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문제 정의
- 본 연구에서는 코니컬커터의 샤프트의 모멘트(moment)를 최소화 시키는 각도인 받음각(attack angle)을 고정시킨 상태에서 비틀림 힘(torsional force)을 발생시켜 코니컬커터가 홀더 내에서 회전하도록 하여 커터수명을 연장시키는 사각(skew angle)과 커터간격 및 커터관입깊이를 변화시키면서 커터작용력의 변화를 살펴보는 연구를 진행하였다.
- 사각이 0°인 경우에서는 다양한 S/d비에 따른 결과를 살펴보고자 하였고, 사각이 6°인 경우에서는 커터간격이 12, 27 mm인 경우에 대해 사각에 따른 차이를 알아보고자 하였다.
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 수행할만한 무결암을 구하는 것이 매우 어렵다. 따라서 압축 강도를 조절할 수 있고 요구되는 시험체 크기로 제작하기 위하여 무수축모르타르를 이용하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 Fig.
- 특히 시험결과에 대한 크기 효과를 배제할 수 있는 것으로 보고되고 있다(Nilsen and Ozdemir, 1993). 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 한국건설기술연구원에서 보유한 선형절삭 시험장비에 코니컬커터를 설치하여 선형절삭시험을 수행하였다. 이 장비는 커터의 간격조절(X축 방향)과 커터의 관입깊이 조절(Z축 방향) 그리고 절삭방향(Y축방향)으로 시험체를 이동시키는 액추에이터로 구성되어 있다.
- 픽커터의 선형절삭시험에서의 시험변수는 커터의 종류, 커터관입깊이(depth of cut, d), 커터간격(cutter spacing, S), 받음각(ϕ), 사각(skew angle)이 있다. 본 연구에서는 받음각이 고정된 상태에서 커터관입깊이, 커터간격, 사각의 변화에 따른 커터작용력을 측정하였다. 시험조건은 다음의 Table 3, Table 4와 같다.
- 이 방법은 절삭간격 사이에서의 상호작용이 잘 이루어지는 경우에는 선형절삭시험 후 절삭부피를 측정하는 작업 없이 비에너지를 계산할 수 있어 효과적이지만, 커터간격이 넓어서 절삭간격 사이에서의 상호작용이 나타나지 않거나 부족할 경우 비에너지를 과소평가할 수 있다. 본 연구에서는 서로 다른 절삭조건에 대한 최소의 에너지를 찾기 위해서 S/d비(커터관입깊이에 대한 커터간격의 비)와 비에너지(specific energy, SE)의 관계를 이용하였다.
- 본 연구에서는 슬림 코니컬커터와 모르타르시험체를 사용하여 받음각이 45°인 경우에 대해 사각이 0°와 6°이고 S/d비가 1.3～12사이인 시험조건에 대해 선형 절삭시험을 수행하였고 시험동안 발생하는 커터작용력을 측정하였다.
- 본 연구에서는 연암과 보통암 조건을 상정하여 받음각을 45°로 설정하고 사각은 6°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. 4b와 같이 코니컬커터를 홀더에 삽입·고정시킨 후 선형절삭시험장비와 커터를 연결하는 철판과 홀더를 용접하면서 받음각을 조정하였다.
- , 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.
- 6과 같다. 커터작용력은 절삭이 진행됨에 따라 크게 요동치며 변화하기 때문에 결과분석을 위해 Gertsch et al. (2007)이 보고한 바와 같이 각 시험조건에서의 평균값을 산정하였다. 그 결과, 커터작용력의 크기는 연직력(Fig.
- 코니컬커터의 절삭간격에 따른 커터작용력의 변화를 파악하기 위해 Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14와 같이 사각이 0°와 6°일 때 커터간격에 따른 평균 연직력, 평균 절삭력, 평균 구동력의 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.
- 코니컬커터는 일반적으로 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. 2와 같은 슬림(slim)한 형상을 가진 코니컬커터를 사용하였고, 형상에 대한 제원은 Table 1과 같다.
- 픽커터의 선형절삭시험을 수행하기 위해 래디얼타입(radial picks or drag bits)과 포인트어택타입(conical picks or point attack picks) 중에서 포인트어택타입인 코니컬커터를 사용하였다. 코니컬커터는 래디얼타입에 비해 커터의 사용주기 전체에서 커터작용력이 작게 나타나며, 사용하는 동안 커터의 회전이 발생하면서 마모량이 상대적으로 줄어드는 효과(sharpening)가 나타나며, 특히 강도가 높은 암석을 절삭할 때 래디얼타입에 비해 우수한 것으로 알려져 있다(Fowell and OCHEI, 1984; Goktan and Gunes, 2005; Hurt and Evans, 1981; Kim et al.
성능/효과
- S/d비와 비에너지의 관계, 관입깊이와 비에너지의 관계, S/d비 및 커터관입깊이와 커터작용력의 관계를 고려해 볼 때, 사각이 6°이고 커터간격이 12 mm이며 S/d비가 1.3인 경우도 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- (2007)이 보고한 바와 같이 각 시험조건에서의 평균값을 산정하였다. 그 결과, 커터작용력의 크기는 연직력(Fig. 6a), 절삭력(Fig. 6b), 구동력(Fig. 6c) 순으로 나타났다.
- 모든 조건에서 S/d비가 작아질수록 즉, 비에너지는 작아지는 경향을 보였으며, 커터관입깊이가 깊어질수록 비에너지가 감소하는 경향이 나타났다. 비에너지가 감소하는 것은 절삭효율이 증대되고 절삭에 의한 먼지발생이 줄어든다는 의미로 긍정적이지만, 커터관입깊이가 증가되면 커터간격 역시 증가하게 되므로 한정된 커팅헤드 폭에서 커터간격이 증가할 경우 커터의 전체 개수가 줄어들어 절삭 시 커팅헤드의 진동을 유발할 수 있으므로 주의해야 한다.
- 7에서 가장 낮은 비에너지는 사각이 6°이고 S/d비가 3(커터간격이 27 mm)인 경우이지만, 커터간격이 27 mm인 경우의 선형절삭시험 후 표면에서 절삭간격사이의 상호작용이 부족하게 나타난 점을 고려할 때, 비에너지를 과소평가할 수 있기 때문에 이 결과만을 가지고 최적의 절삭조건을 판단하는 것은 어려웠다. 사각과 커터간격에 상관없이 실험결과 전체에서 S/d비가 작아질수록 비에너지는 작아지는 경향을 보였다.
- 사각이 0°인 경우에서는 커터관입깊이가 증가함에 따라 평균 커터작용력이 증가하는 경향을 보였으나, 사각이 6°인 경우는 커터관입깊이에 따라 사각이 0°인 경우에 비해 상대적으로 일정한 결과를 보였다.
- 사각이 0°인 경우와 6°인 경우를 비교해보면, 평균 연직력의 변화는 거의 나타나지 않은 반면 평균 절삭력과 평균 구동력은 6°인 경우가 작게 나타났으며 커터관입깊이가 깊어질수록 사각의 차이에 의한 커터 작용력의 차이가 큰 것으로 나타났다.
- 평균 커터작용력이 증가함에 따라 최대 커터작용력이 선형적으로 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, 회귀식은 식 (2), 식 (3), 식 (4)와 같다. 이 회귀식으로부터 최대 커터작용력은 평균 커터작용력의 약 3.6～4.6배 정도임을 알 수 있었다.
- 10에서와 같이 사각과 커터간격에 따라 평균 연직력의 크기는 유사하였으나, 평균 절삭력은 사각이 6°인 경우가 작게 나타났다. 커터간격이 증가함에 따라 커터가 절삭해야할 암석의 부피가 커지기 때문에 코니컬커터의 평균 연직력과 평균 절삭력은 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 평균 구동력은 커터간격의 증가에 따라 변화가 작게 나타났다.
- 커터관입깊이에 따른 비에너지는 사각이 6°인 경우가 0°인 경우에 비해 낮게 나타났으며, 커터관입깊이가 증가함에 따라 비에너지는 감소하는 경향이 나타났다.
- 평균 연직력의 결과는 사각의 변화에 따른 차이가 크지 않았지만 평균 절삭력의 결과에서는 사각이 6°인 경우가 0°인 경우에 비해 작용력이 낮게 나타났다.
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