유압식 암석 파쇄기 이론 연구 개요

1.5 유압식 암석 파쇄기 이론 연구 개요

유압식 암반 파쇄기 작동 중, 방향 제어 밸브의 제어 하에 작동실 내 유압이 고주파로 급격히 변한다. 따라서 유로 내 유체의 특성을 단순히 유압 전달 이론에 근거해 논의할 수 없으며, 유압 진동 이론 분석을 적용해야 한다. 피스톤 및 초isel에 작용하는 힘은 수십 마이크로초 이내에 0에서 수십~수백 메가파스칼(MPa)까지 급상승한 후 다시 0으로 떨어진다. 응력파에 의한 에너지 전달 형태는 정역학, 강체 역학, 운동학 이론만으로 작업 과정을 단순히 기술할 수 없음을 의미한다. 충격 기계의 원리는 탄성체 역학 문제에 속하므로, 그 에너지 전달 과정을 정확히 기술하기 위해서는 파동 이론을 반드시 적용해야 한다.

기본 가정과 수학적 모델의 차이에 따라, 유압식 암반 파쇄기 연구는 선형 모델 연구와 비선형 모델 연구라는 두 가지 주요 범주로 나뉜다.

1.5.1 유압 암석 파쇄기용 선형 연구 모델

선형 연구는 비선형 유압 암석 파쇄기를 가정을 통해 선형화함으로써 이상화된 연구로, '일정한 유압 오일 압력'이라는 가정 하에 도출된 선형 모델을 사용하며 특정 요인은 무시한다. 이 연구의 전제는 소비에트 시대 학자 오달리모프(OdAlimov)와 사바소프(SAbasov)가 저서 『유압 진동 충격 기계 구조 이론』에서 제시한 견해에 근거한다. 즉, '주어진 충격 종단 속도를 보장하는 조건 하에서, 압력-완전 동일 압력 제어는 최고 효율을 갖는 최적 제어 방식이다.'라는 견해이다. 이러한 '일정 압력 제어' 가정을 바탕으로 소비에트 시대 학자들은 최소 피크 추진력에 대한 최적 설계 방안을 제시하였다. 일본 학자 나카마이(Nakamai) 등은 이 기초 위에서 배관 저항을 고려하여 피스톤 행정의 조정 가능성을 이론적·설계적으로 연구하였다. 베이징 과학기술대학 리다즈(Li Dazhi) 교수는 최적 행정 설계 개념을 제시하였다. 천위판(Chen Yufan) 등은 충격 장치의 선형 모델을 활용하여 최적 행정 방법을 적용한 무차원 해석을 수행하고, 충격 장치 파라미터에 대한 무차원 해석을 실시하여 설계 작업을 위한 일련의 파라미터 관계식을 도출하였다. 베이징 과학기술대학 천딩위안(Chen Dingyuan) 교수는 설계 변수로 C = S/S_m (S: 작동 행정, S_m: 최대 행정)을 채택하여 유압 암석 파쇄기에 대한 무차원 해석을 수행한 결과, 최적 효율 구역은 C = 0.75~0.850임을 밝혔다. 베이징 과학기술대학 왕정(Wang Zheng) 교수는 설계 변수로 피스톤 복귀 가속 시간 t를 채택하여 종합적인 파라미터 분석을 수행한 결과, 축압기 용량 변화가 최소가 되는 경우 t = 0.406T이며, 유압 충격이 최소가 되는 경우 t = 0.5T임을 확인하였다. 중남대학교 허칭화(He Qinghua) 교수는 충격 장치의 구조 특성 계수—즉 피스톤 전방 및 후방 챔버의 유효 면적 비율—를 무차원 설계 변수로 삼아 충격 장치에 대한 최적화 설계를 수행하였다. 그러나 다수의 선형 연구에서는 충격 성능과 축압기 상태에 직접 영향을 미치는 피스톤과 밸브 간의 상호 제약 관계를 고려하지 않아, 메커니즘 내 다수 구조 파라미터들 사이의 상호 연관성을 정확히 반영할 수 없다. 비록 이들의 연구 정밀도는 비교적 낮으나, 그 결과는 다양한 요인이 성능에 미치는 영향 관계를 기본적으로 반영할 수 있으므로 이론적·설계적 연구에서 일정한 실용적 가치를 지닌다.

1.5.2 유압 암석 파쇄기용 비선형 모델

비교적 전형적이고 복잡한 단일체 기계 피드백 추적 시스템인 유압 암석 파쇄기는 다른 분야의 비선형 시스템과 마찬가지로 다양한 비선형 현상과 패턴을 보인다. 비선형 연구는 유압 암석 파쇄기의 운동에 영향을 미치는 요인들을 보다 포괄적으로 고려하였으며, 유압 암석 파쇄기의 응력 상태를 비교적 체계적으로 분석하여 그 운동 패턴을 설명하는 고차 비선형 미분방정식 집합을 도출하였다. 그러나 이러한 방정식은 해석적으로 풀기 어려우며, 설명이 직관적이지 않아 컴퓨터를 통한 수치해법만으로 해결이 가능하다. 최근 몇 년간 컴퓨터 과학 및 기술의 발전과 마이크로컴퓨터의 보급에 따라, 비선형 수학 모델에 대한 연구가 점차 더 많은 주목을 받고 있다.

1970년대 초반부터 외국 학자들은 디지털 컴퓨터를 공압식 암반 드릴의 충격 기계 시뮬레이션 연구에 적용하여 비교적 정확한 결과를 얻었다. 1976년, 일본 학자 마사오 마사부치(Masao Masabuchi)는 유압식 암반 파쇄기의 수학적 해석 연구를 최초로 수행하였으며, 유압 충격 시험 장치에 대한 수학적 모델을 제안하고 반복 계산법을 통해 동력 스트로크 속도 및 주파수를 도출한 후 측정값과 비교하였다. 1980년대에는 일본 학자 다카우치 요시오(Takauchi Yoshio), 타니마타 슈(Tanimata Shu) 등이 유압식 암반 파쇄기의 성능 및 설계에 관한 비선형 연구를 수행하여, 유압식 암반 파쇄기의 성능 평가 및 설계에 적합한 해석 모델을 제안하였고, 이 해석 모델의 유도 이론 및 분석 방법을 정립하였다. 1980년, 베이징 과학기술대학의 리다즈(Li Dazhi)와 천딩위안(Chen Dingyuan)은 축압기 압력을 작동 압력으로 삼는 비선형 수학적 모델을 제안하고 안정적인 수치해를 도출하였다. 1983년, 중남공업대학의 허칭화(He Qinghua)는 논문 『유압식 암반 파쇄기 수치 시뮬레이션 연구』에서 상태 전환 방법(state switching method)을 이용하여 종합적인 수학적 모델을 구축하였으며, ‘준등가속도 계산법(Quasi-uniform acceleration calculation method, PUA 방법)’을 제안하여 상태 전이 지점에서 발생하는 오차를 보정함으로써 시뮬레이션 정확도를 향상시켰다. 1987년, 베이징 과학기술대학의 천샤오중(Chen Xiaozhong) 교수와 천딩위안(Chen Dingyuan) 교수가 충격 메커니즘의 비선형 수학적 모델을 수립하고 BASIC 언어로 시뮬레이션 프로그램을 작성하여, 측정 결과와 비교적 일치하는 시뮬레이션 데이터를 확보하였다. 유압식 암반 파쇄기 작동 중에는 고압, 짧은 충격 주기, 빈번한 유량 전환 등으로 인해 압력이 지속적으로 변화하는 가변 압력실이 형성되며, 유압 오일이 다양한 간극을 통과할 때 다량의 열이 발생하여 국부적으로 고온이 되고, 이는 충격 장치의 성능 및 국부 윤활에 영향을 미친다. 그러나 이러한 분야에 대한 연구는 여전히 공백 상태이다.

유압식 암쇄기의 운동이 복잡하기 때문에, 비선형 모델 역시 특정 가정을 바탕으로 구축되므로, 선형 모델과 비선형 모델 간에 사물의 본질적 특성을 기술하는 데 있어서 실질적인 차이는 크지 않다. 단지 수학적 모델의 해법에 차이가 있을 뿐이다. 선형 모델은 해석적 해법을 사용하는 반면, 비선형 모델은 컴퓨터를 통한 수치해법을 적용해야 한다. 두 모델 모두 충격 장치의 운동 패턴을 근사적으로만 묘사할 수 있으며, 보다 정확한 기술 방법을 얻기 위해서는 계산 유체 역학(CFD)의 한층 더 발전된 연구가 여전히 필요하다.

유압식 암쇄기 기술의 발전, 특히 유압-공기 혼합식 및 질소 폭발식 유압 암쇄기의 등장과 함께 유압식 암쇄기의 작동 매체는 오일뿐 아니라 기체(가스)도 포함하게 되었음을 지적해야 한다. 특히 질소의 도입은 이론적 연구의 난이도와 복잡성을 한층 더 증가시켰다.

1.5.3 유압식 암석 파쇄기의 핵심 부품에 대한 연구

(1) 피스톤 연구

충격 피스톤의 설계 및 제조 품질은 충격 장치의 성능을 상당 부분 결정한다. 중국 학자들은 이 분야에서 중요한 연구를 수행해 왔다. 지저우바 수력공학대학의 멍 수이민 교수는 선형 모델을 기반으로 하여 무차원 해석 방법을 활용해, 피스톤 반동 속도가 유압식 암석 파쇄기 작동 매개변수에 미치는 영향에 대해 초기 탐색을 실시하였다. 샹탄 공과대학의 류 더순 교수는 논문 「암석 드릴 피스톤 반동 속도 계산」에서 파동 역학 이론을 적용하고, 암석 드릴의 작동 원리를 분석한 바탕 위에서 암석 드릴용 피스톤 반동 판정 기준 및 반동 속도 계산 공식을 제안하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다: ① 피스톤의 반동 상태 및 반동 속도는 피스톤, 천공 채찍(chisel), 암석의 물성과 관련이 있으며, 이들 요인의 영향은 독립적이지 않고 서로 연관되어 있다. ② 암석의 하중 해제 강성 계수(uncharging stiffness coefficient)가 작을수록 반동 속도는 커진다. 암석 드릴과 암석의 하중 특성을 나타내는 계수 γ가 작을수록 반동 속도는 커진다. ④ 비교적 이상적인 암석 천공 효율을 달성하기 위해 충격 장치를 설계할 때에는 특성 계수 γ를 1 ≤ γ ≤ 2 범위 내로 제어해야 한다.

산업계는 점차 몇 가지 피스톤 설계 지침을 형성해 왔다:

1) 피스톤은 길게 연장되어야 하며, 불필요한 단면적 변화를 최소화해야 하여 에너지 전달 효율과 천공기(치젤)의 수명 향상에 기여해야 한다.

2) 피스톤 충격면의 면적은 천공기(치젤) 후단면의 면적과 동일하거나 이에 가까워야 하며, 일정한 콘형(테이퍼) 길이가 확보되어야 충격파 전달에 유리하다.

3) 피스톤의 전체 스트로크 및 과도 스트로크 시 양단의 밀봉 구조가 손상되어서는 안 된다.

4) 공회전(블랭크-파이어링)용 유압 패드의 치수 및 각 피스톤 구간의 밀봉 길이는 신중하게 설계되어야 한다.

5) 적절한 재료 선택이 필수적이다 — 피스톤 재료는 높은 기계적 성능, 높은 표면 경도, 우수한 중심 인성, 그리고 매우 뛰어난 내마모성 및 내충격성을 가져야 한다.

6) 피스톤과 실린더 본체 사이의 맞물림 간극은 누출 손실과 가공 정밀도를 종합적으로 고려하여 적절히 결정되어야 한다. 일반적으로 피스톤과 실린더 본체 사이의 맞물림 간극은 0.04~0.06 mm이며, 피스톤과 지지 슬리브 사이의 맞물림 간극은 0.03~0.05 mm이다.

(2) 분배 밸브 연구

현재 대부분의 유압식 암반 파쇄기는 위치 피드백 밸브 제어 피스톤 시스템을 사용하며, 충격 장치의 특정 챔버 내 유압 공급 패턴을 변경함으로써 고속 왕복 피스톤 운동을 실현한다. 이 제어 방식은 비교적 단순하지만, 전이 과정은 상대적으로 복잡하다. 밸브 전환 과정에서 시간, 속도, 행정 거리, 유량 등 여러 매개변수가 단계적으로 변화하며, 이는 충격 장치의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이에 대해 베이징과기대학(북경과학기술대학)의 류완링(Liu Wanling) 등은 이론 및 실험을 통해 유압 충격 시스템 내 제어 밸브의 특성에 대한 특별한 연구를 수행하였으며, 연구 대상 충격 장치 밸브의 실제 운동 궤적을 도출하고, 방향 제어 밸브의 운동 규칙을 밝혀냈으며, 충격 장치 성능에 영향을 주는 제어 밸브의 주요 매개변수를 규명하였다. 중남대학의 치런쥔(Qi Renjun) 등은 밸브 제어 과정에 대한 이론적 분석과 밸브 구조 및 매개변수 최적화 연구를 수행하여 일부 유익한 규칙적 결론을 얻었으며, 특히 방향 제어 밸브의 고속 운동 시 발생할 수 있는 속도 포화 및 캐비테이션 현상을 고려하여, 밸브 스풀의 질량과 행정 거리를 감소시키고 유로 지름을 적절히 확대하는 효과적인 해결책을 제시하였다. 베이징강철학원(베이징철강학원)의 류완링 및 가오란칭(Gao Lanqing)은 논문 『유압식 암반 파쇄기 방향 제어 밸브의 동적 특성 분석 — 시뮬레이션 및 실험 연구』에서 BASIC 프로그래밍을 활용하여 밸브의 동적 특성 향상 방안을 탐구하였으며, 제로 오버랩 개방량이 증가함에 따라 후방 챔버 압력이 급격히 하락하고, 충격 작업량은 증가하며, 충격 주파수는 다소 감소하되, 충격 장치의 효율은 향상됨을 결론지었다. 다만 제로 오버랩 개방량이 과도하게 커질 경우, 밸브 어깨부의 밀봉 길이가 감소하여 밸브 작동의 신뢰성이 저하된다.

(3) 축전기 연구

축적기(accumulator)는 유압 암석 파쇄기의 중요한 구성 부품으로, 그 구조는 유압 암석 파쇄기의 전체 기계 성능에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 유압 암석 파쇄기의 성능을 연구하는 과정에서 축적기에 대한 연구도 병행되어 왔다. 1990년, 일본 학자 타카우치 요시오(Takauchi Yoshio), 타니마타 슈(Tanimata Shu) 등은 실험적·이론적 연구를 수행하였으며, 수립된 해석 모델을 바탕으로 상태 방정식을 이용해 축적기 내 질소 충전량 산정 공식을 도출하였고, 실험을 통해 이 공식의 정확성을 검증함으로써 최적 축적기 설계를 위한 이론적 근거를 제시하였다. 1986년, 베이징과기대학(북경과학기술대학)의 단샤오홍(Duan Xiaohong)은 집중 매개변수법(lumped parameter method)을 활용하여 고압 막형 축적기의 동적 모델을 구축하였으며, 실험 및 계산 방법을 병행하여 축적기 시스템의 주파수 특성을 분석하고, 축적기와 유압 암석 파쇄기 간의 최적 결합 조건을 논의하였다. 또한, 충격 장치의 최적 작동 구역은 축적기가 시스템 압력 변화에 대해 2차 고조파 응답을 주로 나타내는 에너지 지배 영역임을 지적하였다. 1986년, 중남대학(중남대학교)의 허칭화(He Qinghua) 교수가 논문 '유압 충격 기구의 회유유 및 회유유 축적기(Return Oil and Return Oil Accumulator of Hydraulic Impact Mechanisms)'를 발표하면서, 유압 암석 파쇄기의 작동 유압은 주로 자체 움직이는 부품들의 관성력에 의존한다는 점을 밝혔다. 이는 일반 유압 기계(작동 유압이 주로 외부 하중에 의존함)와 달리 유압 암석 파쇄기만이 갖는 중요한 특징이다. 회유압은 주로 피스톤 또는 밸브가 회유관으로 유체를 배출할 때 유체가 가속되면서 형성되는 관성 유압이며, 충격 장치의 배출 유량이 회유관 내 유체 흐름의 유량 변화 패턴과 다르기 때문에, 회유관으로 유입되는 유량이 회유관 내 이동 중인 유량보다 작을 경우 캐비테이션이 발생하게 된다고 지적하였다. 관성 회유압을 감소시키고 회유 캐비테이션을 제거하기 위해 유압 암석 파쇄기에 회유 축적기를 설치하는 방안을 제안하였으며, 이를 바탕으로 회유 축적기의 매개변수 설계 방법을 제시하였다. 최근 몇 년간 베이징과기대학(북경과학기술대학)은 유압 암석 파쇄기 축적기의 동적 결합 특성에 대한 연구를 수행하여 시뮬레이션 소프트웨어 패키지 HRDP를 개발하였고, 최적 축적기의 동적 결합 특성에 대한 검증 계산에서도 성과를 거두었다.

(4) 공작물 미가공 방지 장치 및 쇠망치 반동 에너지 흡수 장치에 대한 연구

유압식 암반 파쇄기 작동 중에는 피할 수 없는 초크(치즐) 반동 및 공사격 현상이 발생하므로, 초크 반동 에너지 흡수장치와 공사격 방지 장치의 작동 성능은 유압식 암반 파쇄기의 수명에 큰 영향을 미친다. 맹수민 교수는 논문 '암반 드릴 피스톤 반동 속도 분석'에서 초크 말단의 반동 요인을 체계적으로 분석하고, 초크 반동 에너지 흡수 방법을 탐구하였다. 중남대학교의 랴오이더(Liao Yide)는 논문 '유압식 암반 드릴 공사격 완충 장치에 대한 이론 및 실험 연구'에서 공사격 완충 과정의 수학적 모델을 구축하고 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 랴오지아용 박사(Dr. Liao Jianyong)는 논문 '다단계 유압식 암반 드릴 설계 이론 및 컴퓨터 지원 설계'에서 초크 반동 에너지 흡수장치 및 공사격 방지 장치에 대한 컴퓨터 시뮬레이션과 최적화 설계를 실시하였다. 중남대학교의 류더순(Liu Deshun)은 박사학위 논문 '충격 메커니즘의 파동 역학 연구'에서 파동 역학 이론을 적용하여 충격 장치 각 부위의 반동 속도 계산 공식을 도출하였으며, 충격 장치 각 부위를 합리적으로 설계함으로써 반동 에너지를 활용할 수 있음을 지적하였다. 중남대학교 유압공학기계연구소는 2단계 공사격 완충 장치를 개발하였는데, 이 장치는 초크 반동 에너지 흡수장치의 성능을 충분히 활용한 창의적인 연구 성과이다.

1.5.4 유압식 암석 파쇄기의 주파수 조정, 에너지 조정 및 제어 기술에 대한 연구

유압식 암석 파쇄기 기술의 발전과 함께 현장 시공에서는 유압식 암석 파쇄기에 대해 새로운 요구 사항을 제시하고 있다. 생산 효율을 효과적으로 향상시키기 위해, 유압식 암석 파쇄기의 충격 에너지와 충격 주파수가 암석 특성의 변화에 따라 조정될 수 있어야 한다. 즉, 운반 장비의 설치 용량을 최대한 활용한다는 전제 하에, 암석이 더 단단할 경우 유압식 암석 파쇄기는 더 큰 충격 에너지와 낮은 충격 주파수를 출력하고, 반대로 암석이 덜 단단할 경우에는 더 작은 충격 에너지와 높은 충격 주파수를 출력함으로써 보다 높은 생산 효율을 달성하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해 국내외에서 광범위한 연구가 수행되어 왔다.

유압식 암석 파쇄기의 이론적 연구에 따르면, 그 출력(충격 에너지 및 충격 주파수)은 주로 세 가지 방법으로 조정할 수 있다: ① 유량 조정; ② 스트로크 조정; ③ 피드백 압력 조정. 현재 국내외 대부분의 유압식 암석 파쇄기는 고정된 단일 스트로크만을 채택하고 있어, 즉 출력을 조정할 수 없다. 물론 이러한 유압식 암석 파쇄기에서 유량 조정 방식을 통해 출력을 조정하는 것은 이론적으로는 가능하나, 실무상으로는 실행 불가능하다. 이는 유량 변화가 출력 매개변수의 동기화된 변화를 유발하기 때문에, 독립적인 조정이 불가능하기 때문이다.

일부 국내외 제조사가 작동 행정(스트로크) 조절이 가능한 유압식 암쇄기를 설계 및 생산하였으나, 이들은 강성 구조의 단계적 조정 방식을 채택하여 사용이 매우 불편하고 성능도 떨어지기 때문에 사용자들 사이에서 호응을 얻지 못하였다. 작동 행정 피드백 분배 방식의 경우, 출력 작업 파라미터는 주로 시스템 입력 유량을 변경하거나, 복수 개의 복귀 행정 피드백 신호 구멍을 추가한 후 각 신호 구멍의 개폐를 제어함으로써 피스톤 작동 행정을 조정함으로써 유압식 암쇄기의 충격 에너지 및 충격 주파수를 변화시키는 방식이다. 예를 들어, 스웨덴에서 제작된 애틀라스-콥코(Atlas-Copco) 삼속도 유압식 암쇄기가 있다. 중남대학(Central South University)의 YYG 시리즈 자동 기어변속 유압식 암쇄기는 구조적 제약으로 인해 유압식 암쇄기 작업 파라미터의 단계적 조정만 가능하며, 충격 시스템의 압력과 유량은 서로 제곱 비례 관계에 있으므로 충격 에너지와 충격 주파수를 동시에 증가시키면 운반 장비(캐리어 머신)의 동력 소비가 급격히 커져 유압식 암쇄기의 작동 범위 및 작동 효율 확대에 한계가 있다. 일본 아키타대학(Akita University)의 고카시 다카시(Takashi Takahashi) 교수는 논문에서 복귀 행정 신호 포트의 위치를 조정함으로써 유압식 암쇄기 피스톤 작동 행정을 변경하는 방법을 설명하였다. 실험 결과, 피스톤 작동 행정을 10% 증가시켰을 때 충격 주파수는 8% 감소하나 충격 에너지는 12% 증가하여 작업 효율이 향상되었으며, 이는 작동 행정 조절형 유압식 암쇄기 설계에 대한 이론적·실험적 근거를 제공하였다. 중남대학의 허칭화(He Qinghua) 교사는 『작동 행정 조절형 유압 충격 기계에 관한 연구』에서 여러 유형의 기어변속 방식을 비교 분석하고, 작동 행정 조절형 유압 충격 장치의 다양한 작업 파라미터와 기어변속 작동 행정 간의 이론적 관계를 분석하였다. 그 결과는 기어변속 유압식 암쇄기의 설계 및 활용에 명확한 지침적 의의를 갖는다. 본서에서는 압력 피드백 원리를 기반으로 작업 파라미터를 독립적이고 무단계적으로 조절할 수 있는 개념을 제시하였으며, 이를 실현한 신형 유압식 암쇄기 제품을 출시하였다. 이 제품은 주로 피스톤 복귀 압력의 크기를 제어함으로써 충격 장치의 단일 충격 에너지를 조정하고, 동시에 가변 펌프 유량을 제어함으로써 충격 장치의 주파수를 무단계적으로 조정한다. 따라서 충격 에너지와 충격 주파수를 상대적으로 넓은 범위 내에서 각각 독립적이고 무단계적으로 조절할 수 있으며, 이 과정에서 운반 장비의 동력 변화는 미미하다. 이러한 신형 유압 충격 기계에 대한 이론적 연구, 구조 설계 및 제어 방법에 관하여 저자들은 충격 에너지와 충격 주파수를 독립적이고 무단계적으로 조절할 수 있는 유압 충격 장치에 대해 연구를 수행하였다. 조우홍창(Zhao Hongqiang) 박사는 박사학위 논문 『독립적 무단계 조절 제어 기능을 갖는 신형 유압식 암쇄기 연구』에서 유압식 암쇄기의 전통적인 작동 행정 피드백 제어 방식을 타파하고, 압력 피드백 및 가변 펌프 유량 제어 방식을 채택함으로써 유압식 암쇄기의 충격 에너지와 충격 주파수를 독립적이고 무단계적으로 조절하는 제어 기술을 실현하였다. 딩원쓰(Ding Wensi) 박사는 박사학위 논문에서 암쇄기 후단의 질소 압력을 제어 변수로 삼아, 고속 스위칭 밸브로 제어되는 강제 분배식 암쇄기에 대해 광범위한 연구를 수행하여 암쇄기의 독립적 주파수 조정 및 에너지 조정을 실현하였다. 장신(Zhang Xin)은 『기계-전자 융합형 신형 압력 피드백 유압 충격 장치 시스템 연구』에서 단일 칩 마이크로컴퓨터로 제어되는 고속 스위칭 밸브를 채택하여 충격 장치의 마이크로컴퓨터 제어를 실현하였다. 양궈핑(Yang Guoping) 박사는 박사학위 논문 『순수 유압식 독립적 무단계 주파수 조정 및 에너지 조정 유압 충격 장치 연구』에서 피로트식 분배 밸브 핸들을 이용하여 유압식 암쇄기의 충격 에너지와 충격 주파수를 무단계로 조절할 수 있는 순수 유압 제어 방식의 지능형 충격 장치를 제안하였다.

1.5.5 유압식 암반 파쇄기 시뮬레이션 기술 연구의 현재 상태

제품 설계 및 개발 관점에서 볼 때, 메커니즘의 동적 특성에 대한 연구는 제품 개발 및 설계 단계에서 수행하는 것이 가장 적절하다. 유압 제어 시스템의 동적 응답 시뮬레이션은 항상 유압 산업에서 지속적으로 연구되어 온 분야이며, 제어 시스템의 동적 응답 특성을 연구하기 위한 일반적으로 사용되는 방법이기도 하다.

유압식 암석 파쇄기의 특수한 작동 방식은 동적 시뮬레이션 분석 및 시험을 기구 이론 설계 및 개발의 기본 전제로 삼아야 함을 의미한다. 컴퓨터가 등장한 후, 제품 시험에만 의존하여 기구 운동 성능에 대한 정확하거나 신뢰성 있는 결과를 얻는 데 따른 장애가 해소되었다. 연구자들은 유압 진동 및 충격 기계의 운동을 설명하는 수학적 모델을 구축하기 위해 다양한 방법을 활용하기 시작하였으며, 시뮬레이션 기술을 통해 유압식 암석 파쇄기의 파라미터 변화 과정을 분석하고, 가상 프로토타입 기술을 이용해 충격 기계의 운동 과정을 시뮬레이션하였다. 설계 결과가 확정된 후에는 기구의 운동을 명확히 이해할 수 있으며 관련 성능 파라미터를 계산할 수 있어, 신제품 개발 주기 단축, 설계 최적화, 동적 성능 분석 수행을 위한 우수한 경로를 제공한다.

1960년대와 1970년대에 외국 학자들이 디지털 컴퓨터를 충격 기계 시뮬레이션 작업에 적용하기 시작하였다. 이러한 연구에서는 전방 및 후방 챔버 압력을 변수로 삼고, 각 포트로부터의 유체 유입 및 유출량을 계산한 후 유량 계수를 적용하여 보정하였다. 이후 기체 상태 방정식과 에너지 균형 방정식을 적용하여 축적기(어큐뮬레이터) 및 피스톤의 상태 변화를 기술하는 미분 방정식을 수립하였다. 밸브 운동에 대해 일정한 근사 처리를 거친 후, 유한 차분법을 이용한 수치 해석을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 특히 성능 파라미터는 측정값과 매우 가까웠으며, 만족스러운 결과를 얻었다. 일본의 연구자들은 특정 유압식 암쇄기(hydraulic rock breaker)에 대한 컴퓨터 모델 구축을 중점적으로 연구하였으며, 실험을 통해 얻은 파라미터를 시뮬레이션에 도입하여 유압식 암쇄기의 구조 파라미터, 충격 파라미터 및 성능 최적화를 수행하였다. 이를 통해 해당 유압식 암쇄기에 대한 최적의 회유 오일 포트 면적, 최적의 축적기 충전 용량 및 후방 챔버 압력 지지 면적을 도출하였다. 시뮬레이션을 수행하는 과정에서 일본 연구자들은 시뮬레이션 결과와 실험 테스트 결과를 보다 철저히 비교하고, 테스트 데이터에 따라 컴퓨터 모델을 보정하였다. 샌드비크(Sandvik)사는 충격 피스톤 형상이 에너지 전달 방식에 미치는 영향을 고려한 후, 이 분야에서 자체 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 설계 및 개발하였다. 이 프로그램을 사용하면: ① 충격 작동 시 각 부위의 에너지 전달 과정을 시뮬레이션할 수 있고; ② 각 시스템 구성 요소에 대한 다양한 설계를 시뮬레이션할 수 있으며; ③ 다양한 종류의 충격 대상 조건 하에서 여러 설계가 에너지 전달에 미치는 영향을 시뮬레이션할 수 있다. 샌드비크의 컴퓨터 프로그램은 최적의 제품 제조를 보장할 뿐만 아니라, 모든 파라미터가 충격 시스템에 미치는 영향 정도와 특정 파라미터의 변화가 효율성에 미치는 영향을 측정하고 이해할 수 있도록 지원하며, 이를 실용적이고 효과적인 계산 도구로서 사용자에게 제공한다.

1980년대 이후 국내에서도 시뮬레이션 기술 및 응용 연구가 활발히 진행되었다. 중국 학자 톈슈쥔, 천위판 등은 각자의 연구 방법을 활용하여 수학적 모델을 구축했다. 특히 톈슈쥔 연구팀은 고급 동적 모델링 기술인 파워본드 그래프를 상태공간 분석법과 결합하여 슬라이드 밸브 제어식 유압식 파쇄기의 동적 시뮬레이션 소프트웨어 연구를 주로 수행했다. 이 연구는 유압식 파쇄기의 동적 시뮬레이션 모델링 및 프로그래밍 분야를 개척하여 후대의 많은 시뮬레이션 프로그래머들에게 방법론과 접근 방식을 제공했다. 예를 들어 베이징 과학기술대학교의 저우즈훙 교수는 제자 옌용 등을 지도하여 파워본드 그래프를 활용해 여러 종류의 유압식 파쇄기 피스톤, 방향 밸브, 각 유압 유동 방정식 및 기체 상태 방정식에 대한 동적 방정식을 수립하고, 컴퓨터 언어로 시뮬레이션 프로그램을 작성하여 전후 챔버 압력, 유량, 피스톤 변위, 속도 등 주요 상태 변화 과정을 분석했다. 이는 유압식 파쇄기 매개변수 변화가 성능에 미치는 영향에 대한 추가 연구를 위한 토대를 마련했다. 컴퓨터와 소프트웨어 기술의 급속한 발전으로 Matlab과 AMEsim 소프트웨어가 유압식 암석 파쇄기 시스템 모델링 및 시뮬레이션에 적용되어 연구 개발 주기를 단축하고 새로운 모델의 설계 품질을 향상시키는 데 이론적 기반을 제공하고 있습니다.

1.5.6 실험 연구 방법

실험은 인간이 자연을 인식하고 객관적 세계를 개조하는 기본적인 수단이다—실험을 통해 관찰된 현상과 측정된 데이터를 종합·추상화하여 내재적 연관성과 법칙을 도출하고, 이로부터 이론을 형성한다. 실험은 이론의 근원이며, 이론을 검증하는 유일한 심판자이다.

유압식 암석 파쇄기의 충격 성능 파라미터는 그 설계 수준, 제조 수준 및 품질을 평가하는 중요한 지표이다. 주요 파라미터는 모두 실험적 방법을 통해 측정할 수 있으며, 결과는 데이터, 곡선 또는 차트 형태로 표현된다. 성능 검증은 주로 충격 에너지, 충격 주파수, 시스템 압력 및 유량을 측정하는 것을 의미한다. 현재 이들 파라미터에 대한 측정 방법은 국제적으로 통일된 실험 표준이 존재하지 않는다. 현재 일반적으로 사용되는 유압식 암석 파쇄기 충격 성능 시험 방법으로는 응력파법, 광전 변위 차분법, 전자기 유도법, 접촉법, 고속 촬영법, 지시도법, 에너지법 등이 있다.

응력파 방법은 충격 피스톤이 초isel에 충돌할 때 초isel 상에서 발생하는 응력파를 측정함으로써 충격 에너지를 측정하는 방법이다. 광전 방식은 광전 변환 원리를 이용하며, 광전 센서를 통해 충격 피스톤의 위치를 직접 측정하여 피스톤의 운동 변위를 얻고, 이를 바탕으로 충격 장치의 각 성능 파라미터를 추가로 계산한다. 광전 방식은 비접촉식 측정 방법으로, 피스톤 스트로크가 길고, 직경이 크며, 속도가 높은 유압식 암쇄기와 같은 충격 기계에 매우 적합하다. 전자기 유도 방식은 충격 피스톤에 설치된 자성 막대와 하우징에 설치된 나선형 코일로 구성된 전자기 유도 센서 시스템을 사용하며, 자성 막대가 피스톤과 함께 왕복 운동함에 따라 코일이 자기장 선을 절단할 때 발생하는 유도 기전력을 이용한다. 이 유도 기전력과 충격 속도 사이의 교정 관계를 기반으로 피스톤의 운동 속도를 산출하고, 이를 통해 피스톤의 충격 에너지를 계산한다.

접촉 방식은 피스톤이 충격 대상물에 충돌할 때의 최종 속도를 이용하여 충격 에너지를 계산하는 방법이다. 암석 파쇄기 성능 시험에서 위의 4가지 방법이 비교적 일반적이며, 그 외의 방법들은 조작이 복잡하고 비용이 높거나, 피스톤의 운동 상태를 충분히 반영하지 못하기 때문에 실무에서는 거의 사용되지 않는다.

위의 응력파 방법은 유압 암석 드릴 및 공기식 공구와 같이 비교적 작은 충격 에너지를 갖는 충격 장치의 시험에만 적합하며, 대형 유압 암석 파쇄기와 같이 큰 충격 에너지를 갖는 장치의 시험에는 어려움이 더 크다는 점을 분명히 지적해야 한다. 응력파를 전문으로 연구하는 연구 기관의 시험 용량은 일반적으로 크지 않아 대형 유압 암석 파쇄기의 시험을 수행할 수 없으며, 실내 시험에서 발생하는 소음과 진동 또한 허용할 수 없는 수준이다. 한편 접촉 방식은 설치가 간단하나 측정 결과의 정확도가 충분하지 않아 보급이 어렵다. 유압 암석 파쇄기 시험을 위한 전자기 유도 방식만이 모든 측면에서 종합적인 것으로 평가된다. 즉, 이 방식은 소형 충격 에너지 유압 암석 드릴뿐 아니라 대형 고충격 에너지 유압 암석 파쇄기까지 모두 적용 가능하며, 피스톤 운동 속도 곡선을 직접 측정함으로써 피스톤의 변위 및 가속도를 얻을 수 있어 피스톤 운동 패턴을 연구하는 사람들에게 매우 유용하다. 다만 단점은 고주파 피스톤 진동 하에서 자석 막대가 쉽게 손상된다는 점이다.

중남대학교의 정원사 박사는 박사학위 논문 『신형 압력 피드백 질소 폭발식 기계-전기 통합 유압식 석재 파쇄기 시스템에 관한 연구』에서 충격 장치 출력 파라미터를 측정하기 위한 새로운 방법 — 즉 가스 압력법을 제안하였다. 이 방법은 피스톤 운동 중 피스톤 후미에 설치된 밀폐된 질소 챔버 내 압력 변화를 압력 센서로 감지한 후, 컴퓨터를 통해 피스톤의 행정 거리 및 운동 속도를 산출함으로써 충격 장치의 두 가지 주요 출력 파라미터인 충격 에너지와 충격 주파수를 얻는다. 기존 측정 방법과 비교할 때, 비접촉식 가스 압력법은 진동 저항성이 뛰어나고, 사전 준비 작업이 최소화되며, 충격 에너지와 주파수를 동시에 측정할 수 있고, 교정이 용이하며, 충격 파라미터 오차가 작고 정확도가 높다는 장점을 갖는다. 이 방법은 실험실 제품의 측정 및 식별 수단으로 사용될 뿐만 아니라 실제 현장 작업 시 온라인 측정에도 편리하게 활용될 수 있다. 현재 경업( Jingye )사의 유압 시험 프로그램에 적용되었으며, 『유압식 암석 파쇄기』 산업 표준에 명시되었다.

1.5.7 진동, 소음 및 제어에 관한 연구

충격 에너지, 충격 주파수, 질량 외에도 유압 충격기의 성능을 측정하는 지표에는 소음, 기계 본체의 진동, 에너지 이용률 등이 포함되며, 이는 종합 성능 평가를 위한 중요한 요소이다. 환경 의식이 높아짐에 따라 선진국에서는 장비 소음에 대한 규제가 점차 강화되고 있다. 시장 수요에 부응하기 위해 유압 충격기의 소음 및 진동, 그리고 분진 억제는 점차 기업 간 경쟁의 핵심 지표로 자리 잡고 있으며, 이에 대한 제어 기술은 현재 중요한 연구 주제가 되고 있다. 각국의 학자들은 구조적·재료적 측면에서 연구를 수행하고 있는데, 구조적으로는 내장형 라이너 슬리브, 소음 감쇄 장치, 또는 진동 흡수용 강판을 중첩 설치하는 등의 조치를 통해 진동과 소음을 제어한다. 크룹프(Krupp)사는 중소형 전 제품에 흡음 재료를 적용하였다. 램머(Rammer)사는 신규 개발 제품에 고압 워터펌프와 미세 분무 노즐을 장착하여 분진 저감 효과를 달성하였다. 또한 센서 기술을 활용해 유압 암반 파쇄기의 정밀 위치 결정, 자동 천공, 초크(치젤) 정지 및 회수, 작업 대상에 따라 충격 에너지 및 충격 주파수를 자동 조정하는 등의 기능을 실현하고 있다.