KR102073571B1 - Optimal design method of a hydraulic cylinder to support the repulsive force generated by horizontal strikings of the hydraulic breaker and, press-in shear test method for obtaining the coefficient of shear force degradation used in this design method - Google Patents

Optimal design method of a hydraulic cylinder to support the repulsive force generated by horizontal strikings of the hydraulic breaker and, press-in shear test method for obtaining the coefficient of shear force degradation used in this design method Download PDF

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KR102073571B1 KR1020180125685A KR20180125685A KR102073571B1 KR 102073571 B1 KR102073571 B1 KR 102073571B1 KR 1020180125685 A KR1020180125685 A KR 1020180125685A KR 20180125685 A KR20180125685 A KR 20180125685A KR 102073571 B1 KR102073571 B1 KR 102073571B1
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shear
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조정우
오주영
김종형
박진영
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한국생산기술연구원
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Abstract

The present invention may optimally determine the capacity of a vertical cylinder supporting the repulsive force generated when small crushing equipment excavates a rock in a horizontal direction using a hydraulic breaker in a mine or a tunnel. Specifically, the present invention determines the capacity of the vertical cylinder by considering that the rock around an indenter is broken when the hydraulic breaker strikes while the indenter is pressed into the rock. In addition, the present invention obtains a shear force degradation coefficient by an indentation shear modeling test in order to predict a decrease in the feed force as a rock around the indenter is crushed.

Description

유압 브레이커의 수평방향 타격으로 발생하는 반발력을 지지하기 위한 유압 실린더의 최적 설계방법 및, 이 설계 방법에 사용되는 전단력 저하 계수를 구하기 위한 압입 전단 시험방법{Optimal design method of a hydraulic cylinder to support the repulsive force generated by horizontal strikings of the hydraulic breaker and, press-in shear test method for obtaining the coefficient of shear force degradation used in this design method}Optimal design method of a hydraulic cylinder to support the repulsive force caused by the horizontal strike of the hydraulic breaker, and an indentation shear test method for calculating the shear force reduction factor used in the design method {Optimal design method of a hydraulic cylinder to support the repulsive force generated by horizontal strikings of the hydraulic breaker and, press-in shear test method for obtaining the coefficient of shear force degradation used in this design method}

본 발명은 유압 실린더의 최적 설계방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 광산이나 터널에서 소형 파쇄 장비가 유압 브레이커를 이용하여 수평방향으로 암반을 파쇄할 때 발생하는 반발력을 지지하는 수직 실린더의 용량을 최적으로 결정할 수 있는 설계 방법에 대한 것이다. The present invention relates to an optimal design method of a hydraulic cylinder, and more specifically, to the capacity of the vertical cylinder to support the repulsion generated when the small crushing equipment in the mine or tunnel crushing the rock in the horizontal direction using the hydraulic breaker It is about a design method that can be optimally determined.

아울러, 본 발명은 이 설계에 사용되는 전단력 저하 계수를 구하기 위한 압입 전단 시험방법에 대한 것이기도 하다. In addition, the present invention also relates to the indentation shear test method for obtaining the shear force drop coefficient used in this design.

일반적으로, 한국, 중국 등 동아시아의 석탄층은 매우 복합한 구조로 이루어져 있어 탄층이 고르게 발달하지 못한 상태이고 단층, 습곡, 관입 등으로 석탄층 사이에 암반이 돌출하는 경우가 흔하다.In general, coal seams in East Asia, such as Korea and China, have a very complex structure, so the coal seams are not evenly developed, and rocks often protrude between the coal seams due to faults, folds, and penetrations.

이 경우에는 해당 단층 지대 및 관입 암반을 10m ~ 100m 정도 굴착해서 석탄 갱도를 연결해야 하는데, 이를 위해서는 별도의 광산용 파쇄 장비가 필요하다. In this case, 10m ~ 100m of excavated fault zone and intrusive rock should be excavated to connect coal mines, which requires separate mining crushing equipment.

로더 헤드와 같은 석탄 채굴용 광산 장비는 주로 연암 이하의 석탄을 굴착하는 용도로 설계된다. 따라서, 관입 암반과 같은 중경암 이상의 암반을 굴착하는 경우에는 파쇄 효율이 굉장히 낮으며, 팁의 마모와 파손이 빈번히 발생하게 된다. Mining equipment for coal mining, such as loader heads, is designed primarily for the excavation of coal below the soft rock. Therefore, in the case of excavating a rock of more than a medium-hard rock, such as intrusive rock, the crushing efficiency is very low, and the wear and breakage of the tip frequently occurs.

따라서, 중경암 이상의 암반을 기계적으로 파쇄하려면 14~30톤급 이상의 굴삭기와 유압 브레이커가 필요하다. 그러나, 14톤급 이상의 굴삭기는 붐의 천고가 높아서 소형 석탄광이 진입할 수 없는 실정이다. 구체적으로 설명하면, 도 1에 나타난 바와 같이, 기존의 굴삭기는 4m ~ 6m의 천고를 갖는 반면에 광산은 2m ~ 3m의 천고를 갖고 있으므로 기존 굴삭기는 소형 석탄광에 진입할 수 없는 문제점이 있다. Therefore, in order to mechanically fracture rock more than hard rock, excavators and hydraulic breakers of 14 to 30 tonnes or more are required. However, excavators of 14 tons or more are not able to enter a small coal mine due to the high boom height. Specifically, as shown in Figure 1, while the existing excavator has a yard of 4m ~ 6m while the mine has a yard of 2m ~ 3m, the existing excavator has a problem that can not enter the small coal mine.

한편, 이러한 문제점을 해결하기 위해 파쇄 장비를 소형으로 만드는 방안이 있으나, 소형 파쇄장비는 유압 브레이커의 수평방향 타격으로 발생하는 반발력(리바운드)을 지지하기에 부족하다. 즉, 소형 광산에서 전방의 암반을 파쇄하려면 유압 브레이커가 수평 방향으로 타격해야 하고, 이 수평방향 타격으로 발생하는 반발력(리바운드)을 지지하려면 유압 브레이커 용량의 1/2에 해당하는 피드력을 제공할 수 있어야 한다. 예를 들어, 14톤급 유압 브레이커인 경우에는 7톤의 피드력이 제공되어야 반발력을 지지할 수 있다. On the other hand, there are ways to make the shredding equipment small to solve this problem, but the small shredding equipment is insufficient to support the repulsion (rebound) generated by the horizontal blow of the hydraulic breaker. In other words, breaking a rock in front of a small mine requires the hydraulic breaker to strike in the horizontal direction, and to support the rebound forces resulting from this horizontal strike, it is necessary to provide a feed force equal to 1/2 of the hydraulic breaker capacity. It should be possible. For example, a 14 ton hydraulic breaker is required to provide 7 tons of feed force to support the repelling force.

그러나, 소평 파쇄장비는 자중이 작으므로 바닥면과의 마찰력이 작고, 이에 따라 충분한 피드력을 제공할 수 없다는 문제점을 갖고 있다. However, since the small-scale crushing equipment has a small self-weight, the frictional force with the bottom surface is small, and thus has a problem in that it cannot provide sufficient feed force.

상술한 문제점을 해결하기 위해서, 본 출원인은 기존의 중형급 이상의 유압 브레이커를 사용하여 타격력을 그대로 유지하면서도 좁은 공간에서 파쇄 작업을 효율적으로 수행할 수 있는 소형 파쇄 장비를 개발하였고 이를 대한민국 특허등록 제1821059호로 등록받았다. In order to solve the above problems, the present applicant has developed a small shredding equipment that can efficiently perform the shredding work in a narrow space while maintaining the impact force by using the existing medium-sized or more hydraulic breaker and this is registered as a Korean Patent Registration No. 1821059 Registered.

도 2 ~ 5에 나타난 바와 같이, 상기 소형 파쇄 장비(100)는 메인 프레임(10)과, 메인 프레임(10)의 앞쪽에 설치된 유압 브레이커(20)와 버켓(30), 파쇄된 암반을 후방으로 이동시키기 위한 컨베이어(40), 천정을 향해 신장 또는 수축 가능한 수직 실린더(50) 및, 이동을 위한 무한 궤도(70)를 포함한다. As shown in Figures 2 to 5, the small shredding equipment 100 is the main frame 10, the hydraulic breaker 20, the bucket 30, the crushed rock back installed in the front of the main frame 10 to the rear A conveyor 40 for movement, a vertical cylinder 50 that can extend or contract toward the ceiling, and an endless track 70 for movement.

유압 브레이커(20)는 전방(前方)의 암반을 수평 방향으로 타격하여 파쇄하고, 버켓(30)은 유압 브레이커(20)에 의해 파쇄된 암반을 컨베이어(40)에 적재하며, 컨베이어(40)는 적재된 암반을 후방으로 이동시킨다. 한편, 본 명세서에서 '수평'은 수학적인 의미에서의 수평을 의미할 뿐만 아니라 수직 보다 수평에 더 가까운 방향도 포함하는 의미로 사용된다. 따라서, 수평 방향 타격은 수평에 가깝도록 경사진 방향의 타격도 포함한다.The hydraulic breaker 20 strikes and crushes the front rock in the horizontal direction, and the bucket 30 loads the rock crushed by the hydraulic breaker 20 on the conveyor 40, and the conveyor 40 Move the loaded rock back. In the present specification, 'horizontal' is used not only to mean horizontal in a mathematical sense, but also to include a direction closer to horizontal than vertical. Therefore, the horizontal strike also includes the strike in the direction inclined to be close to the horizontal.

마찬가지로, 본 명세서에서 '수직'은 수학적인 의미에서의 수직을 의미할 뿐만 아니라 수평 보다 수직에 가까운 방향도 포함하는 의미로 사용된다. 따라서, 수직 실린더는 반드시 수학적인 수직방향 뿐만 아니라 수직에 가깝도록 약간 경사진 방향으로 설치된 실린더도 포함한다.Likewise, in the present specification, 'vertical' is used not only to mean vertical in a mathematical sense, but also to include a direction closer to vertical than horizontal. Thus, vertical cylinders necessarily include cylinders installed in a direction that is slightly inclined to be close to vertical as well as mathematically vertical.

수직 실린더(50)는 유압 브레이커(20)의 수평방향 암반 타격으로 발생하는 반발력(리바운드)을 지지한다. 수직 실린더(50)는 메인 프레임(10)에 수직으로 설치되고, 천정(C)에 대해 신장/수축된다. 수직 실린더(50)의 상단에는 인덴터(52)가 설치된다. The vertical cylinder 50 supports the repulsion force (rebound) generated by the horizontal rock strike of the hydraulic breaker 20. The vertical cylinder 50 is installed perpendicular to the main frame 10 and is extended / contracted with respect to the ceiling C. The indenter 52 is installed at the upper end of the vertical cylinder 50.

인덴터(52)는, 도 3에 나타난 바와 같이, 상부의 뾰족한 부분(52a)과, 하부의 나사부(52b)를 포함한다. The indenter 52 includes an upper pointed portion 52a and a lower threaded portion 52b, as shown in FIG.

수직 실린더(50)는, 도 4 ~ 5에 나타난 바와 같이, 천정에 대해 소정 하중을 인가하여 인덴터(52)가 천정(C)에 소정 깊이로 압입되도록 한다. 그리고, 소형 파쇄장비(100)는 인덴터(52)의 압입이 적정 수준에 도달하면 수직 실린더(50)에 공급되는 유압을 차단하고 유압 브레이커(20)에 유압을 공급하여 암반을 파쇄한다. 4 to 5, the vertical cylinder 50 applies a predetermined load to the ceiling so that the indenter 52 is press-fitted to the ceiling C to a predetermined depth. When the press-fitting of the indenter 52 reaches an appropriate level, the small shredding device 100 blocks the hydraulic pressure supplied to the vertical cylinder 50 and supplies hydraulic pressure to the hydraulic breaker 20 to fracture the rock.

인덴터(52)가 암반에 압입되면 큰 마찰력을 발생시키므로 큰 피드력을 제공한다. 그리고, 이 피드력은 장비 자중에 의한 피드력과 협력하여 반발력(리바운드)를 잡아준다(지지한다). When the indenter 52 is pressed into the rock, a large friction force is generated, thereby providing a large feed force. This feed force catches (supports) the repulsive force (rebound) in cooperation with the feed force by the weight of the equipment.

그러나, 인덴터(52)가 천정(C)에 압입된 상태에서 유압 브레이커(20)의 수평방향 타격이 이루어지면 그 반발력으로 인해서 인덴터(52) 주변의 암반이 파쇄될 수 있고, 이 경우에는 수직 실린더(50)가 제공하는 피드력이 급격히 떨어지는 문제점이 있다. However, when the horizontal breaker of the hydraulic breaker 20 is made while the indenter 52 is press-fitted to the ceiling C, the rock around the indenter 52 may be crushed due to the repulsive force. There is a problem that the feed force provided by the vertical cylinder 50 drops sharply.

실제로, 본 출원인은 인덴터(52)가 암반에 압입된 상태에서 상기 반발력(리바운드)에 상응하는 전단 변형을 가해주는 실험을 한 적이 있었다. 상기 실험 결과, 전단 변형이 개시된 직후, 가압 수직력이 목표치인 2톤에서 0.7톤까지 1/3 정도로 감소하는 것을 확인하였다. Indeed, the applicant has conducted an experiment in which the indenter 52 exerts a shear deformation corresponding to the repulsive force (rebound) while the indenter 52 is pressed into the rock. As a result of the experiment, it was confirmed that immediately after the shear deformation was started, the pressurized normal force decreased by about one third from the target value of 2 ton to 0.7 ton.

그리고, 전단 변위가 30mm 정도 발생되면 인덴터(52) 주변의 암반이 많이 파괴되므로 전단 저항력이 90% 이상 상실된다. 따라서, 유압 브레이커(20)의 타격수가 누적될수록 유압 브레이커(20)에 제공되는 피드력이 급격히 낮아져서 타격 성능도 급격히 낮아질 것으로 예측된다.When the shear displacement is about 30 mm, the rock resistance around the indenter 52 is destroyed so that the shear resistance is lost by 90% or more. Therefore, as the number of blows of the hydraulic breaker 20 accumulates, the feed force provided to the hydraulic breaker 20 is rapidly lowered, and the hitting performance is also expected to be sharply lowered.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 대한민국 특허등록 제1821059호는 인덴터(52)의 압입 깊이를 조절하는 방안을 개시하였다. 그러나, 광산 현장 또는 터널 공사 현장에서 천정(C)이 평탄하지 않으므로 인덴터(52)의 압입 깊이를 조절하기가 어렵고, 압입 깊이를 조절하더라도 암반 상태에 따라서는 파쇄가 발생되는 경우가 있다는 문제점이 있다.In order to solve this problem, Korean Patent Registration No. 1821059 discloses a method of adjusting the indentation depth of the indenter (52). However, since the ceiling (C) is not flat at the mine site or tunnel construction site, it is difficult to adjust the indentation depth of the indenter 52, and even if the indentation depth is adjusted, fracture may occur depending on the rock condition. have.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광산이나 터널 등에서 유압 브레이커(20)의 수평방향 타격으로 발생하는 반발력을 지지하기 위한 수직 실린더(50)의 용량을 최적으로 설계하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 구체적으로, 본 발명은 인덴터(52) 주변의 암반이 파괴되는 것을 고려하여 수직 실린더(50)의 용량을 설계하는 방법을 제공하고자 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a method of optimally designing the capacity of the vertical cylinder (50) for supporting the repulsive force generated by the horizontal strike of the hydraulic breaker (20) in the mine or tunnel, etc. Its purpose is to. Specifically, the present invention is to provide a method of designing the capacity of the vertical cylinder 50 in consideration of the destruction of the rock around the indenter 52.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 설계 방법에 사용되는 전단력 저하 계수(dg)를 구하기 위한 압입 전단 시험방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a press-fit shear test method for obtaining the shear force drop coefficient (dg) used in such a design method.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유압실린더의 최적설계 방법은, (a) 유압 브레이커(20)의 수평 방향 암반 타격에 의해 발생하는 반발력을 지지하기 위해 필요한 피드력(Fpn1.0)을 계산하는 단계; (b) 파쇄 장비(100)의 자중으로 발생되는 자체 피드력(Fsfr)을 계산하는 단계; 및, (c) 수직 실린더(50)가 제공해야 하는 추가 피드력을 아래 식으로 계산하는 단계;를 포함한다. In order to achieve the above object, the optimum design method of the hydraulic cylinder according to a preferred embodiment of the present invention, (a) the feed force (Fp) necessary to support the repulsive force generated by the horizontal rock strike of the hydraulic breaker 20 n1.0 ); (b) calculating a self feed force (Fs fr ) generated by the own weight of the crushing equipment (100); And, (c) calculating an additional feed force that the vertical cylinder 50 should provide in the following equation.

수직 실린더(50)에 설치된 인덴터(52)가 암반에 압입된 상태에서 유압 브레이커(20)가 암반을 타격하면 반발력으로 인해 인덴터(52) 주변의 암반이 전단 파괴되어 수직 실린더(50)가 제공하는 피드력이 감소하게 된다. 수직 실린더(50)의 용량은 추가 피드력의 상기 감소를 반영하여 결정된다.When the hydraulic breaker 20 hits the rock while the indenter 52 installed in the vertical cylinder 50 is press-fitted to the rock, the rock around the indenter 52 is sheared and destroyed by the repulsive force, so that the vertical cylinder 50 is The feed force provided is reduced. The capacity of the vertical cylinder 50 is determined to reflect this reduction in the additional feed force.

[식] [expression]

Figure 112018103675588-pat00001
Figure 112018103675588-pat00001

상기 추가 피드력을 발생시키기 위해서 수직 실린더(50)가 암반에 인가하는 하중(Fpadd)은 아래의 식으로 계산될 수 있다. The load Fp add applied to the rock by the vertical cylinder 50 to generate the additional feed force may be calculated by the following equation.

[식][expression]

Figure 112018103675588-pat00002
Figure 112018103675588-pat00002

위 식에서, dg : 전단력 저하 계수In the above formula, dg: shear force drop coefficient

이 때, 전단력 저하 계수(dg)는 0.05 ~ 0.2일 수 있고, 바람직하게는 0.1이다. At this time, the shear force drop coefficient dg may be 0.05 to 0.2, preferably 0.1.

전단력 저하 계수(dg)는 아래의 식으로 계산될 수 있다. The shear force drop coefficient dg can be calculated by the following equation.

[식][expression]

Figure 112018103675588-pat00003
Figure 112018103675588-pat00003

위 식에서,In the above formula,

Fs : 전단 변위(x)가 발생했을 때 수직 실린더(50)가 제공하는 피드력(전단력)Fs: Feed force (shear force) provided by vertical cylinder 50 when shear displacement (x) occurs

Fstarget : 유압 브레이커(20)의 타격이 이루어지기 전에 인덴터(52)가 암반에 삽입된 상태일 때 수직 실린더(50)가 제공하는 피드력(전단력)Fs target : Feed force (shearing force) provided by the vertical cylinder 50 when the indenter 52 is inserted into the rock before the hydraulic breaker 20 is hit

x : 인덴터(52)의 전단 변위(mm)x: shear displacement of the indenter 52 (mm)

상기 전단력 저하 계수(dg)는 인덴터(52)의 암석 압입 전단 시험으로 구할 수 있다. 상기 암석 압입 전단 시험은 암석 시편(1)에 대해 인덴터(52)를 수직으로 가압하여 압입시키되 인덴터(52)의 수직 변위를 고정시킨 상태에서 암석 시편(1) 또는 인덴터(52)를 수평 이동시킨다. The shear force drop coefficient dg can be obtained by a rock indentation shear test of the indenter 52. The rock indentation shear test presses the indenter 52 vertically against the rock specimen 1 and presses the rock specimen 1 or the indenter 52 with the vertical displacement of the indenter 52 fixed. Move horizontally.

한편, 유압 브레이커(20)의 타격으로 암반에 인가된 에너지(Ei) 중에서 암반에 전달된 에너지(Et)의 비율을 et라고 할 때, et는 아래의 식으로 계산될 수 있다. Meanwhile, when the ratio of the energy E t transmitted to the rock among the energy E i applied to the rock by the hitting of the hydraulic breaker 20 is e t , e t may be calculated by the following equation.

[식][expression]

Figure 112018103675588-pat00004
Figure 112018103675588-pat00004

위 식에서, In the above formula,

Figure 112018103675588-pat00005
Figure 112018103675588-pat00005

그리고, 수직 실린더(50)의 직경(dcy)은 아래의 식으로 계산될 수 있다. In addition, the diameter d cy of the vertical cylinder 50 may be calculated by the following equation.

[식][expression]

Figure 112018103675588-pat00006
Figure 112018103675588-pat00006

위 식에서,In the above formula,

dcy : 수직 실린더(50)의 직경, n : 수직 실린더(50)의 개수, d cy : diameter of vertical cylinder 50, n: number of vertical cylinder 50,

P : 유압 브레이커(20)와 수직 실린더(50)에 공급되는 유압P: Hydraulic pressure supplied to the hydraulic breaker 20 and the vertical cylinder 50

Fpadd : 수직 실린더(50)가 인가해야 할 수직하중Fp add : Vertical load that vertical cylinder 50 should apply

본 발명의 다른 측면인 압입 전단 시험방법은 전단력 저하 계수(dg)를 측정하는 시험방법이다. 전단력 저하 계수는 수직 실린더(50)의 상단에 설치된 인덴터(52)가 암반에 압입된 상태에서 유압 브레이커(20)의 수평방향 암반 타격이 이루어질 때 인덴터(52) 주변의 암반이 파쇄됨에 따른 피드력 변화를 계산하기 위한 것이다. Indentation shear test method, another aspect of the present invention is a test method for measuring the shear force drop coefficient (dg). The shear force drop coefficient is due to the fracture of the rock around the indenter 52 when a horizontal rock strike of the hydraulic breaker 20 is made while the indenter 52 installed on the top of the vertical cylinder 50 is pressed into the rock. It is for calculating the change in feed force.

압입 전단 시험방법은, (i) 암반의 시편(1)을 박스 내부에 위치시킨 후, 박스 내부에 수지(3)를 채우고 경화시켜 시편(1)을 고정시키는 단계; (ii) 목표 하중을 인가하여 인덴터(52)를 시편(1)에 압입시킨 후, 수직 변위를 고정시키는 단계; 및, (iii) 박스 또는 인덴터(52)를 수평이동시켜 전단 변위를 발생시키는 단계;를 포함한다. The indentation shear test method comprises the steps of: (i) placing the specimen 1 of the rock into the box, and then filling the resin 3 into the box and curing it to fix the specimen 1; (ii) pressing the indenter 52 into the specimen 1 by applying a target load, and then fixing the vertical displacement; And, (iii) horizontally moving the box or indenter 52 to generate shear displacement.

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.The present invention has the following effects.

첫째, 광산이나 터널 등에서, 소형 파쇄장비(100)에 설치된 유압 브레이커(20)가 수평방향 타격할 때 발생하는 반발력을 지지하기 위한 수직 실린더(50)의 용량을 최적으로 설계할 수 있다. 구체적으로, 인덴터(52) 주변의 암반이 파괴되는 것을 고려하여 수직 실린더(50)의 용량을 설계할 수 있다.First, in the mine or tunnel, it is possible to optimally design the capacity of the vertical cylinder 50 to support the repulsive force generated when the hydraulic breaker 20 installed in the small crushing equipment 100 strikes in the horizontal direction. Specifically, the capacity of the vertical cylinder 50 may be designed in consideration of the destruction of the rock around the indenter 52.

둘째, 이러한 설계 방법에 사용되는 전단력 저하 계수(dg)를 구하기 위한 압입 전단 시험방법을 제공한다. Second, the present invention provides a press-fit shear test method for determining the shear force drop coefficient (dg) used in this design method.

도 1은 통상적인 굴삭기와 소형 광산의 천고를 비교한 도면.
도 2는 소형 파쇄장비를 보여주는 정면도.
도 3은 도 2의 소형 파쇄 장비의 수직 실린더에 설치된 인덴터를 보여주는 정면도.
도 4는 도 2의 소형 파쇄 장비의 수직 실린더와 메인 프레임을 보여주는 사시도.
도 5는 수직 실린더가 광산 천정에 인덴터를 압입한 것을 보여주는 정면도.
도 6(a) ~ 6(b)는 DTH(down-hole hammer)에서 피스톤이 비트를 타격할 때의 에너지 전달을 보여주는 도면.
도 7은 Fpn(피드력을 장비의 필요 피드력으로 나눈 값)과 et(천공 효율. 타격 에너지 중에서 암반에 전달된 에너지의 비율)의 관계를 보여주는 그래프.
도 8은 수직 실린더의 용량을 과다 설계했을 때, 유압 브레이커 용량(x축, Wb)과 수직 실린더 직경(dcy1), 안전율(SF) 및, 천공 효율(et)의 관계를 보여주는 그래프.
도 9는 인덴터 주변의 암반이 파쇄되지 않는다고 가정했을 때, 유압 브레이커 용량(x축, Wb)과 수직 실린더 직경(dcy2), 안전율(SF) 및, 천공 효율(et)의 관계를 보여주는 그래프.
도 10(a) ~ 10(c)는 전단력 저하 계수를 구하기 위한 압입 전단 시험을 순차적으로 보여주는 도면.
도 11은 인덴터 주변의 암반이 파쇄되는 것을 가정했을 때, 유압 브레이커 용량(x축, Wb)과 수직 실린더 직경(dcy3), 안전율(SF) 및, 천공 효율(et)의 관계를 보여주는 그래프.
도 12는 도 8, 9, 11의 수직 실린더 직경(dcy1)(dcy2)(dcy3)을 비교한 그래프. 1 is a view comparing the height of a conventional excavator and a small mine.
Figure 2 is a front view showing a small shredding equipment.
3 is a front view showing an indenter installed in the vertical cylinder of the small shredding equipment of FIG.
4 is a perspective view showing the vertical cylinder and the main frame of the small shredding equipment of FIG.
Fig. 5 is a front view showing that the vertical cylinder presses the indenter into the mine ceiling.
6 (a) to 6 (b) show energy transfer when a piston strikes a bit in a down-hole hammer (DTH).
FIG. 7 is a graph showing the relationship between Fp n (feed force divided by the required feed force of the equipment) and e t (perforation efficiency. Ratio of energy delivered to the rock among the impact energy).
8 is a graph showing the relationship between the hydraulic breaker capacity (x-axis, W b ), the vertical cylinder diameter (d cy1 ), the safety factor (SF), and the drilling efficiency (e t ) when the capacity of the vertical cylinder is overdesigned .
FIG. 9 shows the relationship between the hydraulic breaker capacity (x axis, W b ), the vertical cylinder diameter (d cy2 ), the safety factor (SF), and the drilling efficiency (e t ), assuming that the rock around the indenter is not broken. Showing graph.
10 (a) to 10 (c) are diagrams sequentially showing the indentation shear test for obtaining the shear force drop coefficient.
FIG. 11 shows the relationship between the hydraulic breaker capacity (x axis, W b ), the vertical cylinder diameter (d cy3 ), the safety factor (SF), and the drilling efficiency (e t ), assuming that the rock around the indenter is broken. Showing graph.
12 is a vertical cylinder diameter (d cy1) (d cy2) graph comparing (cy3 d) of Fig. 8, 9 and 11.

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 변형예들이 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 variations.

아울러, 본 발명은 대한민국 특허등록 제1821059호에 개시된 소형 파쇄장비의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 명세서에서는 설명의 중복을 피하기 위해 상기 특허등록공보의 내용을 설명하지는 않겠지만 상기 특허등록공보의 내용은 본 명세서에 모두 포함된다. In addition, the present invention has been proposed to solve the problems of the small shredding device disclosed in the Republic of Korea Patent No. 1821059, in the present specification will not describe the contents of the patent registration publication in order to avoid duplication of description, the patent registration publication The contents of are all included in this specification.

그리고, 본 명세서에서 인용되는 논문 "Li, X., et al., 2000, Analysis of Impact Hammer Rebound to Estimate Rock Drillability, Rock Mech. Rock Engng. (2000) 33(1), pp. 1-13"과, "김광염, 김창용, 김광식, 2008, 균질암반에서의 유압식 천공데이터 평가, 터널과지하공간, 18(6), pp. 480-490."의 내용도, 비록 본 명세서에서 직접 설명하지는 않지만, 본 명세서에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 두 논문은 이 기술 분야의 통상의 기술자라면 용이하게 입수할 수 있을 것이므로 비록 본 명세서에서 직접 설명되지 않더라도 그 내용을 파악하는데 어려움이 없을 것이다. And the article "Li, X., et al., 2000, Analysis of Impact Hammer Rebound to Estimate Rock Drillability, Rock Mech. Rock Engng. (2000) 33 (1), pp. 1-13", cited herein. And, "Kim Kwang-Sam Kim, Chang-Yong Kim, Kwang-Sik Kim, 2008, Hydraulic Drilling Data Evaluation in Homogeneous Rock Mass, Tunnel and Underground Space, 18 (6), pp. 480-490." It is to be understood as included herein. The two papers will be readily available to one of ordinary skill in the art, and although not described directly herein, it will be difficult to grasp the contents.

[관련 이론 설명][Explanation of relevant theory]

도 6은 DTH(down-hole hammer)에서 피스톤이 비트를 타격할 때의 에너지 전달을 보여주는 도면이다. 6 is a diagram showing energy transfer when a piston strikes a bit in a down-hole hammer (DTH).

알려진 바와 같이, DTH는 위에서 떨어지는 피스톤이 비트를 타격함으로써 암반을 파쇄한다. 이 때, 피스톤이 가진 에너지(Ei) 중에서 암반에 전달되는 에너지(Et)의 비율을 et라고 하고 Ei 중에서 리바운드 되는 에너지의 비율을 eh라고 할 때 아래의 식 (1) ~ (3)이 성립한다.As is known, DTH breaks up rock by hitting the bit with a piston falling from above. At this time, the ratio of the energy (E t ) transmitted to the rock among the energy (E i ) of the piston is e t and the ratio of the energy rebound among the E i is e h below Equation (1) ~ ( 3) This holds true.

Figure 112018103675588-pat00007
Figure 112018103675588-pat00007

Figure 112018103675588-pat00008
Figure 112018103675588-pat00008

Figure 112018103675588-pat00009
Figure 112018103675588-pat00009

위 식에서 Ee는 리바운드 되는 에너지를 나타낸다. 그리고, 도 6의 V는 피스톤의 낙하속도를 나타내고, Ve는 피스톤의 리바운드 속도를 나타낸다.Where E e represents the energy rebounded. 6, V represents the falling speed of the piston, and V e represents the rebound speed of the piston.

"Li, X., et al., 2000, Analysis of Impact Hammer Rebound to Estimate Rock Drillability, Rock Mech. Rock Engng. (2000) 33(1), pp. 1-13"는 DTH에서 eh를 도출하는 과정을 설명하였다. 이 도출 과정은 상기 논문을 참조하면 되므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다. "Li, X., et al., 2000, Analysis of Impact Hammer Rebound to Estimate Rock Drillability, Rock Mech. Rock Engng. (2000) 33 (1), pp. 1-13" derives e h from DTH. The process has been explained. This derivation process may be referred to the above paper, and thus description thereof will be omitted.

본 출원인은 상기 과정을 유압 브레이커에 적용하여 eh와 et를 도출하였다. 즉, 유압 브레이커에서 Mb(비트의 무게)와 Mh(피스톤의 무게)의 비(Mb/Mh)는 대략 1.0~1.1 정도이므로 eh는 0.1 ~ 0.3의 값을 갖고 et는 0.7 ~ 0.9의 값을 갖는다. 이것은 일반적인 유압 브레이커가 적절한 범위에서 장비가 가동될 때, 공급되는 유압 에너지 중 70% ~ 90%가 치즐을 통해 암반으로 전달됨을 의미하고 아무리 피드력을 증가시켜도 공급되는 유압 에너지의 90%를 초과해서는 암반에 전달할 수 없다는 것을 의미한다. Applicant applied the above process to a hydraulic breaker to derive e h and e t . That is, in the hydraulic breaker, the ratio of M b (bit weight) and M h (piston weight) (M b / M h ) is about 1.0 to 1.1, so e h has a value of 0.1 to 0.3 and e t is 0.7 Has a value of ˜0.9. This means that 70% to 90% of the hydraulic energy supplied is transmitted through the chisel to the rock when the typical hydraulic breaker is running in the proper range, and no matter how much the feed force is increased, it must not exceed 90% of the hydraulic energy supplied. This means that it cannot be delivered to rock.

한편, 본 명세서에서 '피드력'은 유압 브레이커(20)의 타격으로 인해 발생된 반발력을 지지하기 위한 힘으로서, 장비(100)와 바닥면의 마찰력으로 인한 피드력과, 인덴터(52)와 천정(C) 사이에 발생하는 마찰력으로 인한 피드력이 있다. On the other hand, in the present specification 'feed force' is a force for supporting the repulsion force generated due to the hitting of the hydraulic breaker 20, the feed force due to the friction force of the equipment 100 and the bottom surface, and the indenter 52 and There is a feed force due to the frictional force generated between the ceilings (C).

김광염 등(2008)은 피드력, 타격력 등의 천공장비 유압지표와 천공성능 간의 관계를 실험한 바 있다. 이 실험의 결과는 "김광염, 김창용, 김광식, 2008, 균질암반에서의 유압식 천공데이터 평가, 터널과지하공간, 18(6), pp. 480-490."에 개시되어 있다.Kwang-kwang Kim et al. (2008) tested the relationship between drilling equipment hydraulic index and drilling performance such as feed force and strike force. The results of this experiment are described in "Kim Kwang-Sam Kim, Chang-Yong Kim, Kwang-Sik Kim, 2008, Evaluation of Hydraulic Drilling Data in Homogeneous Rock Mass, Tunnel and Underground Space, 18 (6), pp. 480-490."

상기 실험 결과 중에서 본 특허에서 주목할 만한 것은 피드압(Fp), 타격압(Pp)에 따른 비에너지(SE)와의 관계이다. 이 논문에서 타격 장비의 피드압과 타격압의 비에너지 영향도 관계를 분석하였다.Among the above experimental results, the remarkable thing in this patent is the relationship with specific energy SE according to feed pressure Fp and striking pressure Pp. In this paper, the relationship between the specific energy and the feed pressure of the striking device is analyzed.

본 특허에서는 일정한 타격력이 공급될 때 피드력에 따른 타격 전달에너지를 분석해야 한다. 따라서, 피드압, 타격압에 따른 천공효율 변화량을 조사한 후, 각각의 영향도를 분석하였다. 이 후, 타격압에 의한 효과를 배제하여 순수 피드압에 따른 비에너지 영향도만을 분석하였다. 그 결과는 아래 표와 같다(여기서 천공효율은 비에너지의 역수로 정의하였다.).  In this patent, the blow transmission energy according to the feed force should be analyzed when a constant blow force is supplied. Therefore, after investigating the amount of change in drilling efficiency according to the feed pressure and the blow pressure, each influence degree was analyzed. Thereafter, only the specific energy influence according to the pure feed pressure was analyzed by excluding the effect by the blow pressure. The results are shown in the table below (where the drilling efficiency is defined as the inverse of the specific energy).

Figure 112018103675588-pat00010
Figure 112018103675588-pat00010

파쇄 장비가 수평으로 암반을 파쇄하는 경우, 타격압이 일정하게 작용할 때, 피드압이 0으로 되면 치즐의 타격력은 모두 반발력으로 100% 발산한다. 그러므로, 피드압이 0인 경우 et=0이 된다. 그리고, 위에서 설명한 바와 같이, 결과로부터 et의 최대값은 0.9이다.When the crushing equipment crushes the rock horizontally, when the blow pressure is constant, when the feed pressure is zero, the blow force of the chisel is all diverged 100% with the repulsive force. Therefore, e t = 0 when the feed pressure is zero. And, as explained above, the maximum value of e t is 0.9 from the result.

이 사실을 바탕으로 Fp와 et의 관계는 원점을 지나면서 Fp가 최대치일 때 0.9로 수렴하는 다항 스텝 함수임을 알 수 있다. 천공작업시 타격압이 일정할 때 피드력에 따른 천공 효율 효과를 추출한 후 이를 백분율 관계로 정규화시켰다. 그리고, 그 결과를 그래프로 도시하면 도 7과 같다. 이 때, 그래프의 수식은 식 (4)로 표현된다.Based on this fact, we can see that the relationship between Fp and e t is a polynomial step function that converges to 0.9 when Fp is at its maximum through the origin. When the punching pressure was constant during the drilling, the drilling efficiency effect according to the feed force was extracted and normalized to a percentage relationship. And, the results are shown in a graph as shown in FIG. At this time, the equation of the graph is expressed by equation (4).

Figure 112018103675588-pat00011
Figure 112018103675588-pat00011

식 (4)에서, In equation (4),

Figure 112018103675588-pat00012
Figure 112018103675588-pat00012

Fp : 피드력(파쇄장비와 수직 실린더가 인가하는 피드력)Fp: Feed force (feed force applied by crushing equipment and vertical cylinder)

Fsfr : 장비 자중으로 인한 피드력(마찰력)Fs fr : Feed force due to equipment weight (friction force)

Fpadd : 수직 실린더가 인가하는 수직 하중Fp add : Vertical load applied by vertical cylinder

dg : 전단력 저하 계수dg: shear force drop coefficient

Fpn1.0 : 장비의 필요 피드력(권장되는 최대 피드력). 장비가 반발력을 지지하면서 파쇄작업을 하기 위해 필요한 피드력으로서, 유압 브레이커 용량의 대략 50%임.Fp n1.0 : Required feed force of the equipment (maximum recommended feed force). Feed force required for crushing while the machine supports repulsion, approximately 50% of hydraulic breaker capacity.

위 식(4)는 최대 권장 피드압 이상이 제공되더라도 타격 전단효율인 et는 0.9를 초과할 수 없다는 것을 보여준다. Equation (4) shows that the striking shear efficiency e t cannot exceed 0.9 even if the maximum recommended feed pressure is provided.

여기서, Fpn은 피드압의 안전율(SF)로 정의될 수 있다. SF수치는 파쇄 장비(100)와 수직 실린더(50)가 제공하는 피드력이 권장 피드압(Fpn1.0)에 얼마나 충족되는지 나타내주는 지표로 활용되고, 1 이상의 값을 갖는 것이 바람직하다.Here, Fp n may be defined as the safety factor SF of the feed pressure. The SF value is used as an index indicating how the feed force provided by the crushing equipment 100 and the vertical cylinder 50 satisfies the recommended feed pressure Fp n1.0 , and preferably has a value of 1 or more.

[수직 실린더의 기존 설계 방법 1][Existing Design Method of Vertical Cylinders 1]

소형 파쇄장비(100)의 수직 실린더(50)를 설계하는 기존의 방법은 아래와 같다. The existing method of designing the vertical cylinder 50 of the small shredding equipment 100 is as follows.

먼저, 소형 파쇄장비(100)의 중량과, 유압 브레이커(20)의 용량 및, 공급 유압(P)이 정해지면 장비(100)의 필요 피드력(Fpn1.0, 본 명세서에서는 유압 브레이커 용량의 대략 50%로 계산함), 장비 자중에 의한 자체 피드력(Fsfr, 마찰력), 피드력 만족비율(SF=Fsfr/Fpn1.0), 천공 효율(et)을 계산한다. 아래의 표 2에 나타난 바와 같이, 자체 피드력(Fsfr)에 의한 천공 효율(et)이 모두 0.9 보다 작으므로 천공 효율을 높이기 위해서 피드력을 추가적으로 공급해야 함을 알 수 있다. First, the weight of the small shredding equipment 100, the capacity of the hydraulic breaker 20, and the supply hydraulic pressure (P) is determined, the required feed force (Fp n1.0 ) of the equipment 100, in the present specification of the hydraulic breaker capacity Calculate approximately 50%), its own feed force (Fs fr , frictional force) due to its own weight, feed force satisfaction ratio (SF = Fs fr / Fp n1.0 ), and drilling efficiency (e t ). As shown in Table 2 below, since the drilling efficiency (e t ) by the self-feeding force (Fs fr ) are all less than 0.9, it can be seen that the feed force must be additionally supplied to increase the drilling efficiency.

수직 실린더(50)의 직경을 6cm이고 수직 실린더(50)가 4개라고 가정하면, 수직 실린더(50)에 공급되는 유압이 100kg/cm2이므로 4개의 수직 실린더(50)가 인가하는 하중은 11.3ton이 된다. 그리고, 인덴터 계수(μi, 인덴터의 마찰 계수)를 실험적으로 구하면 대략 0.8~1.0인데, 여기서는 0.9라고 하면 4개의 수직 실린더(50)에 의해서 공급되는 추가 피드력은 μi×1.3ton=10.17ton이 된다. 한편, 수직 실린더(50)의 직경은 유압이 공급되는 실린더 내부 공간의 직경을 의미한다. 따라서, 유압과 상기 직경을 알면 수직 실린더(50)가 제공하는 수직 하중을 계산할 수 있다. Assuming that the diameter of the vertical cylinder 50 is 6 cm and the number of the vertical cylinders 50 is 4, since the hydraulic pressure supplied to the vertical cylinders 50 is 100 kg / cm 2 , the load applied by the four vertical cylinders 50 is 11.3. ton. When the indenter coefficient (μ i , the coefficient of friction of the indenter) is experimentally obtained, approximately 0.8 to 1.0, and here 0.9, the additional feed force supplied by the four vertical cylinders 50 is μ i × 1.3 ton = 10.17ton On the other hand, the diameter of the vertical cylinder 50 means the diameter of the cylinder inner space is supplied with hydraulic pressure. Therefore, knowing the hydraulic pressure and the diameter can calculate the vertical load provided by the vertical cylinder (50).

한편, 수직 실린더(50)가 수직 하중을 천정(C)에 인가하면 장비(100)와 바닥면 사이의 마찰력이 증가하게 되지만, 본 명세서에서는 이를 무시하기로 한다. On the other hand, when the vertical cylinder 50 applies a vertical load to the ceiling (C) will increase the friction force between the equipment 100 and the bottom surface, it will be ignored herein.

총 피드력(총 전단력)은 자체 피드력과 추가 피드력의 합이므로, 11.77ton이 된다. 그리고, 피드력 만족비율(SF)은 총 피드력을 필요 피드력으로 나눈 값이므로, 유압 브레이커(20)의 용량이 8ton일 때 SF는 2.94가 되고, 이에 따라 천공 효율(et)은 0.9가 된다. 유압 브레이커(20)의 용량이 8ton ~ 20ton일 때는 SF가 1을 초과한다. 이는 식 (4)를 고려할 때 수직 실린더(50)의 피드력이 불필요하게 많이 공급되는 것을 의미하는 것으로서, 수직 실린더(50)가 과대 설계되었다는 것을 의미한다. The total feed force (total shear force) is 11.77 tons since it is the sum of the self and additional feed forces. In addition, since the feed force satisfaction ratio SF is a value obtained by dividing the total feed force by the required feed force, SF becomes 2.94 when the capacity of the hydraulic breaker 20 is 8 tons , and thus the drilling efficiency e t is 0.9. do. SF exceeds 1 when the capacity of the hydraulic breaker 20 is 8 to 20 tons. This means that the feed force of the vertical cylinder 50 is unnecessarily supplied when the equation (4) is considered, which means that the vertical cylinder 50 is overdesigned.

한편, 유압 브레이커(20)의 용량이 30ton일 때는 SF가 1 미만인데, 이는 식 (4)를 고려할 때 수직 실린더(50)의 피드력이 과소 공급되는 것을 의미하는 것으로서 수직 실린더(50)가 과소 설계되었다는 것을 의미한다. On the other hand, when the capacity of the hydraulic breaker 20 is 30ton, SF is less than 1, which means that the feed force of the vertical cylinder 50 is under-supplied in consideration of Equation (4). It means it was designed.

도 8은 유압 브레이커(20)의 용량(Wb)에 따른 수직 실린더(50)의 직경(dcy1), 피드력 만족비율(SF), 및 천공 효율(et)을 그래프로 나타낸 것이다. 도면에 나타난 바와 같이, 유압 브레이커의 용량(Wb)이 30ton일 때는 SF가 1 미만이고 천공 효율(et)이 0.9 보다 작으므로 바람직하지 않고 유압 브레이커의 용량(Wb)이 8ton ~ 20ton일 때는 SF가 1을 초과하므로 바람직하지 않다. FIG. 8 graphically shows the diameter d cy1 , the feed force satisfaction ratio SF, and the drilling efficiency e t of the vertical cylinder 50 according to the capacity W b of the hydraulic breaker 20. As shown in the figure, when the capacity of the hydraulic breaker (W b ) is 30ton, SF is less than 1 and the drilling efficiency (e t ) is less than 0.9, which is not preferable.When the capacity of the hydraulic breaker (Wb) is 8ton to 20ton, It is not preferable because SF exceeds 1.

Figure 112018103675588-pat00013
Figure 112018103675588-pat00013

[수직 실린더 기존 설계 방법 2][Vertical Cylinder Conventional Design Method 2]

소형 파쇄장비(100)의 수직 실린더(50)를 설계하는 기존의 또 다른 방법은 아래와 같다. 이 방법은 인덴터(52)에 인한 암반 파쇄가 없다는 전제하에 이루어지는 것이다. Another existing method of designing the vertical cylinder 50 of the small shredding equipment 100 is as follows. This method is performed on the premise that there is no rock fracture by the indenter 52.

먼저, 소형 파쇄장비(100)의 중량과, 유압 브레이커(20)의 용량 및, 공급 유압(P)이 정해지면 장비(100)의 필요 피드력(Fpn1 .0, 본 명세서에서는 유압 브레이커 용량의 대략 50%로 계산함), 장비 자중에 의한 자체 피드력(Fsfr, 마찰력), 피드력 만족비율(SF=Fsfr/Fpn1.0), 천공 효율(et)을 계산한다. 이 계산 과정은 '수직 실린더의 기존 설계 방법 1'과 동일하다. First, a small crushing equipment 100, and the weight, capacity, and the supply oil pressure (P) is determined when the feed force is required of the equipment 100 of the hydraulic breaker (20) (Fp n1 .0, in this specification, a hydraulic breaker capacity Calculate approximately 50%), its own feed force (Fs fr , frictional force) due to its own weight, feed force satisfaction ratio (SF = Fs fr / Fp n1.0 ), and drilling efficiency (e t ). This calculation process is the same as in the conventional design method of vertical cylinders.

아래의 표 3에 나타난 바와 같이, 자체 피드력(Fsfr)에 의한 천공 효율(et)이 모두 0.9 보다 작으므로 천공 효율을 높이기 위해서 피드력을 추가적으로 공급해야 함을 알 수 있다. As shown in Table 3 below, since the drilling efficiency (e t ) by the self-feeding force (Fs fr ) are all less than 0.9, it can be seen that the feed force must be additionally supplied to increase the drilling efficiency.

아래의 식 (6)~(8)을 이용하여 수직 실린더(50)가 인가해야 하는 수직 하중과, 수직 실린더(50)의 직경 및, 추가 피드력을 계산한다. Using the following equations (6) to (8), the vertical load that the vertical cylinder 50 should apply, the diameter of the vertical cylinder 50, and the additional feed force are calculated.

Figure 112018103675588-pat00014
Figure 112018103675588-pat00014

Figure 112018103675588-pat00015
Figure 112018103675588-pat00015

Figure 112018103675588-pat00016
Figure 112018103675588-pat00016

위 식에서, In the above formula,

Fpadd : 수직 실린더가 인가하는 수직 하중Fp add : Vertical load applied by vertical cylinder

Fpn1.0 : 장비의 필요 피드력(권장되는 최대 피드력). 장비가 반발력을 지지하면서 파쇄작업을 하기 위해 필요한 피드력으로서, 유압 브레이커 용량의 대략 50%임.Fp n1.0 : Required feed force of the equipment (maximum recommended feed force). Feed force required for crushing while the machine supports repulsion, approximately 50% of hydraulic breaker capacity.

Fsfr : 장비 자중으로 인한 피드력(마찰력)Fs fr : Feed force due to equipment weight (friction force)

μi : 인덴터의 마찰 계수(대략 0.8~1인데, 표 3에서는 μi=0.9로 계산함)μ i : coefficient of friction of the indenter (approximately 0.8 to 1, calculated as μ i = 0.9 in Table 3)

dcy : 수직 실린더의 직경d cy : diameter of vertical cylinder

n : 수직 실린더의 개수n: number of vertical cylinders

P : 유압 브레이커와 수직 실린더에 공급되는 유압.P: Hydraulic supplied to hydraulic breaker and vertical cylinder.

총 피드력(총 전단력)은 자체 피드력과 추가 피드력의 합이므로, 유압 브레이커(20)의 용량이 8ton일 때 4ton이 된다. 그리고, 피드력 만족비율(SF)은 총 피드력을 필요 피드력으로 나눈 값이므로, 유압 브레이커의 용량이 8ton일 때 SF는 1.0이 되고, 이에 따라 천공 효율(et)은 0.9가 된다. 유압 브레이커의 용량이 10ton ~ 30ton일 때도 SF는 1.0이 되고 천공 효율(et)은 0.9가 된다. 이 계산 결과는 표 3과 도 9에 도시되어 있다. Since the total feed force (total shear force) is the sum of its own feed force and the additional feed force, it becomes 4 ton when the capacity of the hydraulic breaker 20 is 8 tons. In addition, since the feed force satisfaction ratio SF is a value obtained by dividing the total feed force by the required feed force, SF is 1.0 when the capacity of the hydraulic breaker is 8 tons , and thus the drilling efficiency e t is 0.9. Even when the hydraulic breaker has a capacity of 10 to 30 tons, SF is 1.0 and the drilling efficiency (e t ) is 0.9. The results of this calculation are shown in Table 3 and FIG.

만약, 인덴터(52) 주변의 암반이 파쇄되지 않는다면 이 계산 결과에 따라 수직 실린더(50)를 설계하면 되지만, 인덴터(52) 주변의 암반이 파쇄되는 경우에는 수직 실린더(50)가 인가하는 추가 피드력이 급격히 감소되므로 바람직하지 않다. 따라서, 인덴터(52) 주변의 암반이 파쇄되는 것을 고려한 설계 방법이 필요하다. 이를 아래에서 설명하기로 한다. If the rock around the indenter 52 is not broken, the vertical cylinder 50 may be designed according to the calculation result. However, when the rock around the indenter 52 is broken, the vertical cylinder 50 is applied. This is undesirable because the additional feed force is drastically reduced. Therefore, there is a need for a design method that takes into account the fracture of the rock around the indenter 52. This will be described below.

Figure 112018103675588-pat00017
Figure 112018103675588-pat00017

[전단력 저하 계수를 구하기 위한 압입 전단 시험][Indentation Shear Test to Obtain Shear Reduction Factor]

(1) 압입 전단 시험의 개요(1) Summary of indentation shear test

본 출원인은 광산 파쇄장비의 반발력(리바운드)과, 이에 수반하는 전단변위로 인한 피드력(전단 저항력)의 감소량을 정량적으로 규명하기 위해서 인덴터의 압입-전단시험을 고안하였다. 도 10(a) ~ 10(c)는 압입-전단시험을 순차적으로 보여준다. The applicant has devised an indentation-shear test of the indenter to quantitatively identify the amount of repulsion of the mine crushing equipment (rebound) and the reduction of the feed force (shear resistance) due to the shear displacement. 10 (a) to 10 (c) show the indentation-shear test sequentially.

압입-전단시험의 순서는 아래와 같다. The procedure of the indentation-shear test is as follows.

먼저, 암반의 시편(1)을 박스(도면에 미도시) 내부에 위치시킨 후, 박스 내부에 수지(3) 또는 콘크리트를 채우고 경화시켜 시편(1)을 고정한다. 그리고, 고정 장치(5)를 이용하여 인덴터(52)를 고정한다. 고정 장치(5)로는 각종 공구 등을 고정시키는 공지의 고정 수단이 사용될 수 있는데, 이 고정 수단은 시중에서 용이하게 구입할 수 있으므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다. 도 10(a)는 시험 준비가 완료된 것을 보여준다. First, the specimen 1 of the rock is placed inside a box (not shown in the figure), and then the resin 3 or concrete is filled in the box and cured to fix the specimen 1. Then, the indenter 52 is fixed using the fixing device 5. As the fixing device 5, a known fixing means for fixing various tools or the like can be used. Since the fixing means can be easily purchased on the market, a description thereof will be omitted. 10 (a) shows that the test preparation is completed.

이어서, 도 10(b)에 나타난 바와 같이, 프레스(도면에 미도시) 등을 이용하여 목표 하중을 인가하여 인덴터(52)를 시편(1)에 압입시킨 후, 수직 변위를 고정시킨다. Subsequently, as shown in FIG. 10 (b), the indenter 52 is pressed into the specimen 1 by applying a target load using a press (not shown in the drawing) or the like, and then the vertical displacement is fixed.

다음으로, 도 10(c)에 나타난 바와 같이, 전단 속도를 설정(입력)하고 시편(1)을 수평 방향(도 10(c)의 화살표 방향)으로 이동시켜서 전단 변위를 발생시킨다. 시편(1)을 이동시키는 동안에 전단 변위, 전단 변위 속도, 전단 하중, 수직 하중, 시편의 파손 부피 등을 측정한다. Next, as shown in Fig. 10 (c), the shear velocity is set (input) and the specimen 1 is moved in the horizontal direction (arrow direction in Fig. 10 (c)) to generate shear displacement. Shear displacement, shear displacement velocity, shear load, vertical load, breakage volume of the specimen, etc. are measured during the movement of the specimen (1).

그리고, 원하는 전단 변위에 도달하면 시험을 종료한다.The test is terminated when the desired shear displacement is reached.

(2) 시험 계획(2) test plan

압입 전단 시험을 아래와 같이 계획하였다. 3요인+4수준에서 직교 배열을 이용하여 실험을 설계하였다. The indentation shear test was planned as follows. Experiments were designed using orthogonal arrays at the 3-factor + 4 level.

요인 : 수직 하중(Normal Load, 압입 깊이), 전단 속도(Shearing rate), 암석의 일축압축강도(UCS)Factors: Normal Load (Normal Load), Shearing Rate, Uniaxial Compressive Strength of Rock (UCS)

수직하중 : 8 tonf의 25%, 50%, 75%, 100% (2, 4, 6, 8 tonf)Vertical load: 25%, 50%, 75%, 100% of 8 tonf (2, 4, 6, 8 tonf)

전단 속도 : 200 mm/min, 400 mm/min, 600 mm/min, 800 mm/minShear Speed: 200 mm / min, 400 mm / min, 600 mm / min, 800 mm / min

일축압축강도 : 24 MPa, 38 MPa, 72 MPa, 187 MPaUniaxial Compressive Strength: 24 MPa, 38 MPa, 72 MPa, 187 MPa

- 요인별 실험 수준 -Experimental level by factor

Figure 112018103675588-pat00018
Figure 112018103675588-pat00018

- 실험계획 (DOE)Experimental Design (DOE)

Figure 112018103675588-pat00019
Figure 112018103675588-pat00019

- 암석시편 거치 후 수직 방향 액츄에이터를 하강시켜 목표 수직하중까지 재하하였다.-After mounting the rock specimen, the vertical actuator was lowered and loaded to the target vertical load.

(3) 시험 결과 및 분석(유효인자 추출)(3) Test result and analysis (effective factor extraction)

결과 데이터는 최대 수직력, 전단 강성, 잔류 수직력, 최대 마찰각, 잔류 마찰각으로 4종류를 수집하였다. Four types of results data were collected: maximum vertical force, shear stiffness, residual vertical force, maximum friction angle, and residual friction angle.

Figure 112018103675588-pat00020
Figure 112018103675588-pat00020

-시험 결과의 주효과도 분석Analysis of main effects of test results

3개의 인자가 4개의 출력값에 미치는 영향을 분석하기 위해 아래의 표 7에서 주효과도를 분석하였다. 그 결과, 수직 하중과 암석 강도가 주된 인자이고, 전단변위는 상대적으로 영향도가 낮은 인자라는 사실을 규명하였다. 이는 암석 강도에 맞춰 초기 수직 하중을 결정하는 것이 인덴터 압입 설계시 가장 중요하다는 것을 의미한다.In order to analyze the effect of three factors on four output values, the main effect diagram is analyzed in Table 7 below. As a result, it was found that the vertical load and rock strength were the main factors, and the shear displacement was a relatively low influence factor. This means that determining the initial vertical load according to rock strength is of paramount importance in the design of indenter indentation.

Figure 112018103675588-pat00021
Figure 112018103675588-pat00021

(4) 수직력, 전단력 저하 예측(4) prediction of vertical force and shear force

본 발명에서는 전단력 저하비율 계수(dg)를 실험으로 조사하였다. 그 결과, 대부분의 전단력 저하 양상을 음(-)의 지수 함수로 회귀할 수 있었는데, 구체적인 함수는 식 9와 같다. 식 9에 따르면, 전단력은 전단 변위 5mm에서 50%의 감소, 10mm 이상에서 80%의 감소가 발생하고, 40 mm 이상에서 90% 이상 감소하게 된다. In the present invention, the shear force reduction ratio coefficient (dg) was investigated experimentally. As a result, most of the shear force reductions were regressed to the negative exponential function. According to Equation 9, the shear force is reduced by 50% at a shear displacement of 5 mm, a decrease of 80% at 10 mm or more, and a reduction of 90% or more at 40 mm or more.

Figure 112018103675588-pat00022
Figure 112018103675588-pat00022

위 식에서,In the above formula,

Fs : 전단 변위(x)가 발생했을 때 수직 실린더가 제공하는 피드력(전단력)Fs: Feed force (shear force) provided by the vertical cylinder when shear displacement (x) occurs

Fstarget : 유압 브레이커의 타격이 이루어지기 전에 인덴터가 암반에 삽입된 상태일 때 수직 실린더가 제공하는 피드력(전단력)Fs target : Feed force (shear force) provided by the vertical cylinder when the indenter is inserted into the rock before hitting the hydraulic breaker

x : 인덴터의 전단 변위(mm)x: shear displacement of indenter (mm)

일반적으로 유압 브레이커의 분당 타격수(B.P.M.)가 400~900이고, 초당 타격수(Hz=B.P.S.)가 대략 7~15이다. 암석의 1회당 0.01mm씩 리바운드가 발생하고, B.P.S.가 10이라고 가정하면 0.1 mm/s의 전단속도가 발생하게 된다. 그렇다면, 50초 내에 전단력이 50%로 감소하고, 200초에 80%, 300초에 90%의 전단력이 소실될 것으로 가정할 수 있다.In general, the hydraulic breaker has a blow per minute (B.P.M.) of 400 to 900, and the blow per second (Hz = B.P.S.) is approximately 7 to 15. If a rebound occurs by 0.01 mm per rock and B.P.S. is 10, a shear rate of 0.1 mm / s occurs. If so, it can be assumed that the shear force is reduced to 50% within 50 seconds, and 80% at 200 seconds and 90% at 300 seconds will be lost.

(5) 전단력 저하(shear resistance degradation) 고려한 최적 설계방법(5) Optimal design method considering shear resistance degradation

광산이나 암반 굴착 작업시 1 cycle의 작업 시간(파쇄 장비가 위치를 고정한 상태에서 암반 파쇄 시작부터 파쇄 완료할 때까지 걸리는 시간)은 통상적으로 5분을 초과하므로, 본 발명에서는 평균 소실율을 90%로 가정하여, 전단력 저하계수(dg)를 0.1로 결정하였다. 하지만, 1 cycle의 작업 시간에 따라서는 전단력 저하계수(dg)를 0.05~0.2로 결정할 수도 있다.In the case of mining or rock excavation work, the working time of 1 cycle (the time from the start of rock crushing to completion of crushing with the crushing equipment fixed position) is usually more than 5 minutes. Assuming, the shear force reduction coefficient (dg) was determined to be 0.1. However, depending on the working time of 1 cycle, the shear force drop coefficient (dg) may be determined to be 0.05 to 0.2.

따라서, 식 (6), (8)은 아래와 같이 된다. Therefore, equations (6) and (8) become as follows.

Figure 112018103675588-pat00023
Figure 112018103675588-pat00023

식 (10), (11)과 식 (7)을 이용하여 추가 피드력, 수직 실린더의 직경, 피드력 만족비율(SF), 천공 효율(et) 등을 계산하면 표 8과 같고, 이를 그래프로 도시하면 도 11과 같다. Using the equations (10), (11) and (7), the additional feed force, diameter of the vertical cylinder, feed force satisfaction ratio (SF), and drilling efficiency (e t ) are calculated as shown in Table 8, and the graph As shown in FIG. 11.

표 8 및 도 11에 나타난 바와 같이, 8~30ton 유압 브레이커에 대해 피드력 만족비율(SF)이 모두 1.0이고 천공 효율(et)이 모두 0.9임을 알 수 있다. 이러한 피드력 만족비율(SF)과 천공 효율(et)은 수직 실린더의 용량이 인덴터 주변 암석의 파쇄를 고려하여 최적으로 설계되었음을 보여준다. As shown in Table 8 and FIG. 11, it can be seen that the feed force satisfaction ratio SF is all 1.0 and the drilling efficiency e t is 0.9 for the 8 to 30 ton hydraulic breaker. The feed force satisfaction ratio (SF) and the drilling efficiency (e t ) show that the capacity of the vertical cylinder is optimally designed in consideration of the fracture of the rock around the indenter.

그리고, 도 12는 도 8, 9, 11의 수직 실린더 직경(dcy1)(dcy2)(dcy3)을 비교하여 보여준다. And, Figure 12 shows in comparison the vertical cylinder diameter (d cy1) (d cy2) (d cy3) of Fig. 8, 9 and 11.

Figure 112018103675588-pat00024
Figure 112018103675588-pat00024

1 : 암석 시편 3 : 수지
5 : 시편 고정장치 10 : 메인 프레임
20 : 유압 브레이커 30 : 버켓
40 : 컨베이어 50 : 수직 실린더
52 : 인덴터 52a : 인덴터의 뾰족한 부분
52b : 인덴터의 나사부 70 : 무한궤도
100 : 소형 파쇄장비 1: rock specimen 3: resin
5: Specimen fixing device 10: Main frame
20: hydraulic breaker 30: bucket
40: conveyor 50: vertical cylinder
52: indenter 52a: sharp part of the indenter
52b: thread of the indenter 70: caterpillar
100: small shredding equipment

Claims (9)

(a) 유압 브레이커의 수평 방향 암반 타격에 의해 발생하는 반발력을 지지하기 위해 필요한 피드력(Fpn1.0)을 계산하는 단계;
(b) 파쇄 장비의 자중으로 발생되는 자체 피드력(Fsfr)을 계산하는 단계; 및,
(c) 수직 실린더가 제공해야 하는 추가 피드력을 아래 식 1로 계산하는 단계;를 포함하고,
수직 실린더에 설치된 인덴터가 암반에 압입된 상태에서 유압 브레이커가 암반을 타격하고, 상기 타격에 의한 반발력으로 인해 인덴터 주변의 암반이 전단 파괴되어 수직 실린더가 제공하는 피드력이 감소하게 되며,
수직 실린더의 용량은 추가 피드력의 상기 감소를 반영하여 결정되고,
상기 추가 피드력을 발생시키기 위해서 수직 실린더가 암반에 인가하는 하중(Fpadd)이 아래의 식 2로 계산되는 것을 특징으로 하는, 유압실린더의 최적설계 방법.
[식 1]
Figure 112019079482756-pat00025

[식 2]
Figure 112019079482756-pat00044

위 식에서,
dg : 전단력 저하 계수(a) calculating a feed force Fp n1.0 necessary to support the repulsive force generated by the horizontal rock strike of the hydraulic breaker;
(b) calculating a self feed force (Fs fr ) generated by the self-weight of the shredding equipment; And,
(c) calculating the additional feed force that the vertical cylinder must provide by Equation 1 below;
The hydraulic breaker strikes the rock while the indenter installed in the vertical cylinder is pressed into the rock, and the rock force around the indenter is sheared by the repulsive force caused by the hit, thereby reducing the feed force provided by the vertical cylinder.
The capacity of the vertical cylinder is determined to reflect this reduction in the additional feed force,
The load Fp add the vertical cylinder is applied to the rock in order to generate the additional feed force is characterized in that calculated by the following equation 2, the optimum design method of the hydraulic cylinder.
[Equation 1]
Figure 112019079482756-pat00025

[Equation 2]
Figure 112019079482756-pat00044

In the above formula,
dg: shear force drop coefficient 삭제delete 제1항에 있어서,
전단력 저하 계수는 0.05 ~ 0.2인 것을 특징으로 하는, 유압실린더의 최적설계 방법. The method of claim 1,
The shear force reduction coefficient is 0.05 ~ 0.2, characterized in that the optimum design method of the hydraulic cylinder. 제1항에 있어서,
전단력 저하 계수는 아래의 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 유압실린더의 최적설계 방법.
[식]
Figure 112019079482756-pat00027

위 식에서,
Fs : 전단 변위(x)가 발생했을 때 수직 실린더가 제공하는 피드력(전단력)
Fstarget : 유압 브레이커의 타격이 이루어지기 전에 인덴터가 암반에 삽입된 상태일 때 수직 실린더가 제공하는 피드력(전단력)
x : 인덴터의 전단 변위(mm)The method of claim 1,
The shear force drop coefficient is calculated by the following equation, the optimal design method of the hydraulic cylinder.
[expression]
Figure 112019079482756-pat00027

In the above formula,
Fs: Feed force (shear force) provided by the vertical cylinder when shear displacement (x) occurs
Fs target : Feed force (shear force) provided by the vertical cylinder when the indenter is inserted into the rock before hitting the hydraulic breaker
x: shear displacement of indenter (mm) 제3항에 있어서,
상기 전단력 저하 계수는 인덴터의 암석 압입 전단 시험으로 구하고,
상기 암석 압입 전단 시험은,
암석 시편에 대해 인덴터를 수직으로 가압하여 압입시키되 인덴터의 수직 변위를 고정시킨 상태에서 암석 시편 또는 인덴터를 수평 이동하여 전단 변위에 따른 수직하중 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는, 유압실린더의 최적설계 방법. The method of claim 3,
The shear force drop coefficient is obtained by the rock indentation shear test of the indenter,
The rock indentation shear test,
Pressing the indenter vertically against the rock specimen, but the horizontal displacement of the rock specimen or indenter while the vertical displacement of the indenter is fixed to measure the vertical load change according to the shear displacement of the hydraulic cylinder, Optimal design method. 제1항에 있어서,
유압 브레이커의 타격으로 암반에 인가된 에너지(Ei) 중에서 암반에 전달된 에너지(Et)의 비율을 et라고 할 때, et는 아래의 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 유압실린더의 최적설계 방법.
[식]
Figure 112019079482756-pat00028

위 식에서,
Figure 112019079482756-pat00029
The method of claim 1,
When the ratio of the energy E t transmitted to the rock among the energy E i applied to the rock by the strike of the hydraulic breaker is e t , e t is calculated by the following equation. Optimal design method.
[expression]
Figure 112019079482756-pat00028

In the above formula,
Figure 112019079482756-pat00029
 제1항, 제3항, 제4항, 제5항 및 제6항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
수직 실린더의 직경(dcy)이 아래의 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 유압실린더의 최적설계 방법.
[식]
Figure 112019079482756-pat00030

위 식에서,
n : 수직 실린더의 개수,
P : 유압 브레이커와 수직 실린더에 공급되는 유압
Fpadd : 수직 실린더가 인가해야 할 수직하중The method according to any one of claims 1, 3, 4, 5 and 6,
Optimum design method of a hydraulic cylinder, characterized in that the diameter ( cy ) of the vertical cylinder is calculated by the following equation.
[expression]
Figure 112019079482756-pat00030

In the above formula,
n: number of vertical cylinders,
P: hydraulic pressure supplied to hydraulic breaker and vertical cylinder
Fp add : Vertical load that vertical cylinder should apply 전단력 저하 계수(dg)를 측정하는 시험방법이고, 전단력 저하 계수는 수직 실린더의 상단에 설치된 인덴터가 암반에 압입된 상태에서 유압 브레이커의 수평방향 암반 타격이 이루어질 때 인덴터 주변의 암반이 파쇄됨에 따른 피드력 변화를 계산하기 위한 것이며,
(i) 암반의 시편을 고정시키는 단계;
(ii) 목표 하중을 인가하여 인덴터를 시편에 압입시킨 후, 수직 변위를 고정시키는 단계; 및,
(iii) 시편 또는 인덴터를 수평이동시켜 전단 변위를 발생시키는 단계;를 포함하고,
전단력 저하 계수(dg)는 아래 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 압입 전단 시험방법.
[식]
Figure 112018103675588-pat00031

위 식에서,
Fs : 전단 변위(x)가 발생했을 때 수직 실린더가 제공하는 피드력(전단력)
Fstarget : 유압 브레이커의 타격이 이루어지기 전에 인덴터가 암반에 삽입된 상태일 때 수직 실린더가 제공하는 피드력(전단력)
x : 인덴터의 전단 변위(mm)It is a test method to measure the shear force drop coefficient (dg), and the shear force drop coefficient is because the rock around the indenter is broken when the rock breaker in the horizontal breaker of the hydraulic breaker is pressed while the indenter installed on the top of the vertical cylinder is pressed into the rock. To calculate the change in feed force
(i) fixing the specimen of the rock;
(ii) pressing the indenter into the specimen by applying a target load and then fixing the vertical displacement; And,
(iii) horizontally moving the specimen or indenter to generate shear displacement;
The shear force drop coefficient (dg) is a press-fit shear test method, characterized in that:
[expression]
Figure 112018103675588-pat00031

In the above formula,
Fs: Feed force (shear force) provided by the vertical cylinder when a shear displacement (x) occurs
Fs target : Feed force (shear force) provided by the vertical cylinder when the indenter is inserted into the rock before the hydraulic breaker strikes
x: shear displacement of indenter (mm) 제8항에 있어서,
전단력 저하 계수(dg)는 0.05 ~ 0.2인 것을 특징으로 하는 압입 전단 시험방법. The method of claim 8,
The shear force drop coefficient (dg) is indentation shear test method, characterized in that 0.05 ~ 0.2.
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