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문제 정의
- 본 연구에서는 기하학적 변수에 따른 암석의 절삭형상을 알아보기 위해 두 개의 연마재 워터젯 노즐을 결합하여 절삭 실내실험을 수행하였다. 절삭형상에 따라 노즐 삽입이 가능한 변수에 대해 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서의 기하학적 변수를 노즐 끝(tip) 간 수직거리(VD), 노즐 간 각도(2θ), 그리고 노즐과 대상 암반과의 이격거리(SOD)로 정의하였다(그림 1).
- 본 연구에서는 한정된 유량에서 결합할 수 있는 최대 노즐 개수를 두 개로 결정하여 경암(화강암) 에 대해 노즐혼합형 연마재 워터젯 절삭실험을 수행하였다. 결합된 두 개 노즐의 기하학적 변수에 따라 절삭 성능 및 절삭 형상이 달라지기 때문에 실험변수를 이격거리, 노즐 간 각도, 그리고 노즐간 수직거리로 결정하여 절삭실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 한정된 유량에서 결합할 수 있는 최대 노즐 개수를 두 개로 결정하여 경암(화강암) 에 대해 노즐혼합형 연마재 워터젯 절삭실험을 수행하였다. 결합된 두 개 노즐의 기하학적 변수에 따라 절삭 성능 및 절삭 형상이 달라지기 때문에 실험변수를 이격거리, 노즐 간 각도, 그리고 노즐간 수직거리로 결정하여 절삭실험을 수행하였다. 실험결과를 토대로, 노즐 삽입이 가능한 기하학적 변수를 제시하였다.
- 결합된 두 개 노즐의 기하학적 변수에 따라 절삭 성능 및 절삭 형상이 달라지기 때문에 실험변수를 이격거리, 노즐 간 각도, 그리고 노즐간 수직거리로 결정하여 절삭실험을 수행하였다. 실험결과를 토대로, 노즐 삽입이 가능한 기하학적 변수를 제시하였다.
- 먼저, 기하학적 이격거리(SOD)와 수직거리(VD)에 따른 암석 절삭성능 및 형상을 분석하기 위해 한 쌍의 노즐을 평행하게 설치(θ=0)하여 이격거리와 수직거리에 따른 절삭실험을 실시하였다.
- 노즐 간 각도(2θ)는 0, 2, 그리고 4°로 조정되어 암석 절삭을 실시하였다.
- 노즐 간 각도(2θ)는 0, 2, 그리고 4°로 조정되어 암석 절삭을 실시하였다. 각각의 노즐각에서 노즐 끝간 수직거리를 0에서 약 40 mm까지 변화시키고 노즐의 이격거리는 100, 200, 그리고 300 mm로 변화시키며 절삭실험을 수행하였다. 한편 모든 실험 경우(test cases)에 대해, 노즐 간 수평거리(HD)는 한 쌍의 노즐에서 생성되는 각각의 젯 간섭을 최소화하기 위해 100 mm로 충분히 떨어진 상태로 고정하여 실험을 실시하였다.
- 각각의 노즐각에서 노즐 끝간 수직거리를 0에서 약 40 mm까지 변화시키고 노즐의 이격거리는 100, 200, 그리고 300 mm로 변화시키며 절삭실험을 수행하였다. 한편 모든 실험 경우(test cases)에 대해, 노즐 간 수평거리(HD)는 한 쌍의 노즐에서 생성되는 각각의 젯 간섭을 최소화하기 위해 100 mm로 충분히 떨어진 상태로 고정하여 실험을 실시하였다. 기하학적 변수에 따른 실험은 총 17 경우로 표 1과 같다.
- 만약 삽입에 필요한 기하학적 변수가 만족되지 못하면 그림 4와 같이 가운데 부분이 제거되지 못해 삽입 불가능한 절삭형상이 발생된다. 삽입 가능한 기하학적 변수를 결정하기 위해 이격거리, 노즐 간 수직거리, 그리고 노즐 각에 따른 절삭특성을 분석하였다.
- 한 쌍의 노즐에서 이격거리에 따른 절삭영향을 확인하기 위해 각각의 노즐을 수평으로(θ=0°) 설치하여 암석 절삭실험을 실시하였다.
- 노즐 각(2θ)을 증가시켜 절삭 깊이와 절삭 폭을 측정하여 노즐 각의 영향을 분석하였다.
- 노즐 각이 없는 상태가 가장 큰 직경을 가진 노즐 어셈블리로 제작되기 때문에 본 연구에서는 0° 일 때의 노즐 직경을 삽입기준으로 결정하였다.
- 암반절삭 시 연속적인 삽입 및 절삭 가능성을 확인하기 위해 기하학적 변수(Case 14)로 도출된 이격거리 300 mm, 한 쌍의 노즐 각 2°, 그리고 노즐 간 수직거리 18 mm에서 검증실험(15회 연속 절삭수행)을 실시하였다.
- 본 연구에서는 기하학적 변수에 따른 암석의 절삭형상을 알아보기 위해 두 개의 연마재 워터젯 노즐을 결합하여 절삭 실내실험을 수행하였다. 절삭형상에 따라 노즐 삽입이 가능한 변수에 대해 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 기하학적 변수에 대한 실험을 위해, 기하학적 변수를 제외한 워터젯 에너지 생성과 관련된 변수는 수압 250 MPa, 연마재 투입량 104 g/s, 유량 17.7 l/min, 그리고 이송속도 10 mm/s로 고정하였다. 먼저, 기하학적 이격거리(SOD)와 수직거리(VD)에 따른 암석 절삭성능 및 형상을 분석하기 위해 한 쌍의 노즐을 평행하게 설치(θ=0)하여 이격거리와 수직거리에 따른 절삭실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 생성된 고압 혼합수는 포커싱 노즐을 통해 대상암반을 정확히 타격한다. 사용된 연마재는 입경 #30-40 mesh(D50: 0.55 mm)인 석류석(garnet, Fe2O3Al2(SiO4)3)을 사용하였다. 실험에 사용된 연마재의 물리적 특성은 모스 경도 7.
- 55 mm)인 석류석(garnet, Fe2O3Al2(SiO4)3)을 사용하였다. 실험에 사용된 연마재의 물리적 특성은 모스 경도 7.5-8.5로 매우 단단하며 비중은 약 4.0이다. 한편, 실험에 사용된 고압펌프와 노즐 어셈블리의 제원은 표 2와 같다.
- 절삭실험을 위한 이동장치를 제작하여 워터젯 노즐을 수평방향으로 일정하게 이동 가능하게 하였다 (그림 2(b)). 실험에 사용된 암석시료는 신선한 화강암으로 가로 200 mm, 세로 200 mm, 그리고폭 300 mm인 블록(block)형태로 제작되었다. 사용된 화강암 시편의 물리적 특성은 표 3과 같다.
- 만약 삽입이 가능한 형상이라면 노즐이 삽입되기 위해서 절삭 폭이 노즐 어셈블리 보다는 크다는 조건이 성립되어야 한다. 사용된 단수의 노즐 어셈블리 크기는 직경이 약 40 mm 이다. 두 개의 노즐을 결합할시, 노즐 각이 클수록 중첩되는 부분이 존재하기 때문에 전체적으로 약간 작게 제작할 수 있다.
데이터처리
- 그러므로, 암석에 대한 연마재 워터젯의 절삭성능 지표는 절삭 깊이와 절삭 폭으로 설정하여 각각 5번 이상 측정하여 평균값으로 획득하였다(측정한 값들은 평균값으로부터 ±10% 이내의 범위를 가짐).
성능/효과
- 반면에 노즐 각을 4°로 증가시키면, 노즐 각 0° 결과와 비교하여 형성되는 절삭 폭은 증가하고 절삭 깊이는 감소하는 경향을 보였다.
- 그림 5(a)는 이격거리가 증가함에 따라 절삭 깊이가 감소하는 것을 보여준다. 본 실험의 조건에서 이격거리가 100 mm에서 300 mm로 증가함에 따라 절삭 깊이는 평균적으로 약 17 mm 감소하였다. 반면에 절삭 폭은 약 30 mm로 상당히 증가하였다.
- 그림 5(b)는 이격거리가 증가함에 따라 절삭 폭 증가를 명확하게 보여준다. 수행된 결과를 살펴보면, 이격거리 300 mm일 때는 노즐 삽입이 대부분 가능한 형상이지만, 이격거리가 100 mm로 감소함에 따라 노즐 삽입 불가능 형상판정이 많아짐을 확인할 수 있다.
- 설정된 이격거리 300 mm은 절삭되는 깊이만큼 전진시켜 유지되도록 하였다. 검증실험 결과, 연속적인 절삭과 동시에 삽입이 가능함을 확인 할 수 있었다(그림 7).
- 2) 이격거리 300 mm, 노즐 각 4° 일 때, 그리고 노즐 간 수직거리 10 mm의 기하학적 변수에서 결합된 노즐 어셈블리의 삽입이 가능하다.
- 1. 삽입이 가능한 형상의 기하학적 변수에서, 이격거리가 높을수록, 노즐 간 수직거리가 클수록, 그리고 노즐 각이 클수록 절삭 깊이는 감소하고 절삭 폭은 증가하는 경향을 확인하였다. 그러나 지나친 노즐 간 수직거리와 노즐 각은 절삭 폭이 크지만 불가능한 절삭 형태가 발생할 수 있다.
- 2. 노즐이 삽입가능하기 위해서는 두 가지 조건인 삽입 가능한 형상과 삽입에 필요한 절삭 폭을 만족시켜야 한다. 삽입 가능한 형상의 측면에서, 이격거리 300 mm은 낮은 이격거리 보다 유리한 것으로 판단된다.
- 4. 절삭효율은 이격거리 300 mm, 노즐 각 4°, 그리고 노즐 간 수직거리 10 mm의 기하학적 노즐변수 조합에서 443 mm2/s로 가장 높은 면적 절삭율을 보였다.
후속연구
- 5. 본 연구에서는 실내실험의 한계상 실제 암반지반에 대해 동일하게 모사를 하지 못하였지만 추후 연마재 워터젯을 이용한 암반 굴착시 필요한 절삭용 노즐을 개발할 때 기초 자료로 활용할 것이다.
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