KR19980072547A - 채석용 워터 제트 슬로터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 화강석, 대리석등과 같은 석재 자원을 보다 효율적으로 채취, 절단하기 위한 채석용 워터 제트 슬로틀에 관한 것으로, 특히, 워터 제트(waterjet) 시스템을 통해 생성된 고압수를 이용하여 암석 절단을 위해 암반에 슬롯을 형성할 수 있도록 하는 채석용 워터 제트 슬로터에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 노즐 진동 모터(1)의 회전 운동이 편심축(2)에 장착된 원동 롤러(3a)에 가해짐과 동시에 이에 맞물린 종동 롤러(3b)를 통해 척 어셈블리(5)로 전달되면 이 척 어셈블리(5)가 받는 힘이 진동 쿠션 우레탄(4)에도 가해지고, 이 진동 쿠션 우레탄(4)은 힘을 받으면 복원력을 발생시켜 역으로 척 어셈블리(5)에 반대 방향의 힘을 가하는 것을 반복하면서 척 어셈블리(5)에 결합된 제트 랜스(6)가 진동되도록 하며, 고압 펌프에서 생성된 고압수가 고압관을 통해 제트 랜스(6)와 분사 노즐7)을 통해 대상 암석에 분사되게 하는 것이다.

Description

채석용, 워터 제트 슬로터

본 발명은 화강석, 대리석등과 같은 석재 자원을 보다 효율적으로 채취, 절단하기 위한 채석용 워터 제트 슬로터에 관한 것으로, 특히, 워터 제트(waterjet) 시스템을 통해 생성된 고압수를 이용하여 암석 절단을 위해 암반에 슬롯을 형성할 수 있도록 하는 채석용 워터 제트 슬로터에 관한 것이다.

일반적으로 워터 제트 시스템은 고압 펌프를 이용하여 유체를 압축한 후 이를 노즐을 통해 분사시켜 각종 재료를 절단, 제거하는 용도의 시스템으로서, 최대분사압력은 약 400 MPa 정도이며, 이때의 분사수류의 속도는 Mach 3 정도의 초음속에 이른다.

이러한 워터 제트 시스템은 1968년 최초로 등장한 이래 장비의 개발 및 응용분야가 급속히 확대되고 있으며, 한재 워터제트 시스템이 사용되고 있는 대표적인 응용분야로는 1)암석이나 금속, 플라스틱 등 각종 재료의 절단, 천공, 밀링 등과 같은 절단 및 가공 분야, 2)코딩의 제거, 선박과 같은 금속 표면의 녹이나 부착물의 제거 등과 같은 클리닝 분야, 3)채탄, 채광, 터널 굴착의 보조 수단 등과 같은 광산 및 터널 응용 분야가 있다.

특히, 워터 제트 장비를 채석작업에 적용 하려는 시도가 기술 선전국들을 중심으로 전개되고 있는 추세이다.

종래 워터 제트 시스템의 채석응용에서는 원석을 채취하거나 대규모 블록을 조성하기 위해 암반중에 필요로 하는 심도와 방향을 갖는 슬롯을 절단할 수 있어야 하는데, 이러한 종래의 워터제트 시스템에서 분사노즐과 절단대상 재료면 사이의 이격거리가 점차 증가하게 되면 절단심도는 점차 감소하게 되고, 임의의 한계수준이상으로 이격거리가 증가하면 재료는 더 이상 절단되지 않는다. 이러한 경우 다중행정 방식을 채택하더라도 이와 같은 현상은 마찬가지로 발생하는데, 그 이유는 행정수가 증가하게 되면 절단심도가 더 이상 증가하지 않는 한계에 도달하기 때문이다.

따라서 워터 제트를 이용하여 암석에 깊은 심도의 슬롯을 절단하기 위해서는 어떤 심도에서도 향상 일정한 이격거리를 유지할 수 있어야 하는데, 만일 일정한 이격거리만 유지된다면 이른적으로는 필오한 어떤 심도의 슬롯이라도 절단할 수 있게 된다.

일정한 이격거리를 유지하기 위해서는 분사 노즐이 대상재료중에 형성된 슬롯속으로 진입할 수 있어야 하며, 따라서 노즐이 진입할 수 있을 정도로 충분한 폭을 가진 술롯을 절단할 수 있는 장치가 요구되는 것으로, 넓은 폭의 슬롯을 절단하기 위해서는 분사 노즐의 회전운동이나 회전식 진동 운동 혹은 진동 운동을 일으키는 메카니즘을 구현할 필요가 있는 것이다. 회전운동의 경우에는 고압용 스위벨(swivel)에 내재하는 누수 문제가 예상되며 이는 장치의 실용성과 경제성을 저하시킬 소지가 있는 것이다. 회전식 진동운동의 경우에는 누수 문제는 없으나 분사노즐을 장착한 고압호스의 비틀림이 예상되므로 여기에 적합한 고압용 부품을 조달할 필요성이 대두된다.

그리고 국내 대부분의 채석장에서는 주로 제트 버너, 천공 및 발파, 다이아몬드 와이어 등을 이용한 채석법을 중심으로 원석을 생산하고 있는 실정으로, 원석채취에 있어 발파법은 그 단순성과 경제성으로 가장 유력한 방법으로 볼 수 있으나 대규모 블록을 조성하기 위해 장공 발파를 사용하는 경우에는 암반내에 크랙을 발생시키는 단점이 있는 것이다. 제트 버너의 경우에는 l40 dB 을 능가하는 높은 소음 수준으로 인한 환경 여건상의 제약, 100 mm 정도의 넓은 절단폭에 의한 원석 손실, 발생되는 열에 의한 암반의 열변형 등의 문제점을 안고 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 제1의 목적은 누수 문제 및 고압용 부품을 별도로 제작할 필요가 없는 진동식 운동 메커니즘을 적용한 채석용 워터 제트 슬로터를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 의 목적은 현장 적용성을 고려하여 되도록 단순하면서도 안정적인 기계적 메커니즘으로 진동 운동을 구현할 수 있는 채석용 워터 제트 슬로터를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 노즐 진동 모터의 회전 운동이 편심축에 장착된 원동 롤러에 가해짐과 동시에 이에 맞물린 종동 롤러를 통해 척 어셈블리로 전달되면 이 척 어셈블리가 받는 힘이 진동 쿠션 우레탄에도 가해지고, 이 진동 쿠션 우레탄은 힘을 받으면 복원력을 발생시켜 역으로 척 어셈블리에 반대방향의 힘을 가하는 것을 반복하면서 척 어셈블리에 결합된 제트 랜스가 진동되도록 하며, 고압 펌프에서 생성된 고압수가 고압관을 통해 제트 랜스와 분사 노즐을 통해 대상 암석에 분사되게 하는 채석용 워터 제트 슬로터를 제공함에 의해 달성된다.

도 1은 본 발명의 정면 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 노즐 진동 장치의 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 분사수의 궤적도,

도 4는 본 발명에 따른 노즐의 운동을 보인 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 노즐 진동 모터 2 : 핀심축

3a, 3b : 롤러 6 : 제트 랜스

7 : 분사 노즐 8 : 수평 이송 모터

9 : 가이드 레일 10 : 수직 이송 모터

11 : 헬리컬 기어 12 : 서포트 프레임

14 : 앵커 볼트 16 : 암석

A : 진폭 a : 진동각

b : 분사각 s : 이격 거리

w : 절단폭

다음 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 구체적으로 설명하겠다.

도 l 및 도 2 에는 본 발명에 따른 채석용 워터 제트 슬로터가 도시되어 있는데 이 채석용 워터 제트 슬로터는 도 1 도시와 같이 슬로터 자체는 단순히 하나의 이송 시스템으로서 절단하고자 하는 슬롯을 따라 고압수 분사 노즐(7)을 장착하고 있는 노즐 진동 장치(18)를 수직 및 수평 방향으로 이동시키는 것이다.

상기 노즐진동장치(18)는 지지 프레임(12)에 설치되어 있으며, 수평 이송 모터(8)의 회전에 의해 가이드 레일(9)을 따라 수평 방향으로 이동된다.

수직 이송 모터(10)는 헬리컬 기어(11)를 통해 지지 프레임(12)을 수직 방향으로 이동시키며, 이에따라 프레임(12)에 설치된 노즐 진동 장치(18)가 수직 이동하게 된다.

한편 고압 펌프(도시하지 않음)에 의해 생성된 고압수는 고압관(도시 번호 없음)을 따라 운송되어 와서 제트 랜스(jet lance)(6)와 분사노즐(7)을 차례로 지나 대상 암석(16)에 분사되며, 이때 노즐 진동 장치(18)의 진동운동에 의해 넓은 폭의 슬롯을 절삭하게 된다.

상기 노즐 진동 장치(18)는 도2 도시와 같이 노즐(7)의 진동운동을 일으키는 부분으로서 개발된 슬로터의 핵심이다.

이 노즐 진동 장치(18)는 가이드 레일(9)상에 위치하고, 분사 노즐(7)이 달린 제트 랜스(6)를 장착하며, 분사 노즐(7)의 진동 및 수평 이동을 담당하는 부분이다.

노즐(7)의 수평이동은 수평 이송 모터(8)의 회전에 의해 진동 장치부 자체를 가이드 레일(9)상에서 이동시키고 있다.

노즐(7)의 진동운동을 구현하기 위해 사용되는 메커니즘은 다음과 같다.

먼저 노즐 진동 모터(1)의 회전운동을 편심축(2)에 의해 한 방향으로의 단속적인 힘으로 전환되고, 이 힘은 편심축(2)에 장착된 원동 롤러(3a)에 가해지며, 다시 종동 롤러(3b)를 통해 척 어셈블리(5)로 전달된다.

상기 척 어셈블리(5)가 받는 힘은 동시에 하부의 진동 쿠션 우레탄(4)에도 가해지게 되고, 우레탄(4)은 힘을 받으면 복원력을 발생시켜 역으로 척 어셈블리(5)에 반대 방향의 힘을 가하게 되며, 이 과정이 반복되면서 척 어셈블리(5)에 물려 있는 제트 랜스(6)가 진동하게 되는 것이다.

상기 원동 롤러(3a)및 종동 롤러(3b)는 힘이 전달되는 과정에서 발생하는 부품의 마모를 최소화하고, 힘의 전달을 고르게 하기 위한 것으로, 척 어셈블리(5)는 고압용 제트 랜스(6)가 마모나 변형 등을 일으키지 않도록 적절히 죄여 고정하는 기능도 수행하게 된다.

한편 본 발명에 따른 슬로터에서는 종동 롤러(3b)를 기준으로 제트 랜스(6)하부의 진동 운동이 제트 랜스(6) 상부에 대해 거의 구속을 주지 않기 때문에 제트랜스(6)상부 끝에 고압수 입력 호스를 자유로이 장착할 수 있는 것이다.

이러한 분사 노즐(7)의 진동 주파수는 최대 30 Hz(cycle/sec)이다.

상기 이송 모터(8, 10)는 노즐 진동 장치(18)를 수직 및 수평 방향으로 이동시키는 기능을 수행하고, 채석 한장의 조건에 따라 압축 공기나 전기를 동력원으로 사용하게 된다.

절단 성능의 측면에서 볼 때 이송 모터(8)는 수평 방향에서 최대 수백 mm/sec 정도의 이송 속도를 지녀야 경제성이 있는 것이다.

이러한 슬로터에서는 여건상 전기 모터를 채택하여 수평 방향 최대 이송 속도를 300 mm/sec로 하였으며, 수평 및 수직 방향에서의 최대 이동 거리는 현장 조건 및 채석 규모에 따라 가이드 레일(9)의 길이를 조절하여 제어할 수 있는 것이다.

상기 제어 시스템은 노즐 진동 장치(18)의 수평 및 수직 이동과 노즐(7)의 진동 운동을 제어하는 것으로, 자동 및 수동 모드에서 작동할 수 있는 것이다.

자동 모드에서는 노즐 진동 장치(18)가 행정의 끝에 도달하면 스톱 스위치에 의해 이동 방향이 바뀌며 입력된 단계별 하강치에 따라 노즐 진동 장치(18)가 하강하고, 자동적으로 다음 행정을 시작하게 된다.

수동 모드에서는 각 행정의 끝에서 수직 및 수평 이동을 직접 제어하게 되는 것으로, 한 시스템에서는 행정수의 제어가 불가능하나 수동 모드에서 임의로 하강치를 주지 않음으로써 다음 행정을 구현할 수 있는 것이다.

상기 제트 랜스(6)의 직경은 14 mm 이나 현장 조건이나 필요에 따라 그 직경과 길이를 변화될 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 슬로터는 분사 노즐(7)의 진동 운동을 일으켜 노즐(7)이 충분히 진입할 수 있을 정도로 넓은 폭의 슬롯을 절단하는 것으로, 일정한 진폭으로 진동하는 두 개의 분사수는 절단하려는 슬롯을 구성하는 암석 재료을 완전히 제거할 수 있는 것이다.

도 3 도시와 같이 2 개의 분사수를 가진 노즐이 재료의 표면에 형성하는 궤적을 평면도상에서 개략적으로 보여주고 있는 것으로, 점선은 First Angled Jet 이고, 실선은 Second Angled Jet 이며, Vf 는 Traverse Velocity(mm/sec), Vt 는 Linear (Traverse) Velocity of Jet(mm/sec) 이다.

한편 도 4는 노즐(7)의 진동 운동에 대한 개념을 입체적으로 표현하였으며, 노즐(7)의 진동 방향, 이동 방향, 진동각(a), 분사각(b), 이격 거리(s), 전폭(A)등을 나타내었다.

여기서는 노즐(7)의 진동 방향이 이동 방향에 대해 직각인 경우를 보여주고 있으나 실제로는 노즐(7)의 진동 방향은 이동 방향에 대해 임의의 각도를 가질 수 있는 것으로, 특히 진동식 노즐의 경우에는 이격 거리가 짧은 경우 전폭이 노즐의 직경 보다 작아져서 이런 경우에는 노즐의 진입이 불가능해진다.

따라서, 진동식 노즐의 경우에는 적절한 최소 이격 거리가 요구되는 것이다. 노즐의 진입을 위하여 넓은 폭의 슬롯이 요구되기는 하지만 지나치게 넓은 슬롯을 절단하는 것은 과도한 에너지의 소비와 원석의 손실을 초래할 수 있어 적당한 폭의 슬롯을 얻기 위한 가장 좋은 방법으로 노즐의 운동 형태에 따라 적절한 분사각과 이격 거리를 설정하여 노즐의 폭보다 넓은 슬롯을 생성시키는 것이다.

따라서 노즐은 되도록 직경이 작아야 하며 적절한 분사각을 가진 노즐을 사용하는 것이 바람직한 것으로, 45°정도의 분사각(jet angle)을 갖는 노즐을 채택하는 것이 바람직하다.

다시 설명하면 노즐 진동 모터(1)의 회전 운동이 편심축(2)에 장착된 원동롤러(3a)에 가해짐과 동시에 이에 맞물린 종동 롤러(3b)를 통해 척 어셈블리(5)로 전달되면 이 척 어셈블리(5)가 받는 힘이 진동 쿠션 우레탄(4)에도 가해지고, 이 진동 쿠션 우레탄(4)은 힘을 받으면 복원력을 발생시켜 역으로 척 어셈블리(5)에 반대 방향의 힘을 가하는 것을 반복하면서 척 어셈블리(5)에 결합된 제트 랜스(6)가 진동되도록 하며, 고압 펌프에서 생성된 고압수가 고압관을 통해 제트 랜스(6)와 분사 노즐(7)을 통해 대상 암석에 분사되게 하는 것이다.

첨부된 도면중 미설명 부호 14는 앵커 볼트로서 슬로터를 암반면에 고정하는 기능을 하는 부품이다.

그러면 효과에 관해 설명하겠다.

본 발명을 채석법에 도입할 경우 노즐의 직경과 절단하러는 슬롯의 깊이 즉, 채취하려는 원석의 크기에 따라 절단폭은 달라질 수 있으나 대체로 30∼50 mrn 정도의 비교적 작은 절단폭을 가지며, 제트 버너에 비해 소음 수준이 낮고, 절단 능력은 1∼3 m²/h 정도로 제트 버너의 0.8∼1m²/h에 비해 높은 절단 성능을 제공할 수 있는 것이다.

그리고, 절단하려는 대상 암반면의 방향이나 그 암반면상에서의 절단 위치에 관계없이 절단 작업을 수행할 수 있는 것이며 작업장의 형성이 용이함과 동시에 체계적인 원석 생산이 가능하게 되는 것이다.

아울러, 근래에 들어 각종 환경 여건상의 제약이 가중되고 있는 상황에서 소음 및 분진 발생의 소지가 적으며, 또한 분사수 자체가 바로 냉각수의 기능을 수행하므로 절단 대상 암석에 열변형을 가할 염려가 없어 원석의 질을 훼손하지 않고 자연 상태대로 생산할 수 있는 것이다.

따라서, 자연 상태의 원석 채취 및 채석 작업의 생산성을 향상시킬 수 있는 우수한 발명이다.

Claims (1)

1. 노즐 진동 모터의 회전 운동이 편심축에 장착된 원동 롤러에 가해짐과 동시에 이에 맞물린 종동 롤러를 통해 척 어셈블리로 전달되면 이 척 어셈블리가 받는 힘이 진동 쿠션 우레탄에도 가해지고, 이 진동 쿠션 우레탄은 힘을 받으면 복원력을 발생시켜 역으로 척 어셈블리에 반대 방향의 힘을 가하는 것을 반복하면서 척 어셈블리에 결합된 제트 랜스가 진동되도록 하며, 고압 펌프에서 생성된 고압수가 고압관을 통해 제트 랜스와 분사 노즐을 통해 대상 암석에 분사되게 하는 것을 특징으로 하는 채석용 워터 제트 슬로터.