드릴비트는 암반에 직접적으로 타격력과 회전력을 전달함으로써 연속적으로 암반을 파쇄, 분쇄하는 천공기의 핵심 구성요소이다. 일정한 속도로 회전하는 동시에 회전축 방향으로 타격하며 암반을 파쇄하기 때문에 암반 파쇄효율을 높이기 위해서는 드릴비트의 배열 최적설계가 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 버튼배열 최적화를 수행하기 위한 선행연구로써 버튼배열의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 버튼의 중복타격 면적, 비 타격 면적, 천공편향 모멘트와 같은 평가지표를 활용하여 버튼배열의 파쇄 효율성을 평가하였으며, 더불어 제안된 평가방법을 활용하여 기존 드릴비트 버튼배열의 파쇄 효율성을 검토함으로써 제안한 배열성능 평가방법의 적합성을 확인하였다.
드릴비트는 암반에 직접적으로 타격력과 회전력을 전달함으로써 연속적으로 암반을 파쇄, 분쇄하는 천공기의 핵심 구성요소이다. 일정한 속도로 회전하는 동시에 회전축 방향으로 타격하며 암반을 파쇄하기 때문에 암반 파쇄효율을 높이기 위해서는 드릴비트의 배열 최적설계가 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 버튼배열 최적화를 수행하기 위한 선행연구로써 버튼배열의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 버튼의 중복타격 면적, 비 타격 면적, 천공편향 모멘트와 같은 평가지표를 활용하여 버튼배열의 파쇄 효율성을 평가하였으며, 더불어 제안된 평가방법을 활용하여 기존 드릴비트 버튼배열의 파쇄 효율성을 검토함으로써 제안한 배열성능 평가방법의 적합성을 확인하였다.
The drill bit, which directly transmits percussive forces and torque to the rock, is the core part of a rock drilling machine. For effective drilling, the button arrangement of a drill bit should be optimized because it is the most important design factor in determining drilling efficiency. Furtherm...
The drill bit, which directly transmits percussive forces and torque to the rock, is the core part of a rock drilling machine. For effective drilling, the button arrangement of a drill bit should be optimized because it is the most important design factor in determining drilling efficiency. Furthermore, a quantitative method is necessary to evaluate the button arrangement for the optimization of the drill bit button. Therefore, we propose a new method for the evaluation of the drill bit button arrangement using new evaluation indices, which include the overlapped impact area, blank area, and moment. Moreover, we verify the suitability of the proposed evaluation method by applying it to the conventional button arrangement.
The drill bit, which directly transmits percussive forces and torque to the rock, is the core part of a rock drilling machine. For effective drilling, the button arrangement of a drill bit should be optimized because it is the most important design factor in determining drilling efficiency. Furthermore, a quantitative method is necessary to evaluate the button arrangement for the optimization of the drill bit button. Therefore, we propose a new method for the evaluation of the drill bit button arrangement using new evaluation indices, which include the overlapped impact area, blank area, and moment. Moreover, we verify the suitability of the proposed evaluation method by applying it to the conventional button arrangement.
드릴비트의 파쇄 성능, 즉 천공효율과 천공 작업속도를 결정하는 인자로는 버튼의 배열, 비트헤드 디자인, 내부 유로설계 등이 있으나 이 중 버튼배열은 천공효율을 결정하는 가장 중요한 설계변수(2) 로 알려져 있다. 따라서 천공 효율을 높이기 위해서는 버튼의 배열이 파쇄 효율을 높이는 방향으로 최적설계되어야 하므로, 본 연구에서는 최적설계를 수행하기 위한 선행 연구로써 버튼배열의 성능을 정량적으로 평가할수 있는 방법에 대해 연구하였다. 버튼의 중복타격 면적, 비 타격 면적 그리고 드릴비트 천공편향 모멘트와 같은 평가지표를 활용하여 버튼배 열의 파쇄 효율성을 정량적으로 평가하는 방법을 제안하였으며, 더불어 제안된 평가방법을 활용하여 기존 드릴비트 버튼배열의 파쇄 효율성을 검토함으로써 제안한 배열성능 평가방법의 적합성을 확인하였다.
제안 방법
이러한 비 타격 면적을 계산하기 위해서는 버튼이 타격하는 전체 면적을 계산해야 하지만 동일영역에 중복타격이 3회 이상 이루어진 경우에는 계산이 매우 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 타격 면적이 포함된 이미지를 사용한 근사법(approximation method)을 이용하여 비 타격 면적을 계산하는 방법을 제안하였다.
따라서 천공 효율을 높이기 위해서는 버튼의 배열이 파쇄 효율을 높이는 방향으로 최적설계되어야 하므로, 본 연구에서는 최적설계를 수행하기 위한 선행 연구로써 버튼배열의 성능을 정량적으로 평가할수 있는 방법에 대해 연구하였다. 버튼의 중복타격 면적, 비 타격 면적 그리고 드릴비트 천공편향 모멘트와 같은 평가지표를 활용하여 버튼배 열의 파쇄 효율성을 정량적으로 평가하는 방법을 제안하였으며, 더불어 제안된 평가방법을 활용하여 기존 드릴비트 버튼배열의 파쇄 효율성을 검토함으로써 제안한 배열성능 평가방법의 적합성을 확인하였다.
암반 천공에 사용되는 드릴비트의 버튼배열을 정량적으로 평가하기 위하여 중복타격 면적, 비타격 면적 그리고 모멘트를 활용한 버튼배열 평가방법을 제안하였고, 기존의 드릴비트 모델에 이를 적용하여 적합성을 확인하였다. 이러한 버튼배열 평가방법은 단순히 기존 버튼배열의 문제 점을 분석하는데 사용할 수도 있으며, 최종적으로는 설계목적에 따라 평가지표에 적절한 가중치(weighting coefficient)를 부여하여 중복타격 면적, 비 타격 면적, 모멘트가 최소가 되는 최적의 버튼배열을 찾는데 사용할 수도 있다.
대상 데이터
본 연구에서 대상으로 하는 드릴비트는 탑 해머 드릴링(Top Hammer Drilling) 방식의 천공기에 사용되는 φ102mm 드릴비트이며, Fig. 2과 같이 텅스텐 카바이드 재질의 버튼과 플러싱 채널로 구성되어 있다. 전방에 위치하는 텅스텐 카바이드 재질의 버튼은 천공기의 타격력과 회전력을 직접 암반에 전달하여 암반을 분쇄하는 역할을 하고, 플러싱 채널은 압축공기를 불어넣어 분쇄된 암반조각을 천공 홀 밖으로 배출 하는 역할 (2) 을 한다.
이론/모형
중복타격 면적이 작더라도 버튼이 천공 영역을 고르게 타격하지 않는 경우가 발생하므로, 중복 타격 면적만을 사용하여 버튼배열을 평가하기엔 부족하다. 따라서 본 연구에서는 버튼이 천공 영역을 고르게 타격하는지 알아보기 위한 지표로비 타격 면적(blank area)을 사용하였다.
성능/효과
암반 천공에 사용되는 드릴비트의 버튼배열을 정량적으로 평가하기 위하여 중복타격 면적, 비타격 면적 그리고 모멘트를 활용한 버튼배열 평가방법을 제안하였고, 기존의 드릴비트 모델에 이를 적용하여 적합성을 확인하였다. 이러한 버튼배열 평가방법은 단순히 기존 버튼배열의 문제 점을 분석하는데 사용할 수도 있으며, 최종적으로는 설계목적에 따라 평가지표에 적절한 가중치(weighting coefficient)를 부여하여 중복타격 면적, 비 타격 면적, 모멘트가 최소가 되는 최적의 버튼배열을 찾는데 사용할 수도 있다.
9에 나타내었다. 제안한 성능평가지수 즉, 중복타격 면적, 비 타격 면적 그리고 천공편향 모멘트를 활용하여 주어진 버튼배열의 파쇄 효율성을 평가하면 중복타격 면적과 비 타격 면적 측면 에서 두 번째 모델의 버튼배열이 다른 모델보다 우수하다는 것을 알 수 있으며, 모멘트 측면에서는세 종류의 모델 모두 각각의 축에 대하여 조금씩 편향되어 있으나 세 번째 모델이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 암반의 종류, 천공기의 특성, 천공 효율이나 파쇄 작업 등에 따라 세지표의 가중치를 적절히 결정한다면 특정 천공작업 시 파쇄 효율 극대화를 위한 드릴비트 버튼의 최적설계가 가능할 것으로 사료된다.
후속연구
하지만 본 연구에서는 정면의 6개의 버튼에 대해서만 평가지표를 사용하였기 때문에 이후에 연구에서 이를 확장하여 모든 버튼배열을 평가할 필요가 있다. 또한, 중복타격 면적과 비 타격 면적은 선행타격에 대한 영향을 고려하지 않고 평평하고 깨끗한 이상적인 암반 표면을 연속적으로 타격한 결과를 계산한 것이므로 이후의 연구에서 선행타격에 대한 영향을 추가적으로 고려하여 본연구를 보완할 필요가 있다.
하지만 본 연구에서는 정면의 6개의 버튼에 대해서만 평가지표를 사용하였기 때문에 이후에 연구에서 이를 확장하여 모든 버튼배열을 평가할 필요가 있다. 또한, 중복타격 면적과 비 타격 면적은 선행타격에 대한 영향을 고려하지 않고 평평하고 깨끗한 이상적인 암반 표면을 연속적으로 타격한 결과를 계산한 것이므로 이후의 연구에서 선행타격에 대한 영향을 추가적으로 고려하여 본연구를 보완할 필요가 있다.
Kwon, K. B., Song. C. H., Park. J. Y., Oh. J. Y, Lee. J. W. and Cho. J. W., 2013, "Evaluation of Drilling Efficiency by Percussion Testing of a Drill Bit with New Button Arrangement," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.15, No.6, pp.1063-1068.
Kwon. K. B., Song. C. H., Park. J. Y., Shin. D. Y., Cho. J. W., and Cho. S. H., 2013, " Rock Fragmentation Assessment of a Drill Bit by Hopkinson Bar Percussion Test," Tunnel & Underground Space, Vol. 23, No. 1, pp. 42-53.
Kwon. K. B., Song. C. H., Lee. J. W., Park. J. Y., Oh. J. Y. and Cho. J. W., 2013, "Drilling Efficiency Investigation of a Dril Bit by Piston-Drop Test," The Korea Society of Fluid Power & Construction Equipment Conference, Vol. 2013, No. 6, pp. 15-20.
Patil. S. B. and Bodhe. S. K., 2011, "Betel Leaf Area Measurement Using Image Processing," International Journal of on Computer Science and Engineering, No. 7, Vol. 3, pp. 2656-2660.
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