[논문]진동기반 하중 추정기법의 이론 및 암반 천공용 유압 브레이커 적용사례

김대지; 조정우; 오주영; 정진태; 송창헌

doi:10.7474/tus.2019.29.3.135

[국내논문] 진동기반 하중 추정기법의 이론 및 암반 천공용 유압 브레이커 적용사례
The Theory of Load Estimation Method and Case Study of Hydraulic Breaker for Rock Drilling 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.29 no.3, 2019년, pp.135 - 147

김대지 (한국생산기술연구원 건설기계부품그룹) , 조정우 (한국생산기술연구원 건설기계부품그룹) , 오주영 (한국생산기술연구원 건설기계부품그룹) , 정진태 (한양대학교 기계설계공학과) , 송창헌 (한국생산기술연구원 건설기계부품그룹)

초록
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본 논문은 기계시스템의 하중추정 기법 및 적용사례 소개가 목적이다. 이를 위해 진동기반 하중추정 기법의 이론적 배경 및 하중정량화 절차를 구체적으로 설명하였다. 또한 충격하중 및 진동이 발생하는 천공장비에 적용하여 진동기반 하중추정 기법의 적용성과 한계점을 분석하고 이에 대한 대응책에 대해 논의하였다. 마지막으로, 하중추정 기술의 추가 연구의 필요성을 토의하고, 새로운 충격하중 측정기술 개발을 위한 방법론을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduced a impact load estimation method by examining vibration transfer path analysis (TPA). The theoretical background and the load quantification procedure are explained, and a case study of hydraulic breaker is reported. We explained the merits and limitations of the load estimation method of TPA, and improvement method was suggested through case analyses of drilling equipment. The necessity of R&D of load-estimation technology was discussed. A new strategy for developing new techniques for impact load measurement was proposed.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Schematic of transfer path analysis model; active subsystem generating force and acoustic loads, and a passive subsystem responding to these loads (Song et al. 2017)
그림 Fig. 2. Process for quantifying transfer path analysis sources (Song et al., 2017)
그림 Fig. 3. Schematic diagram of the procedure for load estimation method
그림 Fig. 4. Schematic of the hydraulic breaker; (a) isometric view, (b) cross section A-A’ (Song et al., 2017)
그림 Fig. 5. Installation positions of triaxial accelerometers, (Song et al., 2016)
그림 Fig. 6. Mechanism of the hydraulic breaker and vibration test setup (Song et al., 2017)
그림 Fig. 7. Measured vibration signal from the operating hydraulic breaker.(Song et al., 2017)
그림 Fig. 8. Measured frequency response function by modal impact test (Song et al., 2016)
그림 Fig. 9. Mode shapes and natural frequencies of the hydraulic breaker housing. (Song et al., 2017)
그림 Fig. 10. Position of isolation pad in a hydraulic breaker (Song et al., 2016)
그림 Fig. 11. Contribution of impact loads in the hydraulic breaker (Song et al., 2016)
그림 Fig. 12. Breaker shock wave of impact energy strain (Song et al., 2017)
표 Table 1. Results of impact loads in the hydraulic breaker
표 Table 2. Results of impact energy measurement

AI 본문요약
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문제 정의

본 기술보고를 통해 천공장비의 주요 부품의 설계 및 구조안정성 평가에 주요인자인 충격하중을 추정하는 기법과 적용사례를 소개하고자한다. 이를 위해 진동기반 하중추정기법의 이론적 배경 및 하중 정량화 절차와 암반 천공 기계장치에 대한 적용성과 한계점을 분석하고 기술의 추가 연구의 필요성을 제시하고자 한다.
본 절에서는 유압브레이커 타격 시 발생하는 충격하중의 추정 및 정량화 방법을 소개하고자 한다. Fig.
본 논문에서는 스트레인 게이지 및 로드셀의 적용이 어려운 시험조건에서 진동기반 하중추정 기법의 이론적 배경과 적용사례를 소개하였다. 본 사례를 분석하여 건설기계 및 핵심부품의 충격하중을 정량적으로 도출하는 기법의 방법론 및 장･단점을 논의하였다.

가설 설정

진동기반 하중추정기법은 신호분석 방법에 따라 주파수 영역과 시간 영역으로 구분된다. 시간 영역의 하중추정기법은 주파수 영역의 분석방법과 동일하다. 다만, 주파수 영역에서는 단순 곱으로 계산하던 부분을 시간 영역에서는 컨볼루션(convolution) 적분을 이용한다.
본 사례에서는 타격시험의 재현성 및 일정한 타격력 구현을 위해 암반이 아닌 강판 타격조건으로 시험이 진행되었다. 따라서 치즐의 타격 시 소음, 진동에 의한 에너지 손실 및 반력의 형태로 타격 하중이 하우징에 전달된다는 가정을 두면, 충격하중 및 진동이 발생하는 기계장치에 대해 본 논문에서 소개된 기법의 적용을 확인하였다. 본 기법의 신뢰성 검증을 위해서는 내진패드의 하중전달에 대해 CAE(computer aided engineering)를 도입해 규명할 필요가 있으며, 추가적인 물성시험이 요구된다.

제안 방법

유압 브레이커에서 발생되는 충격하중의 계산을 위해서는 전달함수의 취득이 필요하다. 따라서 유압 브레이커의 전달함수 취득을 위해 모달 시험을 수행하였다. 전달함수 취득을 위한 가진 위치는 하단부로 X, Y방향으로 하였으며, 임팩트 해머의 가진 (excitation)을 통해 취득된 하우징의 전달함수는 Fig.
본 사례에서는 타격시험의 재현성 및 일정한 타격력 구현을 위해 암반이 아닌 강판 타격조건으로 시험이 진행되었다. 따라서 치즐의 타격 시 소음, 진동에 의한 에너지 손실 및 반력의 형태로 타격 하중이 하우징에 전달된다는 가정을 두면, 충격하중 및 진동이 발생하는 기계장치에 대해 본 논문에서 소개된 기법의 적용을 확인하였다.
본 논문에서는 스트레인 게이지 및 로드셀의 적용이 어려운 시험조건에서 진동기반 하중추정 기법의 이론적 배경과 적용사례를 소개하였다. 본 사례를 분석하여 건설기계 및 핵심부품의 충격하중을 정량적으로 도출하는 기법의 방법론 및 장･단점을 논의하였다.

이론/모형

치즐에서 발생한 타격력은 진동기반 하중추정 기법의 타당성을 검증할 수 있는 기준값으로 활용이 가능하기 때문이다. 따라서 본 사례에서는 유압 브레이커 타격 시 치즐에서 발생되는 타격력을 도출하기 위해 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용한 타격에너지 측정법을 채택하였다(RS B 0022:2009, Park and Kim, 2006). 스트레인 게이지를 활용한 하중 계산은 식 (5) 및 (6)을 통해 계산된다.

성능/효과

진동기반 하중추정 기법의 적용으로 건설 및 천공장비의 방향별, 위치별 정량적인 충격하중의 정량적인 추정이 가능함을 확인하였다. 이러한 방법론은 암반천공장비 설계 및 제작에 중요한 검증시험 및 성능평가의 방법론으로 적용될 수 있으며, 하중 정량화 결과는 구조안전성 평가 및 최적화에 중요한 데이터로 활용될 수 있다.

후속연구

본 기술보고를 통해 천공장비의 주요 부품의 설계 및 구조안정성 평가에 주요인자인 충격하중을 추정하는 기법과 적용사례를 소개하고자한다. 이를 위해 진동기반 하중추정기법의 이론적 배경 및 하중 정량화 절차와 암반 천공 기계장치에 대한 적용성과 한계점을 분석하고 기술의 추가 연구의 필요성을 제시하고자 한다.
따라서 치즐의 타격 시 소음, 진동에 의한 에너지 손실 및 반력의 형태로 타격 하중이 하우징에 전달된다는 가정을 두면, 충격하중 및 진동이 발생하는 기계장치에 대해 본 논문에서 소개된 기법의 적용을 확인하였다. 본 기법의 신뢰성 검증을 위해서는 내진패드의 하중전달에 대해 CAE(computer aided engineering)를 도입해 규명할 필요가 있으며, 추가적인 물성시험이 요구된다. 또한 하중추정방법의 확장 및 검증에 대한 추가적인 연구가 진행된다면, 암석을 비롯해 다양한 기계부품의 동적 감쇠계수를 추정할 수 있는 새로운 개념이 제시될 수 있을 것이다.
본 기법의 신뢰성 검증을 위해서는 내진패드의 하중전달에 대해 CAE(computer aided engineering)를 도입해 규명할 필요가 있으며, 추가적인 물성시험이 요구된다. 또한 하중추정방법의 확장 및 검증에 대한 추가적인 연구가 진행된다면, 암석을 비롯해 다양한 기계부품의 동적 감쇠계수를 추정할 수 있는 새로운 개념이 제시될 수 있을 것이다.
진동기반 하중추정 기법의 적용으로 건설 및 천공장비의 방향별, 위치별 정량적인 충격하중의 정량적인 추정이 가능함을 확인하였다. 이러한 방법론은 암반천공장비 설계 및 제작에 중요한 검증시험 및 성능평가의 방법론으로 적용될 수 있으며, 하중 정량화 결과는 구조안전성 평가 및 최적화에 중요한 데이터로 활용될 수 있다. 하지만 본 기법을 통해 추정된 하중은 구조물의 전달함수 및 가속도에 종속되어 계산되기 때문에 시험의 재현성 확보 및 높은 신뢰도가 요구된다.
이러한 방법론은 암반천공장비 설계 및 제작에 중요한 검증시험 및 성능평가의 방법론으로 적용될 수 있으며, 하중 정량화 결과는 구조안전성 평가 및 최적화에 중요한 데이터로 활용될 수 있다. 하지만 본 기법을 통해 추정된 하중은 구조물의 전달함수 및 가속도에 종속되어 계산되기 때문에 시험의 재현성 확보 및 높은 신뢰도가 요구된다. 이로 인해 시험 수행 시간이 증가하는 약점이 존재한다.
또한 발생하중 대비 추정된 하중은 대략 20~22% 과소평가됨을 알 수 있었다. 이는 본 기법의 한계로 분석되며, CAE 및 신뢰성 확보를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 기술보고에서 소개된 충격하중 추정기법을 크러셔(Crusher)의 메인 프레임, TBM 및 로드헤더의 커터하우징과 커터홀더, 진동리퍼의 하우징 및 천공해머(down-the-hole hammer)의 하우징 등 상이한 작동원리를 가진 다양한 천공장비에 적용하여 충격하중의 규명이 가능할 것으로 판단된다. 이러한 결과로, 다양한 천공장비의 강도설계 기준 및 구조안정성 평가를 위한 새로운 표준시험의 개념이 제시될 수 있을 것이라 예상된다.
본 기술보고에서 소개된 충격하중 추정기법을 크러셔(Crusher)의 메인 프레임, TBM 및 로드헤더의 커터하우징과 커터홀더, 진동리퍼의 하우징 및 천공해머(down-the-hole hammer)의 하우징 등 상이한 작동원리를 가진 다양한 천공장비에 적용하여 충격하중의 규명이 가능할 것으로 판단된다. 이러한 결과로, 다양한 천공장비의 강도설계 기준 및 구조안정성 평가를 위한 새로운 표준시험의 개념이 제시될 수 있을 것이라 예상된다. 또한 상이한 암축강도를 가진 암반 및 각종 기계시스템 부품(내진패드 등)의 동적 감쇠계수 혹은 주요특성을 추정할 수 있는 기술로 확장할 수 있으며 극한 작업환경에 노출된 제품의 전달하중의 정보를 확보할 수 있으므로 강건 설계를 위한 기초 D/B구축이 가능하다.
또한 상이한 암축강도를 가진 암반 및 각종 기계시스템 부품(내진패드 등)의 동적 감쇠계수 혹은 주요특성을 추정할 수 있는 기술로 확장할 수 있으며 극한 작업환경에 노출된 제품의 전달하중의 정보를 확보할 수 있으므로 강건 설계를 위한 기초 D/B구축이 가능하다. 이를 토대로 향후 천공기계의 타격성능을 정량적으로 검증하여 제품 경쟁력을 확보하는 데 도움이 될것이라 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격하중의 측정의 단점은 무엇인가?	, force sensor, strain gauge)이 존재한다. 충격하중의 측정은 측정 장비의 동적 특성이 고려되어야하기 때문에 정하중 측정법에 비해 센서 설치 및 데이터 획득이 어렵다(Sundin and Jonsson, 1985). 충격하중이 발생되는 구조물에 대해 로드셀 및 스트레인 게이지를 이용한 다양한 연구가 보고된 바 있다(Baker and Dove, 1962, Suzuki, 1971, Zhang et al.
	암반 천공 기계장치는 무엇인가?	g., hydraulic breaker, crusher, top-hammer, TBM)는 타격력을 전달받아 암석과 암반을 파쇄하거나 천공하는 건설기계이다. 이 장비들은 암반 시공, 터널굴착, 자원 및 골재 생산, 건축물 해체 등 다양한 건설 산업분야에 활용되고 있다.
	진동기반 하중추정 기법은 어떻게 구분되는가?	진동기반 하중추정 기법은 가진원으로 부터 발생하는 소음 및 진동 에너지의 흐름으로 주요전달경로를 파악과 하중추정에 유용 하며 기계시스템을 구성하는 각 부품의 민감도 파악이 가능한 방법이다(Kim and Lee, 2008). 이 기법은 구조기인(structure borne noise)과 공기기인(air borne noise)으로 구분된다(SIMENS, 2014b). 구조기인 소음은 발생되는 진동이 구조물을 통해 전달되며, 공기기인 소음은 공기를 매개로 전달된다.

참고문헌 (29)

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