KR102593216B1

KR102593216B1 - 접촉식 탐촉자를 이용한 tbm 디스크커터 마모도 측정장치

Info

Publication number: KR102593216B1
Application number: KR1020230081073A
Authority: KR
Inventors: 이원교
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2023-06-23
Publication date: 2023-10-25
Also published as: KR20230098120A; KR20220072549A; KR102550015B1; KR102593217B1; KR20230098119A

Abstract

본 발명의 접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치는, 고정프레임에 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자를 설치하여 디스크커터의 절삭부 마모도를 3차원 입체적이고 종합적인으로 정밀하게 측정할 수 있음과 동시에 측정 편차를 보정할 수 있는 마모도 측정장치이기 때문에 터널 현장에 투입된 TBM 장비의 디스크커터 점검 시 신속·정확한 디스크커터의 절삭부 마모도 측정을 통하여 디스크커터의 교체여부를 판단하여 시공 효율성 증대와 공사비용을 절감시킬 수 있으며, 또한 실 가동 TBM 장비의 커터헤드를 추가적으로 부착하여 실 작동시 디스크커터의 이상유무를 모니터링할 수 있는 장비로 사용 가능할 뿐만 아니라 디스크커터의 신뢰성 있는 마모도 측정으로 마모도 DB 구축과 분석을 통하여 디스크커터의 교체주기 파악 및 디스크커터 성능개발로 시공 효율성 증대와 디스크커터의 교체비용을 절감시킬 수 있는 것임.

Description

접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치{Abrasion Measuring Apparatus for TBM Disc Cutter Wear Using Contact Type Probe}

본 발명은 암반의 단면을 굴착하는 TBM(Tunnel Boring Machine) 커터헤드에 장착되는 디스크 커터의 마모도를 접촉식 탐촉자를 이용하여 입체적(3D)으로 측정할 수 있도록 한 접촉식 탐촉자를 이용한 3D(3차원 입체) TBM 디스크커터 마모도 측정장치에 관한 것이다.

TBM에 의한 굴착작업은 발파굴착에 비해 장대터널을 시공하는 것에 유리하다.

최근 터널 및 지하공간의 굴착은 작업자의 안정성 증대, 소음 및 진동으로 인한 민원 감소, 공기 및 공비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다.

터널 기계화 굴착공법(Mechanized Tunnelling)에 사용되는 터널굴착기(Tunnel Boring Machine; 이하, "TBM"이라고 약칭함)는 종래의 대표적인 발파공법과는 달리 소음 및 진동 등의 환경 피해요소가 적고 굴착 직후 주변지반의 이완을 방지하여 터널의 안정성 확보에 유리할 뿐만 아니라, 균질한 지반 조건에서 고속 굴진을 유도할 수 있으며 연장이 긴 터널에서 발파공법보다 공사기간과 공사비용을 대폭 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

TBM(Tunnel Boring Machine)이란 다수의 디스크커터를 장착한 커터헤드를 회전시켜 암반, 지반을 압쇄하여 굴진하는 원형의 회전식 굴착장비를 말한다.

TBM이 커터헤드를 회전시켜 암반, 지반을 압쇄하여 굴착하는 과정 중 커터헤드에 장착된 디스크커터의 마모 및 손상이 발생될 경우 공사지연(굴진율)에 매우 큰 영향을 주고 있다. 따라서 디스크커터의 교체주기를 파악하여 굴착하는 것이 매우 효율적이다.

TBM의 굴착부품인 디스크커터는 소모성 재료로서 디스크커터의 내구성이 다 되었을시 주기적으로 교체하여야함으로 디스크커터의 교체주기 파악이 경제성 측면에서 중요하다.

디스크커터의 교체주기 파악을 위한 디스크커터의 마모도 측정은 매우 중요한 기술사항이다. 일반적으로 사용되는 디스크커터의 마모게이지는 기준점 위치가 마모로 인하여 변동이 있을 수 있어 정확한 마모도를 측정하는 것이 곤란하다. 그리고 디스크커터의 마모도 측정은 측정자별 시각에 의한 판단과 숙련도에 따라 측정편차가 발생한다. 그리하여 마모도 측정에 대한 정확도 및 정밀도 개선이 필요하다.

그래서, 제안된 종래는 도 1에 나탄낸 바와 같이 디스크커터 마모게이지는 디스크커터(2)에 고정하여 측정자의 육안으로 측정하기 때문에 측정이 정확하지 않을 뿐만 아니라 기준점의 위치가 마모되면 측정이 곤란하고, 측정자별 시각에 의한 판단과 숙련도에 따라 측정편차가 심하게 발생하는 문제점이 있었다.

또 다른 종래의 디스크커터 마모율 측정장치는 도 2에 나타낸 바와 같이 디스크커터(2)를 커터헤드에 결합시키는 디스크 커터커버에 고정되는 결합부(100) 및 결합부(100)에 고정되며 디스크커터(2)의 마모율을 측정하는 측정부를 포함하고, 이 측정부는 디스크커터(2)의 절삭부가 삽입되는 측정홈(211)을 포함하는 측정 기준부(210) 및 절삭부가 측정홈(211)에 삽입된 상태를 촬영하는 촬영부(220)를 포함한다.

그러나, 이와 같이 구성된 종래의 디스크커터 마모율 측정장치는 좌우 한 쌍의 결합부(100), 측정홈(211)을 포함하는 측정 기준부(210), 다수의 볼트(110a) 등의 조합으로 이루어져 있기 때문에 마모율 측정은 가능하나 마모도 측정은 불가능하다는 문제점이 있었으며, 또한 마모율 측정만 가능함에도 불구하고 측정을 위해 측정장치를 결합 후 측정이 완료되면 분해해야 되는 불편함과 번거로움이 있을 뿐만 아니라 측정장치의 결합 및 분해 작업으로 인하여 측정시간이 오래 걸리는 등 디스크커터(2)를 신속하게 점검할 수 없다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1784181호(2017.09.27.)

본 발명의 목적은 기존의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로서, 측정장치의 분해없이 기준점이 되는 모든 형상을 한번에 신속히 측정할 수 있고, 측정자의 판단과 측정자별 숙련도에 상관없이 3차원 입체에 의해 측정 정확도를 높이면서 항상 정량적인 마모도 측정이 가능하며, 측정시간을 단축할 수 있는 접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치는, TBM 디스크커터의 마모도를 측정하는 측정장치에 있어서, 상기 디스크커터의 좌우 및 상부를 동시 감싸도록 끼워지는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 안쪽면 상부 좌우측에 좌우 대칭되도록 상하 일정 간격을 두고 배열되는 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자를 포함하되, 상기 고정프레임은, 수평을 이루는 상면부와, 상기 상면부의 양 끝단에서 하부로 갈수록 외측으로 벌어지도록 형성된 좌우 한 쌍의 경사면부와, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부에서 수직으로 각각 연장되도록 형성된 좌우 한 쌍의 하면부로 구성되고, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부의 측면에는 상기 다수의 좌측 접촉식 탐촉자와 다수의 우측 접촉식 탐촉자가 상기 상면부의 중앙을 기점으로 일정 간격을 두고 좌우 대칭되게 마주하도록 설치되며, 상기 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자는 상기 좌우 한 쌍의 경사면부의 측면에 1열 또는 3열로 좌우 대칭되게 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 좌우 한 쌍의 하면부의 내부 일측에는 상기 디스크커터에 상기 고정프레임이 끼워질 때 수평을 측정하는 좌우 한 쌍의 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 좌우 한 쌍의 센서는 가속도 센서 또는 자이로 센서인 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자는, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부 내부에 수평으로 설치되는 하우징과, 상기 하우징 내부 일측에 설치되는 감지부와, 상기 하우징 내부로부터 외부로 수평되게 돌출되는 탐촉봉과, 상기 하우징 내부에서 상기 감지부와 상기 탐촉봉의 끝단을 연결하여 감지신호를 전달하면서 탄성을 가하는 탄성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 하우징은 상기 좌우 한 쌍의 경사면부의 측면을 관통하는 지지홀 내부 일측에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 감지부는 압력 및 변위를 측정하는 압력 센서, 변위 센서, 로드셀 중 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 탐촉봉은, 일측단이 상기 하우징 내부에 위치되어 상기 탄성부와 접지되고, 타측단이 상기 경사면부의 지지홀 안내를 받아 좌우 이동 가능하게 수평으로 지지되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 본 발명의 탄성부는 코일스프링 또는 유압실린더인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 고정프레임에 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자를 설치하여 디스크커터의 절삭부 마모도를 3차원 입체적이고 종합적인으로 정밀하게 측정할 수 있음과 동시에 측정 편차를 보정할 수 있는 마모도 측정장치이기 때문에 터널 현장에 투입된 TBM 장비의 디스크커터 점검 시 신속·정확한 디스크커터의 절삭부 마모도 측정을 통하여 디스크커터의 교체여부를 판단하여 시공 효율성 증대와 공사비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 실 가동 TBM 장비의 커터헤드를 추가적으로 부착하여 실 작동시 디스크커터의 이상유무를 모니터링할 수 있는 장비로 사용 가능할 뿐만 아니라 디스크커터의 신뢰성 있는 마모도 측정으로 마모도 DB 구축과 분석을 통하여 디스크커터의 교체주기 파악 및 디스크커터 성능개발로 시공 효율성 증대와 디스크커터의 교체비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 마모게이지가 디스크커터를 측정하는 상태를 나타낸 사진,
도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 마모율 측정장치가 디스크커터를 측정하는 상태를 나타낸 사시도,
도 3(a)(b)는 본 발명에 일 실시에 따른 접촉식 탐촉자를 이용한 마모도 측정장치를 나타낸 정면도 및 측면도,
도 4는 본 발명에 일 실시에 따른 접촉식 탐촉자를 이용한 마모도 측정장치가 디스크커터에 결합된 상태를 나타낸 정면도,
도 5(a)(b)는 본 발명에 따른 접촉식 탐촉자를 이용한 마모도 측정장치가 디스크커터로부터 분리 또는 결합된 상태를 나타낸 일부 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 접촉식 탐촉자 구성을 나타낸 개략도,
도 7은 종래의 마모율 측정장치와 본 발명의 접촉식 탐촉자를 이용한 마모도 측정장치의 통계분석기법 비교 그래프,

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치는, 디스크커터(2)의 절삭부(4) 좌우 및 상부를 동시 감싸도록 끼워지는 고정프레임(10)과, 상기 고정프레임(10)의 안쪽면 상부 좌우측에 좌우 대칭되도록 상하 일정 간격을 두고 배열되는 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)로 구성된다.

즉, 상기 고정프레임(10)은, 수평을 이루는 상면부(12)와, 상기 상면부(12)의 양 끝단에서 하부로 갈수록 외측으로 벌어지도록 형성된 좌우 한 쌍의 경사면부(14)와, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)에서 수직으로 각각 연장되도록 형성된 좌우 한 쌍의 하면부(16)로 구성된다.

이때, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)의 측면에는 상기 다수의 좌측 접촉식 탐촉자(20a)와 다수의 우측 접촉식 탐촉자(20b)가 상기 상면부(12)의 중앙을 기점으로 일정 간격을 두고 좌우 대칭되게 마주하도록 설치된다.

상기 좌우 한 쌍의 하면부(16)의 내부 일측에는 상기 디스크커터(2)에 상기 고정프레임(10)이 끼워질 때 수평을 측정하는 좌우 한 쌍의 센서(18)가 설치된다.

이때, 상기 좌우 한 쌍의 센서(18)는 가속도 센서 또는 자이로 센서로 구성된 것으로서, 마모도 측정시 상기 좌우 한 쌍의 하면부(16)가 상기 디스크커터(2)의 좌우 커터샤프트(6) 위에 각각 안착되면서 상기 디스크커터(2)의 양 측면에 밀착될 때 상기 고정프레임(10) 또는 접촉식 탐촉자(20a)(20b)의 수평을 측정한다.

상기 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)는 3차원 입체적으로 마마모도를 측정할 수 있도록 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)의 측면에 1열 또는 3열로 좌우 대칭되게 각각 구성하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)는, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14) 내부에 수평으로 설치되는 원통 형태의 하우징(22)과, 상기 하우징(22) 내부 일측에 설치되는 감지부(24)와, 상기 하우징(22) 내부로부터 외부로 수평되게 돌출되는 탐촉봉(26)과, 상기 하우징(22) 내부에서 상기 감지부(24)와 상기 탐촉봉(26)의 끝단을 연결하여 감지신호를 전달하면서 탄성을 가하는 탄성부(28)로 구성된다.

즉, 상기 하우징(22)은 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)의 측면을 관통하는 지지홀 내부 일측에 삽입되도록 지지된다.

상기 감지부(24)는 압력 및 변위를 측정하는 압력 센서, 변위 센서, 로드셀 으로 구성된다.

상기 탐촉봉(26)은 상기 경사면부(14)의 지지홀을 따라 좌우 이동 가능하게 지지되는 것으로서, 일측단이 상기 하우징(22) 내부에 위치되어 상기 탄성부(28)와 접지되고, 타측단이 상기 경사면부(14)의 지지홀 안내를 받아 좌우 이동 가능하게 수평으로 지지된다.

상기 탄성부(28)는 코일스프링 또는 유압실린더로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치에 대한 동작원리를 설명한다.

본 발명의 마모도 측정장치를 이용하여 디스크커터(2)의 절삭부(4) 마모도를 측정하기 위해서는, 먼저 도 5(a)와 같이 고정프레임(10)을 디스크커터(2) 상부를 향하도록 위치시킨 상태에서 도 5(b)와 같이 하중을 주어 끼우면, 고정프레임(10)의 좌우 한 쌍의 하면부(16)의 끝단이 디스크커터(2)의 좌우 커터샤프트(6) 위에 각각 안착되면서 좌우 한 쌍의 하면부(16) 안쪽면이 디스크커터(2)의 양 측면에 밀착된다.

이때, 좌우 한 쌍의 하면부(16) 내부에 설치된 좌우 한 쌍의 센서(18)가 디스크커터(2)의 양측면에 맞닿아 수평이 이루어진 것으로 측정되고, 이와 동시에 고정프레임(10)의 좌우 한 쌍의 경사면부(14)에 각각 설치된 다수의 좌측 접촉식 탐촉자(20a)와 다수의 우측 접촉식 탐촉자(20b) 사이로 디스크커터(2)의 절삭부(4)가 삽입된다.

이로 인하여 절삭부(4)와 접촉되는 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)의 탐촉봉(26)들이 절삭부(4)의 형상에 닿아 3차원 입체적으로 좌우로 벌어지는 변형이 발생되면, 이들 변형된 탐촉봉(26)은 도 6과 같이 후진되면서 하우징(22) 내의 탄성부(28)를 통해 압력 및 변위를 측정하는 감지부(24)로 전달하게 되고, 이 감지부(24)는 실시간으로 측정되는 마모도 측정값을 고정프레임(10) 내부에 설치되는 미도시된 별도의 단말기(연산부, 전원부, 디스플레이부, 유무선 통신부 등)로 전송하거나 외부 장비로 전송하여 표시한다.

여기서, 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)는 고정프레임(10)의 좌우 한 쌍의 경사면부(14)에 대해 상하 일정 간격을 두고 3열로 좌우 대칭되도록 각각 설치될 경우 3차원 입체적이고 종합적인 6σ(통계분석기법)을 통해 정밀한 마모도 측정은 물론 편차를 보정해 줄 수 있다.

즉, 3열로 입력된 마모도 측정값을 연산부에 의한 6σ(통계분석기법) 시스템 기능을 통해 디스크커터(2)를 1번 회전시켜 측정하면 측정자에 의한 측정편차(시각에 의한 판단, 숙련도 등)를 보정할 수 있기 때문에 종래의 기술에 비해 정밀한 마모도 측정이 가능할 뿐만 아니라 도 7과 같이 6σ(통계분석기법) 시스템 분석을 통해 기준 마모도를 초과하는 내용에 대해 알람 경보 등의 데이터를 제공할 수 있다.

이 처럼, 본 발명은 고정프레임(10)에 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)를 설치하여 디스크커터(2)의 절삭부(4) 마모도를 3차원 입체적이고 종합적인으로 정밀하게 측정할 수 있음과 동시에 측정 편차를 보정할 수 있는 마모도 측정장치이기 때문에 터널 현장에 투입된 TBM 장비의 디스크커터(2) 점검 시 신속·정확한 디스크커터(2)의 절삭부(4) 마모도 측정을 통하여 디스크커터(2)의 교체여부를 판단하여 시공 효율성 증대와 공사비용을 절감시킬 수 있다.

또한, 실 가동 TBM 장비의 커터헤드를 추가적으로 부착하여 실 작동시 디스크커터(2)의 이상유무를 모니터링할 수 있는 장비로 사용 가능할 뿐만 아니라 디스크커터(2)의 신뢰성 있는 마모도 측정으로 마모도 DB 구축과 분석을 통하여 디스크커터(2)의 교체주기 파악 및 디스크커터(2) 성능개발로 시공 효율성 증대와 디스크커터(2)의 교체비용을 절감시킬 수 있는 것이다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

2 : 디스크커터 4 : 절삭부
6 : 커터샤프트 10 : 고정프레임
12 : 상면부 14 : 경사면부
16 : 하면부 18 : 센서
20a : 좌측 접촉식 탐촉자 20b : 우측 접촉식 탐촉자
22 : 하우징 24 : 감지부
26 : 탐촉봉 28 : 탄성부

Claims

TBM 디스크커터(2)의 마모도를 측정하는 측정장치에 있어서,
상기 디스크커터(2)의 좌우 및 상부를 동시 감싸도록 끼워지는 고정프레임(10)과,
상기 고정프레임(10)의 안쪽면 상부 좌우측에 좌우 대칭되도록 상하 일정 간격을 두고 배열되는 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)를 포함하되,
상기 고정프레임(10)은, 수평을 이루는 상면부(12)와, 상기 상면부(12)의 양 끝단에서 하부로 갈수록 외측으로 벌어지도록 형성된 좌우 한 쌍의 경사면부(14)와, 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)에서 수직으로 각각 연장되도록 형성된 좌우 한 쌍의 하면부(16)로 구성되고,
상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)의 측면에는 상기 다수의 좌측 접촉식 탐촉자(20a)와 다수의 우측 접촉식 탐촉자(20b)가 상기 상면부(12)의 중앙을 기점으로 일정 간격을 두고 좌우 대칭되게 마주하도록 설치되며,
상기 다수의 좌측 및 우측 접촉식 탐촉자(20a)(20b)는 상기 좌우 한 쌍의 경사면부(14)의 측면에 각각 설치되며, 상기 하우징(22) 내부 일측에 설치되는 감지부(24) 및 상기 하우징(22) 내부로부터 외부로 수평되게 돌출되는 탐촉봉(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 탐촉자를 이용한 TBM 디스크커터 마모도 측정장치.