KR102374550B1 - 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법 - Google Patents
언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법 Download PDFInfo
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Abstract
언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예로서 암석 절삭 시험 장치는, 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 상부에 구비되고 시편이 고정된 시편 고정부를 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향과 수직된 제 2 방향으로 이동시키는 시편 이동부, 상기 디스크 커터의 수직방향에서의 위치를 설정하는 수직이동 제어부 및 상기 디스크 커터의 회전속도를 제어하는 회전 제어부를 포함하는 메인 유닛과, 상기 디스크 커터의 회전축이 삽입되는 커터 결합공을 구비하는 커터 체결부와, 상기 메인 유닛에 연결되고 상기 커터 체결부를 상기 메인 유닛에 대해 고정하는 커터 고정부와, 상기 메인 유닛에 결합되고, 상기 디스크 커터에 의해 상기 시편이 절삭될 때 상기 디스크 커터에 작용하는 3분력을 측정하는 로드셀 및 상기 커터 고정부와 상기 로드셀 사이에 구비되고, 상기 회전 제어부의 제어에 따라 구동되어 상기 디스크 커터를 상기 회전축을 중심으로 하여 회전시키는 회전구동부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예로서 암석 절삭 시험 장치는, 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 상부에 구비되고 시편이 고정된 시편 고정부를 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향과 수직된 제 2 방향으로 이동시키는 시편 이동부, 상기 디스크 커터의 수직방향에서의 위치를 설정하는 수직이동 제어부 및 상기 디스크 커터의 회전속도를 제어하는 회전 제어부를 포함하는 메인 유닛과, 상기 디스크 커터의 회전축이 삽입되는 커터 결합공을 구비하는 커터 체결부와, 상기 메인 유닛에 연결되고 상기 커터 체결부를 상기 메인 유닛에 대해 고정하는 커터 고정부와, 상기 메인 유닛에 결합되고, 상기 디스크 커터에 의해 상기 시편이 절삭될 때 상기 디스크 커터에 작용하는 3분력을 측정하는 로드셀 및 상기 커터 고정부와 상기 로드셀 사이에 구비되고, 상기 회전 제어부의 제어에 따라 구동되어 상기 디스크 커터를 상기 회전축을 중심으로 하여 회전시키는 회전구동부를 포함한다.
Description
본 발명은 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법에 관한 것으로, 상세하게는 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법에 관한 것이다.
암반(암석)은 무결암(intact rock) 부분과 수많은 불연속면으로 구성되어 있으며, 취성거동(brittle behavior)을 나타내는 대표적인 재료이다.
상기 암반을 굴착하는 기계식 굴착장비는 TBM(tunnel boring machine), 로드 헤더(road-header), 컨티뉴어스 마이너(continuous miner) 등이 대표적이며, 이러한 기계식 굴착장비는 암반을 굴착하도록 굴착장비의 커팅 헤드(cutting head)에 디스크 커터(disc cutter), 픽 커터(pick cutter) 등을 설치하여 암반을 절삭한다.
일반적으로 디스크 커터는 본체와 커터링으로 구성되며, 암반의 굴착에 따라 마모 및 손상이 발생하는 소모품이다.
기존의 암반굴착장비에 사용되는 디스크 커터를 이용한 암석의 절삭은, 디스크 커터를 암석 굴착면에 수직한 방향으로 압입시키고, 디스크 커터의 압입에 따라 암석의 표면에 압축하중이 집중되어 높은 수준의 압축응력장을 생성함으로써 2차적인 인장 응력 및 전단 응력을 유도하여 암석 내부의 인장 균열 및 전단 균열을 생성하는 방식을 통해 이루어진다.
이러한 기존의 암반굴착장비에 사용되는 디스크 커터를 이용한 암석 절삭에서 중요한 핵심변수는, 디스크 커터가 커팅 헤드 1회전 당 암석을 관입하는 깊이(압입 깊이) 및 커팅 헤드 상에 배치되는 인접한 커터사이의 간격으로 정의되는 커터 간격이다.
전술한 종래의 디스크 커터는 커터링이 암반에 수직인 방향(커팅 헤드의 중심축 방향)으로 압입되어야 하므로 인장응력을 직접적으로 생성하는 것이 불가능하며, 디스크 커터의 회전축의 양 끝단이 커팅 헤드에 고정된 상태에서 커팅 헤드의 중심축 방향으로 압입되어 암반의 절삭을 수행하기 때문에 커터링의 방향을 임의로 조절할 수 없으므로, 커터링에 의한 암반의 절삭 방향 또는 절삭 각도를 조절하는 것이 불가능하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근 종래의 디스크 커터와 다른 형태의 언더커팅형(undercutting) 디스크 커터가 개발되고 있다.
상기 언더커팅형 디스크 커터는 커팅 헤드의 중심축과 동축인 샤프트의 회전축과 수직인 방향으로 암석에 압입되는 커터링을 가지는 디스크 커터를 이용함으로써 인장응력을 직접적으로 생성하여 암석을 절삭할 수 있다.
한편, 언더커팅형 디스크 커터를 이용한 암석 절삭 성능에 관여하는 변수는 종래의 디스크 커터에서 정의되었던 압입 깊이, 커터간격 외에 추가적으로 디스크 커터의 절삭 속도와 절삭 각도, 커팅헤드 중심축에 대한 디스크 커터의 회전축의 편심길이, 디스크 커터의 회전 속도 등이 있다.
이러한 언더커팅형 디스크 커터가 구비된 암반 굴착 장비의 절삭 성능을 평가하고 최적의 절삭 조건을 도출해낼 수 있도록, 언더커팅형 디스크 커터를 이용한 암석 절삭 성능에 관여하는 변수들을 변경하면서 암석 절삭 시험을 수행할 수 있는 장치, 시스템 및 분석 방법이 요구되고 있다.
본 발명은, 언더커팅형 디스크 커터가 구비된 암반 굴착 장비의 절삭 성능을 평가하고 이에 따라 최적의 절삭 조건을 도출할 수 있도록 하는 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 시험 장치는, 언더커팅형 디스크 커터의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치로서, 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 상부에 구비되고 시편이 고정된 시편 고정부를 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향과 수직된 제 2 방향으로 이동시키는 시편 이동부, 상기 디스크 커터의 수직방향에서의 위치를 설정하는 수직이동 제어부 및 상기 디스크 커터의 회전속도를 제어하는 회전 제어부를 포함하는 메인 유닛과, 상기 디스크 커터의 회전축이 삽입되는 커터 결합공을 구비하는 커터 체결부와, 상기 메인 유닛에 연결되고 상기 커터 체결부를 상기 메인 유닛에 대해 고정하는 커터 고정부와, 상기 메인 유닛에 결합되고, 상기 디스크 커터에 의해 상기 시편이 절삭될 때 상기 디스크 커터에 작용하는 3분력을 측정하는 로드셀 및 상기 커터 고정부와 상기 로드셀 사이에 구비되고, 상기 회전 제어부의 제어에 따라 구동되어 상기 디스크 커터를 상기 회전축을 중심으로 하여 회전시키는 회전구동부를 포함하고, 상기 커터 결합공에는 상기 디스크 커터가 상기 시편에 대해 임의의 절삭각도를 가지도록 상기 회전축이 삽입되고, 상기 커터 고정부는 상기 회전축의 편심길이가 조절되도록 상기 커터 체결부를 상기 메인 유닛에 대해 고정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 메인 유닛은 상기 베이스 프레임의 상부에 수직방향으로 결합되는 복수의 수직프레임과, 상기 수직프레임에 관통되어 결합되고, 일측에 상기 로드셀이 결합되는 수평프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 복수의 수직프레임은 상기 베이스 프레임의 중앙부를 기준으로 마주보게 배치되고, 상기 시편 이동부는 상기 마주보게 배치되는 수직프레임 사이에 구비되며, 상기 수평 프레임은 상기 수직이동 제어부 및 상기 회전 제어부와 연결되고, 상기 수직이동 제어부의 제어에 따라 상기 수직프레임을 따라 수직방향으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 커터 결합공은 상기 수직방향과 평행하게 형성되는 제 1 커터 결합공 또는 상기 수직방향에 대해 임의의 각도를 가지도록 형성되는 제 2 커터 결합공인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 커터 고정부는 일측면이 상기 회전구동부에 결합되는 제 1 고정부와, 상기 제 1 고정부의 타측면에 형성된 가이드부에 삽입되어 상기 제 1 고정부에 결합되고, 일측면에 홈이 형성되어 상기 홈에 상기 커터 체결부가 결합되는 제 2 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 2 고정부는 상기 가이드부를 따라 상기 제 2 방향으로 이동가능하며, 상기 회전축의 상기 제 1 고정부의 중앙부에 대한 편심길이가 조정되도록 상기 가이드부 상의 임의의 위치에서 상기 제 1 고정부에 고정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1 고정부의 일측에는 눈금부가 형성되고, 상기 눈금부의 시작 포인트는 상기 제 1 고정부의 상기 제 1 방향으로의 중심선과 만나며, 상기 제 2 고정부의 일측에는 상기 눈금부에 대응되도록 지시부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 편심길이는 상기 제 2 고정부가 상기 가이드부를 따라 이동될 때, 상기 시작 포인트로부터 상기 제 2 고정부가 이동된 위치에서 상기 지시부가 가리키는 상기 눈금부의 포인트까지의 길이인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 디스크 커터의 제 1 방향, 제 2 방향 및 수직방향에서의 변위를 측정하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 센싱부는 상기 디스크 커터의 상기 제 1 방향에서의 변위를 측정하는 제 1 변위센서와, 상기 디스크 커터의 상기 제 2 방향에서의 변위를 측정하는 제 2 변위센서 및 상기 디스크 커터의 상기 수직방향에서의 변위를 측정하는 제 3 변위센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 시편 이동부는 상기 제 1 방향으로 상기 시편 고정부를 이동시키는 제 1 이동부와, 상기 제 2 방향으로 상기 시편 고정부를 이동시키는 제 2 이동부와, 상기 제 1 변위센서로부터 측정된 변위 값을 기반으로 상기 제 1 이동부를 제어하여 상기 시편 고정부의 상기 제 1 방향에서의 위치를 설정하는 제 1 이동부 제어 유닛 및 상기 제 2 변위센서로부터 측정된 변위 값을 기반으로 상기 제 2 이동부를 제어하여 상기 시편 고정부를 상기 제 2 방향을 따라 일정한 속도로 이동시키는 제 2 이동부 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수직이동 제어부는 상기 제 3 변위센서로부터 측정된 변위 값을 기반으로 상기 메인 유닛의 수직방향 운동을 제어하여 상기 수직방향에서의 상기 디스크 커터의 상기 시편 고정부에 대한 위치를 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템은, 전술한 암석 절삭 시험 장치와, 상기 암석 절삭 시험 장치에 연결되어 상기 암석 절삭 시험 장치의 구동을 제어하는 제어부와, 상기 제어부에 연결되고, 상기 암석 절삭 시험 장치에서 측정된 3분력 및 시편의 위치를 실시간으로 출력하는 출력부 및 상기 제어부에 연결되고, 상기 암석 절삭 시험 장치에서 측정된 3분력 및 절삭된 시편의 부피를 기반으로 상기 암석 절삭 시험 장치에 설치된 디스크 커터의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 분석방법은, 시편을 시편 고정부에 고정하는 단계와, 상기 시편 고정부의 제 1 방향에서의 위치를 설정하는 단계와, 디스크 커터가 상기 시편에 대해 임의의 절삭각도를 가지도록 설정하는 단계와, 상기 시편에 대한 상기 디스크 커터의 압입깊이를 설정하는 단계와, 상기 디스크 커터의 회전축의 편심길이를 설정하는 단계와, 상기 디스크 커터를 상기 회전축을 중심으로 회전시키는 단계와, 상기 시편 고정부의 제 2 방향으로의 이동 속도를 설정하는 단계와, 상기 설정된 시편 고정부의 제 1 방향에서의 위치, 상기 디스크 커터의 절삭각도, 상기 디스크 커터의 압입깊이, 상기 회전축의 편심길이 및 상기 시편 고정부의 제 2 방향으로의 이동 속도에 따라, 상기 디스크 커터에 의해 상기 시편이 절삭되는 단계와, 상기 시편이 절삭되는 단계에서, 상기 디스크 커터에 작용하는 3분력을 측정하는 단계 및 상기 측정된 3분력 및 절삭된 시편의 부피를 기반으로 상기 디스크 커터의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 측정된 3분력 및 상기 시편의 위치를 실시간으로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 디스크 커터에 적용되는 절삭 조건(압입 깊이, 커터간격, 절삭 속도, 절삭 각도, 편심길이, 회전 속도 등)을 시험 조건에 따라 다양하게 변경할 수 있으며, 그 과정에서 디스크 커터에 작용하는 커터 작용력, 비에너지 등을 측정하여 최적의 절삭 조건 및 그 절삭 조건에 대응하는 암반 굴착 장비의 사양을 규명할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템을 일측에서 본 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템을 타측에서 본 도면이다.
도 3은 언더커팅형 디스크 커터의 암석 절삭 매커니즘을 나타낸 도면이다.
도 4는 언더커팅형 디스크 커터에 의한 암석 절삭에 관여하는 변수를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 암석 절삭 시험 장치에 구비된 커터 체결부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 암석 절삭 시험 장치에 구비된 커터 고정부를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템을 타측에서 본 도면이다.
도 3은 언더커팅형 디스크 커터의 암석 절삭 매커니즘을 나타낸 도면이다.
도 4는 언더커팅형 디스크 커터에 의한 암석 절삭에 관여하는 변수를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 암석 절삭 시험 장치에 구비된 커터 체결부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 암석 절삭 시험 장치에 구비된 커터 고정부를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템(1)을 일측(정면)에서 본 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템(1)을 타측(측면)에서 본 도면이다.
도 1 및 도 2에서 Y축은 "좌우 방향(제 1 방향)"을 나타내며, X축은 "전후 방향(제 2 방향)"을 나타낸다. 아울러, X축 및 Y축에 모두 수직인 방향은 "수직 방향"을 나타낸다.
본 발명의 실시예에서, 암석 절삭 분석에 사용되는 디스크 커터(C)는 언더커팅형 디스크 커터일 수 있다. 상기 디스크 커터(C)의 구조에 대해서는 특허출원 제 10-2020-0082231호(2020.07.23 출원)에 개시되어 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템(1)은 암석 절삭 시험 장치(100)와, 암석 절삭 시험 장치(100)에 연결되어 암석 절삭 시험 장치(100)의 전체적인 구동을 제어하는 제어부(110)와, 제어부(110)에 각각 연결되는 출력부(120) 및 분석부(130)를 포함한다.
상기 암석 절삭 분석 시스템(1)에서, 출력부(120)는 제어부(110)의 제어에 따라 구동되는 암석 절삭 시험 장치(100)에서 측정된 3분력 및 시편(S)의 위치를 실시간으로 출력할 수 있다. 이 때, 시편(S)은 암석일 수 있으며, 3분력은 디스크 커터(C)가 시편(S)을 절삭할 때 디스크 커터(C)에 작용하는 수직력(디스크 커터(C)의 수직방향으로 디스크 커터(C)에 가해지는 힘), 회전력(디스크 커터(C)의 회전방향으로 디스크 커터(C)에 가해지는 힘), 측력(시편(S)의 평면방향으로 디스크 커터(C)에 가해지는 힘)을 의미한다.
또한, 분석부(130)는 암석 절삭 시험 장치(100)에서 측정된 3분력 및 절삭된 시편(S)의 부피를 기반으로 암석 절삭 시험 장치(100)에 설치된 디스크 커터(C)의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 암석 절삭 시험 장치(100)는 베이스 프레임(10)과, 베이스 프레임(10)의 상부에 구비되는 메인 유닛(20)과, 디스크 커터(C)의 회전축이 삽입되는 커터 결합공을 구비하는 커터 체결부(30)와, 메인 유닛(20)에 연결되고 커터 체결부(30)를 메인 유닛(20)에 대해 고정하는 커터 고정부(40)와, 메인 유닛(20)에 결합되고, 디스크 커터(C)에 의해 시편(S)이 절삭될 때 디스크 커터(C)에 작용하는 3분력을 측정하는 로드셀(50, loadcell) 및 커터 고정부(40)와 로드셀(50) 사이에 구비되는 회전구동부(60)를 포함한다.
따라서, 로드셀(50)에는 회전구동부(60)가 결합되고, 회전구동부(60)에는 커터 고정부(40)가 결합되며, 커터 고정부(40)에는 커터 체결부(30)가 결합되고, 커터 체결부(30)에는 디스크 커터(C)가 결합될 수 있다.
메인 유닛(20)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 시편(S)이 고정된 시편 고정부(F)를 제 1 방향 또는 제 1 방향과 수직된 제 2 방향으로 이동시키는 시편 이동부(21)와, 디스크 커터(C)의 수직방향에서의 위치를 설정하는 수직이동 제어부(22) 및 디스크 커터(C)의 회전속도를 제어하는 회전 제어부(23)를 포함한다.
또한, 메인 유닛(20)은 베이스 프레임(10)의 상부에 수직방향으로 결합되는 복수의 수직프레임(24)과, 수직프레임(24)에 관통되어 결합되고 일측에 로드셀(50)이 결합되는 수평프레임(25)을 더 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 수직프레임(24)은 베이스 프레임(10)의 중앙부를 기준으로 마주보게 배치되며, 시편 이동부(21)는 상기 마주보게 배치되는 수직프레임(24) 사이에 구비될 수 있다.
수평프레임(25)은 수직이동 제어부(22) 및 회전 제어부(23)와 연결되며, 수직이동 제어부(22)의 제어에 의해 수직프레임(24)을 따라 수직방향으로 이동될 수 있다.
이 때, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 서로 마주보게 배치되는 수직프레임(24)들은 각각 하우징(242) 내에 일부가 배치될 수 있으며, 하우징(242)은 베이스 프레임(10)의 상부에 결합될 수 있다.
하우징(242)의 상부에는 각각의 수직프레임(24)을 관통하여 스토퍼(244)가 배치될 수 있으며, 상기 스토퍼(244)는 수평프레임(25)이 수직프레임(24)을 따라 하강할 때 수평프레임(25)이 일정 높이 이하로 하강하는 것을 방지할 수 있다.
암석 절삭 시험 장치(100)는, 디스크 커터(C)의 제 1 방향, 제 2 방향 및 수직방향으로의 변위를 측정하는 센싱부(70)를 더 포함한다.
상기 센싱부(70)는, 디스크 커터(C)의 제 1 방향에서의 변위를 측정하는 제 1 변위센서(72)와, 디스크 커터(C)의 제 2 방향에서의 변위를 측정하는 제 2 변위센서(74) 및 디스크 커터(C)의 수직방향에서의 변위를 측정하는 제 3 변위센서(76)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적으로 제 1 변위센서(72)는 시편 이동부(21) 상의 임의의 위치에 배치되고, 제 2 변위센서(74)는 베이스 프레임(10) 상의 임의의 위치에 배치되며, 제 3 변위센서(76)는 수평프레임(25) 상의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 다만, 제 1 변위센서(72), 제 2 변위센서(74) 및 제 3 변위센서(76)의 위치는 이에 한정되지는 않는다.
시편 이동부(21)는, 제 1 방향으로 시편 고정부(F)를 이동시키는 제 1 이동부(212)와, 제 2 방향으로 시편 고정부(F)를 이동시키는 제 2 이동부(216)를 포함한다. 상세히 도시되지는 않았으나, 제 1 이동부(212) 및 제 2 이동부(216)는 시편 고정부(F)의 하부에 형성된 이동수단(롤러, 바퀴 등, 미도시)의 이동을 가이드하는 가이드 레일에 해당될 수 있다.
제 1 이동부(212)의 동작은 제 1 이동부 제어 유닛(214)에 의해서, 제 2 이동부(216)의 동작은 제 2 이동부 제어 유닛(218)에 의해서 제어될 수 있다. 이 때, 제 1 이동부 제어 유닛(214)과 제 2 이동부 제어 유닛(218)은 각각 전기 모터(electric motor) 및 액추에이터(actuator)를 포함하며, 제 1 이동부(212) 및 제 2 이동부(216)의 동작을 각각 서보 제어(servo control)할 수 있다.
제 1 이동부 제어 유닛(214)의 동작은 상기 제 1 변위센서(72)로부터 측정된 디스크 커터(C)의 제 1 방향에서의 변위 값을 기반으로 이루어질 수 있으며, 제 1 이동부 제어 유닛(214)은 제 1 변위센서(72)에서 측정된 변위 값을 기반으로 하여 제 1 이동부(212)를 제어하여 시편 고정부(F)의 제 1 방향에서의 위치를 설정할 수 있다. 이는, 시편 고정부(F)가 디스크 커터(C)에 의해 시편(S)이 절삭되는 도중 발생되어 시편(S)에 작용하는 제 1 방향으로의 절삭력을 견디도록 함으로써, 시험 초기에 설정된 시편 고정부(F)의 위치를 유지할 수 있도록 하기 위함이다.
제 2 이동부 제어 유닛(218)의 동작은 상기 제 2 변위센서(74)로부터 측정된 디스크 커터(C)의 제 2 방향에서의 변위 값을 기반으로 이루어질 수 있으며, 제 2 이동부 제어 유닛(218)은 제 2 변위센서(74)에서 측정된 변위 값을 기반으로 하여 제 2 이동부(216)를 제어하여 시편 고정부(F)를 제 2 방향을 따라 일정한 속도로 이동시킬 수 있다. 이는, 시편 고정부(F)가 디스크 커터(C)에 의해 시편(S)이 절삭되는 도중 발생되어 시편(S)에 작용하는 제 2 방향으로의 절삭력을 견디도록 함으로써, 시험 초기에 설정된 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도를 일정하게 유지하도록 하기 위함이다.
제 1 이동부 제어 유닛(214) 및 제 2 이동부 제어 유닛(218)의 동작은 전술한 제어부(110)에 의해 제어될 수 있다.
제어부(110)는 제 1 변위센서(72)에서 측정된 변위 값을 기반으로 하여 제 1 이동부 제어 유닛(214)의 동작을 제어할 수 있고, 이에 따라 제 1 이동부(212)의 이동 속도를 조절(설정)할 수 있다. 또한, 제어부(110)는 제 2 변위센서(74)에서 측정된 변위 값을 기반으로 하여 제 2 이동부 제어 유닛(218)의 동작을 제어할 수 있고, 이에 따라 제 2 이동부(216)의 이동 속도를 조절(설정)할 수 있다.
전술한 수직이동 제어부(22)는 전기 모터(electric motor) 및 액추에이터(actuator)를 포함하며, 메인 유닛(20)의 수직방향 운동을 서보 제어(servo control)할 수 있다.
수직이동 제어부(22)의 동작은 상기 제 3 변위센서(76)로부터 측정된 디스크 커터(C)의 수직방향에서의 변위 값을 기반으로 이루어질 수 있으며, 수직이동 제어부(22)는 제 3 변위센서(76)에서 측정된 변위 값을 기반으로 하여 메인 유닛(20), 상세하게는 디스크 커터(C)가 연결된 수평프레임(25)의 수직방향 운동을 제어하여 수직방향에서의 디스크 커터(C)의 시편 고정부(F)에 대한 위치를 설정할 수 있다. 이는, 수평프레임(25)이 디스크 커터(C)에 의해 시편(S)이 절삭되는 도중 발생하는 수직방향으로의 절삭력을 견디도록 함으로써, 시험 초기에 설정된 수평프레임(25)의 위치를 유지할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 본 발명에서는 수직이동 제어부(22)의 동작을 통해 디스크 커터(C)의 시편 고정부(F)에 대한 위치를 설정함으로써, 시편(S)에 대한 디스크 커터(C)의 압입 깊이를 설정할 수 있다. 이 때, 압입 깊이는 시편(S)의 상단면으로부터 디스크 커터(C)의 하단면까지의 거리를 의미한다.
수직이동 제어부(22)의 동작은 전술한 제어부(110)에 의해 제어될 수 있다.
제어부(110)는 제 3 변위센서(76)에서 측정된 변위 값을 기반으로 하여 수직이동 제어부(22)의 동작을 제어할 수 있고, 이에 따라 수평프레임(25)의 수직방향으로의 이동 속도를 조절(설정)할 수 있다.
또한, 수직이동 제어부(22)가 수평프레임(25)의 수직방향 운동을 제어하여 수평프레임(25)을 수직방향으로 이동시킬 때, 수평프레임(25)에 결합된 로드셀(50), 로드셀(50)에 결합된 회전구동부(60), 회전구동부(60)에 결합된 커터 고정부(40), 커터 고정부(40)에 결합된 커터 체결부(30) 및 커터 체결부(30)에 결합된 디스크 커터(C) 또한 함께 수직방향으로 이동될 수 있다.
회전 제어부(23)는 전기 모터(electric motor)를 포함하며, 제어부(110)에 제어에 의해 회전구동부(60)가 회전되도록 제어할 수 있다.
회전구동부(60)는 회전 제어부(23)의 제어에 따라 구동되어 회전구동부(60)에 결합된 커터 고정부(40) 및 커터 고정부(40)에 결합된 커터 체결부(30)를 회전시킬 수 있다. 이에 따라 회전구동부(60)는 커터 체결부(30)에 결합된 디스크 커터(C)를 디스크 커터(C)의 회전축(C1)을 중심으로 하여 회전시킬 수 있다. 이 때, 회전구동부(60) 내부에는 회전구동부(60)의 회전이 원활히 이루어지도록 앵귤러 베어링(angular bearing, 미도시)이 구비될 수 있다.
회전 제어부(23)는 디스크 커터(C)가 암석의 절삭 도중 발생하는 반경방향으로의 절삭력을 견디면서 일정한 회전속도로 회전할 수 있도록 제어부(110)의 제어에 따라 동작될 수 있으며, 회전구동부(60)의 회전속도는 제어부(110)를 통해 조절(설정)될 수 있다.
도 3은 언더커팅형 디스크 커터(C)의 암석 절삭 매커니즘을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서의 디스크 커터(C)는 회전축(C1)을 중심으로 시계방향(또는 반시계방향으로도 가능)으로 회전되어 도 3에 도시된 절삭방향(본 발명에서는 제 2 방향)으로 암석의 절삭을 수행하며, 커팅 헤드(미도시)의 중심축과 동축인 회전축(C1)과 수직인 방향으로 암석에 압입되므로 도 3에 도시된 커터 작용력의 방향으로 인장응력을 직접적으로 생성하여 암석을 절삭할 수 있다.
또한, 본 발명의 디스크 커터(C)는 회전축(C1)의 일단만 커팅 헤드에 고정되고 회전축(C1)의 타단은 자유단이며, 회전축(C1)과 수직인 축에 대해 비 대칭으로 형성되고 예각의 단면 형상을 가지는 선단부가 날카롭게 형성되므로, 암석의 절삭 방향 또는 절삭 각도를 조절할 수 있으며, 암석에 대해서 임의의 방향으로 인장응력을 생성하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 디스크 커터(C)는 종래의 디스크 커터와 달리 절삭면에 대하여 임의의 방향 또는 임의의 각도를 갖도록 암석을 절삭하는 것이 가능하므로 암석에 진동하중을 추가적으로 작용시킬 수 있다.
도 4는 언더커팅형 디스크 커터(C)에 의한 암석 절삭에 관여하는 변수를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 디스크 커터(C)를 이용한 암석 절삭 성능에 관여하는 변수는 종래의 디스크 커터에서 정의되었던 압입 깊이, 커터 간격 외에 추가적으로 디스크 커터(C)의 절삭 속도와 절삭 각도, 커팅 헤드 중심축에 대한 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이, 디스크 커터(C)의 회전 속도 등이 있다.
본 발명의 실시예에서, 디스크 커터(C)의 절삭 속도는 디스크 커터(C)가 암석의 절삭을 수행할 때, 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도일 수 있다. 본 발명에서는 제어부(110)의 제어에 따라 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도가 조절(설정)될 때, 디스크 커터(C)의 시편(S)에 대한 절삭 속도가 조절(설정)될 수 있다.
디스크 커터(C)의 절삭 각도는 커터 체결부(30)에 구비된 커터 결합공에 삽입되는 회전축(C1)이 수직방향에 대해 어느정도의 각도를 가지는지에 따라 변경될 수 있다.
커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이는 회전축(C1)이 커터 고정부(40)의 중앙부로부터 이격된 거리일 수 있다.
디스크 커터(C)의 회전 속도는 회전구동부(60)의 회전 속도에 따라 변경될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 디스크 커터(C)를 이용한 암석 절삭 성능은 디스크 커터(C)의 직경 및 디스크 커터(C)의 이동 범위에 따라 변경될 수 있다.
도 5는 본 발명의 암석 절삭 시험 장치(100)에 구비된 커터 체결부(30)를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 커터 체결부(30)는 일측면에 디스크 커터(C)의 회전축(C1)이 삽입되는 부분(H1)이 형성되며, 타측면에 커터 고정부(40)에 삽입되는 부분(H2)이 형성될 수 있다.
상기 커터 결합공에는 디스크 커터(C)가 시편(S)에 대해 임의의 절삭각도를 가지도록 회전축(C1)이 상기 H1 부분을 통해 삽입될 수 있다.
상세하게는 커터 결합공은, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 수직방향과 평행하게 형성되는 제 1 커터 결합공(32) 또는 도 5(b)에 도시된 바와 같이 수직방향에 대해 임의의 각도를 가지도록 형성되는 제 2 커터 결합공(34)일 수 있다. 이 때, 제 1 커터 결합공(32)을 가지는 커터 체결부(30)와 제 2 커터 결합공(34)을 가지는 커터 체결부(30)는 별도로 제작될 수 있다.
제 1 커터 결합공(32)은 수직방향과 평행하게 형성되므로, 제 1 커터 결합공(32)을 가지는 커터 체결부(30)에 디스크 커터(C)의 회전축(C1)을 결합하여 시편(S)을 절삭하는 경우에는 디스크 커터(C)는 시편(S)에 대해 평행하게 절삭을 수행할 수 있다.
반면, 제 2 커터 결합공(34)은 수직방향에 대해 임의의 각도를 가지도록 형성되므로, 제 2 커터 결합공(34)을 가지는 커터 체결부(30)에 디스크 커터(C)의 회전축(C1)을 결합하여 시편(S)을 절삭하는 경우에는 디스크 커터(C)는 시편(S)에 대해 일정한 절삭각도를 가진 상태에서 절삭을 수행할 수 있다.
이 때, 절삭각도는 제 2 커터 결합공(34)이 수직방향에 대해 기울어진 각도만큼 변경될 수 있다.
전술한 구성에 의해, 본 발명에서는 사용자가 수직방향에 대해 평행하거나 임의의 각도를 가지도록 형성되는 커터 결합공(32, 34)을 구비한 커터 체결부(30)를 다양하게 교체함으로써, 디스크 커터(C)의 절삭각도를 시험 조건에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 암석 절삭 시험 장치(100)에 구비된 커터 고정부(40)를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 커터 체결부(30)를 메인 유닛(20), 상세하게는 수평프레임(25)에 대해 고정하는 커터 고정부(40)가 도시된다.
상기 커터 고정부(40)는, 일측면이 회전구동부(60)에 결합되고, 타측면에 일정 깊이로 오목하게 형성되는 가이드부(422)를 포함하는 제 1 고정부(42)와, 상기 가이드부(422)에 삽입됨으로써 제 1 고정부(42)에 결합되고 일측면(제 2 고정부(44)가 가이드부(422)와 결합되는 면의 반대면)에 커터 체결부(30)가 결합되는 제 2 고정부(44)를 포함한다.
제 2 고정부(44)의 일측면에는 수평면상에서의 단면이 원형이고 일정 깊이로 형성되는 홈(442)이 형성되며, 상기 홈(442)에 전술한 커터 체결부(30)의 H2 부분이 결합될 수 있다.
제 2 고정부(44)는, 제 1 고정부(42)의 가이드부(422)를 따라 제 2 방향으로 이동가능하며, 제 1 고정부(42)의 타측면에는 복수의 체결부재 삽입홀(미도시)이 형성될 수 있다.
제 2 고정부(44)가 가이드부(422) 상의 임의의 위치에 위치한 상태에서, 복수의 체결부재(미도시)를 제 2 고정부(44)를 관통하여 상기 체결부재 삽입홀에 삽입함으로써, 제 2 고정부(44)를 가이드부(422) 상의 임의의 위치에서 제 1 고정부(42)에 대해 고정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전술한 바와 같이 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이는 회전축(C1)이 커터 고정부(40)의 중앙부로부터 이격된 거리일 수 있다.
바람직하게는, 편심길이는 상기 회전축(C1)이 제 2 방향에 대하여 제 1 고정부(42)의 중앙부로부터 이격된 거리일 수 있다.
이와 같은 편심길이가 조정되도록, 제 2 고정부(44)는 가이드부(422)를 따라 제 2 방향으로 이동될 수 있고, 가이드부(422)의 임의의 위치에서 제 1 고정부(42)에 고정될 수 있다.
한편 원하는 편심길이를 정확하게 설정할 수 있도록, 본 발명에서는 제 1 고정부(42)의 일측에는 눈금부(46)를 형성하고, 제 2 고정부(44)의 일측에는 눈금부(46)에 대응되도록 지시부(48)를 형성할 수 있다.
눈금부(46)는 그 시작 포인트가 제 1 고정부(42)의 제 1 방향으로의 중심선과 만나도록 제 1 고정부(42)의 일측에 형성될 수 있다.
편심길이는, 제 2 고정부(44)가 가이드부(422)를 따라 이동될 때 변경될 수 있으며, 눈금부(46)의 시작 포인트로부터 제 2 고정부(44)가 이동된 위치에서 지시부(48)가 가리키는 눈금부(46)의 포인트까지의 길이일 수 있다.
전술한 구성에 의해, 본 발명에서는 사용자가 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이를 원하는 만큼 정확하게 설정할 수 있도록 하여 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이를 시험 조건에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에서 편심길이의 조절은 사용자의 수작업에 의해 이루어질 수도 있고, 제어부(110)의 제어에 의해 자동적으로 이루어질 수도 있다.
도 7은 본 발명의 암석 절삭 분석 시스템(1)을 이용한 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 암석 절삭 분석 시스템(1)은, 전술한 바와 같이 언더커팅형 디스크 커터(C)를 이용하며, 압입 깊이, 커터 간격, 디스크 커터(C)의 절삭 속도와 절삭 각도, 커팅 헤드 중심축에 대한 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이, 디스크 커터(C)의 회전 속도 등의 변수를 시험 조건에 따라 다양하게 변경가능한 암석 절삭 시험 장치(100)를 포함한다.
또한, 암석 절삭 분석 시스템(1)은, 암석 절삭 시험 장치(100)의 구동을 제어하는 제어부(110)와, 암석 절삭 시험 장치(100)에서 측정된 3분력 및 시편(S)의 위치를 실시간으로 출력하는 출력부(120) 및 디스크 커터(C)의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석하는 분석부(130)를 포함한다.
도 7을 참조하면, 암석 절삭 분석 시스템(1)을 이용한 분석방법은 다음과 같다.
먼저, 시편(S)을 시편 고정부(F)에 고정한다(S1 단계). 이 때, 시편(S)은 다양한 고정수단을 통해 시편 고정부(F)에 고정될 수 있다.
다음으로, 시편 고정부(F)의 제 1 방향에서의 위치를 설정한다(S2 단계). 상세하게는, 제어부(110)가 제 1 변위센서(72)에서 측정된 변위 값을 기반으로 제 1 이동부 제어 유닛(214)의 동작을 제어함으로써 제 1 이동부(212)의 동작에 의해 시편 고정부(F)가 제 1 방향에서의 설정된 위치로 이동될 수 있다. 이를 통해 디스크 커터(C)의 제 1 방향에서의 절삭위치를 결정할 수 있다.
시편 고정부(F)를 제 1 방향에서의 설정된 위치로 이동시킨 다음에는, 디스크 커터(C)가 시편(S)에 대해 임의의 절삭 각도를 가지도록 설정한다(S3 단계). 이 때, 디스크 커터(C)의 절삭 각도는 커터 체결부(30)에 구비된 커터 결합공에 삽입되는 디스크 커터(C)의 회전축(C1)이 수직방향에 대해 어느정도의 각도를 가지는지에 따라 변경될 수 있으며, 사용자는 커터 결합공을 교체함으로써 디스크 커터(C)의 절삭 각도를 시험 조건에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
다음으로, 시편(S)에 대한 디스크 커터(C)의 압입 깊이를 설정한다(S4 단계). 이 때, 제어부(110)가 제 3 변위센서(76)에서 측정된 변위 값을 기반으로 수직이동 제어부(22)의 동작을 제어하여 디스크 커터(C)의 시편 고정부(F)에 대한 위치를 설정함으로써, 시편(S)에 대한 디스크 커터(C)의 압입 깊이를 설정할 수 있다.
다음으로, 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이를 설정한다(S5 단계). 이 때, 사용자는 눈금부(46)의 시작 포인트로부터 제 2 고정부(44)가 이동된 위치에서의 지시부(48)가 가리키는 눈금부(46)의 포인트까지의 길이를 확인할 수 있어 시험조건에 따라 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이를 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이를 설정한 다음에는, 디스크 커터(C)를 회전축(C1)을 중심으로 회전시킨다(S6 단계). 이 때, 제어부(110)가 회전 제어부(23)의 동작을 제어함으로써 회전구동부(60)를 구동시켜 회전구동부(60)에 결합된 커터 고정부(40) 및 커터 고정부(40)에 결합된 커터 체결부(30)를 회전시킬 수 있다. 이에 따라 커터 체결부(30)에 결합된 디스크 커터(C)는 회전축(C1)을 중심으로 하여 회전될 수 있다. 이 때, 디스크 커터(C)는 일정한 회전 속도로 회전될 수 있으며, 디스크 커터(C)를 회전시키는 회전구동부(60)의 회전 속도는 제어부(110)를 통해 조절될 수 있다.
다음으로, 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도를 설정한다(S7 단계). 전술한 바와 같이 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도는 디스크 커터(C)의 시편(S)에 대한 절삭 속도를 의미한다. 이 때, 제어부(110)가 제 2 변위센서(74)에서 측정된 변위 값을 기반으로 제 2 이동부 제어 유닛(218)의 동작을 제어함으로써 제 2 이동부(216)의 동작에 의해 시편 고정부(F)를 제 2 방향을 따라 일정한 속도로 이동시킬 수 있다. 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도는 제어부(110)에 의해 조절될 수 있으며, 이를 통해 제어부(110)는 디스크 커터(C)의 시편(S)에 대한 절삭 속도를 조절할 수 있다.
시편 고정부(F)의 제 1 방향에서의 위치, 디스크 커터(C)의 절삭 각도, 디스크 커터(C)의 압입 깊이, 디스크 커터(C)의 회전축(C1)의 편심길이 및 시편 고정부(F)의 제 2 방향으로의 이동 속도를 설정한 다음에는, 상기 설정된 조건에 따라 디스크 커터(C)에 의해 시편(S)이 절삭된다(S8 단계).
이 때, 디스크 커터(C)의 회전축(C1)이 일정 길이의 편심길이를 가지거나, 디스크 커터(C)가 일정 크기의 절삭 각도를 가지는 경우에는, 디스크 커터(C)가 시편(S)에 대해 임의의 방향 또는 임의의 각도를 갖도록 시편(S)을 절삭하는 것이 가능하여 시편(S)에 진동하중을 추가적으로 작용시킬 수 있다.
시편(S)이 절삭되는 단계에서, 디스크 커터(C)에 작용하는 3분력을 측정한다(S9 단계). 이 때, 로드셀(50)은 디스크 커터(C)에 의해 시편(S)이 절삭될 때 디스크 커터(C)에 작용하는 3분력을 실시간으로 측정하며, 측정된 3분력 값을 제어부(110)로 전송한다.
이 때, 제어부(110)와 연결되는 출력부(120)에서는 로드셀(50)에서 측정된 3분력 및 시편(S)의 위치를 사용자에게 실시간으로 출력할 수 있다.
마지막으로, 측정된 3분력 및 절삭된 시편(S)의 부피를 기반으로 디스크 커터(C)의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석한다(S10 단계). 디스크 커터(C)의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율 분석은 제어부(110)와 연결되는 분석부(130)에 의해 수행되며, 분석부(130)는 로드셀(50)에서 측정된 3분력 및 절삭된 시편(S)의 부피를 기반으로 상기 분석을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 디스크 커터(C)에 적용되는 절삭 조건(압입 깊이, 커터간격, 절삭속도, 절삭각도, 편심길이, 회전속도 등)을 시험 조건에 따라 다양하게 변경할 수 있으며, 그 과정에서 디스크 커터(C)에 작용하는 커터 작용력, 비에너지 등을 측정하여 최적의 절삭 조건 및 그 절삭 조건에 대응하는 암반 굴착 장비의 사양을 규명할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 암석 절삭 분석 시스템
100 : 암석 절삭 시험 장치
10 : 베이스 프레임
20 : 메인 유닛
30 : 커터 체결부
40 : 커터 고정부
50 : 로드셀
60 : 회전구동부
70 : 센싱부
110 : 제어부
120 : 출력부
130 : 분석부
C : 디스크 커터
S : 시편
F : 시편 고정부
100 : 암석 절삭 시험 장치
10 : 베이스 프레임
20 : 메인 유닛
30 : 커터 체결부
40 : 커터 고정부
50 : 로드셀
60 : 회전구동부
70 : 센싱부
110 : 제어부
120 : 출력부
130 : 분석부
C : 디스크 커터
S : 시편
F : 시편 고정부
Claims (15)
- 언더커팅형 디스크 커터의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치에 있어서,
베이스 프레임;
상기 베이스 프레임의 상부에 구비되고 시편이 고정된 시편 고정부를 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향과 수직된 제 2 방향으로 이동시키는 시편 이동부, 상기 디스크 커터의 수직방향에서의 위치를 설정하는 수직이동 제어부 및 상기 디스크 커터의 회전속도를 제어하는 회전 제어부를 포함하는 메인 유닛;
상기 디스크 커터의 회전축이 삽입되는 커터 결합공을 구비하는 커터 체결부;
상기 메인 유닛에 연결되고 상기 커터 체결부를 상기 메인 유닛에 대해 고정하는 커터 고정부;
상기 메인 유닛에 결합되고, 상기 디스크 커터에 의해 상기 시편이 절삭될 때 상기 디스크 커터에 작용하는 3분력을 측정하는 로드셀; 및
상기 커터 고정부와 상기 로드셀 사이에 구비되고, 상기 회전 제어부의 제어에 따라 구동되어 상기 디스크 커터를 상기 회전축을 중심으로 하여 회전시키는 회전구동부;를 포함하고,
상기 커터 결합공에는 상기 디스크 커터가 상기 시편에 대해 임의의 절삭각도를 가지도록 상기 회전축이 삽입되고,
상기 커터 고정부는 상기 회전축의 편심길이가 조절되도록 상기 커터 체결부를 상기 메인 유닛에 대해 고정하고,
상기 커터 고정부는,
일측면이 상기 회전구동부에 결합되는 제 1 고정부와,
상기 제 1 고정부의 타측면에 형성된 가이드부에 삽입되어 상기 제 1 고정부에 결합되고, 일측면에 홈이 형성되어 상기 홈에 상기 커터 체결부가 결합되는 제 2 고정부를 포함하고,
상기 제 2 고정부는,
상기 가이드부를 따라 상기 제 2 방향으로 이동가능하며,
상기 회전축의 상기 제 1 고정부의 중앙부에 대한 편심길이가 조정되도록 상기 가이드부 상의 임의의 위치에서 상기 제 1 고정부에 고정되는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 메인 유닛은,
상기 베이스 프레임의 상부에 수직방향으로 결합되는 복수의 수직프레임과,
상기 수직프레임에 관통되어 결합되고, 일측에 상기 로드셀이 결합되는 수평프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 복수의 수직프레임은 상기 베이스 프레임의 중앙부를 기준으로 마주보게 배치되고, 상기 시편 이동부는 상기 마주보게 배치되는 수직프레임 사이에 구비되며,
상기 수평 프레임은 상기 수직이동 제어부 및 상기 회전 제어부와 연결되고, 상기 수직이동 제어부의 제어에 따라 상기 수직프레임을 따라 수직방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 커터 결합공은,
상기 수직방향과 평행하게 형성되는 제 1 커터 결합공 또는 상기 수직방향에 대해 임의의 각도를 가지도록 형성되는 제 2 커터 결합공인 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 고정부의 일측에는 눈금부가 형성되고,
상기 눈금부의 시작 포인트는 상기 제 1 고정부의 상기 제 1 방향으로의 중심선과 만나며,
상기 제 2 고정부의 일측에는 상기 눈금부에 대응되도록 지시부가 형성되는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 편심길이는, 상기 제 2 고정부가 상기 가이드부를 따라 이동될 때, 상기 시작 포인트로부터 상기 제 2 고정부가 이동된 위치에서 상기 지시부가 가리키는 상기 눈금부의 포인트까지의 길이인 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 디스크 커터의 제 1 방향, 제 2 방향 및 수직방향에서의 변위를 측정하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 9항에 있어서,
상기 센싱부는,
상기 디스크 커터의 상기 제 1 방향에서의 변위를 측정하는 제 1 변위센서와,
상기 디스크 커터의 상기 제 2 방향에서의 변위를 측정하는 제 2 변위센서 및
상기 디스크 커터의 상기 수직방향에서의 변위를 측정하는 제 3 변위센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 시편 이동부는,
상기 제 1 방향으로 상기 시편 고정부를 이동시키는 제 1 이동부와,
상기 제 2 방향으로 상기 시편 고정부를 이동시키는 제 2 이동부와,
상기 제 1 변위센서로부터 측정된 변위 값을 기반으로 상기 제 1 이동부를 제어하여 상기 시편 고정부의 상기 제 1 방향에서의 위치를 설정하는 제 1 이동부 제어 유닛 및
상기 제 2 변위센서로부터 측정된 변위 값을 기반으로 상기 제 2 이동부를 제어하여 상기 시편 고정부를 상기 제 2 방향을 따라 일정한 속도로 이동시키는 제 2 이동부 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 수직이동 제어부는,
상기 제 3 변위센서로부터 측정된 변위 값을 기반으로 상기 메인 유닛의 수직방향 운동을 제어하여 상기 수직방향에서의 상기 디스크 커터의 상기 시편 고정부에 대한 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 시험 장치. - 제 1항 내지 제 4항 및 제 7항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 암석 절삭 시험 장치;
상기 암석 절삭 시험 장치에 연결되어 상기 암석 절삭 시험 장치의 구동을 제어하는 제어부;
상기 제어부에 연결되고, 상기 암석 절삭 시험 장치에서 측정된 3분력 및 시편의 위치를 실시간으로 출력하는 출력부; 및
상기 제어부에 연결되고, 상기 암석 절삭 시험 장치에서 측정된 3분력 및 절삭된 시편의 부피를 기반으로 상기 암석 절삭 시험 장치에 설치된 디스크 커터의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석하는 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 분석 시스템. - 제 13항에 기재된 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 분석방법에 있어서,
시편을 시편 고정부에 고정하는 단계;
상기 시편 고정부의 제 1 방향에서의 위치를 설정하는 단계;
디스크 커터가 상기 시편에 대해 임의의 절삭각도를 가지도록 설정하는 단계;
상기 시편에 대한 상기 디스크 커터의 압입깊이를 설정하는 단계;
상기 디스크 커터의 회전축의 편심길이를 설정하는 단계;
상기 디스크 커터를 상기 회전축을 중심으로 회전시키는 단계;
상기 시편 고정부의 제 2 방향으로의 이동 속도를 설정하는 단계;
상기 설정된 시편 고정부의 제 1 방향에서의 위치, 상기 디스크 커터의 절삭각도, 상기 디스크 커터의 압입깊이, 상기 회전축의 편심길이 및 상기 시편 고정부의 제 2 방향으로의 이동 속도에 따라, 상기 디스크 커터에 의해 상기 시편이 절삭되는 단계;
상기 시편이 절삭되는 단계에서, 상기 디스크 커터에 작용하는 3분력을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 3분력 및 절삭된 시편의 부피를 기반으로 상기 디스크 커터의 소요 추력, 소요 동력, 소요 토크 및 절삭 효율을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 분석방법. - 제 14항에 있어서,
상기 측정된 3분력 및 상기 시편의 위치를 실시간으로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 절삭 분석 시스템을 이용한 분석방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200130334A KR102374550B1 (ko) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200130334A KR102374550B1 (ko) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | 언더커팅형 암반 굴착 장비의 절삭성능평가를 위한 암석 절삭 시험 장치, 시스템 및 분석방법 |
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|---|---|
| KR102374550B1 true KR102374550B1 (ko) | 2022-03-14 |
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ID=80824052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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-
2020
- 2020-10-08 KR KR1020200130334A patent/KR102374550B1/ko active IP Right Grant
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ‘Experimental study of rock fragmentation with an Actuated Undercutting Disc’, Yun (Rachel) Xu, A thesis in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Philosophy, 1-136, 2019. * |
| ‘Experimental study of rock fragmentation with an Actuated Undercutting Disc’, Yun (Rachel) Xu, A thesis in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Philosophy, 1-136, 2019.2* |
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