선형절삭시험에 의한 슬림 코니컬커터의 절삭성능 평가(I): Attack Angle 변화에 의한 결과 Performance estimation of conical picks with slim design by the linear cutting test (I): depending on attack angle variation원문보기
본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드 설계의 기본 사항인 절삭조건에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보는 기초 연구를 진행하기 위하여 연암 및 보통암을 대상으로 하는 슬림 코니컬커터를 사용하여 받음각과 커터관입깊이, 커터간격의 조건에 따른 선형절삭시험을 수행하였다. 각 시험조건에서 커터작용력인 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. S/d비와 비에너지의 관계, 관입깊이와 비에너지의 관계, S/d비와 커터작용력의 관계로부터 받음각이 $50^{\circ}$, 커터간격이 12 mm, 커터관입깊이가 9 mm인 조건이 모르타르시험체에 대한 최적의 절삭조건임을 확인할 수 있었다. 특히 받음각이 $50^{\circ}$인 경우가 $45^{\circ}$인 경우에 비해 장비사양 설계를 위해 더 효과적임을 알 수 있었다.
본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드 설계의 기본 사항인 절삭조건에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보는 기초 연구를 진행하기 위하여 연암 및 보통암을 대상으로 하는 슬림 코니컬커터를 사용하여 받음각과 커터관입깊이, 커터간격의 조건에 따른 선형절삭시험을 수행하였다. 각 시험조건에서 커터작용력인 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. S/d비와 비에너지의 관계, 관입깊이와 비에너지의 관계, S/d비와 커터작용력의 관계로부터 받음각이 $50^{\circ}$, 커터간격이 12 mm, 커터관입깊이가 9 mm인 조건이 모르타르시험체에 대한 최적의 절삭조건임을 확인할 수 있었다. 특히 받음각이 $50^{\circ}$인 경우가 $45^{\circ}$인 경우에 비해 장비사양 설계를 위해 더 효과적임을 알 수 있었다.
In this study, the variations of cutter acting forces depending on cutting conditions were examined to obtain basic data for roadheader cutting head design. The linear cutting tests were performed in the condition of different attack angles, penetration depths, cutter spacings by using a slim conica...
In this study, the variations of cutter acting forces depending on cutting conditions were examined to obtain basic data for roadheader cutting head design. The linear cutting tests were performed in the condition of different attack angles, penetration depths, cutter spacings by using a slim conical pick for the light cutting condition. Cutter acting forces were measured by 3-directional load cell under different test conditions, and the analysis for cutting performance were carried out after calculating average values of the measured results. It is confirmed that the optimal cutting condition for the mortar specimen is the 50 degree attack angle, the cutter spacing of 12 mm, the cutting depth of 9 mm which are obtained from the analysis results. In addition, 50 degree attack angle is more effective than 45 degree attack angle to design optimal specifications of cutting head.
In this study, the variations of cutter acting forces depending on cutting conditions were examined to obtain basic data for roadheader cutting head design. The linear cutting tests were performed in the condition of different attack angles, penetration depths, cutter spacings by using a slim conical pick for the light cutting condition. Cutter acting forces were measured by 3-directional load cell under different test conditions, and the analysis for cutting performance were carried out after calculating average values of the measured results. It is confirmed that the optimal cutting condition for the mortar specimen is the 50 degree attack angle, the cutter spacing of 12 mm, the cutting depth of 9 mm which are obtained from the analysis results. In addition, 50 degree attack angle is more effective than 45 degree attack angle to design optimal specifications of cutting head.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
받음각이 45°인 경우에서는 다양한 S/d비에 따른 결과를 살펴보고자 하였고, 받음각이 50°인 경우에서는 커터간격이 12, 27 mm인 경우에 대해 받음각에 따른 차이를 알아보고자 하였다.
우리나라에서는 로드헤더 커팅헤드의 적용실적이 미미하고 관련된 기술 역시 전무한 상황이다. 본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드 설계의 기본 사항인 절삭 조건에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보는 기초 연구를 진행하기 위하여 연암 및 보통암을 대상으로 하는 슬림 코니컬커터를 사용하여 선형절삭시험을 수행하였다.
픽커터의 선형절삭시험에서의 시험변수는 커터의 종류, 커터관입깊이(depth of cut, d), 커터간격(cutter spacing, S), 받음각(attack angle, ϕ), 사각(skew angle) 이 있다. 본 연구에서는 커터관입깊이, 커터간격, 받음 각의 변화에 따른 커터작용력을 측정하였다. 시험조건은 다음의 Table 3, Table 4와 같다.
가설 설정
이 수식은 선형절삭시험에 의해 한 절삭선과 다음 절삭선 사이의 시험재료의 손실이 시험조건으로 계산된 절삭부피(절삭깊이×절삭간격×절삭거리)만큼 나타난다고 가정한다.
제안 방법
TBM의 디스크커터에 대한 선형절삭시험과 마찬가지로 굴착작업에 의해 손상을 받은 막장면과 유사한 조건을 모사하기 위하여 사전절삭(preconditioning)을 실시한 후 본 절삭시험을 수행하였다(Chang et al., 2012). 절삭작업은 모든 조건에서 7개 라인 절삭을 기본으로 수행하였다.
본 연구에서 대상으로 하는 암석은 연암 또는 보통암 조건이기 때문에 선형절삭시험을 수행할 만한 무결암을 구하는 것이 매우 어렵다. 따라서 압축강도를 조절할 수 있고 요구되는 시험체 크기로 제작하기 위하여 무수축모르타르를 이용하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 Fig.
다만 디스크커터에 비해 커터에 작용하는 커터작용력과 커터간격이 상대적으로 작은 점에서 차이가 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 한국건설기술연구원에서 보유한 선형절삭시험장비에 코니컬커터를 설치하여 선형절삭시험을 수행하였다. 이 장비는 디스크커터의 선형절삭시험을 위해 제작되었기 때문에 프레임의 반력 및 시험체의 이동 추력면에서 코니컬커터에 대한 시험을 수행하는데 문제가 없을 것으로 예상되었다.
본 연구에서는 S/d비와 비에너지의 관계, 관입깊이와 비에너지의 관계, S/d비와 커터작용력의 관계로부터 모르타르시험체에 대한 최적의 절삭조건은 받음각 50°, 커터간격 12 mm, 커터관입깊이 9 mm인 것으로 파악하였다.
본 연구에서는 모르타르시험체를 대상으로 받음각이 45°와 50°이고 S/d비가 1.3～12사이인 시험조건에 대해 슬림 코니컬커터를 사용하여 선형절삭시험을 수행하여 시험동안 발생하는 커터작용력을 측정하였다.
본 연구에서는 연암과 보통암 조건을 상정하여 받음 각을 45°와 50°로 설정하여 선형절삭실험을 수행하였다.
이후 커터의 간격을 조절하는 X축방향의 액추에이터를 이용하여 절삭간격을 조절하고 Z축방향의 액추에이터를 사용하여 코니컬커터의 관입깊이를 조절한다. 사전에 결정된 관입깊이와 절삭간격의 조절이 완료되면 절삭방향인 Y축방향으로 시험체의 절삭이 이루어지며, 이때 커터 상부에 설치되어 있는 3분력 로드셀로 코니컬커터에 작용하는 연직력, 절삭력, 구동력을 0.01초 간격으로 측정하였다.
선형절삭실험에서 받음각을 모사하기 위하여 Fig. 7, Fig. 8과 같이 코니컬커터를 홀더에 삽입･고정시킨후 선형절삭시험장비와 커터를 연결하는 철판과 홀더를 용접하면서 받음각을 조정하였다. Fig.
, 2012). 절삭작업은 모든 조건에서 7개 라인 절삭을 기본으로 수행하였다. 그러나 절삭깊이가 깊어짐에 따라 코니컬커터의 커터 팁 외의 부분이 시험체에 접촉되기 때문에 깊이에 따라 절삭선의 개수는 달리 하였다.
코니컬 커터의 절삭간격에 따른 커터작용력의 변화를 파악하기 위해 Fig. 16, Fig. 17과 같이 받음각이 45°와 50°일 때 커터간격에 따른 평균 연직력과 평균 절삭력의 변화를 도시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 선형절삭시험을 위해 가로 1,300 mm, 세로 1,150 mm, 높이 40 mm인 모르타르시험체를 제작하였다. 선형절삭시험을 위한 시험체는 특수한 경우를 제외하면 무결암을 대상으로 한다(Choi et al.
4와 같이 굴착대상암반의 강도가 높을수록 텅스텐카바이드로 만들어진 커터 팁(tungsten carbide tip)과 커터 팁이 삽입되는 두부(head) 그리고 홀더(holder)에 삽입되는 샤프트(shaft)의 직경이 두꺼워진다. 본 연구에서는 연암(low strength) 또는 보통암(medium strength)을 대상으로 하는 Fig. 5와 같은 슬림(slim)한 형상을 가진 코니컬커터를 사용하였고, 형상에 대한 제원은 Table 1과 같다.
데이터처리
11c) 순으로 나타났으며, 하나의 절삭선이 형성된 후 일정 간격을 두고 다음 절삭작업에 의해 발생되는 절삭선의 상호작용과 시험체 표면의 요철에 의해 커터작용력의 변화가 절삭거리에 따라 크게 변화하였다. 따라서 픽커터 선형절삭시험의 각 시험조건에서의 커터작용력은 디스크커터에 의한 선형절삭시험의 결과에서 커터작용력의 평균값을 사용하는 것과 같이 전체 절삭거리에서의 평균값을 산정하여 분석에 이용하였다 (Gertsch et al., 2007).
성능/효과
이것은 로드헤더 커팅헤드의 설계 시 절삭깊이를 증가시킬 경우 절삭력이 입력자료로 사용되는 토크와 동력 용량을 유의하여 설계해야 함을 의미한다. 그리고 절삭간격이 좁을수록 Fc/Fn가 감소하는 경향을 보였다.
3)가 최적의 절삭조건인 것으로 판단된다. 받음각과 커터간격에 상관없이 실험결과 전체에서 S/d비가 작아질수록 비에너지는 작아지는 경향을 보였다. 문헌에 따르면 픽커터의 최적 S/d비는 1～5로 알려져 있다(Asbury et al.
평균 연직력과 평균 절삭력이 증가함에 따라 최대 연직력과 최대 절삭력이 선형적으로 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, 회귀식은 식 (2), 식 (3)과 같다. 이 회귀식으로 부터 최대 커터작용력은 평균 커터작용력의 약 4배 정도임을 알 수 있었다.
절삭간격에 따른 평균 커터작용력의 변화 결과에서는 받음각이 50°인 경우가 받음각이 45°인 경우에 비해 평균 커터작용력이 작게 나타나 시험체 절삭에 더 효과적임을 알 수 있었고 최소의 평균 연직력과 절삭력은 커터관입깊이가 3, 6 mm인 경우인 것으로 나타났다.
절삭깊이가 깊어짐에 따라 평균 연직력과 평균 절삭력은 증가하는 경향을 보였으나, 최적 절삭조건인 받음각이 50°, 커터간격이 12 mm, 커터관입깊이가 9 mm인 조건에서는 평균 연직력과 평균 절삭력이 감소하였다.
받음각이 45°이고 커터 관입깊이가 3 mm인 경우에서 커터간격이 9 mm, 12 mm일 때를 제외하면 커터간격이 증가함에 따라 코니 컬커터의 평균 연직력과 평균 절삭력은 증가하는 경향을 나타냈다. 커터간격이 9 mm, 12 mm인 경우도 반복적인 선형절삭시험의 결과를 평균한 결과인 점과 그 차이가 크지 않다는 점을 고려할 때 경향파악의 관점에서 무리가 없는 것으로 판단된다. 또한 커터간격이 증가한다는 것은 커터가 절삭해야 할 암석의 부피가 커짐을 의미하므로 커터작용력이 커지는 것이 적합하다.
커터관입깊이가 증가함에 따라 비에너지는 감소하는 경향, 즉 절삭효율이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 커터관입깊이의 증가는 커터작용력이 증가하도록 하여 커팅헤드의 추력, 토크, 동력 등 장비사양의 향상이 필요할 수 있으므로 장비의 최대용량과 절삭 효율을 고려하여 최적의 커터관입깊이를 선정하는 것이 필요하다.
평균 연직력에 대한 평균 절삭력의 비는 받음각이 50°인 경우에서는 일정했으나, 45°인 경우는 커터관입깊이가 증가함에 따라 평균 절삭력의 비중이 커지는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
로드헤더란 무엇인가
도심지에서 발파굴착과 개착공사의 제약으로 인하여 해외에서는 TBM (Tunnel Boring Machine)을 적용 하기 어려운 터널을 중심으로 자유단면 굴착기 또는 부분단면 굴착기(partial-face machine)로 불리는 로드 헤더(roadheader)에 의한 기계굴착 시공사례가 증가하고 있다. 로드헤더는 장비 전방에 장착된 커팅헤드 (cutting head)에 다수의 픽커터(pick cutter)를 배열하여 회전시킴으로써 암반 또는 콘크리트를 굴착하는 장비이다. 로드헤더의 커팅헤드는 회전방향에 따라 붐의 방향과 커팅헤드 중심축 방향이 일치하는 종방향(axial) 커팅헤드와 직교하는 횡방향(transverse) 커팅헤드로 구분된다.
로드헤더의 커팅헤드는 어떻게 구분 되는가?
로드헤더는 장비 전방에 장착된 커팅헤드 (cutting head)에 다수의 픽커터(pick cutter)를 배열하여 회전시킴으로써 암반 또는 콘크리트를 굴착하는 장비이다. 로드헤더의 커팅헤드는 회전방향에 따라 붐의 방향과 커팅헤드 중심축 방향이 일치하는 종방향(axial) 커팅헤드와 직교하는 횡방향(transverse) 커팅헤드로 구분된다. 횡방향 커팅헤드는 일반적으로 종방향 커팅헤드에 비해 높은 강도의 암반을 굴착하는데 유리하다.
로드헤더의 커팅헤드 중 횡방향 커팅헤드는 종방향 커팅헤드에 비할 때 어떤 부분이 유리한가?
로드헤더의 커팅헤드는 회전방향에 따라 붐의 방향과 커팅헤드 중심축 방향이 일치하는 종방향(axial) 커팅헤드와 직교하는 횡방향(transverse) 커팅헤드로 구분된다. 횡방향 커팅헤드는 일반적으로 종방향 커팅헤드에 비해 높은 강도의 암반을 굴착하는데 유리하다.
참고문헌 (14)
Asbury, B., Cigla, M., Balci, C. (2002), "Design methodology, testing and evaluation of a continuous miner cutterhead for dust reduction in underground coal mining", 2002 SME Annual Meeting, February 25-27, Phoenix, Arizona, pp. 1-8.
Balci, C., Demircin, M.A., Copur, H., Tuncdemir, H. (2004), "Estimation of optimum specific energy based on rock properties for assessment of roadheader performance", The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, December 2004, pp. 633-642.
Copur, H., Balci, C., Tumac, D., Bilgin, N. (2011), "Field and laboratory studies on natural stones leading to empirical performance prediction of chain saw machines", International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 48, pp. 269-282.
Chang, S.H., Choi, S.W., Park, Y.T., Lee, G.P., Bae, G.J. (2012), "Characterization of the deformation of a disc cutter in linear rock cutting test", J. of Korean Tunn. Undergr. Sp. Assoc., Vol. 14, No. 3, pp. 197-213.
Choi, S.W., Chang, S.H., Park, Y.T., Lee, G.P., Bae, G.J. (2013), "A experimental study on the loads and temperature acting on the shaft of a disc cutter during linear rock cutting test", J. of Korean Tunn. Undergr. Sp. Assoc., Vol. 15, No. 3, pp. 237-251.
Choi, S.W., Chang, S.H., Park, Y.T., Lee, G.P., Bae, G.J. (2014), "Comparative analysis of cutter acting forces and axial stresses of single and double disc cutters by linear cutting test", J. of Korean Tunn. Undergr. Sp. Assoc., Vol. 16, No. 2, pp. 181-191.
Fowell, R.J., OCHEI, N.N. (1984), "A comparison of dust make and energy requirements for rock cutting tools", International Journal of Mining Engineering, Vol. 2, pp. 73-83.
Gertsch, R., Gertsch, L., Rostami, J. (2007), "Disc cutting tests in colorado red granite: implications for TBM performance prediction", International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 44, pp. 238-246.
Goktan, R.M., Gunes, N. (2005), "A semi-empirical approach to cutting force prediction for pointattack picks", The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, Vol. 105, April 2005, pp. 257-264.
Hurt, K.G., Evans, I. (1981), "Point attack tools: an evaluation of function and use for rock cutting", Mining Engineer, Vol. 140, pp. 673-675.
KENNAMETAL (2014), Underground Mining Catalog(B-12-02961), www.kennametal.com, pp. 49.
Kim, E., Rostami, J., Swope, C. (2012), "Full scale linear cuttting experiment to examine conical bit rotation", Journal of Mining Science, Vol. 48, No. 5, pp. 882-895.
Park, Y.T., Choi, S.W., Park, J.H., Lee, C.H., Chang, S.H. (2013), "Excavation mechanism of roadheader and statistical analysis of its key design parameters based on database", Tunnel & Underground Space, Vol. 23, No. 5, pp. 428-441.
Rostami, J. (2013), Cutterhead design procedures and performance evaluations for roadheader, final report submitted to korea institute of construction technology, August 2013, Jamal Rostami Engineering Services LLC.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.