광물시장 성장과 함께, 고효율 DTH 해머 필요성이 함께 증가되고 있다. 그러나 DTH 해머는 지하 천공이라는 작동조건의 특성 때문에, 실험 데이터의 직접 취득이 어렵고, 실제 테스트를 하기 위해서는 DTH 드릴 리그와 많은 운용비를 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 DTH 해머의 제품개발 시간과 비용의 문제점을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 해결하고자 하였다. 이전 연구에서DTH 해머구조와 동작 원리를 분석하고, 시뮬레이션을 이용한 표준 모델을 제시하고, 그것을 실험과 비교 검증하였다. 이를 바탕으로 본 논문에서는 실험설계법을 이용하여DTH 해머의 타격에너지와 효율에 관한 제어인자를 도출하고, 이에 관한 최적화를 시도하였다. 그 결과 타격에너지를 14.9% 효율은 3.3% 높이는 결과를 얻었다.
광물시장 성장과 함께, 고효율 DTH 해머 필요성이 함께 증가되고 있다. 그러나 DTH 해머는 지하 천공이라는 작동조건의 특성 때문에, 실험 데이터의 직접 취득이 어렵고, 실제 테스트를 하기 위해서는 DTH 드릴 리그와 많은 운용비를 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 DTH 해머의 제품개발 시간과 비용의 문제점을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 해결하고자 하였다. 이전 연구에서DTH 해머구조와 동작 원리를 분석하고, 시뮬레이션을 이용한 표준 모델을 제시하고, 그것을 실험과 비교 검증하였다. 이를 바탕으로 본 논문에서는 실험설계법을 이용하여DTH 해머의 타격에너지와 효율에 관한 제어인자를 도출하고, 이에 관한 최적화를 시도하였다. 그 결과 타격에너지를 14.9% 효율은 3.3% 높이는 결과를 얻었다.
Research and development of mineral-resource-related products has progressed with the increased need to develop mineral resources. The DTH hammer is a resultant product. However, owing to particular work conditions of underground drilling, it is difficult to obtain direct data on the DTH hammer. A D...
Research and development of mineral-resource-related products has progressed with the increased need to develop mineral resources. The DTH hammer is a resultant product. However, owing to particular work conditions of underground drilling, it is difficult to obtain direct data on the DTH hammer. A DTH drill rig requires a significant amount of money and time for actual testing. This thesis aimed to resolve this problem by using CAE. In a previous paper, the structure of the DTH hammer and its movement were analyzed, and a standard model based on simulation was proposed. Then, experimentation and comparison verification were conducted. In this paper, by using an experimental design method, we derived a control factor of the impact force and efficiency of the DTH hammer and attempted to optimize the design. As a result, the impact energy increased by 14.9%, and the efficiency increased by 3.3%.
Research and development of mineral-resource-related products has progressed with the increased need to develop mineral resources. The DTH hammer is a resultant product. However, owing to particular work conditions of underground drilling, it is difficult to obtain direct data on the DTH hammer. A DTH drill rig requires a significant amount of money and time for actual testing. This thesis aimed to resolve this problem by using CAE. In a previous paper, the structure of the DTH hammer and its movement were analyzed, and a standard model based on simulation was proposed. Then, experimentation and comparison verification were conducted. In this paper, by using an experimental design method, we derived a control factor of the impact force and efficiency of the DTH hammer and attempted to optimize the design. As a result, the impact energy increased by 14.9%, and the efficiency increased by 3.3%.
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문제 정의
본 논문에서는 DTH 해머 모델의 타격에너지와 효율에 관련된 제어인자를 선정하고, AMESim프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 통해 최적화하여 이를 향상시키는 것을 목표로 하였다.
이를 이용한 초기 DTH 해머 시뮬레이션 결과가 Table 2에 정리되어 있다. 이들 중 DTH 해머와 리그의 천공성능에 영향을 많이 주는 타격에너지와 효율을 본 연구에서 최적화 대상으로 선정하고, 이를 개선하는 것을 목표로 하였다.
가설 설정
타격에너지는 DTH해머의 성능지표 중 하나로 사용되며, 운동에너지 식을 이용하여 식 (1)과 같이 계산할 수 있다. 타격에너지를 증가시키기 위해서는 제품크기의 제약이 있는 피스톤 질량을 조절하기보다는 타격속도를 증가시키는 것이 상대적으로 쉽다. 단, 타격속도 증가 시 작동압력이 같이 상승하는 특성이 있어 주의가 필요하다.
제안 방법
또한 측정을 위해 DTH 리그 장비를 운용해야 하므로 시간과 비용의 소모가 크다. 이러한 DTH 해머 개발에 발생하는 어려움을 본 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 해결하고자 하였다.
확정된 제어인자를 이용하여 타격에너지와 효율에 관하여 최적화를 수행하였다. 앞서 기술한 대로 타격에너지와 효율 값은 클수록 유리하므로, Table 5에 망대특성을 적용하여 S/N비에 관한 인자 수준별 통계분석을 하였다.
본 연구에서는 고효율 DTH 해머 제품개발시 따르게 되는 실험에 대한 막대한 시간과 비용을 시뮬레이션을 활용하여 해결하도록 시도하였다.
이를 위해서 DTH 해머 작동 원리를 분석하고, AMESim을 이용하여 DTH 해머의 최적화를 시도하였다. 시뮬레이션 결과에 실험설계법을 적용하여 DTH해머성능 제어인자를 찾고, 이것이 피스톤 상단포트의 위치와 디스트리뷰터 길이와 관련이 깊음을 나타내었다.
대상 데이터
DTH 해머는 각 제조사 별로 구조 및 동작원리가 서로 상이하다. 본 논문에서는 Everdigm 6인치 DTH 해머를 기준으로 연구를 진행하였다. DTH 해머의 구조는 드릴 튜브와 연결되는 백헤드, 압축된 에어를 단속하는 체크밸브, 왕복운동을 하는 피스톤, 피스톤의 타격 에너지를 암반에 전달하는 비트 에어의 유동을 제어하는 디스트리뷰터와 실린더, 그리고 이러한 부품을 보호하며 피스톤 운동을 안내하는 웨어슬리브로 구성되어 있다.
시뮬레이션은 3초를 수행하였으며, 시뮬레이션 초기에 과도응답을 고려하여 데이터 취득은 2.5초~3초까지 데이터를 취득하였다. 본 연구에 사용된 시뮬레이션 모델은 Fig.
34%로 큰 차이를 보이지 않으므로, 최적화 조합 선택 시 효율보다 타격에너지가 가장 우수한 조합을 선택하는 것이 유리하다고 판단되었다. 이에 따라 D5, E3, F1을 선택하였다.
이 결과가 Table 13에 나타나 있다. 앞서 기술한대로 DTH해머는 데이터를 취득 가능한 변수가 적어 평균동작압력과 타격수만을 비교대상으로 하였다. 분석결과 실험과 시뮬레이션 값이 상당히 근접하게 나타났다.
데이터처리
효율 분석결과, 타격에너지와 유사한 성격의 결과를 얻을 수 있었다. 이전과 같은 방식으로 Table 7에서 설계 인자 중, 변동(S)의 크기가 가장 작은 D와 F를 풀링시켜 F 검정을 하였다. 이 결과 B가 가장 영향이 큰 것으로 나타났으며, 다음으로 A > F > D 순으로 영향이 있는 것으로 나타났다.
최종적으로 선정된 A3, B5, C3, D5, E3, F1 조합에 대하여 시뮬레이션하고 이를 초기값과 비교하였다. 이 결과가 Fig.
실험에 사용한 암반은 균일성을 확보하기 위해 시험장에 콘크리트를 타설하여 수행하였다. 실험은 암반조건과 드릴 리그의 에어컴프레셔 온도변화 등을 고려하여 3회 실험하고 이를 평균하여 값을 취득하였다. 이를 시뮬레이션과 비교하였다.
시뮬레이션 결과에 실험설계법을 적용하여 DTH해머성능 제어인자를 찾고, 이것이 피스톤 상단포트의 위치와 디스트리뷰터 길이와 관련이 깊음을 나타내었다. 이를 망대특성을 이용한 통계분석으로 최적화를 수행하였다.
이론/모형
제어인자를 찾기위해 분석 방법으로 시험계획법을 선택하고 이 중 직교배열법을 이용하였다.
성능/효과
Setp 2에서 하단 포트가 닫히더라도 피스톤은 관성에 의해 상승한다. 결과적으로 디스트리뷰터는 피스톤 상단과 결합되며, VT 에서 피스톤-비트의 메인 유로를 빠져나가는 길이 차단된다. 이로 인하여 VT 는 밀폐되고 압축이 시작된다.
상사점이 높아진 만큼 스트로크가 길어졌으나, 피스톤속도 상승의 영향이 더 높아 이를 상쇄하고 효율을 더 높이는 결과를 얻었다. 최종적으로 타격에너지는 14.9% 증가, 효율은 3.3% 상승하였다.
이를 위해서 DTH 해머 작동 원리를 분석하고, AMESim을 이용하여 DTH 해머의 최적화를 시도하였다. 시뮬레이션 결과에 실험설계법을 적용하여 DTH해머성능 제어인자를 찾고, 이것이 피스톤 상단포트의 위치와 디스트리뷰터 길이와 관련이 깊음을 나타내었다. 이를 망대특성을 이용한 통계분석으로 최적화를 수행하였다.
그 결과 타격에너지는 14.9% 증가, 효율은 3.3% 높이는 결과를 얻었으며, 최종적으로 시제품제작을 이용한 실험에서도 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
대표적 사례로 DTH rock drilling 설계변수를 선정과 충격량운동량 정리를 기반으로한 수치해석,(5) 암질에 따른 DTH특성 시뮬레이션 해석,(6) 다구찌 기법을 이용한 DTH 타격성능 최적화에 관한 연구(2) 등이 있으나 대부분의 연구는 시뮬레이션 및 수치해석에서 수준에서 머물러 있으며, 이를 실제실험과 비교하여 연구모델 정확도를 검증한 사레는 드물고, 실제 DTH운용 시 필수적인 DTH 리그에 관한 가정들이 고려되지 않은 연구가 대다수이다. 이로 인하여 연구결과를 제품설계 및 개발에 적용하는데 한계가 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다운더홀 방식은 어떻게 천공하는 방식인가?
DTH 방식은 드릴튜브 전체를 회전시키며 하단의 DTH 해머가 타격을 통해 암석을 파쇄하며 천공한다. 타격부가 암석에 직접적으로 닿아 있는 구조로, 드릴스트링 상단을 타격하고 드릴스트링을 통해 충격파를 암석에 전달하는 탑해머 방식에 비하여 천공깊이 증가에 따르는 드릴스트링과 체결부에서 타격에너지 손실증가가 없고, 따라서 천공 깊이의 증가에도 동일한 작업효율을 유지하는 장점으로 고심도 작업에 널리 쓰인다.
DTH 천공방식의 타격부의 특징은 무엇인가?
특히 DTH 천공방식은 천공을 위한 타격부가 지하 수십~수백 미터 아래에 위치하고, 고온고압 상황에 있으며, 타격시 회전과 함께 높은 충격에너지가 발생한다. 이 때문에 작동에 관련된 변수를 직접 측정하는데 상당한 어려움이 있다.
천공장비인 락드릴의 사용 형태 및 대표적으로 사용되는 방식은?
이들 중 하나로 대표적 천공장비인 락드릴은 드릴리그에 부착되어 사용되며, 탑해머(Top Hammer: TH), 다운더홀(Down-the-hole: DTH), 로터리 드릴방식이 대표적으로 사용된다. 이는 드릴의 타격 및 구동방식에 따라 나뉘며, 이에 관한 특징이 Fig.
참고문헌 (7)
Hwang U. K., 2015, "Modelling and Test of Downthe-Hole Hammer," Journal of Drive and Control, Vol. 12, No. 2, pp. 34-38.
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Tatiya, R. R., 2009, Surface and Underground Excavations, Balkema, pp. 62-63.
Chiang, L. E. and Elias, D. A., 2000, "Modeling Impact in Down-The-Hole Rock Drilling," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 37, pp. 599-613.
Bu, C., Qu, Y., Cheng, Z. and Liu, B., 2009., "Numerical Simulation of Impact on Pneumatic DTH Hammer Percussive Drilling," Journal of Earth Science, Vol. 20, No. 5, pp.868-878.
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