유압식 암석 파쇄기의 작동 원리 분석

2.2 유압식 암석 파쇄기의 작동 원리 분석

유압식 암석 파쇄기는 다양한 구조 형식을 갖는다. 작동 원리에서 출발하여, 저자들은 유압식 암석 파쇄기의 가장 근본적이며 가장 핵심적인 개념을 추상화하고 종합하여 다음의 세 가지 기본 작동 방식으로 정리하였다: 순수 유압식, 유압-공기압 병용식, 질소 폭발식.

2.2.1 순수 유압식 작동 원리

순수 유압 작동 원리는 세 가지 구현 형태를 갖는다: 전방 챔버 정압/후방 챔버 가변압(약칭 '전방 챔버 정압 원리'), 후방 챔버 정압/전방 챔버 가변압(약칭 '후방 챔버 정압 원리'), 그리고 전방 및 후방 챔버 모두 가변압(약칭 '가변압 원리').

(1) 전방 챔버 정압 원리

이것은 유압식 암석 파쇄기 개발 초기에 처음 채택된 작동 원리로, 이후 모든 기술적 발전이 이 원리를 기반으로 이루어졌다. 전방 챔버 정압 유압식 암석 파쇄기는 그림 2-1에 도시되어 있다.

그림 2-1에서 시스템은 실린더 본체, 피스톤, 제어 밸브 및 오일 통로로 구성된다. 실린더 본체와 피스톤은 충격 기구를 구성한다. 피스톤은 유압 오일에 의해 실린더 본체 내부에서 왕복 운동하며, 외부로 충격 에너지를 출력하고 대상물에 큰 충격력을 가하여 해머 효과를 발생시킨다. 제어 밸브의 기능은 피스톤을 구동하는 오일의 흐름 방향을 반전시켜 피스톤의 주기적인 왕복 운동을 달성하는 것이다.

그림 2-1에 도시된 유압식 암반 파쇄기는 피스톤이 충격점에 위치해 있으며, 밸브 스풀은 동력 행정에서 복귀 행정으로 전환을 막 완료한 위치에 있다. 이 순간 고압 오일이 밸브의 상수 고압 포트를 통해 실린더의 상수 고압 챔버(챔버 a )로 유입되어 피스톤을 복귀 행정(오른쪽 방향)으로 구동한다. 피스톤의 가변 압력 챔버(챔버 b )는 포트 4와 밸브의 가변압력/유출유 포트를 통해 탱크로 되돌아간다. 피스톤이 후퇴하여 그 전방 어깨가 실린더 본체의 포트 2를 지나면, 고압 유류가 푸시밸브 포트 5로 유도되어 밸브가 작동(좌측으로 전환)한다. 이때 밸브의 일정 고압 챔버가 중간 가변압력 챔버와 연결되므로, 고압 유류가 피스톤의 후방 챔버로 유입된다 b 포트 4를 통해 유입된다. 현재 피스톤 양측 모두 고압 유류에 의해 압력을 받고 있으나, 후방 챔버의 압력 작용 면적이 전방 챔버의 압력 작용 면적보다 크기 때문에 b 후방 챔버의 압력 작용 면적이 전방 챔버의 압력 작용 면적보다 크다 a 피스톤은 복귀 작동 중에 감속하기 시작하며, 속도가 0으로 떨어진 후 동력 작동(왼쪽 방향)을 시작한다. 피스톤의 중심 오목부가 포트 2와 포트 3을 연결할 때, 피스톤은 충격점에 도달한 직후이며, 이로써 한 사이클이 완료된다. 동시에 푸시 밸브 포트 5가 복귀 유압 배출선과 연결되므로 스풀이 오른쪽으로 전환되어 그림 2-1에 표시된 위치로 복귀하게 되며, 이는 한 전체 사이클을 완료하고 다음 피스톤 복귀 작동을 위한 준비를 마치는 것이다. 이러한 방식으로 피스톤은 지속적인 충격을 발생시키며, 계속해서 충격 에너지를 출력한다. 공기실 c 이 작동 원리에서 공기실은 대기압으로 배기된다.

(2) 후방 실린더 상수압 원리

이 작동 원리는 피스톤 전방 실린더의 압력 받는 면적이 a 후방 실린더의 압력 받는 면적보다 커야만 실현될 수 있음에 유의해야 한다. b 즉, 피스톤 전방 실린더의 직경이 후방 실린더의 직경보다 작다는 것을 의미한다. d ₁ > d ₂).

그림 2-2는 후방실 고압 유지/전방실 가변압 유압식 암쇄기의 개략도를 보여준다.

그림 2-1과 비교할 때 유일한 차이점은 실린더 본체의 포트 1이 고압 유지(고압) 챔버 대신 밸브의 가변압 챔버에 연결되어 있다는 점이며, 포트 4는 밸브의 고압 유지 챔버에 직접 연결된다는 점이다. 그 외 모든 오일 통로는 동일하다. 그림 2-2는 피스톤의 동력 작동이 막 종료되고 밸브가 이미 전환된 순간을 나타내며, 시스템은 복귀 작동이 시작되는 바로 그 순간을 보여준다.

이 원리의 작동 특성은 유압식 암쇄기가 복귀 작동 중에는 유출유를 배출하지 않으나, 동력 작동 중에는 유출유를 배출한다는 점과 전방실의 압력 받는 면적에 있다. a 후방 실린더의 압력 받는 면적보다 커야만 실현될 수 있음에 유의해야 한다. b 전력 행정 방출 시간이 짧고 유량이 크기 때문에, 이 원리에 따른 유압 손실은 전방 챔버 정압 원리에 비해 더 크다. 현재 대부분의 유압식 암반 파쇄기는 이 원리를 사용하지 않는다.

(3) 전방 및 후방 챔버 가변압 원리

전방 및 후방 챔버 가변압 원리는 그림 2-3에 도시되어 있다. 이 개략도를 통해 이 유형의 유압 충격 장치는 구조가 복잡하고 유로가 많아 제조 비용이 증가함을 쉽게 알 수 있다. 따라서 현재 유압식 암반 파쇄기에서는 사용되지 않으며, 일부 브랜드의 유압식 암반 드릴에서만 여전히 사용되고 있다.

그림 2-3은 피스톤 전력 행정 종료 위치 및 복귀 행정 시작 위치를 나타낸다. 복귀 행정이 시작되면 밸브 중간 챔버의 고압 오일이 왼쪽 챔버와 실린더 포트 1을 통해 피스톤 전방 챔버로 유입되어 피스톤을 우측으로 밀어낸다. a 후방 챔버 내의 오일 b 실린더 포트 5와 밸브의 우측 챔버를 통해 오일 탱크로 배출된다. 복귀 작동 시, 피스톤의 좌측 어깨가 실린더 본체의 포트 2를 지나갈 때, 포트 7을 통한 고압 오일이 밸브 스풀을 우측으로 이동시켜 전환시킨다. 이때 밸브 스풀은 실린더 본체의 공급 및 배출 오일 경로를 순간적으로 전환한다 — 즉, 실린더 포트 5는 고압 상태가 되고, 실린더 포트 1은 탱크로 유입되는 회류 상태가 된다 — 따라서 피스톤은 감속을 시작하며, 속도가 급격히 제로로 떨어지고, 이후 동력 작동 가속으로 전환된다. 피스톤의 동력 작동이 충격점에 도달하면, 피스톤 중앙의 오목부가 실린더 포트 2와 3을 연결하고, 포트 4와 5도 서로 연결되며, 밸브 스풀의 좌측은 포트 7을 통해 포트 2와 3으로 유입되는 회류 오일과 연결되고, 밸브 스풀의 우측 포트 6은 포트 4와 5, 밸브의 우측 및 중간 챔버를 거쳐 고압 유로와 연결되어 스풀이 좌측으로 전환되며, 실린더의 공급 및 배출 오일 경로가 변경되어 피스톤의 한 작업 사이클이 완료된다. 유압 충격 장치의 피스톤과 스풀은 도 2-3에 나타난 상태 — 즉, 복귀 작동의 시작 상태 — 로 복귀한다. 이와 같이 유압 암석 파쇄기는 피스톤의 지속적인 왕복 운동을 통해 외부에 지속적으로 충격 에너지를 출력함으로써, 효과적으로 충격 작업을 수행한다.

위에서 설명한 세 가지 순수 유압 작동 원리는 현재 유압식 암석 드릴, 유압식 암석 파쇄기 및 기타 유압 충격 메커니즘에 모두 적용되고 있으나, 유압식 암석 파쇄기에서는 여전히 유압-공기 혼합 작동 원리가 보다 일반적으로 사용된다.

2.2.2 유압-공기 혼합 작동 원리

순수 유압 작동 원리에 대한 분석을 통해 알 수 있듯이, 순수 유압 충격 메커니즘의 모든 충격 에너지는 유압에 의해 공급된다. 그러나 순수 유압 암석 파쇄기의 사용이 증가하고 관련 연구가 진전됨에 따라, 유압 손실이 상당히 크다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 효율 향상의 추가적 한계를 초래하였다. 실린더 본체 내부 통로를 흐르는 유압유는 관 벽면과 마찰을 일으키며, 굴곡부, 관경 변화 및 유동 방향 전환으로 인해 발생하는 유압 손실은 상당하다. 특히 유량이 클수록 손실은 더욱 커지며, 동력 행정(파워 스트로크) 중에는 이러한 현상이 특히 심각하다.

현재, 큰 충격 에너지와 낮은 주파수를 요구하는 유압식 암석 파쇄기 및 유압식 말뚝 박는 기계에는 주로 유압-공압 복합 작동 원리가 사용되고 있다.

효율을 향상시키기 위해 광범위한 연구 끝에 사람들은 간단하고 효과적인 방법을 발견하였다: 유압식 암석 파쇄기의 충격 에너지를 공기와 유압유를 함께 사용하여 공급하는 것이다. 이 방식은 동력 행정 중 필요한 유량을 줄여 유압 손실을 감소시키고 작업 효율을 향상시킨다. 따라서 유압-공압 복합 유압식 암석 파쇄기가 개발되었다.

유압-공압 복합 유압식 암석 파쇄기의 구조적 원리는 매우 간단하다: 단지 공기실에 공기를 충전하면 된다. c 위에서 언급한 세 가지 순수 유압 원리에 질소가 일정 압력으로 주입된 상태이다. 질소가 존재하기 때문에 피스톤이 복귀 동작을 할 때 질소가 압축되어 에너지가 저장되며, 작동 동작 시 이 저장된 에너지가 유압 오일과 함께 방출되어 피스톤을 구동함으로써 충격점에서 운동 에너지를 발생시키고, 이를 충격 에너지로 전환한다. 분명히, 질소의 역할은 작동 동작 중 사용되는 오일의 양을 필연적으로 감소시켜 유압 손실을 줄이고 효율을 높이는 데 기여한다.

순수 유압식 록브레이커와 비교했을 때, 피스톤 후방 챔버의 유효 압력 받이 면적 b 유압-공기압 복합식 유압 암쇄기에서는 유효 압력 지지 면적이 감소한다. 이 유효 압력 지지 면적의 감소는 동력 작동 구간 중 유량 소비를 줄이고 유압 손실을 낮추는 결과를 가져온다—이것이 유압-공기압 복합식 유압 암쇄기가 최근 몇 년간 급속히 발전한 핵심 이유이다. 유압-공기압 복합식 유압 암쇄기는 거의 모두 전방 챔버의 정압 작동 원리를 채택하며, 이는 유압-공기압 복합식의 또 다른 핵심 특징이기도 하다.

2.2.3 질소-폭발 작동 원리

질소-폭발식 유압 암쇄기의 작동 원리는 유압-공기압 복합식 유압 암쇄기와 근본적으로 다르지 않으며, 단지 피스톤의 구조적 파라미터가 상이할 뿐이다. 핵심 차이점은 전방 및 후방 피스톤 직경이 동일하다는 점, 즉 d ₂ = d ₁이며, 모든 충격 에너지는 질소에 의해 공급된다.

동일한 전면 및 후면 피스톤 지름은 질소 폭발식 유압 암파쇄기의 주요 특징이다. 동력 작동 구간 동안 후방 챔버는 유압유를 소비하지 않으며, 모든 충격 에너지가 질소에 의해 공급된다. 물론 질소에 저장된 에너지는 복귀 작동 구간 동안 유압에 의해 공급되며, 이 에너지는 동력 작동 구간의 운동 에너지로 전환된다. 따라서 궁극적으로는 여전히 유압 에너지가 전환되는 것이지만, 가스 매체의 압축 및 에너지 저장을 통해 저장된 질소 에너지가 동력 작동 구간 동안 방출되어 피스톤의 기계적 에너지로 전환된다.

앞쪽 챔버 정압 원리만이 질소 폭발식 유압 암반 파쇄기에 적용될 수 있음을 지적해야 한다. 반면, 뒤쪽 챔버 정압 원리나 앞뒤 챔버 변압 원리는 질소식 유압 암반 파쇄기에 적용할 수 없다. 그 이유는 피스톤의 특성을 이해하면 명확해진다. d ₂ = d ₁.