[논문]단계적 타격 스트로크 가변 메커니즘이 적용된 지능형 유압브레이커의 기술 제안

이대희; 노대경; 이동원; 장주섭

doi:10.7839/ksfc.2018.15.2.009

문제 정의

즉, 본 연구에서 제시한 설계를 기반으로 더 많은 타격모드를 구현하고자 한다면 각 포트 간의 간섭이 일어나 가공이 불가능해질 수 있다. 따라서 기존의 설계를 바탕으로 각 포트 간의 간섭이 일어나지 않는 선에서 구현할 수 있는 최대 타격모드의 가변 수는 4단계가 한계라고 판단되어 4단 가변 지능형 유압브레이커의 구현을 위한 연구를 수행하였다.
본 연구는 총 4단계의 타격모드가 가변되는 지능형 유압브레이커를 해석모델 개발을 통해 구현하고자 하는 연구이며, 유압회로도와 해석결과를 제시함으로써 국내 지능형 유압브레이커 개발에 기여하고자 하는 내용을 다룬다. 본 연구의 연구대상인 지능형 유압브레이커는 이미 상용화된 해외 선진사의 2단 지능형 유압브레이커보다 작업효율이 향상될 수 있다는 장점을 가지며, 이러한 연구의 성과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 기존 지능형 유압브레이커에 가변수를 늘려서 4단 지능형 유압브레이커를 구현하는 것이 목표이지만, 4단보다 타격모드의 가변 수가 더 늘어나면 그만큼 더 다양한 암반조건에서도 적절한 타격력을 얻을 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서는 각 타격모드에 해당되는 스트로크포트와 센싱포트를 타격피스톤 하우징에 적용시켰기 때문에 더 많은 타격모드를 구현하기 위해서는 그만큼 유로와 포트를 추가적으로 가공해야만 한다.
본 연구의 목표는 해석모델 개발을 통해 암반 강도에 따라 4단계의 타격모드가 자동으로 가변되는 지능형 유압브레이커를 구현하는 것이며, 해당 지능형 유압브레이커의 해석모델은 선행연구⁷⁾에서 개발한 2단 가변모드의 지능형 유압브레이커 해석모델을 확장한 개념이다. 4단 지능형 유압브레이커는 해외 선진사의 2단 지능형 유압브레이커보다 더 다양한 암반조건에서 최적의 타격력을 얻을 수 있으므로 보다 더 높은 작업효율의 향상을 이끌어낼 수 있는 이점을 갖는다.
^8,10) 따라서 타격모드의 가변수를 늘려서 더 다양한 암반 조건에서도 최적의 타격력을 얻을 수 있다면 에너지 절감의 효과를 더 높일 수 있다고 판단된다. 이를 통해 본 연구의 목적은 최근 고효율, 에너지 절감 등의 기술향상을 요구하는 건설기계 산업의 동향에 부합하다고 생각된다.¹⁰⁾

제안 방법

1) 해외 선진사의 2단 지능형 유압브레이커 해석모델을 바탕으로 이를 확장시켜 암반강도에 따라 총 4단계의 타격모드가 가변되는 지능형 유압브레이커 해석모델을 개발하였다.
4) 수식을 통해 반발력이 타격피스톤의 운동에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 파악하였고, 이를 바탕으로 다양한 반발계수 조건을 부여하여 추가적인 해석을 수행하였다. 해석결과를 통해 다양한 반발 조건에서도 타격모드의 가변성과 각 모드의 차별성을 확인할 수 있었으며, 반발계수가 타격에너지 및 타격주파수에 끼치는 영향을 파악할 수 있었다.
4단 지능형 유압브레이커의 해석모델에서는 선행연구에서 기개발된 2단 지능형 유압브레이커 해석모델에서의 유량조건(225lpm), 압력릴리프밸브의 설정압력(210bar), 어큐뮬레이터의 초기 설정값, 그리고 반발조건을 동일하게 적용시켰다. 타격대상의 반발계수(=ci)는 0.
타격피스톤의 하우징에는 타격스트로크를 결정짓는 4개의 스트로크 포트, 타격변위를 감지하는 3개의 센싱포트(S1_Port, S2_Port, S3_Port), 그리고 피스톤의 왕복운동을 결정짓는 상·하부 포트 등이 존재한다. 4단 지능형 유압브레이커의 해석모델은 Fig. 5의 도면과 수학적 모델링에 기초하여 밸브 및 타격피스톤을 각각 모델링하고 이들의 연결 관계를 파악하여 개발되었으며, 개발한 해석모델은 Fig. 6에 나타내었다.
4단 지능형 유압브레이커의 해석모델은 타격변위를 구간별로 나누어 각각에 해당되는 타격스트로크가 구현되도록 모델링 되었다. 따라서 4단계의 타격모드가 구현되기 위해서는 4개의 타격변위 구간이존재해야 한다.
5mm. 5.0mm, 7.5mm인 것을 확인할 수 있었으므로 0mm조건을 포함한 4가지의 타격변위를 해석시나리오에 Step함수로 부여하였다.
기존 2단 지능형 유압브레이커에서는 다이어프램 형의 어큐뮬레이터가 적용되었으며, 본 연구에서 구현하고자 하는 4단 지능형 유압브레이커 또한 이 어큐뮬레이터를 동일하게 적용시켰다.
또한 반발조건은 타격피스톤의 동적 거동에 영향을 미친다는 것을 식 (1)과 식 (2)를 통해 확인할 수 있다. 따라서 추가적으로 해석모델에서의 반발계수를 다양하게 변경하여 타격에너지 및 타격주파수를 산출하였다. 반발계수는 0에서 0.
또한 피스톤 상승 시 타격변위 구간별로 개방되는 스트로크 포트 랩(lap) 조건은 각각 120mm, 100mm, 80mm, 60mm로 설정하였다. 타격변위가 작은 구간은 암반이 단단하다는 것을 의미하므로 상대적으로 긴 타격스트로크를 나타내어 타격에너지를 크게 얻을 수 있도록 설정하였고, 타격변위가 큰 구간은 암반이 무르다는 것을 의미하기 때문에 상대적으로 작은 타격스트로크를 나타내어 타격에너지를 작게 얻을 수 있도록 설정하였다.
해석모델은 해석 소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 개발하였다. 마지막으로 해석결과를 통해 타격모드의 가변성 및 밸브의 동적거동을 파악하고, 각 타격모드의 타격주파수와 타격에너지, 공급 측에 형성되는 압력을 분석한다.
0mm의 타격변위 구간에서는 60mm의 랩 조건을 갖는 스트로크 포트가 개방되도록 설정하였다. 본 논문에서는 120mm 이상의 스트로크가 나타나는 타격모드를 첫 번째 타격모드, 100mm 이상의 스트로크가 나타나는 타격모드를 두 번째 타격모드, 80mm 이상의 스트로크가 나타나는타격모드를 세 번째 타격모드, 60mm이상의 스트로크가 나타나는 타격모드를 네 번째 타격모드로 정의하였다.
본 연구의 진행방법은 다음과 같다. 우선 기본적으로 해외 선진사의 2단 지능형 유압브레이커의 작동원리를 파악한다. 이후 선행연구에서 기개발된 2단 지능형 유압브레이커의 해석모델을 수정 및 확장시켜 4단계의 타격모드 가변이 이루어질 수 있는 지능형 유압브레이커의 해석모델을 개발한다.
우선 타격변위가 감소 또는 증가함에 따라 타격모드가 단계적으로 변환이 이루어지는지 파악하기 위해 Step1과 같이 타격변위를 설정하였으며, 정확한 타격에너지 및 타격주파수를 산출하기 위하여 구간별 해석 시간을 3초로 지정하였다. 그러나 실제 암반의 강도는 매우 다양하게 분포되어 있기 때문에 Step1 구간에서만 해석을 진행할 경우 타격모드가 신속하게 가변되는지 파악할 수 없다.
또한 타격스트로크가 작아지는 타격모드일수록 공급측에 형성되는 압력의 피크(peak)값과 맥동이 작아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 각 타격모드의 차별성을 확인하였다.
우선 기본적으로 해외 선진사의 2단 지능형 유압브레이커의 작동원리를 파악한다. 이후 선행연구에서 기개발된 2단 지능형 유압브레이커의 해석모델을 수정 및 확장시켜 4단계의 타격모드 가변이 이루어질 수 있는 지능형 유압브레이커의 해석모델을 개발한다. 해석모델은 해석 소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 개발하였다.
즉, 0mm≤ ximpact < 2.5mm의 타격변위 구간에서는 120mm의 랩 조건을 갖는 스트로크 포트만 개방되도록 설정하였고, 7.5mm≤ ximpact < 9.0mm의 타격변위 구간에서는 60mm의 랩 조건을 갖는 스트로크 포트가 개방되도록 설정하였다.
또한 피스톤 상승 시 타격변위 구간별로 개방되는 스트로크 포트 랩(lap) 조건은 각각 120mm, 100mm, 80mm, 60mm로 설정하였다. 타격변위가 작은 구간은 암반이 단단하다는 것을 의미하므로 상대적으로 긴 타격스트로크를 나타내어 타격에너지를 크게 얻을 수 있도록 설정하였고, 타격변위가 큰 구간은 암반이 무르다는 것을 의미하기 때문에 상대적으로 작은 타격스트로크를 나타내어 타격에너지를 작게 얻을 수 있도록 설정하였다. 즉, 0mm≤ x_impact < 2.

대상 데이터

4단 지능형 유압브레이커의 해석모델은 크게 타격피스톤, 메인밸브, 컨트롤밸브, 3개의 센싱밸브로 구성되어 있다. 여기서 컨트롤밸브는 2단 지능형 유압브레이커에서 자동제어밸브의 내부스풀과 동일한 역할을 하며, 센싱밸브는 자동제어밸브의 외부스풀과 동일한 역할을 한다.
따라서 4단계의 타격모드가 구현되기 위해서는 4개의 타격변위 구간이존재해야 한다. 각 타격변위(= x_impact) 구간은 Table 1과 같이 설정될 수 있도록 센싱포트(S1_Port~S3_Port)의 랩(lap) 조건을 각각 1.8mm, 4.3mm, 6.8mm로 설정하였다.
본 연구에서 구현하고자 하는 4단 지능형 유압브레이커는 타격피스톤, 메인밸브, 컨트롤밸브, 센싱밸브, 어큐뮬레이터로 구성되어 있다. 추후 4단 지능형 유압브레이커의 해석모델은 본 장에서 나타낸 수학적 모델링에 기초하여 개발하였다.
본 연구에서는 해외 선진사의 건설기계장비보다 성능이 앞선 장비를 개발하는데 기여하고자 하는 내용을 다루며, 연구대상은 건설기계장비 중 하나인 지능형 유압브레이커이다. 유압브레이커란 주로 굴삭기 등에 장착되는 어태치먼트이며, 타격피스톤의 왕복운동을 통해 건물의 해체작업현장 또는 석산 및 광산에서 파쇄작업을 수행하는 건설 장비이다.

이론/모형

이후 선행연구에서 기개발된 2단 지능형 유압브레이커의 해석모델을 수정 및 확장시켜 4단계의 타격모드 가변이 이루어질 수 있는 지능형 유압브레이커의 해석모델을 개발한다. 해석모델은 해석 소프트웨어인 SimulationX를 이용하여 개발하였다. 마지막으로 해석결과를 통해 타격모드의 가변성 및 밸브의 동적거동을 파악하고, 각 타격모드의 타격주파수와 타격에너지, 공급 측에 형성되는 압력을 분석한다.

성능/효과

2) 해석결과를 통해 타격스트로크가 설정된 타격 변위 구간에 따라 정확히 가변되는 것을 확인하였다.
3) 반발계수 0.3 조건에서 해석결과를 통해 산출한 타격에너지는 각 타격모드별로 약 15~19%차이를 보이며, 타격주파수는 60BPM의 차이를 보였다. 또한 타격스트로크가 작아지는 타격모드일수록 공급측에 형성되는 압력의 피크(peak)값과 맥동이 작아지는 것을 확인하였다.
12의 해석조건을 해석모델에 부여한 후 해석한 결과이며, 타격스트로크를 나타낸다. Step1구간에서 타격모드 변환시점의 타격변위에 따라 정확히 타격스트로크가 단계적으로 가변되는 것을 확인할 수 있었으며, 급격한 타격변위의 변동이 이루어지는 Step2구간에서도 타격스트로크가 신속하고 안정적으로 가변되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 타격스트로크가 가장 작은 네 번째 타격모드부터 타격스트로크가 가장 큰 첫 번째 타격모드까지 설정된 타격변위에 따라 타격스트로크가 정확히 가변된다는 것을 확인하였다.
Table 2는 각 모드별로 산출한 타격에너지와 타격주파수, 공급측에 형성되는 압력의 피크(peak)값 및 맥동을 나타낸다. Table 2에서 타격에너지를 비교하였을 때 각 모드별로 약 15~19%의 차이가 나타나는 것을 알 수 있었으며, 타격주파수는 모드별로60BPM의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단순히 Fig.
Step1구간에서 타격모드 변환시점의 타격변위에 따라 정확히 타격스트로크가 단계적으로 가변되는 것을 확인할 수 있었으며, 급격한 타격변위의 변동이 이루어지는 Step2구간에서도 타격스트로크가 신속하고 안정적으로 가변되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 타격스트로크가 가장 작은 네 번째 타격모드부터 타격스트로크가 가장 큰 첫 번째 타격모드까지 설정된 타격변위에 따라 타격스트로크가 정확히 가변된다는 것을 확인하였다.
3 조건에서 해석결과를 통해 산출한 타격에너지는 각 타격모드별로 약 15~19%차이를 보이며, 타격주파수는 60BPM의 차이를 보였다. 또한 타격스트로크가 작아지는 타격모드일수록 공급측에 형성되는 압력의 피크(peak)값과 맥동이 작아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 각 타격모드의 차별성을 확인하였다.
위와 같은 해석결과를 통해서 4단 지능형 유압브레이커는 상대적으로 연한 암반일수록 필요이상의 타격에너지를 줄이는 대신 타격주파수를 늘림으로써 작업효율을 향상시킬 수 있다는 것과 연한 암반일수록 공급 측에 형성되는 압력을 줄여 에너지 효율이 향상될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 이는 현재 상용화된 2단 지능형 유압브레이커보다 더 다양한 암반조건에서도 최적의 타격효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
이러한 타격주파수의 증가는 반발계수가 커짐에 따라 그에 따른 타격피스톤의 상승변환이 빨라지기 때문이라고 볼 수 있다. 이를 통해 다양한 반발조건에서도 타격변위에 따라 타격모드의 가변이 이루어지는 것과 각 타격모드의 차별성을 확인할 수 있었다.
8에서 Impact Displacement [2]의 조건을 부여하였을 때 나타나는 각 센싱밸브의 거동이며, 4단 지능형 유압브레이커의 작동원리에 맞게 스풀의 위치전환이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 첫 타격 후 첫 번째 타격모드에서는 모든 센싱밸브의 스풀은 좌측위치를 유지하고, 두 번째 타격모드에서는 센싱밸브 [1]의 스풀이 스위칭, 세 번째 타격모드에서는 센싱밸브 [1] 및 [2], 네 번째 타격모드에서는 센싱밸브 [1], [2], [3]이 스위칭 되는 것을 확인할 수 있다.
4) 수식을 통해 반발력이 타격피스톤의 운동에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 파악하였고, 이를 바탕으로 다양한 반발계수 조건을 부여하여 추가적인 해석을 수행하였다. 해석결과를 통해 다양한 반발 조건에서도 타격모드의 가변성과 각 모드의 차별성을 확인할 수 있었으며, 반발계수가 타격에너지 및 타격주파수에 끼치는 영향을 파악할 수 있었다.

후속연구

이러한 연구 결과는 기존 지능형 유압브레이커의 한계(2단 가변)를 뛰어넘어 한 단계 더 발전한 국내지능형 유압브레이커 개발의 발판이 될 수 있을 것으로 기대된다.¹⁴⁾
하지만 본 연구에서는 각 타격모드에 해당되는 스트로크포트와 센싱포트를 타격피스톤 하우징에 적용시켰기 때문에 더 많은 타격모드를 구현하기 위해서는 그만큼 유로와 포트를 추가적으로 가공해야만 한다. 즉, 본 연구에서 제시한 설계를 기반으로 더 많은 타격모드를 구현하고자 한다면 각 포트 간의 간섭이 일어나 가공이 불가능해질 수 있다. 따라서 기존의 설계를 바탕으로 각 포트 간의 간섭이 일어나지 않는 선에서 구현할 수 있는 최대 타격모드의 가변 수는 4단계가 한계라고 판단되어 4단 가변 지능형 유압브레이커의 구현을 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 구현하고자 하는 4단 지능형 유압브레이커는 타격피스톤, 메인밸브, 컨트롤밸브, 센싱밸브, 어큐뮬레이터로 구성되어 있다. 추후 4단 지능형 유압브레이커의 해석모델은 본 장에서 나타낸 수학적 모델링에 기초하여 개발하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지능형 유압브레이커의 가변 타격모드로 발생하는 긍정적인 효과는 무엇인가?	또한 위와 같은 지능형 유압브레이커는 기존 제품(1단 유압 브레이커)에 비해 에너지 절감의 효과를 가져다주게 된다.8,10) 따라서 타격모드의 가변수를 늘려서 더 다양한 암반 조건에서도 최적의 타격력을 얻을 수 있다면 에너지 절감의 효과를 더 높일 수 있다고 판단된다. 이를 통해 본 연구의 목적은 최근 고효율, 에너지 절감 등의 기술향상을 요구하는 건설기계 산업의 동향에 부합하다고 생각된다.
	지능형 유압브레이커는 무엇인가?	유압브레이커란 주로 굴삭기 등에 장착되는 어태치먼트이며, 타격피스톤의 왕복운동을 통해 건물의 해체작업현장 또는 석산 및 광산에서 파쇄작업을 수행하는 건설 장비이다.1-5) 여기서 지능형 유압브레이커란 작업효율의 향상을 위해 기존 유압브레이커에 자동으로 타격력을 조절시켜주는 제어 기구를 접목시킨 것으로, 암반 강도에 따라 타격모드(타격스트로크)가 자동 가변되는 유압브레이커이다.6-11)
	지능형 유압브레이커를 사용한 타격작업 시 장점은 무엇인가?	이와는 반대로 타격스트로크가 증가하게 되면 타격력이 증가하며 타격주파수가 감소하게 된다. 즉, 지능형 유압브레이커는 상대적으로 연한 암반을 타격할 때 발생하는 필요 이상의 타격력을 줄이고, 그 대신에 타격주파수를 늘림으로써 작업시간의 단축을 얻을 수 있기 때문에 작업효율이 향상된다는 이점을 갖게 된다.6,8-10) 따라서 국내에서도 이러한 지능형 유압브레이커를 개발하고자 하는 연구가 계속해서 진행되어야 하며, 더 나아가 해외 선진사의 제품보다 더 앞선 성능을 가진 지능형 유압브레이커를 개발하는 것이 국내 유압브레이커의 경쟁력을 높이는 것이라고 생각된다.

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