유압 브레이커란 유압 펌프에서 공급되는 동력원을 이용하여 피스톤(Piston)의 왕복운동으로 치즐을 반복 타격하여, 암반이나 콘크리트를 파쇄하거나, 건축물의 해체작업, 기초 공사장에서 파일 박기, 토목공사에서의 기초 다지기 등 타격에 각종 파쇄 대상을 잘게 깨는 타격 파쇄 장비이다.
작업 대상물의 경우 강도가 매우 다양하다. 따라서 타격력과 타격수를 암반의 강도에 따라 조정하거나 최적화하는 것이 작업 효율을 극대화 시킬 수 있는 기술로 인정받고 있다. 굴착기 20톤급 이상에 장착되는 유압 브레이커의 경우 이미 유럽 선진사인 에피락 (Epiroc), 몽따베르 (Montabert)는 자동 타격력 및 타격수 제어기구 기술을 개발하여 상용화에 성공하였으며, 시장에서 기타 제조사 제품 대비 기술적 차별화를 통하여 고급, 고가형 장비로 인지되고 있다. 사용자들은 별도로 유압, 가스압을 조절하는 방식을 불편하게 생각하고 있으며, 본인이 원하는 타격력, 타격수를 구현하기 위해서 관련 부품을 별도로 개조해서 사용하는 사례도 있었다.
본 개발 대상 기술은 소형 유압 브레이커를 이용해서 연암, 콘크리트, 아스팔트 등을 파쇄할 때 고객이 원하는 타격력을 별도의 유압, 가스압 조정 없이 피스톤의 행정 거리를 조절함으로써 구현하는 기술이다. 작업 현장에 따라 사용자는 타격 주파수는 느리지만 높은 타격력이 필요하거나, 타격 주파수는 빠르지만 낮은 타격력이 필요하였다. 하지만 적정 타격 주파수, 타격력은 파쇄 대상에 따라서 사용자의 요구 수준이 다양했다. 현재 중대형 유압 브레이커에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 것은 수동 2단 피스톤 행정 거리 유압 브레이커이다. 1단은 짧은 피스톤 행정 거리로 2단보다 작은 타격력과 높은 타격 주파수로 작동하고, 2단은 제품의 표준 타격력과 타격 주파수로 작동한다. 1단의 경우 타격력이 만족스럽지 않아 사용하지 않는 경우가 많았다. 따라서 1단으로 파쇄력이 만족하지 않은 경우는 2단을 사용할 수밖에 없고, 타격 주파수의 변동이 없으므로 작업 속도에 변화가 없게 된다. 행정 거리를 사용자 요구 수준에 맞게 조정이 가능하면 동일 작업 시간 내 작업 속도를 향상하고, 생산량 대비 연료 소모량을 개선함으로써 환경 문제 개선에도 도움이 되리라 생각된다.
본 연구의 목적은 피스톤의 행정 거리를 사용자가 원하는 수준으로 조절할 수 있는 기구를 개발하는 것이다. 이를 통해 상대적으로 강도가 약한 파쇄 대상물을 작업할 때 피스톤의 행정 거리를 적정 수준으로 줄여서 타격 주파수를 향상하여 작업 속도를 높이는 것이다. 피스톤의 행정 거리가 줄어들면 소요 유량이 줄어들고 작동 압력도 떨어지게 된다. 작업 시 사용되는 유량과 압력이 낮아진다는 것은 에너지를 적게 소모하게 된다는 의미이므로 연료 소모량이 줄어들어 배기가스 배출량을 저감 할 수 있다. 스키드 스티어 로더(Skid Steer Loader)에 장착하거나 굴착기에 부가적으로 회전링크와 같은 연결 어태치먼트(Attachment)를 사용할 때 배압에 의해 타격 주파수가 저하하는 현상도 해결할 수 있을 것이다. 더불어 표준 공급 유량과 비교하여 더 많은 유량이 공급되는 스키드 스티어 로더의 대유량 옵션 제품에 대해서도 대안 제시가 가능하리라 예상한다.
연구 방법은 기존에 사용되고 있는 제품의 피스톤 행정 거리를 조정하는 기술을 분석하고 조정기구를 설계하는 것이다. 조정기구의 기초 설계를 검증하기 위해 우선 기존 제품에 대한 시뮬레이션 모델을 개발하고 시험 결과와 검증하는 작업을 시행한다. 검증이 완료되면 조정기구의 기초 설계안을 시뮬레이션 모델에 반영하여 피스톤 행정 거리 조절이 원활하게 구현되는 조건을 검토하여 최종적인 설계 안을 확정한다. 이렇게 확정된 설계 안을 기준으로 시제품을 제작하고 연구 목표의 달성 여부를 확인한다.
실험 결과 선진사 제품의 최대 타격 주파수인 분당 타격수 1,400 bpm (blow per minute)를 능가하는 1,764 bpm을 구현하였다. 타격 주파수는 5단계를 목표와 비교하여 평균 공급 유량 기준 6단계 타격 주파수 조정이 가능하도록 구현하였다. 해석 결과 강도가 낮은 콘크리트 파쇄 예상 작업 조건에서 기존 제품은 약 757 bpm, 조정기구를 조절할 경우 991 bpm으로 작업 속도 약 30,9%가 향상될 가능성을 확인하였다. 배압이 높게 발생하는 회전 링크를 사용하는 조건에 대해서는 배압 45 bar 조건으로 해석을 진행하였다. 타격 주파수 분석 결과 기존 제품은 분당 타격수로 약 784 bpm, 피스톤 행정 거리를 조절한 경우 약 1,136 bpm 이었다. 실제 작업 시 타격력이 충분하다고 한다면 작업 속도가 약 44.9% 향상될 가능성을 확인하였다. 다만 스키드 스티어 로더의 대유량 공급 옵션 제품의 100 L/min 이상 공급 유량 조건에서는 피스톤 행정 거리를 조절하여 과도한 작동 압력 상승과 타격 주파수 상승을 해결하지 못했지만, 적정 유량을 탱크로 귀환하는 밸브를 추가하는 방안을 시뮬레이션 모델로 검증하여 문제 해결 방안을 제시하였다.