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문제 정의
- 본 논문은 앞선 수치 시뮬레이션과 토조에서의 모델 성능시험을 통해 확보된 연약갯벌 주행장치의 일련의 개발 과정과 성능 실증시험에 관하여 설명하고자 한다. 실증시험 대상지역으로 본 연구에서는 서해안 함평만의 안악 갯벌을 선정하였다.
- 본 연구에서는 연약갯벌 주행장치의 성능 실증시험을 위해, 서해안의 함평만 안악갯벌을 시험지역으로 선정하여 지형 조사 및 지반 공학 특성조사를 수행하였고, 이를 토대로 실제 크기의 연약갯벌 주행장치 및 성능시험용 차량을 설계하였다. 주행장치는 컨베이어벨트-그라우저로 구성된 고무트랙, 스프링 현가장치, 타이어, 스프라켓 및 프레임으로 구성되며, 이것의 성능을 시험하기 위하여 엔진-변속기, 조향 및 브레이크 장치, 차체 프레임 및 새시(Chassis)로 구성된 차량을 제작하였다.
제안 방법
- 굴곡진 지형에서 가능한 넓은 접촉면적을 확보하기 위하여, 주행장치에 현가기능을 추가하였다. 이것은 Fig.
- 54m(W) ×7m(L)이다. 그라우저-핀-탈선방지가이드 기능을 모두 갖는 그라우저-핀 세트는 그라우저 역할 뿐만 아니라, 스프라켓과 맞물려 트랙을 구동시키는 핀, 그리고 선회 시 측면 방향으로부터 발생되는 힘에 의해 트랙이 탈선하지 않도록 가이드 기능까지 갖춘 일체형으로 설계되었다.
- 금번 성능실증시험은 안악갯벌에서 2차례 실시되었고, 직진 및 선회 시험과 세곡로 통과 시험으로 나누어서 수행되었다. 2.
- 이것은 무한궤도 주행방식, 스프라켓 구동, 그리고 현가장치 및 타이어 방식이 적용된 것으로 지형 형상 적응, 넓은 접지 면적 확보 및 충분한 동력전달 기능 등의 특징을 가진다. 도출된 주행장치 개념의 성능 검증을 위해, 주행장치 모델을 제작하여 토조 성능시험을 수행하였으며, 이를 통해 문제점과 및 개선점을 분석함으로써 연약갯벌 주행장치 기본 설계안을 확보하게 되었다(홍섭 등, 2008).
- 현가장치의 성능을 좌우하는 스프링은 8개의 차량 바퀴가 1,000kg(차체 중량)을 지지하는 것으로부터 최소 1,225N의 하중을 견딜 수 있어야 한다. 또한 수치 시뮬레이션을 통해 굴곡지형 통과와 같은 동적 상태에서 각 바퀴에 가해지는 힘을 계산함으로써, 스프링 상수(첫 번째: 40[N/mm], 나머지: 30[N/mm])를 결정하였다. 실제 스프링은 상․하 100mm의 수직 이동 기능과 약 4300N의 최대 장력을 가지며, 주어진 공간에 설치 가능하도록 Table 2와 같이 제작되었다.
- 이로부터, 현가장치의 상하 작동 범위(± 100mm)와 스프링 상수(40N/mm)를 결정하였다. 또한 트랙 장력은 현가성능에 직접적인 영향을 주기 때문에, 장력 조정이 가능하도록 설계에 반영하였다.
- 이것은 총 9매로서 3개의 코스, 각 코스별 3매의 사진으로 구성된다. 먼저, 항공사진 분석에 필요한 기상기준점, 즉 삼각점과 수준점의 좌표를 GPS 현장 측량을 통해 계측한다. 본 연구에서는 측량된 지상기준점과 상용 소프트웨어, LPS(Leica photogrammetry suit)를 활용하여 지형정보를 추출한다.
- Line-AA에서 수집된 10개의 샘플에 대해서는 물성(Physical property) 및 지질역학(Geotechnical) 시험이 각각 수행되었다. 물성 시험에서는 함수율(Water content), 비중(Specific gravity), 입자 크기(Particle size) 그리고 액상 및 소성 한계(Liquid/ Plastic limits) 등을 분석하였다. 역학시험은 압밀, 일축압축, 삼축압축 시험을 각각 실시하였다.
- 본 실증시험은 연약갯벌 직진 및 선회 주행 그리고 세곡로 통과 시험으로 나누어서 실시하였으며, 주행성능은 목표 대상에 대하여 “통과” 또는 “실패”로 구분하여 평가하였다.
- 먼저, 항공사진 분석에 필요한 기상기준점, 즉 삼각점과 수준점의 좌표를 GPS 현장 측량을 통해 계측한다. 본 연구에서는 측량된 지상기준점과 상용 소프트웨어, LPS(Leica photogrammetry suit)를 활용하여 지형정보를 추출한다.
- 본 연구에서의 지형 조사는 항공사진을 이용하여 3차원 지형정보를 추출하는 방법을 도입한다. 지형정보 추출과정에서의 오차를 최소화하기 위해, 국토지리정보원에서 1986년 촬영한 축척 1 : 10,000, 해상도 1,200dpi의 항공사진을 사용한다.
- 본 장에서는 LPS의 DEM(Digital elevation model) 추출 기능과 입체분석 프로그램을 이용하여, 두 지역에 대한 3차원 지형 모델과 등고선도를 얻는다.
- 이것은 전진 1단, 중립, 후진 1단으로, 최대 30마력까지 적용가능하며, 무게는 약 30kg이다. 엔진과 변속기 사이의 속도 조절을 위하여 무단 변속용 클러치를 적용하였다. 조향은 양 트랙의 속도 차이에 의한 스키드(Skid) 조향방식이며, 레버 조작에 의해서 실현된다.
- 물성 시험에서는 함수율(Water content), 비중(Specific gravity), 입자 크기(Particle size) 그리고 액상 및 소성 한계(Liquid/ Plastic limits) 등을 분석하였다. 역학시험은 압밀, 일축압축, 삼축압축 시험을 각각 실시하였다. 그 결과는 Table 1과 같다.
- 이에 반해, 안악 갯벌은 접근성이 좋으며, 지반의 전단강도가 사람의 무릎정도까지 빠지는 5kPa 정도로 성능시험에 적합한 조건을 가지고 있다. 연약갯벌 주행장치 설계를 위해, 대상 지역의 지형 및 지반공학적 특성 조사를 수행하였다. 지형 조사는 항공사진(1986년, 1 : 10,000)을 이용하여 조류로와 세곡로의 크기 및 형상을 파악하였다.
- 14의 ①~③ 지점은 주행시험 동안 과도한 침하가 발생한 대표적인 장소를 나타낸다. 이곳의 지반특성을 알아보기 위해, 자체 제작한 자동 배인식(Vane type) 전단강도 계측장치를 이용하여 각 지점의 깊이 10mm, 50mm에서 전단강도를 측정하였다. 이때, 배인의 회전속도는 60deg/min이며, 데이터 획득을 위한 샘플링 주파수는 10Hz이다.
- 이로부터, 현가장치의 상하 작동 범위(± 100mm)와 스프링 상수(40N/mm)를 결정하였다.
- 갯벌차량용 주행장치의 기본 제원을 설정하기 위해서는, 갯벌의 지형 및 지질적 특성 자료가 뒷받침되어야 한다. 이를 위해본 연구에서는 대상 지역에 대한 지형 및 지질특성 조사를 선행적으로 수행하였다(Yeu et al., 2009).
- 제안된 갯벌차량용 주행장치는 Fig. 9와 같이 고무벨트, 스프라켓, 현가장치, 타이어 그리고 프레임으로 구성된다.
- 14는 안악갯벌에서의 시험지역을 보여준다. 주행시험은 연약한 평면 지반에서의 직진-선회 시험과 세곡로와 같은 장애물 통과시험으로 구분하여 수행되었다. 각 시험에 대한 성능평가는 “성공” 혹은 “실패”의 정성적 방법으로 한다.
- 본 연구에서는 연약갯벌 주행장치의 성능 실증시험을 위해, 서해안의 함평만 안악갯벌을 시험지역으로 선정하여 지형 조사 및 지반 공학 특성조사를 수행하였고, 이를 토대로 실제 크기의 연약갯벌 주행장치 및 성능시험용 차량을 설계하였다. 주행장치는 컨베이어벨트-그라우저로 구성된 고무트랙, 스프링 현가장치, 타이어, 스프라켓 및 프레임으로 구성되며, 이것의 성능을 시험하기 위하여 엔진-변속기, 조향 및 브레이크 장치, 차체 프레임 및 새시(Chassis)로 구성된 차량을 제작하였다.
- 지형 조사는 항공사진(1986년, 1 : 10,000)을 이용하여 조류로와 세곡로의 크기 및 형상을 파악하였다. 지반공학 특성조사는 해당지역에 10개의 샘플링 시료를 채취하고 물성 및 압밀시험을 수행하였다. 이를 토대로 연약갯벌 주행장치의 기본 제원을 설정하는데 중요한 데이터를 확보하였다.
대상 데이터
- 2). 각 지점에서는 수송중의 손상과 분석 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 2개의 샘플을 채취하였다. 시료는 직경 80mm, 길이 800mm의 PVC 파이프가 이용되었고 실험실로 옮겨 실내 시험을 수행하였다.
- 우선, 엔진은 토크 대비 중량이 가벼운 Kohler사의 공랭식, 27마력 가솔린 엔진을 채택하였다. 변속기는 중량 대비 동력전달 특성이 뛰어난 Borg Warner사의 T-20 Skid-steer를 선정하였다. 이것은 전진 1단, 중립, 후진 1단으로, 최대 30마력까지 적용가능하며, 무게는 약 30kg이다.
- 본 연구에서는 주행장치 실 모델의 성능검증을 위해 시험용 차량을 제작하였다. 이것은 주행장치, 동력전달장치, 조향 및 브레이크 장치 그리고 프레임 및 세시로 구성된다(여태경 등, 2009).
- 안악의 경우, 간조 시 해안선으로부터 조간대까지의 거리는 약 1km 정도이다. 본 조사에서는 전체 안악 갯벌 중, Fig. 1의 Line-AA 관측선에 대하여 지형을 측량하였고, 5지점에서 지반 시료를 채취하였다(Fig. 2). 각 지점에서는 수송중의 손상과 분석 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 2개의 샘플을 채취하였다.
- 세곡로 통과 시험은 2장의 지형조사 결과에서 가장 많은 분포를 나타낸 폭 2m의 세곡로를 대상으로 하였다. Fig.
- 각 지점에서는 수송중의 손상과 분석 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 2개의 샘플을 채취하였다. 시료는 직경 80mm, 길이 800mm의 PVC 파이프가 이용되었고 실험실로 옮겨 실내 시험을 수행하였다.
- 시험차량을 이용한 주행성능 실증시험은 2009년 3월 30~31일, 4월 28~29일, 안악갯벌(안악해수욕장 부근)에서 2차례 실시되었다. Fig.
- 본 논문은 앞선 수치 시뮬레이션과 토조에서의 모델 성능시험을 통해 확보된 연약갯벌 주행장치의 일련의 개발 과정과 성능 실증시험에 관하여 설명하고자 한다. 실증시험 대상지역으로 본 연구에서는 서해안 함평만의 안악 갯벌을 선정하였다. 함평만 갯벌은 유월리, 시목 그리고 안악 갯벌로 대표된다.
- 갯벌차량의 부품선정에 있어 우선적으로 고려해야할 사항이 중량이다. 우선, 엔진은 토크 대비 중량이 가벼운 Kohler사의 공랭식, 27마력 가솔린 엔진을 채택하였다. 변속기는 중량 대비 동력전달 특성이 뛰어난 Borg Warner사의 T-20 Skid-steer를 선정하였다.
- 이를 토대로 연약갯벌 주행장치의 기본 제원을 설정하는데 중요한 데이터를 확보하였다. 제안된 주행장치 성능 검증을 위해, 시험용 차량을 제작하여 안악갯벌(안악해수욕장 부근)에서 2009년 3월과 4월, 2차례 시험을 실시하였다. 본 실증시험은 연약갯벌 직진 및 선회 주행 그리고 세곡로 통과 시험으로 나누어서 실시하였으며, 주행성능은 목표 대상에 대하여 “통과” 또는 “실패”로 구분하여 평가하였다.
- 주행성능 시험 지역으로 선정된 안악 갯벌은 전라남도 함평군에 위치해 있다(Fig. 1). 이곳 갯벌은 조류로와 세곡로가 잘 발달되어 있으며, 지반 강도는 약 5~10kPa로서 차량의 설계 접지압과 거의 일치한다.
- 본 연구에서의 지형 조사는 항공사진을 이용하여 3차원 지형정보를 추출하는 방법을 도입한다. 지형정보 추출과정에서의 오차를 최소화하기 위해, 국토지리정보원에서 1986년 촬영한 축척 1 : 10,000, 해상도 1,200dpi의 항공사진을 사용한다. 이것은 총 9매로서 3개의 코스, 각 코스별 3매의 사진으로 구성된다.
- 트랙의 무게를 최소화하고 제작을 용이하게 하기 위해 고무트랙은 컨베이어 벨트와 끼임식 그라우저(Fit-in type grouser)로 구성하였다(Fig. 10).
성능/효과
- 금번 성능실증시험은 안악갯벌에서 2차례 실시되었고, 직진 및 선회 시험과 세곡로 통과 시험으로 나누어서 수행되었다. 2.5~5kPa의 전단강도를 갖는 연약한 갯벌에서 직진 주행성능은 우수한 것으로 나타났으며, 폭 2m, 깊이 0.6m 정도의 세곡로도 무난히 통과하였다. 이것으로부터 개발된 주행장치의 주행성능과 세곡로 통과성능은 모두 우수한 것을 입증하였다.
- 시뮬레이션 결과, 상용 ATV 차량에 적용되는 평탄형 트랙의 경우는 단단한 지반에 대해서는 주행성능이 우수하지만, 연약한 세곡로 사면을 오르지 못하는 현상이 초례되었다. 이것은 세곡로 사면에 진입할 때, 타이어와 지반이 접촉하는 면적이 갑자기 줄어들면서 접지압이 높아져 큰 침하가 발생하기 때문인 것으로 분석된다.
- 시험결과로부터, 해안선 가까운 곳은 함수율 40%, 모래 함유율 45%, 낮은 민감도(Sensitivity) 그리고 전단응력 0.085kgf/cm2으로 나타났다. 해안선으로부터 먼 곳은 함수율 50%, 모래 함유율 88%, 높은 민감도 그리고 전단응력 0.
- 이로부터 차량의 침하 정도가 사람보다는 상대적으로 작다는 것을 확인할 수 있다. 시험차량의 조향성능은 비교적 연약한 지반에서 우수한 것으로 파악되었다. 반면, 매우 연약한 지반(2kPa 이하)에서는 많은 침하와 함께 양쪽 트랙에 과도한 슬립이 발생하여 조향 불능 상태가 초래되었다.
- 6m 정도의 세곡로도 무난히 통과하였다. 이것으로부터 개발된 주행장치의 주행성능과 세곡로 통과성능은 모두 우수한 것을 입증하였다.
- 이러한 해석 결과로부터, 주행장치는 무한궤도식으로, 굴곡진 지형에 적응함으로써 보다 넓은 접지면적을 확보하는 것이 중요한 것으로 분석되었다(Fig. 7).
- 이에 대한 수치 시뮬레이션 결과, 스프라켓과 앞 타이어 사이의 거리, 타이어 현가 범위 그리고 트랙 장력이 중요한 설계 변수임이 확인되었다. 이로부터, 현가장치의 상하 작동 범위(± 100mm)와 스프링 상수(40N/mm)를 결정하였다.
- 특히, ②, ③지점에서는 햇볕에 노출되어 지표면이 건조해지기 때문에, 깊이에 따라 점착성은 증가하지 않지만, 지점 ①은 반대의 결과가 나타났다. 최대전단강도와 잔류전단강도의 비율로 표현되는 지반의 민감도(Sensitivity)는 2.6~7.3 범위로 비교적 높게 나타났다. 이것은 전단이 진행된 이후 지반이 급격히 붕괴됨을 의미한다.
- 15와 같이 얻어진다. 측정 결과로부터, 갯벌의 최대 전단강도는 깊이와 위치에 따라 각각 다르게 나타남을 알 수 있다. 특히, ②, ③지점에서는 햇볕에 노출되어 지표면이 건조해지기 때문에, 깊이에 따라 점착성은 증가하지 않지만, 지점 ①은 반대의 결과가 나타났다.
- 085kgf/cm2으로 나타났다. 해안선으로부터 먼 곳은 함수율 50%, 모래 함유율 88%, 높은 민감도 그리고 전단응력 0.057kgf/cm2으로 분석되었다. 그러나 지반의 침하량과 침하속도와 관련되는 압축지수는 갯벌의 지층분포를 파악할 수 없어 얻지 못하였다.
- 갯벌주행 시, 트랙의 바깥면에 붙어오는 뻘을 제거하는 장치도 설치하였다. 현장시험을 통해 연약지반에서의 트랙 슬립을 줄여주는데 매우 효과적인 것으로 파악되었다.
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