유압식 암석 파쇄기의 기본 작동 원리

1.3 유압식 암쇄기의 기본 작동 원리

유압식 암쇄기는 유압 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 충격 장치이다. 이 장치는 피스톤과 분배 밸브 스풀이라는 두 가지 기본 움직이는 부품으로 구성되며, 이들 부품은 서로 피드백 제어한다. 즉, 밸브 스풀의 왕복 운동이 피스톤의 환산을 제어하고, 피스톤은 각 스트로크의 시작 및 종료 시점에서 밸브의 제어 오일 통로를 개폐함으로써 밸브의 환산을 실현한다. 이러한 방식으로 사이클이 반복된다… 유압식 암쇄기의 기본 작동 원리는 다음과 같다: 이 피스톤-스풀 피드백 제어를 통해 피스톤이 유압(또는 공기압)력에 의해 급속히 왕복 운동하며 초크(chisel)를 타격하여 외부 작업을 수행하는 것이다.

유압식 암석 파쇄기는 여러 종류와 형태로 제공되며, 이에 대해서는 뒤의 장에서 자세히 설명할 것이다. 아래에서는 전방실 고압식·후방실 가변압식 유압식 암석 파쇄기를 예로 들어 그 작동 원리를 설명한다:

도면에 표시된 바와 같이, 복귀 작동이 시작되면 고압 오일이 오일 포트 1을 통해 피스톤 전방 챔버로 유입되며 동시에 방향 제어 밸브 스풀의 하단부에도 작용하여, 스풀을 도면 (a)에 나타낸 상태로 안정적으로 유지시킨다. 이때 피스톤 전방 챔버에는 고압 오일이 공급되며, 후방 챔버는 오일 포트 4를 통해 반환 유로 T와 연결된다. 전방 챔버의 오일 압력에 의해 피스톤은 복귀 작동 중 가속되며, 질소 챔버에 저장된 질소를 압축한다(순수 유압식 제외); 액쿠물레이터는 오일을 저장한다. 피스톤의 복귀 작동이 제어 포트 2에 도달하면, 고압 오일이 스풀 상단부에 도달하게 된다. 이 시점에서 스풀의 상단부와 하단부 모두 고압 오일과 연결되는데, 설계상 스풀 상단부의 유효 면적이 하단부의 유효 면적보다 크기 때문에, 고압 오일의 작용으로 인해 스풀은 도면 (b)의 상태로 전환된다. 이때 피스톤의 전방 및 후방 챔버 모두 고압 오일과 연결되며, 액쿠물레이터는 시스템에 보충하기 위해 오일을 배출한다. 합성 힘 F_q의 작용으로 피스톤은 동력 작동 중 가속되어 천자를 타격하고 충격 에너지를 출력한다. 피스톤이 타격 지점을 통과하면 제어 포트 2와 3이 서로 연결되어 반환 유로 T와 직결되며, 스풀 상단부의 오일 압력이 감소한다. 이에 따라 하단부의 오일 압력만으로 스풀이 빠르게 도면 (a)의 원래 상태로 복귀한다. 이와 같이 원래 상태로 복귀한 피스톤은 다시 복귀 작동을 시작하여 다음 타격 사이클로 진입하며, 이러한 과정이 주기적으로 반복된다. 이 전체 과정에서 피스톤과 밸브 스풀 간의 연동 관계는 그림 1-2에 도시되어 있다.

그림 1-1에서 보듯이, 동력 작동 구간(piston stroke)에서 피스톤의 중력과 마찰 저항을 무시할 경우, 피스톤에 작용하는 구동력 F_q는 주로 유압과 질소 가스 압력으로 구성되며, 즉 F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]이다. 구동력 F_q는 전방-후방 챔버의 유효 면적 차이, 유압 p 및 질소 챔버 압력 p_N에 의존한다. 유압 작동 에너지와 기체 압력 작동 에너지의 비율에 따라 순수 유압식, 유압-공압 병용식, 질소 폭발식의 세 가지 작동 형태가 형성될 수 있다.

순수 유압식: p_N = 0. 이 형태에서는 유압식 암쇄기(hydraulic rock breaker)에 질소 챔버가 없으며, 피스톤은 상부-하부 챔버 간 유압 차에 의해 완전히 구동된다. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. 이 형태는 유압식 암쇄기가 최초로 등장했을 때의 가장 초기 형태이다.

유압-공기압 복합식: 이 형태에서는 d₁ < d₂이며, 동시에 피스톤 후미에 질소 챔버가 추가되어 질소가 작동하도록 주입되며, 이때 질소 압력 p_N > 0이다. F_q는 주로 두 부분으로 구성된다: 전방-후방 챔버의 유압 차이와 질소의 압축-팽창력이다. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. 이 형태는 현재 가장 일반적으로 사용되는 유압식 암석 파쇄기의 형태이다. 전체 구동력에서 유체와 기체가 수행하는 일의 비율, 즉 기체-액체 일 비율에 따라 서로 다른 성능을 갖는 제품을 제작할 수 있다.

질소 폭발식: 이 형태에서는 d₁ = d₂이고, p_N은 0이다. 상부-하부 챔버의 유압력은 제로이며, 동력 행정 중 피스톤 작동은 질소 챔버 가스 압력에 의해 완전히 구동된다. F_q = π/4 · p_N · d₁². 이 형태는 유압식 암석 파쇄기의 최신 형태이다.

이 세 가지 형태는 각각 장점과 단점이 있으나, 전반적인 성능은 세대가 거듭될수록 향상된다. 순수 유압식은 유압식 암쇄기가 처음 등장했을 때의 최초 형태로, 구조가 간단하고 작동이 신뢰성 있으며 초기 밀림력이 필요하지 않으나, 에너지 이용률이 낮고 대형 제품 제조에는 부적합하다. 유압-공기 혼합식은 순수 유압식에 비해 주요한 기술적 돌파구이다: 피스톤 후미에 질소 챔버를 추가함으로써 복귀 동작 시 에너지를 효과적으로 재활용하여 충격력을 크게 향상시켰다. 그러나 구조가 복잡하고 작동을 위해 초기 밀림력이 필요하다. 질소-폭발식 유압 암쇄기는 에너지 측면에서 동력 행정(파워 스트로크) 중 오일 작업이 필요하지 않아 더 에너지 절약적이며, 동시에 피스톤 전방 및 후방 챔버의 직경이 동일하므로 피스톤 동력 행정 시 순간적인 오일 공급 부족 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 다만, 초기 질소 충전 압력이 높기 때문에 요구되는 밀림력이 더 크다.

1.4 유압식 암석 파쇄기의 기본 구조 및 분류

1.4.1 유압식 암석 파쇄기의 기본 구조

유압식 암석 파쇄기는 다양한 종류가 있으나, 공통된 구조적 특징을 갖는다. 유압식 암석 파쇄기의 기본 구성 요소는 실린더 본체, 피스톤, 분배 밸브, 축적기, 질소 챔버, 초isel 받침대, 초isel, 고강도 볼트 및 밀봉 시스템이다. 유압식 암석 파쇄기의 종류에 따라 구조가 약간 다르지만, 모든 암석 파쇄기에는 피스톤과 밸브 스풀이라는 두 가지 기본 움직이는 부품이 반드시 포함된다. 그 기본 구조는 그림 1-3에 도시되어 있다.

(1) 충격 메커니즘

유압식 암반 파쇄기는 비교적 길고 가늘며 가장 중요한 구성 부품인 피스톤을 갖추고 있다. 응력파 전달 이론에 근거하여, 피스톤의 충격 에너지를 최대한 전달하기 위해 충격 피스톤의 지름은 일반적으로 초크(치즐)의 말단부 지름과 거의 동일하거나 이에 근접하게 설계되며, 이는 타격면에서 완전한 접촉을 보장하고 에너지를 효율적으로 전달하는 목적을 달성하기 위함이다. 충격 피스톤과 실린더 본체 또는 라이너 슬리브 사이의 맞물림 간극은 매우 중요한 기술적 파라미터이다. 이 간극이 과도하게 크면 내부 누설량이 매우 커져 충격력이 부족해질 뿐만 아니라, 심지어 암반 파쇄기의 정상 작동조차 방해받을 수 있다. 반대로 간극이 지나치게 작으면 피스톤의 움직임이 느려지거나 갈림 현상(galling)이 발생할 수 있으며, 동시에 제조 비용이 급격히 증가하게 된다.

(2) 분배 메커니즘

유압식 암반 파쇄기는 일반적으로 유압 오일의 흐름 방향을 전환하는 분배 밸브를 갖추고 있으며, 이를 통해 충격 피스톤의 왕복 운동을 제어하고 구동한다. 분배 밸브의 구조 형식은 다양하며, 일반적으로 스풀 밸브(spool valve)와 슬리브 밸브(sleeve valve)의 두 주요 유형으로 구분할 수 있다. 스풀 밸브는 일반적으로 무게가 가볍고, 유압 오일 소비량이 적으며, 지름이 작고, 맞물림 간극 및 누출량도 작다. 그러나 대부분 계단형 구조를 가지며, 구조적 가공성이 상대적으로 떨어지고, 절류 손실이 크다. 반면 슬리브 밸브는 무게가 무겁고, 지름이 크며, 맞물림 간극 및 누출량도 상대적으로 크다. 그러나 구조적 가공성은 우수하고, 개방 면적 기울기가 크며, 절류 손실은 작다. 또한, 밸브 스풀과 밸브 본체 또는 밸브 슬리브 사이의 맞물림 간극은 유압식 암반 파쇄기 제조 시 또 다른 중요한 기술적 파라미터이다. 이 간극이 지나치게 크거나 작으면 모두 밸브의 정상적인 작동을 방해하게 된다.

(3) 축적기 압력 안정화 메커니즘

대부분의 유압식 암석 파쇄기는 에너지 저장 및 압력 안정화 기능을 담당하는 하나 이상의 축적기를 갖는다. 유압식 암석 파쇄기는 동력 작동 구간(파워 스트로크)에서만 외부에 작업을 수행하며, 복귀 작동 구간(리턴 스트로크)은 동력 작동 구간을 위한 준비 과정이다. 피스톤이 복귀할 때 유압 오일이 충전 챔버 압력보다 높은 압력으로 축적기 내부로 유입되어 축적기 내 유압 오일의 위치 에너지 형태로 저장된다. 이 저장된 에너지는 피스톤의 동력 작동 구간 동안 방출되며, 대부분의 복귀 작동 구간 에너지를 충격 에너지로 전환한다. 이를 통해 축적기는 시스템의 작동 효율을 향상시키는 역할을 하며, 동시에 분배 밸브 스풀의 스위칭으로 인해 발생하는 압력 충격 및 유량 맥동을 줄이는 기능도 수행한다.

(4) 작동 메커니즘

초isel은 외부 작업을 수행하는 유압 암반 파쇄기의 작동 부품으로, 작업 대상물에 직접 작용한다. 이는 마모 저항성이 우수해야 하며, 외부는 경질이고 내부는 인성 있게 설계되어야 하며, 경도가 외부에서 내부로 점진적으로 감소하는 마모 부품이다. 다양한 작업 조건 및 작업 대상에 적응하기 위해 초isel은 뾰족형, 사각형, 삽형, 평면형 등 여러 형태로 제공된다.

(5) 공사격 방지 메커니즘

유압식 로크 브레이커는 충격 에너지가 크기 때문에, 피스톤이 실린더 본체에 직접 충격을 가할 경우 로크 브레이커 본체가 심각하게 손상되어 공사격(blank-firing)이 발생한다. 공사격 방지 구조는 실린더 본체 전면에 유압 버퍼 챔버를 추가하는 방식으로 구성된다. 천공기가 암반에 접촉하지 않은 상태에서 전진할 때, 충격 피스톤은 버퍼 챔버 내부로 진입하여 그 내부의 유압유를 압축함으로써 충격 에너지를 흡수하고, 기계 본체를 완충 보호한다. 동시에 전방 챔버의 유입구는 폐쇄되므로, 중력과 후방 부위의 질소 압력 작용 하에 피스톤은 후퇴할 수 없다. 오직 천공기가 다시 암반에 접촉하여 더 큰 어암 압력을 가해 밀어내었을 때만, 충격 피스톤이 버퍼 챔버에서 밀려나고 고압 유압유가 전방 챔버로 유입되어 정상적인 작동이 재개된다. 도 1-4에 나타낸 바와 같이, 유압식 로크 브레이커가 파쇄 대상을 완전히 파쇄한 후에는 피스톤이 최대 1~2회 공사격을 한 후 정지한다. 이때 작업자는 다시 충격 지점을 선택하여 천공기를 단단히 누르고 압력을 가해야 하며, 천공기가 피스톤을 하부 챔버 유입구로부터 밀어내면 작업을 재개할 수 있다.

(6) 기타 메커니즘

유압식 암쇄기의 기타 메커니즘에는 연결 프레임, 진동 감쇠 메커니즘, 밀봉 시스템, 자동 윤활 시스템 등이 포함된다.

1.4.2 유압식 암쇄기의 분류

유압식 암쇄기는 종류가 다양하고 분류 방법도 여러 가지이다. 주요 분류 방법은 다음과 같다.

(1) 작동 방식에 의한 분류

유압식 암석 파쇄기는 작동 방식에 따라 캐리어 장착형과 핸드헬드형으로 분류된다. 핸드헬드형은 소형 암석 파쇄기로, 유압식 천공기라고도 하며, 일반적으로 질량이 30kg 이하로 손으로 조작하며 전용 수압 펌프 전원장치에서 공급되는 동력을 사용한다. 이는 공기식 천공기 작업을 광범위하게 대체할 수 있다. 캐리어 장착형은 중·대형 암석 파쇄기로, 유압 굴삭기, 로더 및 기타 유압 캐리어 기계의 부메랑(boom)에 직접 설치되며, 캐리어 기계의 동력 시스템, 유압 시스템 및 부메랑 운동 시스템을 이용하여 작동한다.

(2) 작동 매체에 따른 분류

유압식 암석 파쇄기는 작동 매체에 따라 순수 유압식, 유압-공기압 복합식, 질소 폭발식의 세 가지 주요 유형으로 분류된다. 순수 유압식은 피스톤 작동을 위해 전적으로 유압 오일 압력에 의존하며, 유압-공기압 복합식은 유압 오일과 후방부의 압축 질소를 동시에 이용하여 피스톤을 구동시키며, 질소 폭발식은 후방 질소 챔버 내 질소의 순간 팽창에 전적으로 의존하여 피스톤을 작동시킨다.

(3) 피드백 방식에 따른 분류

유압식 암쇄기는 피드백 방식에 따라 스트로크 피드백 방식과 압력 피드백 방식으로 구분된다. 두 방식의 차이는 분배 밸브의 극성 전환을 위한 피드백 신호를 채취하는 방식에 있다. 스트로크 피드백 유압식 암쇄기는 피스톤이 스트로크 과정에서 고압 오일 피드백 구멍을 개폐함으로써 분배 밸브의 극성 전환을 제어하며, 피드백 구멍의 위치는 고정되어 있어야 하며 구조적 제약으로 인해 최대 3개까지만 설치할 수 있다. 따라서 스트로크 피드백 유압식 암쇄기는 충격 주파수의 무단계 조정을 실현할 수 없다. 압력 피드백 유압식 암쇄기는 피스톤 후미부에서 시스템 압력 또는 질소실 압력을 측정하여 분배 밸브의 극성 전환을 제어한다. 피스톤이 질소실 내로 진입함에 따라 질소실 압력은 지속적으로 변화하며, 질소실 내에 설치된 압력 센서가 사전 설정된 압력을 감지하면 마이크로컴퓨터 제어를 통해 밸브가 극성 전환된다. 극성 전환 압력 값을 임의로 설정할 수 있으므로, 압력 피드백 유압식 암쇄기는 무단계 조정을 실현할 수 있다.

(4) 배급 방식에 따른 분류

배급 밸브 형태에 따라, 3방향 밸브 단면 복귀유와 4방향 밸브 양면 복귀유의 두 주요 유형으로 분류할 수 있다. 단면 복귀유 구조 형식은 유로가 간단하고 제어가 용이하다는 장점을 가지며, 실무에서 비교적 흔히 사용된다. 단면 복귀유는 전실 복귀유와 후실 복귀유로 구분되며, 이 중 전실 복귀유 형식은 흡입 저항과 복귀유 저항이 크다는 단점이 있어, 현재 가장 일반적으로 채택되는 형식은 전실 정압식·후실 복귀유 방식이다. 4방향 밸브 양면 복귀유는 이중작동식이라고도 하며, 그 특징은 정압실이 없고 전실 및 후실의 압력이 교대로 고압·저압을 반복한다는 점이다. 그러나 양면 복귀유 구조 형식은 유로가 복잡하기 때문에 실제 적용 사례는 드물다.

(5) 분배 밸브 배치에 따른 분류

분배 밸브 배치에 따라 내장형과 외장형의 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 내장형은 다시 스풀식과 슬리브식으로 세분화될 수 있다. 내장형 분배 밸브는 실린더 본체와 일체형으로 제작되어 구조가 컴팩트한 반면, 외장형 분배 밸브는 실린더 본체 외부에 독립적으로 설치되며, 구조가 단순하고 점검 및 교체가 용이하다.

또한 소음 수준에 따라 저소음형과 표준형으로 분류할 수 있으며, 외부 하우징 형상에 따라 삼각형, 탑형, 밀폐형 파쇄기 등으로 분류할 수 있다. 이러한 다양한 분류 방법을 <그림 1-5>에 요약하였다.