타격식 천공장비의 설계 및 천공성능 예측모델링

Abstract

본 연구에서는 타격식 천공시스템의 핵심부품인 드릴비트 및 DTH 해머의 주요설계인자를 분석하고 최적의 성능을 기대할 수 있는 설계 방법론 및 타격식 천공장비의 천공성능을 예측하는 방법을 연구하였다. 타격식 천공시스템의 드릴비트와 타격장비의 주요설계인자를 파악하고 최적의 성능을 기대할 수 있는 최적의 설계값에 대해 고찰을 하였다. 또한 수치해석 기반 타격식 천공시스템의 천공성능 예측모델이 제안된다. 2장에서는 비트와 암반의 상호작용을 고려한 타격식 천공시스템에서 최적의 천공효율을 기대할 수 있는 설계변수의 도출이 목적이다. 이때, 피스톤 타격에 의한 비트의 운동특성이 고려되었다. 타격하는 피스톤과 비트에 대해 응력파 전달 이론과 천공 저항계수 및 재하 상수로 정의되는 암반파쇄 특성모델을 도입하여 비트의 운동특성 모델을 구축하였다. 이때, 피스톤 타격에 의한 드릴비트의 운동으로 인한 부하 및 무부하 조건이 고려되었다. 이 후 타격과정 동안 피스톤에서 암반으로 전달되는 타격에너지 전달율 즉, 효율에 대해 논의하였다. 최종적인 결과로, 암반강도에 따른 타격식 천공시스템에서 최대의 효율을 기대할 수 있는 설계변수의 조합을 제안하였다. 3 장에서는 드릴비트의 주요 설계인자의 영향을 파악하고 이를 검증하는 것이 목적이다. 첫째, 버튼의 타격효과를 분석하고자 피스톤 낙하 타격시험기을 제작하여 화강암 암석에 대해 타격시험을 수행하였다. 단일 버튼의 타격시험을 통해 버튼배열에 따른 암반의 파쇄효과를 제시하였다. 타격시험의 결과로, 천공효율을 높이기 위한 버튼 배열법에 대해 논의된다. 또한 드릴비트의 내부유로의 특성을 분석하고자 다상유동기반 전산유체해석과 반응표면법을 이용하여 내부유로의 설계인자와 반응값의 상호관계를 분석하여 암분배출 효과를 최대화 하였다. 마지막으로, 드릴비트의 버튼배열 및 유로 형상이 천공성능 향상에 미치는 영향을 실험적으로 검증하였다. 4 장에서는 DTH 해머의 타격 타격성능을 예측하는 시뮬레이션 모델이 제안된다. 이를 위해 첫째, 공기 튜브, 피스톤 및 비트의 오리피스 개구 면적을 통하는 질량유량의 흐름 관계를 고려하여 DTH 해머의 공압 동적 모델이 개발되었다. 다음으로, DTH 해머의 타격성능을 수치해석 모델을 통해 상단 및 하단 챔버의 압력변동, 타격주파수 및 DTH 해머의 대표적인 성능인 충격력을 통해 평가 하였다. 최종적으로 DTH 해머의 천공 효율을 높이기 위한 최적의 설계인자의 수준이 제안되었다. 5장에서는 타격식 천공시스템의 천공성능을 예측하기 위한 수치해석 기반 플랫폼 개발이 목적이다. 이를 위해 2장에서 제안된 드릴비트 운동모델, 3장에서 제안된 버튼의 타격효과, 및 4장의 DTH 해머 수치해석 모델을 연계하여 천공성능 예측모델을 제안하였다. 본 연구는 주요 제안사항은 2가지로 요약된다. 첫 번째 타격시 천공장치 (예, DTH 해머, Top 해머)의 핵심부품 (드릴비트, 타격장치)에 대해 각각의 핵심설계 인자를 판단하고, 최적의 성능을 기대할 수 있는 설계방법론을 제안하였다. 두 번째, 이를 통해 천공시스템의 성능을 예측할 수 있는 시뮬레이션 기반의 천공성능 예측모델을 최종적으로 제안하였다.; This study analyses major design parameters of the drill-bit and down-the-hole (DTH) hammer that are the core parts of percussive rock drilling devices and explores a design methodology that can ensure optimal performance. First, this study analyses major design parameters for the drill-bit and impact equipment of a rock drilling device, and then discusses the optimal design value from which optimal performance can be expected. In addition, it researches a drilling performance prediction model based on numerical analysis for percussive rock drilling devices. In chapter 2, the aims to determine the optimal design parameters for percussive rock drilling devices considering the bit-rock interaction. First, the dynamics of a drill-bit impacted by a dropped piston are modeled by impact stress propagation and a rock breaking mechanism representing the penetration resistance coefficient and unloading constant. Next, the damping vibration behavior of the bit is investigated considering the impact duration and the rock loading/unloading conditions. Finally, the drilling efficiency, defined by the energy transmitted from the piston to the rock, is presented in terms of the proposed parameters. The use of optimal design parameters for percussive drilling systems improved the drilling efficiency. In chapter 3, major design parameters of the dill-bit are identified and verified. First, a piston-drop testing system is created to analyze the hitting impact of the button, and the hitting test on granite rock is performed. Based on the result of the single-button hitting test, the rock-crushing performance according to the button arrangement is determined. Second, this chapter was focused on the optimum design of the internal flushing channel of a drill-bit. In chapter 3, designed an appropriate experiment to assess the physical dimensions and the operating characteristics of internal flushing channel. Then, multi-phase CFD simulations and response surface methodology (RSM) was used to optimize the flushing capacity by analyzing the relationship between the selected design parameters and the results of the simulation. Finally, focuses on validating the effect of the drill-bit button arrangement and the design of internal flushing channel on the drilling performance. Chapter 4 presents the simulation model to predict the percussive rock drilling performance of the down-the-hole (DTH) hammer. First, the dynamic model of the hammer is developed in the consideration of mass flow relations representing orifice opening areas of the air tube, the piston and the bit flushing channel. Next, the performance of hammer was evaluated via numerical simulation model through fluctuation of front and rear chamber pressure, impact frequency and impact power which is representative performance of hammer. Also, the simulation model is proved through a series of the laboratory tests. Finally, an optimum set of design factors for increasing the drilling efficiency of the hammer system was proposed. Chapter 5 describes a platform based on numerical analysis for predicting the drilling performance of a percussive drilling system. For such a purpose, a drilling performance prediction model developed in connection with the drill-bit movement model suggested in chapter 2, the button-hitting effect suggested in chapter 3, and the DTH hammer simulation model in chapter 4, is proposed. This study makes two suggestions. First, key design parameters for core parts (e.g. drill-bit, bit-rock interaction, hammer system, and impact equipment) of the percussive rock drilling system (i.e. DTH hammer, top hammer) are defined, and a design methodology that enables the optimal performance is proposed. Second, a drilling system performance prediction system based on simulations that can predict the performance of the drilling system based on the above-mentioned methodology is proposed. Such results will be useful as basic data for the performance evaluation of percussive rock drilling systems.