KR100452164B1

KR100452164B1 - 회전식 워터젯 슬로터

Info

Publication number: KR100452164B1
Application number: KR10-2002-0013113A
Authority: KR
Inventors: 최병희; 류창하; 선우춘
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2004-10-12
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: KR20030073507A

Abstract

본 발명은 회전식 워터젯 슬로터에 관한 것으로, 그 목적은 진동식 슬로터가 지니는 한계점을 극복하고 채석분야 뿐만 아니라 재료가공, 터널굴착, 트랜칭, 구조물 해체 등의 각종 워터젯 응용분야에서 대상재료에 깊은 심도의 절삭홈을 만들 수 있는 회전식 워터젯 슬로터를 제공하는데 있다.본 발명의 구성은 고압관(1), 스템(제트 렌스, 2) 및 분사노즐로 이루어진 노즐구동부와, 수평이송모터(6)와; 수직이동모터(8)와; 상기 노즐구동부와 각 이송모터의 운동을 제어하도록 자동 및 수동 모드를 가지는 제어시스템으로 구성된 워터 젯 슬로터에 있어서, 상기 노즐 구동부는 하부에 장착된 스템에 회전력을 전달하는 고압회전용 스위벨(9)과, 이 스위벨에 회전력을 제공하는 회전모터(10)로 구성되고, 상기 분사노즐은 20-30°의 분사각도를 가지도록 2-3개의 노즐어셈블리로 배열하되, 각각의 노즐어셈블리는 고압수류를 분사하는 분사구(312)와, 상기 분사구를 내부에 장착하고 있는 슬리브(311)와, 일측에 형성된 분사구 장착용 스크류셋(313)으로 구성하여 노즐비트(3) 속에 장착 회전 분사되도록 하여 깊은 심도의 절삭홈을 형성토록 한 것을 요지로 한다.

Description

회전식 워터젯 슬로터{Rotational water jet slotter}

본 발명은 회전식 워터젯 슬로터에 관한 것으로, 특히 기존의 채석용 워터젯슬로터가 지니는 한계점을 극복하고 채석분야 뿐만 아니라 재료가공, 터널굴착, 트랜칭, 구조물 해체 등의 각종 워터젯 응용분야에서 대상재료에 깊은 심도의 절삭홈을 만들 수 있는 회전식 워터젯 슬로터 장치에 관한 것이다.

일반적인 워터젯시스템에서 분사노즐과 절단대상 재료면 사이의 이격거리가 증가하면 절단심도는 감소하게 되고, 어떤 한계수준 이상으로 이격거리가 증가하면 재료는 더 이상 절단되지 않는다.

상기와 같은 현상은 다중행정방식을 사용하더라도 마찬가지로 발생하는데, 이는 행정수가 증가함에 따라 절단심도가 일정수준 증가하지만 절단심도가 증가하는 만큼 이격거리도 증가되므로 결국 절단심도가 더 이상 증가하지 않는 한계에 도달하기 때문이다.

따라서 워터젯을 이용하여 대상재료에 깊은 심도의 절삭홈을 만들기 위해서는 어떤 심도에서도 항상 일정한 이격거리를 유지할 수 있어야 한다.

만일 일정한 이격거리만 유지된다면 이론적으로는 필요한 어떤 심도의 절삭홈이라도 만들 수 있다.

일정한 이격거리를 유지하기 위해서는 분사노즐이 대상재료에 형성되는 절삭홈 속으로 진입할 수 있어야 하며, 따라서 분사노즐이 진입할 수 있을 정도로 충분한 폭을 가진 절삭홈을 만들 수 있는 장치가 요구된다.

상기와 같은 장치는 분사노즐의 폭보다 넓은 폭으로 절삭홈을 내기 위해서 분사노즐에 진동운동, 회전운동 또는 회전식 진동운동과 같은 운동 메카니즘을 부여할 수 있는 기능을 가진 것으로 워터젯 슬로터라 부른다.

상기 워터젯 슬로터는 고압의 분사노즐을 장착한 노즐비트 자체를 재료 내부로 진입시킴으로써 심부의 재료를 적절한 폭으로 제거하며, 노즐비트에 어떤 운동방식을 적용하였는가에 따라 진동식, 회전식 및 회전진동식 슬로터로 구분된다.

기존의 채석용 워트제트슬로터(대한민국 특허 제0225475호)는 위에 언급한 세 가지 운동방식 가운데 노즐비트의 진동운동을 채택한 진동식 슬로터로서 채석장에서의 원석채취를 목적으로 개발된 장치이며, 누수문제나 고압용 부품의 조달 문제에 있어 다른 운동방식을 사용하는 장치에 비해 유리한 점이 있으나, 시험결과 중대한 문제점이 노출되었다.

즉, 이 장치를 사용하여 절삭실험을 반복한 결과 생성된 절삭홈들이 도 1에서 보는 바와 같이 모두 바닥이 뾰족한 형상으로 나타났다. 이러한 결과는 진동식 장치의 특성상 진폭의 양단에서의 충격각도가 변화되면서 이격거리가 상대적으로 증가된 때문인 것으로 보인다.

특히 행정수가 증가함에 따라 절삭홈의 양 측벽에서 분사수의 압력이 벽면과의 마찰로 소산되어 이 현상이 더욱 심화되는 경향을 보였다.

또한 진동하는 노즐비트가 대상재료 속으로 진입하면 절삭홈의 양 측벽과 충돌하는 문제가 발생할 뿐만 아니라 심도가 깊어짐에 따라 진폭이 점감하여 결국 절삭홈의 폭이 노즐비트의 직경보다 작아지는 문제점이 나타났다.

결국 순수한 진동식 슬로터는 넓은 폭의 절삭홈을 형성시킬 수는 있으나 일정 심도 이상으로는 노즐비트의 진입이 불가능한 한계를 드러냄으로써 회전식 또는 회전진동식 슬로터를 사용하여야 보다 깊은 심도의 절삭홈을 생성시킬 수 있는 것으로 나타났다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 채석용워터젯슬로터(대한민국 특허 제0225475호)와 같은 진동식 슬로터가 지니는 한계점을 극복하고 채석분야 뿐만 아니라 재료가공, 터널굴착, 트랜칭, 구조물 해체 등의 각종 워터젯 응용분야에서 대상재료에 깊은 심도의 절삭홈을 만들 수 있는 회전식 워터젯 슬로터를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 진동식 슬로터에 의해 생성된 전형적인 절삭홈,

도 2는 본 발명의 회전식 워터젯 슬로터,

도 3은 본 발명 회전식 워터젯 슬로터의 설계개략도,

도 4는 본 발명 회전식 슬로터의 노즐구동부,

도 5는 본 발명 노즐비트의 회전운동에 의한 절삭홈의 형성도,

도 6은 본 발명 노즐비트의 모식도,

도 7은 본 발명 노즐비트의 형상도 (a) 사용전, (b) 3시간 사용후

도 8은 본 발명 노즐비트의 회전운동을 보인 개략도,

도 9는 본 발명 노즐어셈블리,

도 10은 본 발명 회전식 슬로터에 의한 암석절삭도,

도 11은 본 발명 회전식 슬로터에 의해 절삭된 전형적인 암석시료.

도 12는 본 발명을 사용한 화강석의 절삭일례도,

도 13은 본 발명을 사용한 건축블록의 절삭일례도,

도 14는 본 발명을 사용한 보도블록의 절삭일례도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 고압관 (2) : 스템(제트 렌스)

(3) : 노즐비트 (4) : 지지 프레임

(5) : 가이드 레일 (6) : 수평이송모터

(7) : 헬리컬 기어 (8) : 수직이동모터

(9) : 스위벨(swivel) (10) : 회전모터

(312) : 분사구 (311) : 슬리브

(313) : 스크류셋

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 구성은 절단대상물에 슬롯을 형성시키도록 절단하고자 하는 슬롯을 따라 고압수를 분사하도록 고압펌프(도시없음)로부터 공급되는 고압수류가 통과하는 고압관(1), 스템(제트 렌스, 2) 및 분사노즐로 이루어진 노즐구동부와, 지지 프레임(4)에 장치된 노즐 구동부를 가이드 레일(5)을 따라 수평 방향으로 이동되는 수평이송모터(6)와; 헬리컬 기어(7)를 통해 지지 프레임을 수직 방향으로 이동시키는 수직이동모터(8)와; 상기 노즐구동부와 각 이송모터의 운동을 제어하도록 자동 및 수동 모드를 가지는 제어시스템으로 구성된 워터젯 슬로터에 있어서,

상기 노즐 구동부는 하부에 장착된 스템에 회전력을 전달하는 고압회전용 스위벨(swivel, 9)과, 이 스위벨에 회전력을 제공하는 회전모터(10)로 구성되고,

상기 분사노즐은 20-30°의 분사각도를 가지도록 2-3개의 노즐어셈블리로 배열하되, 각각의 노즐어셈블리는 고압수류를 분사하는 분사구(312)와, 상기 분사구를 내부에 장착하고 있는 슬리브(311)와, 일측에 형성된 분사구 장착용 스크류셋(313)으로 구성하여 노즐비트(3) 속에 장착함으로써 고압수류가 스위벨(9)에 의해 고속회전하는 스템(2) 및 이 하부에 장착된 노즐비트(3) 내 노즐어셈블리의 분사구(312)를 통해 회전 분사되도록 하여 깊은 심도의 절삭홈을 형성토록 한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에는 본 발명 회전식 워터젯 슬로터가 도시되어 있는데, 이 슬로터는 원래 노즐비트에 회전식 및 회전진동식 운동 메카니즘을 모두 부여할 수 있도록 설계되었으나, 이하 실시예에서는 노즐비트의 회전운동에 관하여만 설명한다.

이 회전식 슬로터의 기본적인 기능을 살펴보면, 노즐비트 회전장치의 전후방향 이송속도는 최대 6.0 cm/sec이고, 비트의 회전속도는 최대 2,160 RPM이며, 노즐비트(3)의 상하 이송속도는 최대 0.8 cm/sec이다.

장착된 스템(2)의 외경은 14.2 mm이며, 노즐비트(3)의 외경도 스템과 같은 14.2 mm이다.

노즐 분사구(312)는 시험방법에 따라 2개 또는 3개로 하되 적절한 분사각도를 부여하였다.

여기서 스템(stem; jet lance, 2)이란 깊은 심도의 절삭홈을 생성시킬 때 대상재료 속으로 진입시키는 긴 고압관을 말한다.

상기에서 언급한 바와 같이 일반적으로 넓은 폭의 절삭홈을 형성시키기 위해서는 분사노즐의 진동, 회전 또는 회전식진동 운동을 일으키는 메카니즘이 요구된다.

이에 따라 처음에는 무엇보다 누수문제가 전혀 없고 고압용 부품을 별도로 구입 또는 제작할 필요가 없는 진동식 운동메카니즘을 채택하고 되도록 단순한 기계적 메카니즘으로 진동운동을 구현하여 본 출원인이 기 출원하여 등록받은 채석용 워터젯슬로터(대한민국 특허 제0225475호)를 개발하여 시험을 실시한 바 있다.

그 결과 진동식 메카니즘은 암석절단은 용이하나 깊은 심도의 절삭홈은 형성시킬 수 없는 한계점을 드러내었다.

이 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 미국 Flow 사의 고압회전용 스위벨(swivel)을 채택하여 회전운동과 회전식 진동운동을 겸하여 시험할 수 있는 장치를 제작하게 되었다.

회전 또는 회전진동식 슬로터의 경우에는 고압용 스위벨(9)에 내재하는 누수문제가 심각한 문제점으로 대두된 바 있으나 그 동안의 기술축적과 부품 성능의 개선으로 스위벨 내부에 장착되는 실(seal)과 같은 마모성 부품들의 수명이 크게 향상되었다.

도 3에는 본 발명 회전식 슬로터 시스템의 정면도의 개략도, 도 4에는 노즐구동부의 실제 모습을 보여주고 있는데, 슬로터의 구성 자체는 공지된 본 출원인의 특허(대한민국 특허 제0225475호)와 같이 단순히 하나의 이송시스템으로서 노즐비트(3)를 장착하고 있는 노즐구동부(점선표시)를 절단코자 하는 절삭홈의 방향을 따라 수직 및 수평 방향으로 이송시키는 시스템이다.

다시 한번 설명하자면 본 발명의 이루는 워터 젯 슬로터의 구성은 절단대상물에 슬롯을 형성시키도록 절단하고자 하는 슬롯을 따라 고압수를 분사하도록 고압펌프(도시없음)로부터 공급되는 고압수류가 통과하는 고압관(1)과,

스템(제트 렌스, 2) 및 분사노즐로 이루어진 노즐구동부와,

지지 프레임(4)에 장치된 노즐 구동부를 가이드 레일(5)을 따라 수평 방향으로 이동되는 수평이송모터(6)와;

헬리컬 기어(7)를 통해 지지 프레임을 수직 방향으로 이동시키는 수직이동모터(8)와;

상기 노즐구동부와 각 이송모터의 운동을 제어하도록 자동 및 수동 모드를 가지는 제어시스템으로 구성되는 공지의 슬로터가 기본을 이룬다.

이러한 공지된 워터 젯 슬로터 기반위에 본 발명은 상기 노즐 구동부는 하부에 장착된 스템에 회전력을 전달하는 고압회전용 스위벨(swivel, 9)과, 이 스위벨에 회전력을 제공하는 회전모터(10)로 구성되고,

상기 분사노즐은 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 20-30°의 분사각도를 가지도록 2-3개로 배열되어 슬리브(311)내에 끼워진 분사구(312)와, 이를 장착하기 위한 스크류셋(313)으로 이루어진 노즐어셈블리로 구성하여 노즐비트(3) 속에 장착함으로써 고압수류가 스위벨(9)에 의해 고속회전하는 스템(2) 및 이 하부에 장착된 노즐비트(3) 내 노즐어셈블리의 분사구(312)를 통해 회전 분사되도록 하여 깊은 심도의 절삭홈을 형성토록 하였다.

상기 노즐구동부는 두랄루민 재질의 지지 프레임 상에 설치되어 수평 이송모터의 회전에 의해 가이드 레일을 따라 수평방향으로 이동한다.

상기 수직 이송모터는 헬리컬 기어를 통해 지지 프레임을 수직방향으로 이동시키며, 이에 따라 프레임에 설치된 노즐구동부가 수직으로 이동한다.

한편, 고압펌프에 의해 생성된 고압수류는 고압관을 따라 운송되어 와서 스템과 노즐비트를 차례로 지나 대상시료에 분사된다.

이때 노즐구동부의 회전운동에 의해 스템과 함께 노즐비트가 회전하게 되며, 노즐분사구의 분사각도에 의해 제어되는 고압수류에 의해 비트의 직경보다 넓은 폭의 절삭홈을 형성시키게 된다.

제어시스템(도시 없음)은 노즐구동부의 수평 및 수직 이동과 노즐비트의 회전운동을 제어하는 장치로서 자동 및 수동 모드에서 작동할 수 있도록 설계되었다.

자동모드에서는 노즐구동부가 행정의 끝에 도달하면 스톱 스위치(도시 없음)에 의해 이동방향이 바뀌며 입력된 단계별 하강치에 따라 노즐구동부가 하강하고 자동적으로 다음 행정을 시작한다.

한편 수동모드에서는 각 행정의 끝에서 수직 및 수평 이동을 직접 제어한다.

본 발명에 사용되는 노즐비트의 형상 및 운동을 설명하면 다음과 같다.

위에서 언급한 바와 같이 본 발명 회전식 슬로터는 분사노즐의 회전운동을일으켜 노즐비트가 충분히 진입할 수 있을 정도로 넓은 폭의 절삭홈을 생성시킨다.

회전운동하는 두 개의 분사구는 절단하려는 절삭홈을 이루고 있는 재료를 완전히 제거할 수 있으며, 노즐비트의 중앙부분에 분사노즐을 추가시키면 재료제거율이 더욱 향상된다.

즉, 3개의 분사구를 가진 노즐비트가 제자리에서 회전운동만 할 경우 도 5의 상부에 보인 것과 같은 원형의 절삭홈이 형성되며, 노즐비트가 회전하면서 동시에 좌우방향으로 움직이면 하부에 보인 것과 같은 완전한 절삭홈이 생성된다.

도 6은 3개의 분사노즐을 가진 노즐비트의 모식도를 보여주고 있는데, 도면에서 (a)는 두 개의 외곽수 사이의 분사각도가 20°인 경우를 나타내고, (b)는 30°인 경우를 나타낸다.

노즐 비트의 중심부에 있는 노즐에 의한 중심수의 분사각도는 시료표면에 대해 두 경우 모두 90°이다.

분사노즐이 2개인 노즐비트는 3개의 분사노즐 가운데 중심부에 위치하는 노즐을 막음으로써 중심수의 분사를 배제한 경우이다.

도 7은 노즐비트의 실제 모습을 보인 것으로 (a)는 사용하지 않은 새 비트의 모습이고, (b)는 3 시간 정도 사용한 비트이다.

도면에서 (b)는 시험 중에 고속으로 분사되는 고압수류와 이 수류에 의한 깨어진 시료암편 등에 의해 마모를 받아 원래의 색깔이 변화된 것이다. 도면에서 두비트는 모두 외경이 14.2 mm 이다.

도 8은 노즐구동부에 의한 스템과 노즐비트의 운동에 대한 개념을 입체적으로 표현한 것이다.

도면에서 보듯이 스위벨(Swivel)에 연결된 스템이 회전함과 동시에 이송방향으로 움직이게 되면 적절한 각도를 가진 분사수가 대상암석에 분사된다. 이 때 분사수가 절단하는 절삭홈의 폭은 충격각도와 이격거리에 의해 결정된다.

한편, 노즐의 진입을 위하여 지나치게 넓은 절삭홈을 형성시키는 것은 과도한 에너지의 소비를 초래할 수 있으므로 응용형태에 맞는 적당한 폭의 절삭홈을 얻을 수 있도록 분사각과 이격거리를 적절히 설정하여야 한다.

예를 들어, 원석채취와 같은 채석응용의 경우 심도 10 m 이내에서는 절삭홈의 폭을 5 cm 정도로 설정하는 것이 좋다.

따라서 사용상의 기계적인 충격이나 휨 등의 문제가 없는 한 스템은 되도록 직경이 작은 것이 좋으며, 적절한 분사각을 부여한 노즐비트를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명 스템 및 노즐어셈블리를 설명하면 다음과 같다.

스템은 깊은 심도의 절삭홈을 생성시킬 때 대상재료 속으로 진입하는 고압관을 말하며, 절단코자 하는 절삭홈의 심도에 맞는 길이의 것을 자유로이 선택, 장착할 수 있다.

본 실시예에서 사용된 스템은 외경 14.2 mm, 길이 1,000∼1,200 mm였으나 스템의 직경과 길이는 필요에 따라 변화될 수 있음은 물론이다.

노즐어셈블리는 실제적인 분사노즐의 역할을 하는 것으로 분사구(312), 스크류셋(313) 및 슬리브(311)의 조합으로 구성되며, 도 9에 완성된 외형을 보였다.

도면에서 나사모양의 철재부품이 스크류셋(313)이며, 그 상부에 슬리브(311)가 장착된 것을 볼 수 있다.

실제적인 분사노즐인 분사구(312)는 플라스틱제의 슬리브(311) 내에 끼워져 있다.

상기와 같이 구성된 노즐어셈블리는 노즐비트(3) 속에 장착되며, 노즐비트(3)는 다시 고압수류 운송시스템의 끝 부분에 해당하는 스템(2)에 부착된다.

본 실시예에서는 직경이 대략 0.3∼0.7 mm 정도인 사파이어 노즐을 주로 사용하였다.

본 발명의 실시예 조건 및 실시예 결과는 다음과 같다.

본 발명 회전식 슬로터의 성능을 평가하기 위하여 관련 운영요소들을 변화시키면서 이들이 재료의 절단에 미치는 영향을 파악하고 장비와 고압부품의 운영상의 문제점을 발굴하는 시험을 실시하였다.

주요 시험조건들은 표 1에 보였으며, 암석시료의 절삭일례를 도 10에 보였다.

고압펌프	JETPAC	HUSKY S-200
장비관련요소	최대분사압력	379 MPa	280 MPa
장비관련요소	최대유율	7.5 l/min	24.0 l/min
고압수류관련요소	시험압력	175∼280 MPa	161∼189 MPa
	노즐구경	0.304∼0.330 mm	0.533∼0.762 mm
	시험유율	3.0 l/min	6.5 l/min
	이격거리	20 mm	20 mm
	회 전 수	1,200 & 1,500 RPM	1,200 RPM

표 1 주요 시험조건

먼저, 외국의 대표적인 사례를 살펴보면 워터젯을 채석작업에 적용하려던 움직임이 시작되었던 개발초기에 미국의 UMR(University of Missouri-Rolla)이 실시한 절삭홈 절단시험에서는 외곽으로 각도를 부여한 2개의 노즐 분사구를 사용하였고, 비트의 운동방식은 회전운동이었다. 시험압력은 약 100 MPa, 고압수류의 유율은 60 l/min였는데, 시험결과 절단율은 약 1.6 m²/hr, 슬롯의 길이는 5.4 m, 절단심도는 1 m 였다.

UMR 시험과 유사한 시험이 다른 연구소에 의해 실시되었는데 사용압력은 200∼275 MPa로 UMR 시험보다 높았으나 유율은 그보다 낮았다. 시험결과 절단율은 1.17 m²/hr였고, 절단심도는 3.5 m였다.

하지만 본 시험에 사용된 고압펌프는 위의 외국의 예에서와 같은 대용량이 아닌 관계로 분사수류의 압력범위는 175∼280 MPa 정도로 대등하나 사용된 유율이 평균 2.0∼3.0 l/min으로 외국사례에 비해 매우 작다는 차이점이 있다.

따라서 고압펌프의 용량이 허용하는 한계 내에서 노즐구경을 선택하여 구경 0.304∼0.330 mm 정도의 노즐을 2개 또는 3개 장착한 비트를 사용하였다.

한편, 수류의 유량이 절단심도에 미치는 효과를 비교할 목적으로 유율이 높은 이동식 디젤 고압펌프를 사용한 시험에서는 161, 189 MPa의 압력과 0.533, 0.762 mm의 노즐구경을 선택하였다.

본 시험에서 적용한 비트의 회전속도는 비교적 고속인 1,200 및 1,500 RPM으로 고정하여 사용하였다.

비트와 시료 사이의 이격거리는 비트가 재료 중으로 진입하는데 적절한 절단폭을 얻기 위하여 모든 시험에서 20 mm로 고정하였다.

원칙적으로 이격거리는 실제적인 분사노즐이 되는 사파이어 오리피스로부터 시료표면까지의 거리로 정의되지만 본 시험에서는 편의상 비트의 선단에서 시료표면까지의 거리로 정의하였다.

본 시험에 사용된 비트의 경우 비트선단에서 비트 내에 장착된 오리피스까지의 거리가 7 mm이므로 실제적인 이격거리는 27 mm가 된다.

본 발명의 시험결과는 다음과 같다.

1) 개발된 회전식 슬로터를 사용하여 국내산 화강석인 거창석을 대상으로 절삭홈을 형성시키는 시험을 실시한 결과 나타난 전형적인 암석시료를 도 11에 보였다.

도면에 나타난 절삭홈들은 분사압력 245 MPa, 회전수 1,200 RPM, 노즐구경 0.305 mm, 노즐개수 3개, 분사각도 20°의 조건 하에서 30회의 절단행정을 완료했을 때의 모습이다.

도면에서 5개의 절삭홈들은 이송속도의 차이에 따라 각기 다른 절단심도를 보이고 있으며, 각각의 이송속도는 (a) 1.6 cm/sec에서 (e) 3.2 cm/sec까지 0.4 cm/sec 간격을 두었다.

도면에서 (a)에서 (e)로 갈수록 이송속도가 증가되므로 절단심도는 이와 반대로 (a) 195 mm에서 (e) 130 mm로 갈수록 감소하는 양상을 보였으며, 절삭홈의 폭은 21.7∼23.4 mm였다.

2) 또한 본 슬로터는 평행한 절단벽면을 갖는 넓은 폭(평균 22 mm)의 절삭홈을 만들 수 있게 해주어 노즐비트(Ø14.2 mm)가 암석시료 중으로 충분히 진입할 수 있음을 보여주었다.

이 시험결과는 암석에 대한 깊은 심도의 절삭홈 형성에 대한 적용가능성을 명백히 보여주는 것으로 벽면간격 즉, 절삭홈의 폭이 절단심도에 관계없이 매우 일정하여 이론적으로는 필요한 어떤 심도까지도 절단이 가능함을 입증시켜 주었다.

3) 노즐비트의 회전수와 절단심도의 관계를 살펴보기 위해 몇 차례의 시험을 실시하였다.

그 결과 다른 조건이 동일한 경우 회전수에 따른 절단심도의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 일반적인 선형절단 시험결과와도 잘 일치되는 것으로 비트의 회전수가 증가하면 그만큼 회전의 선속도 또한 증가되는 것이므로 절단심도는 선속도 증가에 따라 감소하게 되지만 단위시간당 분사되는 고압수류의 유량이 두 경우에 서로 같으므로 절단심도가 같아지게 된다. 즉, 분사수의 절단에너지는 비트의 회전수에 관계없이 일정하므로 절단심도가 같아지는 것으로 생각된다.

4) 회전식 슬로터에 의한 절단심도는 이론적으로는 행정수 증가에 따라 선형적으로 증가하여야 하나 계속적인 시험에 따른 노즐구경의 변화, 슬리브의 변형 등에 따른 잠재적인 시험조건의 변화에 따라 동일한 시험과정에서도 분사수가 분산되어 절단력이 떨어지는 문제가 발생하였다.

이런 문제를 해결하기 위해서는 다양한 비트의 설계를 통해 최적의 형상과 크기를 찾아내는 작업이 필요하다고 생각된다.

5) 충격각도(분사수 내각)는 20°인 경우가 30°인 경우보다 더 깊은 심도를 보였는데, 이는 충격각도가 작아짐에 따라 동일한 에너지에 대해 절대적인 재료제거량이 적어진데 기인된 것이다.

하지만 절단폭은 스템이 재료 중으로 진입해야 할 필요성 때문에 일정 이상의 폭을 유지하여야 하며, 또한 절단코자 하는 슬롯의 심도에 따라 요구되는 장비 및 부품의 특성에 의해서도 그 크기가 좌우되므로 최적 충격각도를 고려할 경우 여러 가지 요소를 상정하여야 한다.

6) 워터젯에 의한 절삭에서 고압수류의 유율은 매우 중요한 요소이다. 최대유율 24 l/min의 HUSKY S-200 고압펌프를 사용한 암석시료의 절삭에서는 시험의 기본장비인 JETPAC 펌프에 비해 큰 구경의 노즐을 사용할 수 있었고, 보다 낮은 압력에서도 절단심도가 1.13∼3.47 배까지 증가하였으며, 평균 절단율은 0.6 m²/hr로 나타났다.

7) 암석시료에 대한 절단에서는 시험에 사용된 16∼32 mm/sec의 이송속도 범위에서 약 40∼160 mm²/sec (평균 0.3 m²/hr)로 나타났다. 만일 여기에 연마재의 직접주입법을 채택하거나 대략 60 l/min 정도로 유율이 큰 고압펌프를 사용한다면 절단율은 본 시험결과에 비해 3∼5배 이상 증가할 것으로 보이며, 이는 일반적인 제트버너의 절단율인 약 1.1 m²/hr를 크게 넘어서는 것으로 거의 다이아몬드 와이어에 의한 절단율인 2.5∼3.0 m²/hr와 대등한 수준이 될 것으로 판단된다.

8) 여러 가지 서로 다른 재료들에 대한 절단시험을 수행한 결과 나타난 절삭홈의 형상을 도 12 내지 14에 보였다.

도 12는 압축강도가 1,700 kg/cm²인 화강석으로 슬롯의 깊이 방향에서 시료의 높이는 150 mm였으며, 사용압력 210∼245 MPa, 이송속도 16 mm/sec, 노즐구경 0.28 mm에서 10회의 행정을 완료했을 때의 절단된 모습이다.

도 13은 일반적인 건축재료로 사용되는 블록이며, 사용압력 140∼210 MPa, 이송속도 32 mm/sec에서 단 2회의 반복행정으로 절단된 모습이다.

도 14는 보도블록의 일종으로서 사용압력 210∼245 MPa에서 노즐비트의 이격거리를 약간씩 달리하였을 때 나타난 절삭홈의 형상이다. 보도블록의 경우에는 수류의 유량이 부족하여 내부에 혼합된 골재를 완전하게 제거하지 못하였으나 수류의 유량만 충분하다면 매우 용이하게 절삭할 수 있을 것으로 보인다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은;

1) 워터젯 슬로터의 원래 목적대로 원석의 채취와 같은 암석의 절삭에 적용할 경우 노즐구경과 절단하려는 절삭홈의 깊이 즉, 채취하려는 원석의 크기에 따라 절삭홈의 폭은 달라질 수 있으나 대체로 30∼50 mm 정도의 비교적 작은 절삭폭을 가지며, 제트버너에 비해 소음수준이 낮고, 절삭율은 1∼3 m²/hr 정도로 높은 절삭성능을 제공할 수 있다는 장점이 있어서, 특히, 장비의 설치만 가능하다면 절단하려는 대상 암반면의 방향이나 그 암반면 상에서의 절단위치에 관계없이 절단작업을 수행할 수 있는 특성을 갖고 있어 작업장의 형성이 용이하며, 따라서 체계적인 원석의 생산이 가능해지고 이는 결국 채석작업의 생산성을 향상시키는 원동력이 될 것이다.

2) 근래에 들어 각종 환경여건상의 제약이 가중되고 있는 상황에서 본 회전식 슬로터에 의한 절삭법은 채석, 채광, 구조물 해체 등의 분야에서 작업 중 발생되는 소음 및 분진 발생량을 저감시킬 수 있는 환경친화적인 절삭기술이다.

또한 분사수 자체가 바로 냉각수의 역할을 수행할 수 있으므로 채석작업에 적용할 경우에는 절단대상 암석에 열변형을 가할 우려가 없어 원석의 품질을 훼손하지 않고 자연상태 대로 생산할 수 있다.

3) 위에 언급한 절삭시험 결과로부터 미루어볼 때 본 회전식 슬로터에 의한 깊은 심도의 절삭홈 형성기술은 비단 암석뿐만 아니라 건축물, 구조물, 시설물 등의 절단작업에도 용이하게 적용할 수 있음을 알 수 있다.

특히, 연마재 투입에 의한 절단기술(직접주입식)을 적용할 경우에는 금속, 암석, 세라믹 등의 다양한 재료로 이루어진 구조물 및 시설물에 대한 절단 및 제거 분야 등에서 효율적으로 사용될 수 있다는 장점이 있다.

Claims

절단대상물에 슬롯을 형성시키도록 절단하고자 하는 슬롯을 따라 고압수를 분사하도록 고압펌프(도시없음)로부터 공급되는 고압수류가 통과하는 고압관(1), 스템(제트 렌스, 2) 및 분사노즐로 이루어진 노즐구동부와, 지지 프레임(4)에 장치된 노즐 구동부를 가이드 레일(5)을 따라 수평 방향으로 이동되는 수평이송모터(6)와; 헬리컬 기어(7)를 통해 지지 프레임을 수직 방향으로 이동시키는 수직이동모터(8)와; 상기 노즐구동부와 각 이송모터의 운동을 제어하도록 자동 및 수동 모드를 가지는 제어시스템으로 구성된 워터 젯 슬로터에 있어서,

상기 노즐 구동부는 하부에 장착된 스템에 회전력을 전달하는 고압회전용 스위벨(swivel, 9)과, 이 스위벨에 회전력을 제공하는 회전모터(10)로 구성되고,

상기 분사노즐은 20-30°의 분사각도를 가지도록 2-3개의 노즐어셈블리로 배열하되, 각각의 노즐어셈블리는 고압수류를 분사하는 분사구(312)와, 상기 분사구를 내부에 장착하고 있는 슬리브(311)와, 일측에 형성된 분사구 장착용 스크류셋(313)으로 구성하여 노즐비트(3) 속에 장착함으로써 고압수류가 스위벨(9)에 의해 고속회전하는 스템(2) 및 이 하부에 장착된 노즐비트(3) 내 노즐어셈블리의 분사구(312)를 통해 회전 분사되도록 하여 깊은 심도의 절삭홈을 형성토록 한 것을 특징으로 하는 회전식 워터젯 슬로터.