KR102732258B1 - 굴착용 투스 및 굴착용 투스를 구비한 굴착용 버켓 - Google Patents

Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 투스는, 버켓에 결합되는 굴착용 투스에 있어서, 상기 버켓에 결합되는 결합부 및 굴착 작업을 수행하는 굴착부를 포함하고, 상기 굴착부는 하면부 중앙에 전후방향으로 연장 형성되는 수평부 및 상기 수평부로부터 측면부를 향해 형성되는 적어도 하나 이상의 단차홈을 포함하고, 상기 단차홈은 상기 수평부와 인접하는 제1단차면 및 상기 제1단차면과 일정 각도를 이루고 상기 측면부와 인접하게 형성되는 제2단차면을 통해 단차지게 형성될 수 있다.

Description

굴착용 투스 및 굴착용 투스를 구비한 굴착용 버켓

본 발명은, 굴착용 투스 및 굴착용 투스를 구비한 굴착용 버켓에 관한 것으로, 상세하게는 건설기계에 장착되어 사용되는 굴착용 투스 및 굴착용 투스를 구비한 굴착용 버켓에 관한 것이다.

일반적으로 건설 기계의 일종인 굴착기는 토사나 암석을 채굴하기 위해 사용되는 토목 기계이다. 굴착기 차체의 전방부에는 암이 유압장치를 이용하여 회동 가능하게 마련되고, 암의 선단부에는 토사나 암석을 채굴하고 일시적으로 보관 가능한 버켓이 회동 가능하게 마련된다. 또한 버켓의 선단부에는 굴착 성능을 향상시키기 위해 복수의 투스(tooth)가 일체형 또는 분리형으로 설치된다.

본 발명은, 내마모 성능이 향상된 굴착용 투스 및 굴착용 투스를 구비한 굴착용 버켓을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 투스는, 버켓에 결합되는 굴착용 투스에 있어서, 상기 버켓에 결합되는 결합부 및 굴착 작업을 수행하는 굴착부를 포함하고, 상기 굴착부는 하면부 중앙에 전후방향으로 연장 형성되는 수평부 및 상기 수평부로부터 측면부를 향해 형성되는 적어도 하나 이상의 단차홈을 포함하고, 상기 단차홈은 상기 수평부와 인접하는 제1단차면 및 상기 제1단차면과 일정 각도를 이루고 상기 측면부와 인접하게 형성되는 제2단차면을 통해 단차지게 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1단차면과 상기 제2단차면 사이의 각도는 135˚~145˚ 범위로 형성되고, 상기 제2단차면과 상기 측면부 사이의 각도는 30˚~40˚ 범위로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 굴착부의 상면부는 상기 측면부로부터 중앙으로 갈수록 하방으로 오목하게 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 굴착부의 측면부에서 보았을 때, 상기 상면부의 곡률과 대응되는 곡률로 형성되는 제1곡선의 접선과 상기 하면부의 곡률과 대응되는 곡률로 형성되는 제2곡선의 접선 사이의 각도는 10˚~25˚ 범위로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 굴착부의 전후방향과 수직하는 단면은 상방으로 개방되는 초승달 형상으로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 초승달 형상의 상단부 또는 하단부의 적어도 일부 구간은 직선 구간으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓은, 선단부에 결합되는 투스를 구비하는 굴착용 버켓에 있어서, 상기 투스는 상기 버켓에 결합되는 결합부 및 굴착 작업을 수행하는 굴착부를 포함하고, 상기 굴착부는 하면부 중앙에 전후방향으로 연장 형성되는 수평부 및 상기 수평부로부터 측면부를 향해 좌우에 형성되는 적어도 하나 이상의 단차홈을 포함하고, 상기 단차홈은 상기 수평부와 인접하는 제1단차면 및 상기 제1단차면과 일정 각도를 이루고 상기 측면부와 인접하게 형성되는 제2단차면을 통해 단차지게 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1단차면과 상기 제2단차면 사이의 각도는 135˚~145˚ 범위로 형성되고, 상기 제2단차면과 상기 측면부 사이의 각도는 30˚~40˚ 범위로 형성될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 투스 또는 굴착용 투스를 구비하는 굴착용 버켓은 굴착작업시 내마모성이 향상되면서도 무게증가를 최소화할 수 있다.

도 1은 일반적인 굴착용 버켓을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓에 설치되는 보강부재를 도시한 도면.
도 4 내지 도 6은 도 3의 보강부재의 돌출부 및 함몰부를 구체적으로 도시한 도면.
도 7는 도 3의 보강부재의 형상을 도출하기 위해 실시한 시험용 시편을 도시한 도면.
도 8는 버켓의 표면 마모해석을 위한 시편의 이동으로 입자와의 접촉이 발생하도록 입자 사이를 시편이 통과하는 형태로 단순화한 이산요소법 해석 모델을 나타내는 도면.
도 9은 도 7의 시편들을 이용하여 도 5B의 이산요소법 해석 모델을 통해 구한 전단 에너지 측정 결과를 도시한 도면.
도 10은 도 7의 시편들 중 일부에 대한 이산요소법을 이용한 표면 마모해석을 바탕으로 전단에너지를 도출한 결과를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 보강부재가 적용된 굴착용 버켓에 대한 이산요소법을 이용한 마모해석 결과를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓에 적용되는 투스를 보여주는 사진.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓에 적용되는 투스를 도시한 도면.
도 16은 도 13에서 A-A'의 단면을 도시한 도면.
도 17는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓에 적용되는 투스에 대한 이산요소법을 이용한 마모해석 결과를 도시한 도면.
도 18은 도 17의 마모해석 결과를 이용하여 계산된 내마모 수명을 도시한 도면.
도 19는 투스의 표면 마모해석을 위한 이산요소법을 통한 마모 해석 모델을 나타내는 도면.
도 20는 도 19의 해석 모델을 이용하여 마모량을 시험하기 위한 시편이 입자를 침투하는 방향을 기준으로 대칭형태와 비대칭형태를 이루도록 투스를 단순화한 형태 시편을 도시한 도면.
도 21은 20의 시편의 형태에 따른 전단에너지를 통한 마모 해석 결과를 도시한 도면.
도 22는 도 20의 시편들 중 비대칭형태의 시편에 단차홈을 형성하여 마모해석을 수행한 결과를 도시한 도면.

이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일부 실시 예를 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결' 또는 '결합'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결' 또는 '결합'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓(100)에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 일반적인 굴착용 버켓(100)을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 버켓(100)용 보강부재(200)를 구비한 굴착용 버켓(100)을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 버켓(100)용 보강부재(200)를 도시한 도면이고, 도 4 내지 도 6은 도 3의 보강부재(200)의 돌출부(220) 및 함몰부(230)를 구체적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 굴착용 버켓(100)은 건설기계의 암에 장착되는 것으로, 곡면을 포함하여 형성되는 바닥판부(110), 바닥판부(110)의 상측에 배치되고 암과 연결되기 위한 브라켓(131)(bracket)이 형성되는 상판부(130), 바닥판부(110) 및 상판부(130)의 양 측에 배치되어 내측으로 작업물이 수용될 수 있는 공간을 형성하는 한 쌍의 측판부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 바닥판부(110)의 전방 하단에는 복수의 투스(300)를 설치하기 위한 립부(140)가 배치되고, 복수의 투스(300)가 립부(140)의 전방에 일체로 또는 어댑터(150)를 통해 탈착 가능하도록 배치된다.

이하에서는 버켓(100)의 양 측판이 대향되는 방향을 '폭방향'으로 설명할 수 있고, 바닥부에 있어서, 립부(140)가 배치되는 방향을 '전방'으로 설명하고, 이와 반대되는 방향을 '후방'으로 설명할 수 있다.

굴착용 버켓(100)은 상판부(130)에 형성되는 브라켓(131)을 통해 건설기계의 암에 장착되고, 땅을 굴착하거나 토사와 자갈 등을 모으거나 이동시키는 역할을 한다. 버켓(100)은 굴착과정에서 다양한 작업환경에서 지면 또는 작업면과 직접 접촉되기 때문에 시간이 지날수록 마모가 발생되고, 건설기계의 작업 조건에 다라 수명이 크게 단축될 수 있다.

특히, 바닥판부(110)는 작업면과 직접 접촉하는 외측면이 가장 마모에 취약하며, 버켓(100)의 공간과 접하는 내측면 역시 작업물로 인해 마모가 쉽게 발생된다. 뿐만 아니라 굴착 성능을 향상시키기 위해 설치하는 투스(300) 역시, 버켓(100)의 최전방에 배치되는 구조물로 작업으로 인한 마모에 상당히 취약할 수밖에 없다.

그러나, 마모 방지를 위해 바닥판부(110)나 투스(300)에 추가적인 구조를 더하는 경우 버켓(100)의 전체적인 무게가 증가되어 건설기계의 연비 및 작업효율이 저하될 수밖에 없는 문제점이 있다.

본 발명에서는 버켓(100)의 무게 증가를 최소화하면서 내마모 수명을 향상시키기 위한 보강부재(200)와 투스(300)의 구조를 제안한다.

본 발명에서는 자연의 기능성 표면구조를 모사하여 마찰과 마모를 저감하는 자연 모사 기법을 활용하였다. 구체적으로 모래사막에서 마찰을 최소화하여 움직임이 자유로운 왕뱀의 비늘을 모사한 버켓(100)의 보강부재(200) 및 땅속을 파고 이동 통로를 만드는 두더지의 발톱을 모사한 버켓(100)용 투스(300)를 제안하고, 이하 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 버켓(100)용 보강부재(200)는 버켓(100)의 바닥판부(110)의 내마모 수명 향상을 위해 바닥판부(110)의 외측면에 설치되는 내마모 보강부재(200)로, 바디부(210), 돌출부(220) 및 함몰부(230)를 포함할 수 있다.

바디부(210)는 일정한 두께(T)와 폭(W1)을 갖고 버켓(100)의 폭방향으로 연장 형성되는 바(bar) 타입의 플레이트(plate) 형상으로 구비될 수 있다. 바디부(210)는 버켓(100)의 바닥판부(110)의 마모를 최소화하기 위해 바닥판부(110)의 내측면 또는 외측면의 노출면의 일정 영역을 커버하도록 배치될 수 있다.

바디부(210)의 폭(W1)은 후술하는 돌출부(220)를 제외한 전방 단부에서 후방 단부까지의 간격을 의미할 수 있다. 일 실시예에서 바디부(210)의 폭(W1)은 두께(T)의 1.5배 이상, 4배 이하로 형성될 수 있다. 만약 바디부(210)의 폭(W1)이 두께(T)의 1.5배 미만으로 형성되면 바닥판부(110)와의 접촉면적이 감소되어 두께(T)에 대해 받는 전단응력에 취약해지고, 바디부(210)의 폭(W1)이 두께(T)의 4배를 초과하여 형성되면 제조 비용 대비 내마모 효과가 저감된다.

바디부(210)의 후방 단부, 즉 립부(140)가 배치되는 방향의 반대방향 단부에는 후방을 향해 일정한 높이로 돌출되는 돌출부(220)가 형성될 수 있다. 돌출부(220)는 쐐기, 반원, 사각, 사다리꼴 그 외의 다각형 등의 형상으로 형성될 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 일 실시예에서 쐐기 형상으로 형성되는 돌출부(220)의 폭(W2)은 돌출부(220)의 높이(H1)의 1배 이상, 2배 이하로 형성될 수 있다. 만약 쐐기 돌출부(220)의 폭(W2)이 돌출부(220)의 높이(H1)의 1배 미만으로 형성되면 바닥판부(110)를 마찰로부터 보호하는 효과가 줄어들고, 돌출부(220)의 폭(W2)이 돌출부(220)의 높이(H1)의 2배를 초과하여 형성되면 바닥판부(110)를 보호하는 효과 대비 보강부재(200) 자체의 마모량이 많아 지게 된다.

돌출부(220)의 높이(H1)는 상술한 바디부(210)의 폭(W1)의 0.3배 이상 및 바디부(210)의 폭(W1) 이하로 형성될 수 있다. 만약 돌출부(220)의 높이(H1)가 상술한 바디부(210)의 폭(W1)의 0.3배 미만으로 형성되면 돌출부(220)에 의한 바닥판부(110)의 마모 방지 효과가 발생하지 않고, 돌출부(220)의 높이(H1)가 바디부(210)의 폭(W1)을 초과할 경우 바디부(210) 자체의 마모량이 많아지게 된다.

본 발명에서 돌출부(220)는 복수개가 형성될 수 있고, 복수개의 돌출부(220)는 바디부(210)의 후방 단부를 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 일 실시예에서 각 돌출부(220) 사이의 간격(L1)은 돌출부(220)의 폭(W2)의 2배 이상, 5배 이하로 형성될 수 있다. 만약 각 돌출부(220) 사이의 간격(L1)이 돌출부(220)의 폭(W2)의 2배 미만으로 배치되면, 보강부재(200)의 내마모성능 개선 효과 대비 제조 비용이 과도하게 되고, 각 돌출부(220) 사이의 간격(L1)이 돌출부(220)의 폭(W2)의 5배를 초과하도록 배치되면 버켓(100)의 바닥판부(110)를 마모로부터 보호하는 효과가 절감되고, 보강부재(200) 자체의 마모량이 증가하게 된다.

바디부(210)의 전방 단부, 즉 립부(140)가 배치되는 방향의 단부에는 후방을 향해 일정한 높이로 오목하게 함몰되는 함몰부(230)가 형성될 수 있다. 함몰부(230)는 돌출부(220)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 판재(예를 들어 강판)를 절단 시 제조비용의 절감을 위해 돌출부(220)와 함몰부(230)가 동일한 형상으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상술한 보강부재(200)는 복수개가 전후방향으로 특정 간격으로 이격되게 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 보강부재(200) 사이의 거리는 상술한 돌출부(220)의 높이의 1~3배가 되도록 배치될 수 있다. 만약 각 보강부재(200) 사이의 거리가 돌출부(220)의 높이의 1배 미만으로 배치될 경우, 바닥판부(110)의 전체 면적에 비해 적용되는 보강부재(200)의 개수가 과도하여 내마모 효과에 비해 제조 비용이 증가하게 되고, 각 보강부재(200) 사이의 거리가 돌출부(220) 높이의 3배를 초과하여 배치되는 경우 바닥판부(110)의 노출이 보강부재(200)의 보호범위를 넘어서서 내마모 효과가 저하될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면 상술한 보강부재(200)는 도 2와 같이 바닥판부(110)의 외측면에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 바닥판부(110)의 내측면에 배치될 수 있으며, 내측면 및 외측면 모두에 배치될 수도 있다.

다양한 실시예에 따르면 보강부재(200)는 바닥판부(110)에 용접을 통해 접합될 수 있으나, 그 접합 방식에 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서 보강부재(200)는 바닥판부(110)의 내측면 또는 외측면에 형성되는 지지부재를 통해 탈착 가능하게 결합될 수도 있다.

본 발명에서 보강부재(200)는 브리넬 경도(HBW)가 400 내지 600의 범위에 속하는 강판 재질로 형성될 수 있다. 만약 보강부재(200)의 경도가 400미만이면 보강부재(200) 자체의 내마모 성능이 떨어져 바닥판부(110)의 내마모를 위한 보강부재(200) 역할을 수행하기 어렵고, 경도가 600을 초과하면 바닥판부(110) 용접 시 용접성이 극히 저하되어 제조과정에 어려움이 있다.

일 실시예에서 이러한 보강부재(200)가 설치되면 버켓(100)의 바닥판부(110)는 브리넬 경도(HBW)가 180 내지 400의 범위 내에 속하는 강판 재질로 형성될 수 있다.

본 발명에서는 자연모사 기법을 적용하여 다양한 동물, 식물의 형상을 기술적으로 모사하여 도 7에 도시된 바와 같이 적용 가능한 보강부재(200)의 형상을 도출하였다. 해당 형상들에 의한 내마모성능 개선 효과를 확인하기 위해 이산요소법(descrete element method,DEM)을 통한 마모해석 방법을 활용하여 각 시편들의 표면에 작용하는 전단 에너지(shear energy)를 측정하여 비교하였다. 전단에너지는 마모 입자와의 접촉에 의해 발생되는 전단력과 이동거리를 곱하여 구한 값으로, 이는 마모량과 같은 개념이라고 볼 수 있으며, 각 시편들에 인가된 전단에너지의 총 합을 비교하여 내마모성능 수준을 판단할 수 있다. 도 5A에서는 볼록형 구조는 버켓(100)의 바닥판부(110)에 덧댐 보강을 위한 보강부재(200)를 위한 것이고, 오목형 구조는 버켓(100)용 투스(300)의 표면 형상 도출을 위한 것이다.

이산요소법을 통한 마모해석 수행 시 굴삭 작업과 같이 시편의 이동으로 입자와의 접촉이 발생하도록 입자 사이를 시편이 통과하는 형태로 단순화한 해석 모델을 구성하였으며 이는 도 8와 같다.

본 발명에서 시행한 이산요소법의 시험 조건은 아래 표 1과 같고, 각 시편은 입자들에 대해 X축 방향으로 0.4m/s의 속도로 진행하였다.

	입자	시편
Diameter(mm)	10	-
Number of particles	~6x105	-
Density(kg/m3)	2,300	7,850
Poisson ratio	0.3	0.3
Young's modulus	2,500	200,000
Viscosity	0.25	0.3
Dynamic friction coefficient	0.25	0.3
Rolling friction coefficient	0.25	0.3

도 9은 도 7의 시편들을 이용하여 상술한 이산요소법 해석 모델을 통해 구한 전단에너지 측정 결과이다. 도 9를 참조하면, 시편의 진행 방향(X축 방향)과 반대방향으로 돌출되는 쐐기형 돌출부(220)가 일정간격으로 이격 배치되는 a7의 볼록한 구조의 표면에 작용하는 전단에너지가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 이는 평판 구조인 S에 비해 현저히 낮은 값임을 알 수 있다. 또한, b3과 같이 시편의 진행 방향으로 오목한 구조의 표면이 오목형 구조 중에서는 작용하는 전단에너지가 가장 작은 것을 확인할 수 있으며, 평판 구조인 S에 비해서도 낮은 전단에너지를 나타냄을 확인할 수 있다.

도 10에 위 a7, a8 및 S 시편에 대해 이산요소법을 이용한 표면 마모해석을 바탕으로 전단에너지를 도출한 결과를 도시하였다. 시편에 인가된 전단에너지 수준에 따라 다른 색상으로 표현되는 방식으로 마모수준을 비교하였을 때, 평판(S)의 경우 전체 면적이 초록색으로 변하여 골고루 마모가 발생하는 반면, a7, a8과 같이 돌출된 보강부재를 형성시키면 전면부 및 보강부재에서만 마모가 관찰되며 전반적으로는 마모가 감소됨을 확인할 수 있다.

이와 같은 결과는 시편이 입자 사이를 관통하여 움직이는 동안의 입자 거동 차이에 의한 것으로, 보강부재 사이에 입자가 갇히게 되고 갇힌 입자가 이후의 입자들과 시편의 접촉을 방해함으로써 얻어진다. 한편, 한편 도면에 도시하지는 않았으나, 본 발명에서는 붉은색부터 보라색까지 무지개 색깔에 따라 입자의 색깔을 구간별로 달리하여 이를 통해 시편의 관통으로 인한 입자의 거동을 확인하는 실험을 하였고, 상술한 갇힌 입자는 구간별로 입자를 달리하여 이러한 입자가 붉은색부터 보라색까지의 순서로 시편을 관통시키는 실험에서, 여러 색상의 입자들 중 초기에 위치한 붉은색 입자들이 다수 관찰되어, 초기에 갇힌 입자가 이탈되지 않고 유지됨으로써 상기 효과가 잘 발현되고 있음을 확인하였다.

종래의 방식이라고 할 수 있는 평판에 돌출된 형태의 보강부재를 형성시킨 a8 대비, 본 발명에 활용한 평판에 돌출된 형태의 보강부재를 형성시키고 해당 보강부재에 쐐기 형태의 돌출부(220)를 추가로 형성시킨 a7의 형태에서 전술한 방식의 입자 유동에 의한 보호 효과가 더 강하게 나타나, 10% 이상의 마모 저감 효과를 추가로 얻을 수 있다.

상술한 a7, a8 형태를 버켓에 적용하였을 때의 내마모성능 개선 효과를 비교하기 위하여 이산요소법을 이용한 마모해석을 수행하였으며 그 결과를 도 11에 도시하였다. 도 11의 (a)에서 가로 방향의 돌출된 보강부재를 형성한 종래의 형태를, 도 11의 (b)와 같이 보강부재에 쐐기 형상의 돌출부(220)를 형성한 본 발명의 형상을 적용한 결과와 비교했을 때 단위면적당 마모량이 27% 감소한 결과를 얻었다. 도 11의 (b)에서 버켓에 적용한 본 발명의 쐐기형 돌출부를 구비한 보강부재의 형상을 구현함에 있어 종래의 형태인 도 11의 (a)와 같이 가로 방향의 돌출된 보강부재를 형성한 형상 대비 보강부재의 양을 약35% 적게 사용하였기에 그 효과는 더 크다고 할 수 있다.

도 11의 (b)에서 보강부재에 쐐기 형상의 돌출부(220)를 형성시킨 반면 반대 방향으로는 쐐기 형상의 오목부(230)를 형성하였는데 이는 철판의 사용량을 최소화하기 위한 것으로, 철판 원소재의 절단 시 쐐기형 돌출부(220)의 형성을 위해 철판의 손실이 발생하지 않기 위함이다. 즉 오목부(230)의 존재 여부는 본 발명에 의한 내마모성능 개선 효과의 발생에는 큰 영향을 미치지 않을 수 있으나, 쐐기형 돌출부(220) 형성을 위한 절단부의 반대 면이 보강부재의 오목부(230) 형성면이 되어 철판 사용량에 의한 원가 상승요인을 최소화하는 것이다. 일정 크기 이하의 오목부(230)가 형성되어도 도 8의 (b)에서 나타난 바와 같이 내마모성능의 저하가 발생하지 않음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓(100)은 바닥판부(110)에 전후방향으로 이격 배치되는 다수의 보강부재(200)를 구비함으로써 버켓(100)의 내마모성을 향상시키면서도 무게의 증가를 최소화할 수 있고, 이를 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

다음은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓(100)의 내마모 수명 향상을 위해 선단부에 설치되는 투스(300)에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓(100)에 적용되는 투스(300)를 보여주는 사진이고, 도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓(100)에 적용되는 투스(300)를 도시한 도면이고, 도 14는 도 13에서 A-A'의 단면을 도시한 도면이다.

본 발명의 굴착용 버켓(100)에 적용되는 투스(300)는, 도 2와 같이 버켓(100)의 립부(140)에 어댑터(150)를 통해 탈착 가능하게 설치될 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니고 일체로 형성될 수도 있음은 자명하다. 본 발명에서 제안하는 투스(300)는 상술한 바와 같이 도 5의 b3의 오목형 구조를 적용하여 내마모 성능을 향상시킴과 동시에 두더지 발톱을 모사한 형상을 통해 굴착 성능을 향상시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투스(300)에 대해, 어댑터(150)와 결합되는 방향을 '후방'으로 설명하고, 이와 반대되는 방향을 '전방'으로 설명할 수 있다. 또한, 버켓(100)이 도 1 또는 도 2와 같이 놓인 상태에서 지면이 버켓(100)을 바라보는 방향을 '상방'으로 설명하고, 이와 반대되는 방향을 '하방'으로 설명할 수 있다.

도 12 내지 도 16을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 투스(300)는, 후단부 측면에 어댑터(150)와 결합되기 위한 결합공(311)과, 어댑터(150)의 적어도 일부가 삽입되는 결합홈(312)이 형성되는 결합부(310) 및 결합부(310)로부터 전방을 향해 일정길이로 연장 형성되어 굴착작업을 수행하는 굴착부(320)를 포함할 수 있다.

굴착부(320)는 후술하는 단차홈(340)이 형성되는 하면부(330)와 하면부(330)의 양측에 형성되는 측면부(370), 하면부(330)와 대향되게 양 측면부(370) 사이에 형성되는 상면부(360)를 포함할 수 있다. 또한, 굴착부(320)의 전면부(380)에는 접촉면(381,382)이 형성될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면 굴착부(320)의 양 측면부(370) 사이의 간격은 전방으로 향할수록 좁아지게 형성될 수 있다. 굴착부(320)의 하면부(330)는 중앙에 수평하게 형성되는 수평부(335)가 전후방향으로 연장 형성되고, 수평부(335)를 기준으로 양 측면부(370)로 향할수록 상향 경사지게 형성될 수 있다.

도 13을 참조하면, 굴착부(320)의 하면부(330)에는 수평부(335)로부터 양 측면부(370)를 향해 좌우로 형성되는 한 쌍의 제1 단차홈(341) 및 제1 단차홈(341)의 전방에 형성되고, 수평부(335)로부터 양측면부(370)를 향해 좌우로 형성되는 한 쌍의 제2 단차홈(342)이 형성될 수 있다. 제1 단차홈(341) 과 제2 단차홈(342)은 제조상의 편의를 위하여 좌우로 대칭되게 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 각각의 단차홈(341,342)은 도 10b 와 같이 위쪽에서 보았을 때, 수평부(335)와 인접하는 제1 단차면(351)과 측면부(370)와 인접하는 제2 단차면(352)을 통해 단차지게 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 아래에서 보았을 때 제1 단차면(351)과 제2 단차면(352) 사이의 각도(e1)는 135도 이상 145도 이하로 형성될 수 있다. 또한, 제2 단차면(352)과 측면이 이루는 각도(e2)는 30도 이상 40도 이하로 형성될 수 있다. 이러한 제1 단차홈(341) 및 제2 단차홈(342)은 굴착작업시 표면에 마찰되는 입자의 유동을 원활하게 하기 위한 것으로, 만약 제1 단차면(351)과 제2 단차면(352) 사이의 각도(e1) 및 제2 단차면(352)과 측면 사이의 각도(e2)가 위의 범위를 벗어나게 형성된다면, 굴착 시 입자의 유동에 의한 굴착부(320)가 입자에 의해 보호되는 내마모 효과가 저감될 수 있다.

다만, 굴착부(320)의 하면에 형성되는 단차홈(340)은 적어도 한 쌍 이상이 형성되는 것으로, 굴착부(320)의 길이에 따라 복수의 단차홈(340)이 형성될 수 있음은 자명하다.

한편, 도 13을 참조하면, 측면부(370) 쪽에서 보았을 때 굴착부(320)의 하면부(330)는 제1 곡률을 갖도록 만곡되게 형성되고, 상면부(360)는 제2 곡률을 갖도록 만곡되게 형성될 수 있다. 이때, 결합부(310)의 끝단면에서 가장 멀리 떨어진 굴착부(320)의 전면부(380)의 지점에서 결합부(310)의 끝단면과 수평한 가상의 면을 가정할 때 해당 가상의 면을 측면에서 바라본 선을 기준선으로 했을 때, 도 15와 같이 하면부(330)의 곡률과 대응되는 제1곡선(330a)과 상면부(360)의 곡률과 대응되는 제2곡선(360a)의 연장선이 굴착부(320)의 전면부(380) 기준선과 만나는 각각의 접점에서의 접선들 사이의 각도(e3)는 10~25도 사이의 범위로 형성될 수 있다. 만약 두 접선 사이의 각도(e3)가 10도 미만으로 형성되면 굴착부(320)의 전단부의 상하방향 두께가 너무 얇아져서 석산작업과 같이 강도와 경도가 높은 작업물의 작업 시 굴착부(320)의 파괴 위험성이 커지게 되고, 두 접선 사이의 각도(e1)가 25도를 초과하여 형성되면 굴착부(320)의 전면부(380) 두께가 너무 두꺼워져서 굴착 저항이 지나치게 커져서 작업 효율성이 저하된다.

도 16을 참조하면, 굴착부(320)의 하면부(360)는 양 측면부(370)로부터 중앙부로 향할수록 하방으로 오목하게 형성될 수 있다. 굴착부(320)의 전면부(380)의 일정 구간에서 전후방향과 수직한 단면은 대체로 위쪽으로 개방된 초승달 형상으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서 이러한 초승달 형상의 단면 중에서 하단부 일정 구간은 직선구간으로 형성될 수 있다.

굴착부(320)의 전면부(380)는 하면부(330)의 전단으로부터 대체로 수직하게 상향 절곡되는 제1 접촉면(381) 및 상면부(360)의 전단으로부터 전방으로 갈수록 하향 절곡되는 제2 접촉면(382)을 포함할 수 있다.

이러한 굴착부(320)의 형상은 상술한 바와 같이, 두더지의 발톱을 모사한 것으로 본 발명에서는 하면부(330)에 복수의 단차홈(340)을 구비하여 입자의 유동에 의해 굴착부(320)가 보호되는 효과를 통해 내마모성능히 향상됨과 동시에, 측면부 쪽에서 보았을 때 굴착부(320)의 하면부(330)가 곡률을 갖도록 만곡지게 구비하고, 상면부(360)를 오목하게 형성하여 단면이 초승달 형성이 되도록 구비함으로써 지면과의 마찰 저항을 최소화하여 내마모성능과 굴착 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 자연모사 기법을 적용하여 땅을 파는 동, 식물의 형상을 기술적으로 모사하여 내마모성능이 향상된 굴삭용 투스(300)의 형상안을 도출하고자 하였으며, 내마모성능 개선 효과를 확인하기 위해 도 19와 같이 이산요소법을 통한 마모해석을 수행하였다.

해석은 투스(300)를 단순화한 형태의 시편이 입자를 침투할 때 발생하는 전단에너지를 측정하여 굴삭 작업에서 발생하는 마모량을 평가하였으며 평가대상은 도 20에 도시한바와 같이 침투 방향을 기준으로 대칭형태와 비대칭형태를 이루는 투스 시편으로 하였다.

도 21에 도시한 평가 결과를 보면 침투 방향을 기준으로 비대칭 형태를 가질 경우 그리고 투스(300)의 상/하 면이 침투방향과 이루는 각도가 작을수록 더 낮은 마모량을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 굴삭 작업 시 작업대상물과 이루는 각도가 작을수록 마모에 유리하며 특히 양쪽 면이 일정한 각도를 이루는 형태보다 한쪽면이 굴삭 방향과 평행을 이루는 것이 마모를 저감하는 측면에서 더 바람직함을 의미한다.

투스(300)에 표면에 마모 저감을 위한 단차면을 형성하였을 때의 효과를 확인하기 위하여 상술한 해석 결과에 따른 비대칭 형상의 투스(300) 상면에 여러 형상의 단차홈(340)을 형성하여 마모해석을 수행하였으며 그 결과를 도 22에 도시하였다. 도 22에서 단차홈(340)이 없는 것 보다 적절한 단차홈(340)을 형성하는 것이 더 낮은 마모량을 나타냄을 확인할 수 있으며 뱀 비늘 형상의 단차홈(340)을 형성한 시편의 마모량이 가장 낮은 결과를 나타내었다.

상술한 해석 결과를 바탕으로 자연모사 기술을 적용하여 비대칭 형상과 단차홈(340)을 가진 투스(300)의 실시예를 도출하였다. 투스(300)는 굴삭 작업 시 하면이 침투 방향과 평행을 이루도록 일정 곡률을 가지고 있으며, 이에 따라 상면은 구조적 강성 확보를 위하여 초승달 형태의 단면을 가지고 있다. 추가적으로 하면의 마모 저감을 위해 뱀 비늘 형상의 단차홈(340)을 구비하고 있다.

도 17은 이산요소법을 통해 본 실시예의 투스(300)의 표면에 작용하는 마찰을 해석한 결과이고, 도 18은 아래의 [표 2]를 이용해 투스(300)의 내마모 수명을 계산한 그래프이다.

항목	비교예1	비교예2	실시예	비교예3
Shear Energy	96.7	95.3	88.1	106.6
Area	107.1	98.8	111.9	107.9
Wear Rate	90.3	96.5	78.7	98.8
Body Length	125	130	142	140
Volume	90.0	98.1	101.0	120.3
Effective Life Constant	93.8	106.3	119.5	140.4
Wear Life	103.9	110.2	151.7	142.1

여기서, Wear Rate는 Shear Energy를 Area로 나눈 값으로 계산하였고, Effective Life Constant는 Body Length에 Volume을 곱한 값으로 계산하였다.

도 17 및 도 18과 [표 2]를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투스(300)의 경우 마모율(Wear Rate)이 78.7로 비교예들에 비해 최대 20%가량 낮아진 것을 확인하였고, 도 18에 도시된 바와 같이, 내마모 수명(Wear Life) 역시 목표값 대비 50% 이상 향상된 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 굴착용 버켓(100)은, 일정한 간격의 돌출부(220) 및 함몰부(230)를 구비한 보강부재(200)를 통해 무게증가를 최소화하면서도 바닥판부(110)의 내마모 성능을 향상시킬 있고, 투스(300)의 상면에 일정한 각도 형성되는 단차면(351,352)으로 이루어진 단차홈(340)을 구비하여 투스(300)의 내마모 성능을 향상시킴과 동시에 초승달 형상의 단면을 갖도록 형성하여 굴착 성능까지 향상시킬 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 '포함하다', '구성하다' 또는 '가지다' 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

1. 버켓에 결합되는 굴착용 투스에 있어서,
   상기 버켓에 결합되는 결합부 및 굴착 작업을 수행하는 굴착부를 포함하고,
   상기 굴착부는 하면부 중앙에 전후방향으로 연장 형성되는 수평부 및 상기 수평부로부터 측면부를 향해 형성되는 적어도 하나 이상의 단차홈을 포함하고,
   상기 단차홈은 상기 수평부와 인접하는 제1단차면 및 상기 제1단차면과 일정 각도를 이루고 상기 측면부와 인접하게 형성되는 제2단차면을 통해 단차지게 형성되며,
   상기 굴착부의 측면부에서 보았을 때, 상기 굴착부의 하면부는 상기 결합부의 끝단부와 멀어지는 방향으로 갈수록 상기 굴착부의 상면부를 향하는 제1 곡률을 갖도록 만곡되게 형성되는 것을 특징으로 하는 굴착용 투스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1단차면과 상기 제2단차면 사이의 각도는 135˚~145˚ 범위로 형성되고, 상기 제2단차면과 상기 측면부 사이의 각도는 30˚~40˚ 범위로 형성되는 굴착용 투스.
3. 제1항에 있어서,
   상기 굴착부의 상면부는 상기 측면부로부터 중앙으로 갈수록 하방으로 오목하게 형성되는 굴착용 투스.
4. 제3항에 있어서,
   상기 굴착부의 측면부에서 보았을 때, 상기 상면부의 곡률과 대응되는 곡률로 형성되는 제1곡선의 접선과 상기 하면부의 상기 제1 곡률과 대응되는 곡률로 형성되는 제2곡선의 접선 사이의 각도는 10˚~25˚ 범위로 형성되는 굴착용 투스.
5. 제1항에 있어서,
   상기 굴착부의 전후방향과 수직하는 단면은 상방으로 개방되는 초승달 형상으로 형성되는 굴착용 투스.
6. 제5항에 있어서,
   상기 초승달 형상의 상단부 또는 하단부의 적어도 일부 구간은 직선 구간으로 형성되는 굴착용 투스.
7. 선단부에 결합되는 투스를 구비하는 굴착용 버켓에 있어서,
   상기 투스는 상기 버켓에 결합되는 결합부 및 굴착 작업을 수행하는 굴착부를 포함하고,
   상기 굴착부는 하면부 중앙에 전후방향으로 연장 형성되는 수평부 및 상기 수평부로부터 측면부를 향해 좌우에 형성되는 적어도 하나 이상의 단차홈을 포함하고,
   상기 단차홈은 상기 수평부와 인접하는 제1단차면 및 상기 제1단차면과 일정 각도를 이루고 상기 측면부와 인접하게 형성되는 제2단차면을 통해 단차지게 형성되고,
   상기 굴착부의 측면부에서 보았을 때, 상기 굴착부의 하면부는 상기 결합부의 끝단부와 멀어지는 방향으로 갈수록 상기 굴착부의 상면부를 향하는 제1 곡률을 갖도록 만곡되게 형성되는 것을 특징으로 하는 굴착용 버켓.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1단차면과 상기 제2단차면 사이의 각도는 135˚~145˚ 범위로 형성되고, 상기 제2단차면과 상기 측면부 사이의 각도는 30˚~40˚ 범위로 형성되는 굴착용 버켓.
9. 굴착용 버켓에 있어서,
   상기 버켓에 결합되는 결합부 및 굴착 작업을 수행하는 굴착부 그리고, 상기 굴착부의 측면부에서 보았을 때, 상기 굴착부의 하면부는 상기 버켓과 멀어지는 방향으로 갈수록 상기 굴착부의 상면부를 향하는 제1 곡률을 갖도록 만곡되게 형성되는 투스; 및
   상기 버켓 상에 상기 투스와 이격 배치되며, 상기 버켓의 폭방향으로 배치된 바디부와 상기 바디부의 일측에 상기 바디부의 길이방향과 교차하는 방향으로 돌출 형성된 돌출부와, 상기 바디부의 타측에 상기 바디부의 길이방향과 교차하는 방향으로 함몰 형성된 함몰부를 포함하는 복수개의 보강부재
   를 포함하는 굴착용 버켓.

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