다.)와, 붐과 회전축이 직교 방향인 드럼 커터(횡방향 회전식 커팅 헤드, transverse type cutting head)가 있다. In general, the cutting head is installed in a road header, a continuous miner, a pavement miller, or the like, and is used to crush or remove rock or pavement. The cutting head includes an axial rotary cutting head (or sometimes referred to as a axial type or longitudinal type cutting head) in which the axis of the working boom and the axis of rotation of the cutting head are the same, and the drum in which the boom and the axis of rotation are orthogonal. There is a cutter (transverse type cutting head).

도 1a ~ 1b에 나타난 바와 같이, 축방향 회전식 커팅 헤드(1)는 그 회전축이 장비의 붐대(2) 축과 동일선 상에 설치된 것으로서, 회전축을 중심으로 회전되는 드럼(4)과, 드럼(4)에 설치된 다수 개의 픽커터(7)를 포함한다. As shown in Figs. 1A to 1B, the axial rotary cutting head 1 has a drum 4 and a drum 4 which are rotated about the axis of rotation, the axis of rotation of which is installed on the same line as the axis of the boom 2 of the equipment. It includes a plurality of pick cutter (7) installed in the).

일반적인 축방향 커팅헤드는 섬핑(sumping) 압입을 원활히 하고자 원뿔모양으로 제조된다. 첨단부(nose부, 5)는 회전 반경이 작아 토크 저항이 비교적 작게 설계되고, 후방부는 회전 반경이 크기 때문에 상대적으로 빠른 선속도로 커팅하므로, 속도의 비율(=반경값 r비율)만큼 회전 저항이 크다. 결과적으로, 첨단부(nose부, 5)가 상대적으로 작은 절삭력을 발생하고 후방부는 큰 절삭력을 발생한다.Typical axial cutting heads are made conical to facilitate sumping indentation. The tip part (nose part 5) is designed with a relatively small torque radius and a relatively small torque resistance, and the rear part is cut at a relatively high linear speed due to the large rotation radius, so that the rotational resistance is equal to the speed ratio (= radius r ratio). This is big. As a result, the tip 5 generates a relatively small cutting force and the rear portion generates a large cutting force.

축방향 회전식 커팅헤드(3)는 일정 깊이의 sump를 바탕으로 암반 커팅 작업을 수행한다. 이 때, 커팅 작업은 커팅 헤드(3)를 암반면에 일정 깊이로 압입시키는 1차 섬핑(sumping) 작업과, 압입 깊이를 유지하면서 측면으로 커팅하며 암반을 절삭하는 2차 쉬어링(shearing) 작업으로 분류된다.The axial rotary cutting head 3 performs rock cutting based on a sump of a predetermined depth. At this time, the cutting operation is a primary sumping operation to press the cutting head 3 to the rock surface to a certain depth, and a second shearing operation to cut the rock by cutting to the side while maintaining the press-in depth. Classified as

도 2a ~ 2b는 축방향 회전식 커팅헤드(3)의 섬핑 작업을 보여주는데, 섬핑 작업은 축방향 커팅헤드(3)의 측면 360˚가 모두 암반면에 접촉하므로, x-y평면에서 봤을 때, 합력은 0이 되고, 이에 따라, 굴진 편향은 거의 발생하지 않는다. 하지만, 토크 반력 편향은 가장 크게 발생하고 이에 따라 장비 자체가 한쪽으로 회전하려는 힘을 받게 된다는 문제점이 있다. 참고로, 도 2b에서 화살표는 각 픽커터(7)에 작용하는 커팅 하중을 의미한다. 노란색 화살표는 Fd(drag force), 흰색 화살표는 Fn(normal force)을 나타낸다.2a to 2b show the sump operation of the axially rotating cutting head 3, which sums up to zero when viewed in the xy plane, as all 360 ° sides of the axial cutting head 3 are in contact with the rock surface. As a result, excavation deflection rarely occurs. However, the torque reaction force deflection occurs the most and accordingly there is a problem that the equipment itself receives a force to rotate to one side. For reference, the arrow in FIG. 2B means the cutting load acting on each pick cutter 7. Yellow arrows indicate drag force (Fd) and white arrows indicate normal force (Fn).

그리고, 도 3은 축방향 회전식 커팅헤드(3)의 외주면 중 1/4 부분이 암반과 접촉하는 쉬어링 작업을 보여주는데, 쉬어링 진행 방향의 아래쪽을 향하는 합력이 발생하므로 굴진 편향이 발생하는 문제점이 있다. 한편, 커팅헤드(3)의 외주면 중 절반 부분이 암반과 접촉하는 쉬어링 작업의 경우에도 동일한 문제가 발생한다. 따라서, 쉬어링 작업시에 붐의 작업 방향을 인위적으로 조절해야 하고 작업자의 숙련도에 따라 굴진 능률에 차이가 생긴다는 문제점이 있다. 3 shows a shearing operation in which a quarter part of the outer circumferential surface of the axial rotary cutting head 3 is in contact with the rock, and a joint bias occurs in a downward direction in the shearing direction, thereby causing a deflection deflection. have. On the other hand, the same problem occurs in the case of the shearing operation in which half of the outer circumferential surface of the cutting head 3 contacts the rock. Accordingly, there is a problem in that the working direction of the boom must be artificially adjusted during the shearing operation, and a difference in the drilling efficiency occurs according to the skill of the operator.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 쉬어링 작업과 섬핑 작업시 굴진 편향과 토크 반력으로 인한 편향을 줄일 수 있는 축방향 회전식 커팅헤드를 제공하는 것에 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object thereof is to provide an axial rotary cutting head which can reduce deflection due to flexing deflection and torque reaction force during shearing and sumping operations.

또한, 본 발명은 이러한 축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법을 제공하고자 하는 목적도 갖고 있다. It is also an object of the present invention to provide a method for designing such an axially rotating cutting head.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축방향 회전식 커팅헤드(10)는, 회전축(21)을 따라 적어도 두 부분으로 분할된 드럼(11); 및, 드럼(11)에 설치된 픽커터(7);를 포함한다.In order to solve the above problems, the axial rotary cutting head 10 according to a preferred embodiment of the present invention, the drum (11) divided into at least two parts along the rotating shaft (21); And a pick cutter 7 installed in the drum 11.

드럼(11)은 그 선단에 노우즈(5)를 갖되 후단으로 갈수록 단면의 원형 직경이 커지고, 회전축(21)은 작업붐(2)의 축과 평행하다. 상기 분할된 부분들은 회전축(21)을 중심으로 회전하되, 상기 분할된 부분들 중에서 일부분은 나머지 부분들과 반대 방향으로 회전한다. The drum 11 has a nose 5 at its tip, but the circular diameter of the cross section is increased toward the rear end, and the rotating shaft 21 is parallel to the axis of the work boom 2. The divided parts rotate about the rotation axis 21, but a part of the divided parts rotates in the opposite direction to the remaining parts.

쉬어링 작업과 섬핑 작업시 발생하는 굴진 편향 및 토크 반력은 상기 분할된 부분들이 서로 반대 방향으로 회전되는 것에 의해 상쇄되어 감소될 수 있다.The flexural deflection and torque reaction forces generated during the shearing and sumping operations can be offset and reduced by rotating the divided portions in opposite directions.

상기 분할된 부분들은 하나의 구동 모터에 의해서 회전될 수 있다. 상기 분할된 부분들 중에서 일부분은 회전축(21)과 동일한 방향으로 회전되고 나머지 부분은 기어 조립체(20)에 의해서 구동 모터의 회전 방향과 반대 방향으로 회전될 수 있다. The divided parts can be rotated by one drive motor. Some of the divided parts may be rotated in the same direction as the rotation shaft 21 and the remaining parts may be rotated by the gear assembly 20 in the opposite direction to the rotation direction of the drive motor.

바람직하게, 기어 조립체(20)는, 회전축(21)에 의해 회전되고 그 외주면에 기어(22a)가 형성된 선기어(22); 선기어(22)의 둘레에 설치되고, 내주면에 기어(23a)가 형성된 링기어(23); 및, 선기어(22)와 링기어(23)의 사이에 설치되되, 기어(22a)(23a)에 맞물리도록 설치된 위성 기어(24);를 포함한다. Preferably, the gear assembly 20, the sun gear 22 is rotated by the rotary shaft 21 and the gear 22a is formed on the outer peripheral surface; A ring gear 23 provided around the sun gear 22 and having a gear 23a formed on an inner circumferential surface thereof; And a satellite gear 24 installed between the sun gear 22 and the ring gear 23 to be engaged with the gears 22a and 23a.

상기 일부분은 회전축(21)과 링기어(23) 중 어느 하나에 의해서 회전되고, 상기 나머지 부분은 회전축(21)과 링기어(23) 중 나머지 어느 하나에 의해서 회전될 수 있으며, 이에 따라 상기 일부분과 상기 나머지 부분은 서로 반대 방향으로 회전될 수 있다.The portion may be rotated by any one of the rotary shaft 21 and the ring gear 23, the remaining portion may be rotated by any one of the rotary shaft 21 and the ring gear 23, and thus the portion And the remaining portion may be rotated in opposite directions.

바람직하게, 드럼(11)은 두 부분(제1,2 드럼(12)(14))으로 분할되되, 제1,2 드럼(12)(14)은 하나의 구동 모터에 의해서 서로 반대 방향으로 회전될 수 있다. 제1,2 드럼(12)(14) 중 제1 드럼(12) 보다 제2 드럼(14)의 회전 각속도가 느린 것이 바람직하다.Preferably, the drum 11 is divided into two parts (first and second drums 12 and 14), wherein the first and second drums 12 and 14 are rotated in opposite directions by one driving motor. Can be. It is preferable that the rotational angular velocity of the second drum 14 is slower than the first drum 12 among the first and second drums 12 and 14.

커팅 헤드(3)의 쉬어링 작업시 발생하는 굴진 편향을 최소화하기 위해서 제2 드럼(14)의 높이(Hp)와 드럼(11)의 높이(Ht), 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)는 아래 식을 만족하는 것이 바람직하다.In order to minimize the deflection deflection generated during the shearing operation of the cutting head 3, the height Hp of the second drum 14, the height Ht of the drum 11, and the reduction ratio Iz of the gear assembly 20. It is preferable to satisfy the following formula.

[식][expression]

0.3 ≤ Hp/Ht ≤ 0.50.3 ≤ Hp / Ht ≤ 0.5

1 ≤ Iz ≤ 31 ≤ Iz ≤ 3

아울러, 커팅 헤드의 섬핑 작업시 발생하는 토크 반력의 합을 최소화하기 위해서, 제2 드럼(14)의 높이(Hp)와 드럼(11)의 높이(Ht), 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)는 아래 식을 만족하는 것이 바람직하다. In addition, in order to minimize the sum of the torque reaction forces generated during the sump operation of the cutting head, the height Hp of the second drum 14, the height Ht of the drum 11, and the reduction ratio Iz of the gear assembly 20. ) Preferably satisfies the following equation.

[식] [expression]

0.3 ≤ Hp/Ht ≤ 0.50.3 ≤ Hp / Ht ≤ 0.5

1 ≤ Iz ≤ 31 ≤ Iz ≤ 3

본 발명의 다른 측면인 축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법은, (a) 커팅헤드의 드럼(11)을 회전축(21)을 따라 적어도 두 부분으로 분할하는 단계; 및, (b) 상기 분할된 부분의 회전 각속도를 결정하는 단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, a method of designing an axial rotary cutting head includes: (a) dividing the drum 11 of the cutting head into at least two parts along the rotation axis 21; And (b) determining a rotational angular velocity of the divided portion.

상기 부분 중 일부분은 나머지 부분과 반대 방향으로 회전된다. 그리고, 상기 (a), (b) 단계는 쉬어링 작업과 섬핑 작업시 상기 부분에서 발생하는 굴진 편향과 토크 반력이 서로 상쇄되도록 드럼(11)을 분할하고 회전 각속도를 결정한다.One part of the part is rotated in the opposite direction to the other part. The steps (a) and (b) divide the drum 11 and determine the rotational angular velocity so that the bending deflection and the torque reaction force generated in the portion during the shearing operation and the sump operation cancel each other out.

본 발명은 쉬어링 작업과 섬핑 작업시 굴진 편향과 토크 반력으로 인한 편향을 줄일 수 있는 축방향 회전식 커팅헤드를 제공한다. The present invention provides an axial rotary cutting head capable of reducing deflection due to flexing deflection and torque reaction forces during shearing and sumping operations.

또한, 본 발명은 이러한 축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법을 제공한다. The present invention also provides a method of designing such an axially rotating cutting head.

도 1a는 기존의 축방향 회전식 커팅 헤드가 장착된 로드 헤더를 보여주는 사진.
도 1b는 도 1a의 커팅 헤드를 보여주는 정면도.
도 2a는 기존 축방향 회전식 커팅 헤드의 섬핑 작업을 보여주는 측면도.
도 2b는 도 2a의 후면도.
도 3은 기존 축방향 회전식 커팅 헤드의 쉬어링 작업을 보여주는 후면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축방향 회전식 커팅 헤드를 보여주는 정면도.
도 5는 도 4의 커팅 헤드를 보여주는 평면도.
도 6은 도 4의 커팅 헤드에 구비되는 기어 조립체를 보여주는 사시도.
도 7은 수치해석 대상이 된 커팅 헤드를 보여주는 측면도(픽커터의 도시는 생략됨).
도 8은 기어 조립체의 감속비가 1.25일 때, 쉬어링 작업시 제2 드럼의 높이(Hp)에 따른 합력 벡터를 보여주는 그래프.
도 9는 제2 드럼의 높이(Hp)와 감속비에 따른 합력(Fabs)의 크기를 보여주는 그래프.
도 10은 암석 강도와 제2 드럼의 높이(Hp)에 따른 토크 반력의 크기를 보여주는 그래프.
Figure 1a is a photograph showing a rod header equipped with a conventional axial rotary cutting head.
1B is a front view showing the cutting head of FIG. 1A.
Figure 2a is a side view showing the sump operation of a conventional axial rotary cutting head.
FIG. 2B is a rear view of FIG. 2A;
3 is a rear view showing the shearing operation of the existing axial rotary cutting head.
4 is a front view showing the axial rotary cutting head according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a plan view showing the cutting head of FIG.
6 is a perspective view illustrating a gear assembly provided in the cutting head of FIG. 4.
7 is a side view showing a cutting head subjected to numerical analysis (illustration of the pick cutter is omitted).
8 is a graph showing the force vector according to the height Hp of the second drum during the shearing operation when the reduction ratio of the gear assembly is 1.25.
9 is a graph showing the magnitude of the force (F abs ) according to the height (Hp) and the reduction ratio of the second drum.
10 is a graph showing the magnitude of torque reaction force according to rock strength and height Hp of the second drum.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own inventions. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents that may be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be variations and examples.

아래 도면에 표시된 x, y, z 좌표축은 카르테시안 좌표축으로서 상기 3축은 서로에 대해 직각을 이룬다. 이 좌표축은 도면의 이해를 돕기 위해 추가된 것이다. The x, y, z coordinate axes shown in the drawings below are Cartesian coordinate axes, and the three axes are perpendicular to each other. This coordinate axis has been added to help understand the drawing.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축방향 회전식 커팅 헤드를 보여주는 정면도이고, 도 5는 상기 축방향 회전식 커팅 헤드를 보여주는 평면도이다. 4 is a front view showing the axial rotational cutting head according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 5 is a plan view showing the axial rotational cutting head.

도면을 참조하면, 축방향 회전식 커팅헤드(10)는 드럼(11)과, 드럼(11)에 설치된 픽커터(7)를 포함한다. Referring to the drawings, the axially rotating cutting head 10 includes a drum 11 and a pick cutter 7 installed on the drum 11.

드럼(11)은 그 선단에 노우즈(5)를 갖고 아래(도 4에서 아래)로 갈수록 원형 단면의 직경이 증가한다. 따라서, 드럼(11)은 원뿔 형상을 가질 수 있다. 그리고, 드럼(11)의 외부면에는 픽커터(7)가 설치된다. 픽커터(7)는 드럼(11)의 외주면에 나선 형상을 이루도록 설치될 수 있다. 픽커터(7)는 암반(또는 지반)과 직접 접촉하여 암반(또는 지반)을 파쇄한다. The drum 11 has a nose 5 at its tip and the diameter of the circular cross section increases as it goes down (down in FIG. 4). Thus, the drum 11 may have a conical shape. And the pick cutter 7 is installed in the outer surface of the drum 11. The pick cutter 7 may be installed to form a spiral shape on the outer circumferential surface of the drum 11. The pick cutter 7 breaks the rock (or ground) in direct contact with the rock (or ground).

드럼(11)은 적어도 두 부분으로 분할된다. 그리고, 상기 분할된 부분은 서로 반대 방향으로 회전된다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 드럼(11)은 제1 드럼(12)과 제2 드럼(14)으로 분할되고 제1,2 드럼(12)(14)은 서로 반대 방향으로 회전될 수 있다. The drum 11 is divided into at least two parts. The divided portions are rotated in opposite directions to each other. For example, as shown in the figure, the drum 11 is divided into a first drum 12 and a second drum 14 and the first and second drums 12 and 14 are rotated in opposite directions to each other. Can be.

바람직하게, 제1 드럼(12)은 노우즈(5)를 포함하고 아래로 갈수록 그 단면의 직경이 빠르게 증가하고 제2 드럼(14)은 아래로 갈수록 그 단면의 직경이 상대적으로 완만하게 증가한다. Preferably, the first drum 12 comprises a nose 5 and the diameter of its cross section increases rapidly as it goes down and the diameter of its cross section increases relatively slowly as it goes down.

본 발명에서 드럼(11)은 두 부분 이상으로 분할되고 상기 분할된 부분 중 일부분은 나머지 부분과 서로 반대 방향으로 회전된다. 아래에서는 설명의 편의를 위해, 드럼(11)이 두 부분(제1 드럼과 제2 드럼)으로 분할된 경우만을 설명하기로 한다. 드럼(11)이 세 부분 이상으로 분할된 경우는 본 명세서를 참조한 당업자가 쉽게 그 구성을 알 수 있을 것이다. In the present invention, the drum 11 is divided into two or more parts, and a part of the divided parts is rotated in the opposite direction to the other parts. Hereinafter, for convenience of description, only the case where the drum 11 is divided into two parts (a first drum and a second drum) will be described. When the drum 11 is divided into three or more parts, those skilled in the art will be able to easily understand the configuration.

제1 드럼(12)은 커팅헤드(10)의 회전축(21)과 직접 연결되어 회전축(21)과 동일한 방향으로 회전되고 제2 드럼(14)은 기어 조립체(20)와 연결되어 회전축(21)과 반대 방향으로 회전될 수 있다. 도 6은 이러한 기어 조립체(20)의 구체적인 특정예를 보여준다. 기어 조립체(20)는 선기어(22)와 링기어(23) 및 위성 기어(24)를 포함할 수 있다. The first drum 12 is directly connected to the rotary shaft 21 of the cutting head 10 to rotate in the same direction as the rotary shaft 21, and the second drum 14 is connected to the gear assembly 20 to rotate the shaft 21. Can be rotated in the opposite direction. 6 shows a specific specific example of such a gear assembly 20. Gear assembly 20 may include sun gear 22, ring gear 23, and satellite gear 24.

선기어(22)는 커팅헤드(10)의 회전축(21)에 의해 회전 가능하도록 설치되고, 그 외주면에는 기어(22a)가 형성된다. 회전축(21)은 구동 모터(유압 모터 등. 도면에 미도시)에 의해서 회전된다. The sun gear 22 is installed to be rotatable by the rotating shaft 21 of the cutting head 10, and a gear 22a is formed on the outer circumferential surface thereof. The rotating shaft 21 is rotated by a drive motor (hydraulic motor, etc., not shown in the figure).

링기어(23)는 선기어(22)의 둘레에 설치되고 그 내주면에는 기어(23a)가 형성된다. 위성 기어(24)는 선기어(22)와 링기어(23)의 사이에 설치되되, 기어(22a)(23a)에 맞물리도록 설치된다. The ring gear 23 is provided around the sun gear 22, and the gear 23a is formed in the inner peripheral surface. The satellite gear 24 is installed between the sun gear 22 and the ring gear 23, and is engaged with the gears 22a and 23a.

구동 모터에 의해 회전축(21)이 회전됨에 따라 선기어(22)가 회전되고, 선기어(22)의 회전에 따라 위성 기어(24)가 선기어(22)를 중심으로 공전하면서 자전하게 되며, 이에 따라 링기어(23)가 회전축(21)과 반대 방향으로 회전하게 된다. 제2 드럼(14)은 링기어(23)에 연결되어 회전축(21)과 반대 방향으로 회전한다. As the rotation shaft 21 is rotated by the drive motor, the sun gear 22 is rotated, and the satellite gear 24 is rotated about the sun gear 22 as the sun gear 22 rotates, thereby rotating the ring. The gear 23 rotates in the direction opposite to the rotation shaft 21. The second drum 14 is connected to the ring gear 23 to rotate in a direction opposite to the rotation shaft 21.

아래의 표 1은 기어 조립체(20)의 구성과 역할을 요약한 것이다. Table 1 below summarizes the configuration and role of the gear assembly 20.

[표 1]TABLE 1

Figure 112018068563001-pat00001
Figure 112018068563001-pat00001

그리고, 아래의 수학식 1은 기어 조립체(20)의 감속비를 계산하기 위한 것이다. In addition, Equation 1 below is for calculating the reduction ratio of the gear assembly 20.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018068563001-pat00002
Figure 112018068563001-pat00002

위 식에서, In the above formula,

IZ : 감속비I Z : Reduction Ratio

ZS : 선기어의 기어 잇수Z S : Number of gear teeth of sun gear

ZR : 링기어의 기어 잇수Z R : Number of gear teeth of ring gear

ωS : 선기어의 회전 각속도ω S : Angular speed of rotation of sun gear

ωR : 링기어의 회전 각속도ω R : Angular speed of rotation of ring gear

ω1 : 제1 드럼의 회전 각속도ω 1 : rotational angular velocity of the first drum

ω2 : 제2 드럼의 회전 각속도ω 2 : rotational angular velocity of the second drum

예를 들어, 도 6에서 감속비

Figure 112018068563001-pat00003
로 계산될 수 있다. For example, the reduction ratio in FIG.
Figure 112018068563001-pat00003
It can be calculated as

[커터헤드 분할의 최적해 제시(합력의 편향력을 최소화하는 설계 방법)][Optimized Solution of Cutter Head Segmentation (Design Method to Minimize Bias of Force)]

(1) 입출력 변수 정의(1) I / O variable definition

- 입력 변수 : 커팅 헤드의 분할 높이(Hp), 감속비(IZ)-Input variable: Cutting height of cutting head (H p ), reduction ratio (I Z )

- 출력 변수 : 픽커터의 절삭력(Fd), 커팅헤드 합력(편향력의 절대값)Output Variables: Cutting force of the pick cutter (Fd), cutting head combined force (absolute value of deflection force)

- 가정 조건 -Home conditions

(i) 대상 암반 : 경암(압축 강도 180Mpa)(i) Target rock: hard rock (compressive strength 180 Mpa)

(ii) 절삭력(Fd) : 10kN(압입 깊이 4mm)             (ii) Cutting force (Fd): 10kN (indentation depth 4mm)

(iii) 수직력(Fn)은 고려하지 않음.(iii) Vertical force (Fn) is not taken into account.

(iv) 모든 픽커터에 동일한 절삭 하중이 작용함.(iv) The same cutting force is applied to all pick cutters.

(v) 쉬어링 작업시 드럼 외부면의 1/4이 암반에 접촉함(도 3).(v) 1/4 of the drum outer surface contacts the rock during the shearing operation (FIG. 3).

(vi) 커팅 헤드의 형상 및 치수는 도 7과 같음 (Ht=500mm)(vi) the shape and dimensions of the cutting head are the same as in FIG. 7 (Ht = 500mm)

(2) 픽커터에 작용하는 개별 힘의 분력 계산(2) Calculation of the components of individual forces acting on the pick cutter

Fd는 특정 픽커터의 팁 좌표(xi, yi)에서 발생하는 회전체의 접선 방향으로 발생하는 힘이므로, Fd를 카르테시안 2차원 좌표계의 분력(Fx, Fy)으로 계산한다. 계산을 위한 수식은 아래의 Fx, Fy와 같다.Since Fd is a force generated in the tangential direction of the rotating body generated at the tip coordinates (x i , y i ) of the specific picker, Fd is calculated as the component force (Fx, Fy) of the Cartesian two-dimensional coordinate system. The formula for calculation is the same as Fx and Fy below.

Figure 112018068563001-pat00004
Figure 112018068563001-pat00005
Figure 112018068563001-pat00004
Figure 112018068563001-pat00005

드럼(11)을 두 부분으로 분할하되 제2 드럼(14)의 높이를 Hp로 하고 감속비가 Iz인 경우, 제2 드럼(14)은 제1 드럼(12)과 반대 방향으로 회전되므로 제2 드럼(14)의 특정 픽커터에 작용하는 분력(Fx, Fy)은 아래의 식으로 계산될 수 있다. When the drum 11 is divided into two parts, but the height of the second drum 14 is Hp and the reduction ratio is Iz, the second drum 14 is rotated in the opposite direction to the first drum 12, so that the second drum The components (Fx, Fy) acting on the specific picker of (14) can be calculated by the following equation.

Figure 112018068563001-pat00006
Figure 112018068563001-pat00007
Figure 112018068563001-pat00006
Figure 112018068563001-pat00007

아래의 표 2 ~ 6은 경암에 대한 쉬어링 작업시 드럼 외부면의 1/4이 암반에 접촉하는 경우(도 3 참조), 감속비(Iz)와 Hp에 따른 합력의 계산 결과를 각각 보여준다. 표 2 ~ 6에서 Fabs는 합력의 절대값을 나타낸다. Tables 2 to 6 below show the calculation results of the force according to the reduction ratio Iz and Hp when 1/4 of the drum outer surface contacts the rock during shearing of hard rock. In Tables 2 to 6, F abs represents the absolute value of the force.

[표 2] 감속비 : 1.0[Table 2] Reduction Ratio: 1.0

Figure 112018068563001-pat00008
Figure 112018068563001-pat00008

[표 3] 감속비 : 1.25[Table 3] Reduction Ratio: 1.25

Figure 112018068563001-pat00009
Figure 112018068563001-pat00009

[표 4] 감속비 : 1.5[Table 4] Reduction Ratio: 1.5

Figure 112018068563001-pat00010
Figure 112018068563001-pat00010

[표 5] 감속비 : 2.0[Table 5] Reduction Ratio: 2.0

Figure 112018068563001-pat00011
Figure 112018068563001-pat00011

[표 6] 감속비 : 3.0[Table 6] Reduction Ratio: 3.0

Figure 112018068563001-pat00012
Figure 112018068563001-pat00012

도 8은 감속비가 1.25일 때 Hp에 따른 합력 벡터를 그래프로 도시한 것이다. 도면에 나타난 바와 같이, 합력의 절대값(Fabs)은 Hp가 증가함에 따라 감소하다가 Hp=200mm에서 최소값이 되고 이어서 다시 증가한다는 것을 알 수 있다. 이것은 굴진 편향을 최소화할 수 있는 최적 분할 높이가 존재한다는 것을 의미한다. 그리고, 커팅 헤드(10)의 자중을 고려할 때 합력 벡터는 4 사분면 보다 1 사분면에 위치하는 것이 더욱 바람직하다. 8 is a graph showing a force vector according to Hp when the reduction ratio is 1.25. As shown in the figure, it can be seen that the absolute value F abs of the force decreases as Hp increases and then becomes the minimum value at Hp = 200mm and then increases again. This means that there is an optimal split height that can minimize the deflection deflection. In consideration of the self-weight of the cutting head 10, the force vector is more preferably located in one quadrant than in the fourth quadrant.

그리고, 도 9는 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)와 Hp에 따른 합력의 절대값(Fabs)을 보여준다. 9 shows the absolute value F abs of the force according to the reduction ratio Iz and Hp of the gear assembly 20.

위 표 2 ~ 6과 도 8 ~ 9에 나타난 바와 같이, 축방향 회전식 커팅헤드(10)의 쉬어링 작업시 합력의 편향력의 절대값을 줄이기 위해서는(즉, 쉬어링 작업시 발생하는 굴진 편향을 최소화하기 위해서는) 제2 드럼(14)의 높이(Hp), 드럼(11)의 높이(Ht), 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)가 아래의 식을 만족하는 것이 바람직하다. As shown in Tables 2 to 6 and FIGS. 8 to 9 above, in order to reduce the absolute value of the deflection force of the force during the shearing operation of the axial rotary cutting head 10 (that is, the bending deflection generated during the shearing operation is In order to minimize), it is preferable that the height Hp of the second drum 14, the height Ht of the drum 11, and the reduction ratio Iz of the gear assembly 20 satisfy the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

0.3 ≤ Hp/Ht ≤ 0.50.3 ≤ Hp / Ht ≤ 0.5

1 ≤ Iz ≤ 31 ≤ Iz ≤ 3

만약, Hp/Ds 및 Iz가 상기 범위를 벗어나면 굴진 편향이 작업 붐을 통해 효율적으로 조절되기가 어려우므로 바람직하지 않다. 그리고, 더욱 바람직하게는 Iz가 1 ~ 2이다.If Hp / Ds and Iz are out of the above range, it is not preferable because the flexural deflection is difficult to be adjusted efficiently through the working boom. And more preferably, Iz is 1-2.

[토크 반력의 합을 최소화하는 설계 방법][Design method to minimize the sum of torque reaction force]

축방향 회전식 커팅헤드(10)가 섬핑 작업을 할 때 발생하는 토크 반력의 크기를 줄이기 위한 Hp의 범위를 암석 강도별로 수치 해석을 실시하여 구하였고, 아래의 표 7 ~ 8에 그 결과를 나타내었다. The numerical range of Hp for reducing the magnitude of torque reaction force generated when the axial rotary cutting head 10 performs the sump operation was obtained by numerical analysis for each rock strength, and the results are shown in Tables 7 to 8 below. .

[표 7]TABLE 7

Figure 112018068563001-pat00013
Figure 112018068563001-pat00013

[표 8]TABLE 8

Figure 112018068563001-pat00014
Figure 112018068563001-pat00014

표 7은 암석 종류에 따라 각각의 픽커터에 작용하는 하중을 나타내고, 도 8은 커팅 헤드(10)가 그 외부면의 360˚ 전체가 암반과 접촉하면서 상기 픽커터(7)의 하중으로 드럼 전체(표 8에서 드럼 높이(Ht)=500mm)가 암반에 삽입된 상태에서 굴착할 때 발생하는 토크 반력의 크기(kN-m)를 Hp에 따라 나타낸다. Table 7 shows the load acting on each pick cutter according to the type of rock, and FIG. 8 shows the entire drum under the load of the pick cutter 7 while the cutting head 10 is in contact with the rock by 360 ° of the outer surface thereof. In Table 8, the magnitude of the torque reaction force (kN-m) generated when excavation with the drum height (Ht) = 500 mm inserted in the rock is shown according to Hp.

상술(上述)한 바와 같이, 기존 축방향 회전식 커팅헤드(3)의 섬핑 작업시에는 커팅헤드(3)의 회전으로 인해 생기는 토크 반력으로 인해 장비가 한쪽으로 회전하려는 힘을 받게 된다. 표 8에서 첫 번째 열은 Hp=0으로서 커팅헤드 분할이 없는 경우(기존의 축방향 회전식 커팅헤드)를 나타내는데, 이 경우의 토크 반력은 분할이 있는 경우(표 8에서 2~5번째 열) 보다 토크 반력의 훨씬 큼을 알 수 있다.As described above, during the sump operation of the existing axial rotary cutting head 3, the torque force generated by the rotation of the cutting head 3 causes the equipment to be forced to rotate to one side. In Table 8, the first column shows Hp = 0, where there is no cutting head split (formerly axial rotary cutting head), in which case the torque reaction force is greater than that with splits (2nd to 5th column in Table 8). It can be seen that the torque reaction force is much greater.

도 10은 표 8을 그래프로 나타낸 것으로서, 모든 암석(연암 ~ 경암)에서 Hp=200mm 일 때 토크 반력의 크기가 가장 작음을 알 수 있다. 그리고, Hp=150mm 미만이거나 Hp=250mm 초과인 경우는 토크 반력의 크기가 커서 장비가 한쪽으로 쏠릴 우려가 있음을 알 수 있었다. FIG. 10 is a graph of Table 8, and it can be seen that the magnitude of torque reaction force is smallest when Hp = 200mm in all rocks (soft rock to hard rock). In addition, when Hp = 150mm or Hp = 250mm, the magnitude of the torque reaction force is large, and it can be seen that the equipment may be pulled to one side.

표 8과 도 10 등에 따르면, 축방향 회전식 커팅헤드(10)의 섬핑 작업시 발생하는 토크 반력의 합을 최소화하기 위해서, 제2 드럼(14)의 높이(Hp)와 드럼 높이(Ht), 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)는 아래 식을 만족하는 것이 바람직하다. According to Table 8 and FIG. 10 and the like, in order to minimize the sum of the torque reaction forces generated during the sump work of the axial rotary cutting head 10, the height Hp, the drum height Ht, the gear of the second drum 14 It is preferable that the reduction ratio Iz of the assembly 20 satisfies the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

0.3 ≤ Hp/Ds ≤ 0.50.3 ≤ Hp / Ds ≤ 0.5

1 ≤ Iz ≤ 31 ≤ Iz ≤ 3

만약, Hp/Ds 및 Iz가 상기 범위를 벗어나면 토크 반력의 크기가 커지므로 장비 전체가 한쪽 방향으로 쏠리게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 그리고, 더욱 바람직하게는 Iz가 1 ~ 2이다.If the Hp / Ds and Iz are out of the above ranges, the magnitude of the torque reaction force increases, which may cause a problem that the entire apparatus is inclined in one direction. And more preferably, Iz is 1-2.

한편, 이상에서는 제1 드럼(12)이 회전축(21)과 직접 연결되고 제2 드럼(14)이 링기어(23)와 연결된 것을 설명하였으나, 제1 드럼(12)이 링기어(23)와 연결되고 제2 드럼(14)이 회전축(21)과 직접 연결될 수도 있다. 아울러, 위에서는 드럼(11)을 두 부분으로 분할하는 것만을 설명하였으나, 드럼(11)을 세 부분 이상으로 분할하고 세 부분 중 일부분을 나머지 부분과 반대 방향으로 회전되도록 할 수도 있다. Meanwhile, in the above description, the first drum 12 is directly connected to the rotating shaft 21 and the second drum 14 is connected to the ring gear 23, but the first drum 12 is connected to the ring gear 23. The second drum 14 may be directly connected to the rotating shaft 21. In addition, in the above, only the division of the drum 11 into two parts has been described, but the drum 11 may be divided into three or more parts, and a part of the three parts may be rotated in the opposite direction to the other parts.

1 : 기존의 축방향 회전식 커팅헤드가 설치된 로더 헤더
2 : 작업 붐
3, 10 : 축방향 회전식 커팅헤드
4, 11 : 드럼
5 : 노우즈(nose) 7 : 픽커터
12 : 제1 드럼 14 : 제2 드럼
20 : 기어 조립체 21 : 회전축
22 : 선기어 22a, 23a : 기어
23 : 링기어 24 : 위성 기어
Ds : 섬핑최대 깊이(커팅헤드가 섬핑 작업시 최대로 삽입되었을 때의 깊이)
Hp : 제2 드럼의 높이
Ht : 드럼의 높이
Iz : 기어 조립체의 감속비
1: Loader header with conventional axial rotary cutting head
2: working boom
3, 10: axial rotary cutting head
4, 11: drum
5: nose 7: pick cutter
12: first drum 14: second drum
20 gear assembly 21 rotation axis
22: sun gear 22a, 23a: gear
23: ring gear 24: satellite gear
Ds: Maximum sump depth (depth when cutting head is inserted maximum during sump operation)
Hp: height of the second drum
Ht: height of drum
Iz: Reduction ratio of gear assembly

Claims (7)

회전축(21)을 따라 적어도 두 부분으로 분할된 드럼(11); 및,
드럼(11)에 설치된 픽커터(7);를 포함하고,
드럼(11)은 그 선단에 노우즈(5)를 갖되 후단으로 갈수록 단면의 원형 직경이 커지고, 회전축(21)은 작업붐(2)의 축과 평행하며,
상기 분할된 부분들은 회전축(21)을 중심으로 회전하되, 상기 분할된 부분들 중에서 일부분은 나머지 부분들과 반대 방향으로 회전하며,
쉬어링 작업과 섬핑 작업시 발생하는 굴진 편향과 토크 반력이 상기 분할된 부분들이 서로 반대 방향으로 회전되는 것에 의해 상쇄되어 감소되고,
상기 분할된 부분들은 하나의 구동 모터에 의해서 회전되되, 상기 분할된 부분들 중에서 일부분은 회전축(21)과 동일한 방향으로 회전되고 나머지 부분은 기어 조립체(20)에 의해서 구동 모터의 회전 방향과 반대 방향으로 회전되고,
기어 조립체(20)는,
회전축(21)에 의해 회전되고, 그 외주면에 기어(22a)가 형성된 선기어(22);
선기어(22)의 둘레에 설치되고, 내주면에 기어(23a)가 형성된 링기어(23); 및
선기어(22)와 링기어(23)의 사이에 설치되되, 기어(22a)(23a)에 맞물리도록 설치된 위성 기어(24);를 포함하고,
상기 일부분은 회전축(21)에 의해서 회전되고 상기 나머지 부분은 링기어(23)에 의해 회전되는 것을 특징으로 하는, 축방향 회전식 커팅헤드.
A drum 11 divided into at least two parts along the rotation shaft 21; And,
And a pick cutter 7 installed at the drum 11;
The drum 11 has a nose 5 at its tip, but the circular diameter of the cross section is increased toward the rear end, and the rotating shaft 21 is parallel to the axis of the work boom 2,
The divided parts are rotated about the rotation axis 21, a part of the divided parts rotate in the opposite direction to the other parts,
The flexural deflection and torque reaction forces generated during shearing and sumping work are canceled and reduced by rotating the divided parts in opposite directions,
The divided parts are rotated by one drive motor, a part of the divided parts being rotated in the same direction as the rotation shaft 21 and the other part is opposite to the rotation direction of the drive motor by the gear assembly 20. Rotated to,
Gear assembly 20,
A sun gear 22 which is rotated by the rotation shaft 21 and whose gear 22a is formed on the outer circumferential surface thereof;
A ring gear 23 provided around the sun gear 22 and having a gear 23a formed on an inner circumferential surface thereof; And
And a satellite gear 24 installed between the sun gear 22 and the ring gear 23 to be engaged with the gears 22a and 23a.
Axial rotary cutting head, characterized in that the portion is rotated by the rotary shaft (21) and the remaining portion is rotated by the ring gear (23).
삭제delete 제1항에 있어서,
드럼(11)은 제1,2 드럼(12)(14)으로 분할되되, 제1,2 드럼(12)(14)은 하나의 구동 모터에 의해서 서로 반대 방향으로 회전되고,
제1,2 드럼(12)(14) 중 제1 드럼(12) 보다 제2 드럼(14)의 회전 각속도가 느린 것을 특징으로 하는, 축방향 회전식 커팅헤드.
The method of claim 1,
The drum 11 is divided into first and second drums 12 and 14, and the first and second drums 12 and 14 are rotated in opposite directions by one driving motor.
Axial rotary cutting head, characterized in that the rotational angular velocity of the second drum (14) is slower than the first drum (12) of the first and second drums (12) (14).
제3항에 있어서,
커팅 헤드의 쉬어링 작업시 발생하는 굴진 편향 및 섬핑 작업시 발생하는 토크 반력의 합을 최소화하기 위해서 제2 드럼(14)의 높이(Hp)와 드럼 높이(Ht), 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)는 아래 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 축방향 회전식 커팅헤드.
[식]
0.3 ≤ Hp/Ht ≤ 0.5
1 ≤ Iz ≤ 3
The method of claim 3,
Reduction ratio of the height Hp and the drum height Ht of the second drum 14 and the gear assembly 20 in order to minimize the sum of the bending deflection generated during the shearing operation of the cutting head and the torque reaction force generated during the sumping operation. (Iz) is an axial rotational cutting head, characterized in that the following formula.
[expression]
0.3 ≤ Hp / Ht ≤ 0.5
1 ≤ Iz ≤ 3
축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법에 있어서,
(a) 커팅헤드의 드럼(11)을 회전축(21)을 따라 적어도 두 부분으로 분할하는 단계; 및,
(b) 상기 분할된 부분의 회전 각속도를 결정하는 단계;를 포함하고,
드럼(11)은 그 선단에 노우즈(5)를 갖되 후단으로 갈수록 단면의 원형 직경이 커지고, 회전축(21)은 작업붐(2)의 축과 평행하며,
상기 부분 중 일부분은 나머지 부분과 반대 방향으로 회전되며,
상기 (a), (b) 단계는 쉬어링 작업과 섬핑 작업시 상기 부분에서 발생하는 굴진 편향과 토크 반력이 서로 상쇄되도록 드럼(11)을 분할하고 회전 각속도를 결정하며,
드럼(11)은 제1,2 드럼(12)(14)으로 분할되되 노우즈(5)를 포함하는 제1 드럼(12)과 제2 드럼(14)으로 분할되고,
제1 드럼(12)과 제2 드럼(14)은 하나의 구동 모터에 의해서 회전되되, 제2 드럼(14)은 구동 모터와 반대방향으로 회전되고 제2 드럼(14)은 제1 드럼(12) 보다 회전 각속도가 느린 것을 특징으로 하는, 축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법.
In the design method of the axial rotary cutting head,
(a) dividing the drum 11 of the cutting head into at least two parts along the rotation axis 21; And,
(b) determining a rotational angular velocity of the divided portion;
The drum 11 has a nose 5 at its tip, but the circular diameter of the cross section is increased toward the rear end, and the rotating shaft 21 is parallel to the axis of the work boom 2,
A part of the part is rotated in the opposite direction to the other part,
Steps (a) and (b) divide the drum 11 and determine the rotational angular velocity so that the bending deflection and the torque reaction force generated in the portion during the shearing operation and the sump operation cancel each other out.
The drum 11 is divided into first and second drums 12 and 14, and divided into a first drum 12 and a second drum 14 including a nose 5.
The first drum 12 and the second drum 14 are rotated by one drive motor, the second drum 14 is rotated in the opposite direction to the drive motor and the second drum 14 is the first drum 12. A method of designing an axial rotary cutting head, characterized in that the rotational angular velocity is slower than).
삭제delete 제5항에 있어서,
커팅 헤드의 쉬어링 작업시 발생하는 굴진 편향 및 섬핑 작업시 발생하는 토크 반력의 합을 최소화하기 위해서 제2 드럼(14)의 높이(Hp)와 드럼 높이(Ht), 기어 조립체(20)의 감속비(Iz)는 아래 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 축방향 회전식 커팅헤드의 설계 방법.
[식]
0.3 ≤ Hp/Ht ≤ 0.5
1 ≤ Iz ≤ 3
The method of claim 5,
Reduction ratio of the height Hp and the drum height Ht of the second drum 14 and the gear assembly 20 in order to minimize the sum of the deflection deflection generated during shearing of the cutting head and the torque reaction force generated during the sumping operation. (Iz) is a design method of the axial rotational cutting head, characterized in that the following formula.
[expression]
0.3 ≤ Hp / Ht ≤ 0.5
1 ≤ Iz ≤ 3
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