[논문]1축 로드셀 배열을 사용한 픽 커터의 3축 절삭력 측정방법

강훈; 장진석; 박진영; 조정우; 정명식; 이재욱

doi:10.5916/jkosme.2016.40.9.749

초록
AI-Helper

본 연구에서는 고가의 3-D 로드셀을 대체하기 위해 1축 압축 로드셀 배열을 사용한 새로운 픽 커터 3축 절삭력 측정방법을 제안하였다. 제안한 절삭력 측정방법은 4개의 1축 압축 로드셀과 숄더 볼트를 통해 기계적 구속을 만들어 3축 절삭력을 측정할 수 있다. 유한요소해석을 통해 제안한 새로운 절삭력 측정방법을 타당성을 확인하였으며, 최종적으로 실제 선형 암반절삭 시험을 통해 제안한 새로운 측정방법의 3축 힘 측정 정확도를 확인하였다. 시험 결과 새로운 절삭력 측정방법은 상대오차가 약 6% 이내이므로, 기존의 3-D 로드셀을 대체할 수 있음을 확인하였다. 더불어, 기존 고가의 3-D 로드셀 대비 약 20-30%의 비용만으로 구축 가능하므로 절삭력 측정에 사용되는 비용을 크게 줄일 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new method for measuring the 3-axis cutting forces of a pick cutter by substituting costly 3-D load cells is proposed in this paper. The proposed cutting force measurement method is capable of estimating the 3-axis cutting forces through mechanical constraints using four single-axis compressive lo...

A new method for measuring the 3-axis cutting forces of a pick cutter by substituting costly 3-D load cells is proposed in this paper. The proposed cutting force measurement method is capable of estimating the 3-axis cutting forces through mechanical constraints using four single-axis compressive load cells and shoulder bolts. The feasibility of the proposed method was verified by finite element analysis, and the accuracy of the force measurement of the developed force measurement device was investigated by conducting linear rock cutting tests. The tests showed that the new cutting force measurement method is able to measure 3-axis cutting forces with a relative error of approximately 6%. These results imply that the new method could be a suitable alternative to conventional 3-D load cells. In addition, it will allow a significant reduction of approximately 20-30% in the costs required for measuring the cutting force when compared to conventional 3-D load cells.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 픽 커터에 작용하는 3축 방향 절삭력을 측정하기 위하여 사용되고 있는 고가의 3-D 로드셀을 대체하기 위하여, 1축 로드셀 배열을 사용한 새로운 저가의 3축 절삭력 측정방법을 제안하였다. 유한요소해석을 통해 제안한 방법의 타당성을 확인한 후, 실제 선형 암반 절삭 시험을 수행하였다.

제안 방법

하지만 픽 커터에 작용하는 절삭력은 수십 [kN] ~ 수백 [kN] 이므로 이를 측정하기 위해서는 상당히 고가의 3-D 로드셀이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다수의 1축 압축 로드셀 배열을 사용한 저가의 새로운 3축 절삭력 측정방법을 제안하였다. 제안한 절삭력 측정방법의 타당성을 확인하기 위하여 유한요소해석을 수행하였으며, 최종적으로 실제 선형 암반절삭 시험을 통해 제안한 새로운 측정방법의 3축 힘 측정 정확도를 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 다수의 1축 압축 로드셀 배열을 사용한 저가의 새로운 3축 절삭력 측정방법을 제안하였다. 제안한 절삭력 측정방법의 타당성을 확인하기 위하여 유한요소해석을 수행하였으며, 최종적으로 실제 선형 암반절삭 시험을 통해 제안한 새로운 측정방법의 3축 힘 측정 정확도를 확인하였다.

대상 데이터

유한요소해석을 통해 새롭게 제안한 절삭력 측정방법의 타당성을 확인하였으므로, 실제로 절삭력 측정 장치를 제작하여 암반을 절삭할 때 픽 커터 끝단에 발생하는 3축 절삭력을 측정하였다. 3축 절삭력 측정실험을 위하여 Figure 10 (a)와 같이 실험 장치를 구성하였다.

데이터처리

또한, 측정된 절삭력, 특히 F_d, 의 정확성을 확인하기 위하여 슬라이딩 테이블과 유압 액추에이터 사이에 별도의 독립적인 1축 로드셀이 설치되었다. 3축 절삭력 측정 정확도를 평가하기 위해서는 3축 방향 모두에 대한 정확도 검증이 필요하지만, 식 (1)-(3)에서 알 수 있듯이 F_d와 F_s의 측정원리가 동일하고 F_n 방향 측정방법은 특별히 규명할 필요가 없기 때문에 본 연구에서는 F_d 측정 정확도만을 평가하여 3축 방향 전체 절삭력 측정 정확도를 평가하였다.
1축 압축 로드셀에 발생하는 인장력 방지를 위한 압축하중(pre-load)은 숄더 볼트의 프리텐션(pretension)으로 구현되었고, 로드셀에 작용하는 압축하중은 미리 정의된 영역의 평균 하중(section force)으로부터 계산되었다. 유한요소해석은 Abaqus CAE를 사용하여 수행되었으며, 설계범위(F_d= 15 kN, F_n = 10 kN, F_s = 5 kN) 내에서 다양한 절삭력을 픽커터 끝단에 작용시켜 측정된 결과를 계산하였다.

성능/효과

토목 및 광산분야에 있어서 암반의 절삭력 측정은 매우 높은 정확도 보다는 암반절삭 시 발생하는 대략적인 힘의 크기와 평균 절삭력을 파악하는 것이 보다 중요하므로, 본 연구에서 개발한 1축 로드셀 배열을 사용한 3축 절삭력 측정방법이 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 더불어 소개된 절삭력 측정방법은 기존 고가의 3-D 로드셀 대비 약 20-30%의 비용만으로 구축 가능하므로 절삭력 측정에 사용되는 비용을 크게 줄일 수 있다. 개발된 방법으로 측정된 절삭력은 향후 로드헤더의 용량 설계 및 운용조건 결정과 커팅헤드의 픽 커터 배열 설계에 활용될 예정이다.
유한요소해석을 통해 제안한 방법의 타당성을 확인한 후, 실제 선형 암반 절삭 시험을 수행하였다. 실험결과 개발한 절삭력 측정 장치는 약 6%의 상대오차를 가지고 3축 절삭력을 측정할 수 있음을 확인하였다. 토목 및 광산분야에 있어서 암반의 절삭력 측정은 매우 높은 정확도 보다는 암반절삭 시 발생하는 대략적인 힘의 크기와 평균 절삭력을 파악하는 것이 보다 중요하므로, 본 연구에서 개발한 1축 로드셀 배열을 사용한 3축 절삭력 측정방법이 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

더불어 소개된 절삭력 측정방법은 기존 고가의 3-D 로드셀 대비 약 20-30%의 비용만으로 구축 가능하므로 절삭력 측정에 사용되는 비용을 크게 줄일 수 있다. 개발된 방법으로 측정된 절삭력은 향후 로드헤더의 용량 설계 및 운용조건 결정과 커팅헤드의 픽 커터 배열 설계에 활용될 예정이다.
실험결과 개발한 절삭력 측정 장치는 약 6%의 상대오차를 가지고 3축 절삭력을 측정할 수 있음을 확인하였다. 토목 및 광산분야에 있어서 암반의 절삭력 측정은 매우 높은 정확도 보다는 암반절삭 시 발생하는 대략적인 힘의 크기와 평균 절삭력을 파악하는 것이 보다 중요하므로, 본 연구에서 개발한 1축 로드셀 배열을 사용한 3축 절삭력 측정방법이 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 더불어 소개된 절삭력 측정방법은 기존 고가의 3-D 로드셀 대비 약 20-30%의 비용만으로 구축 가능하므로 절삭력 측정에 사용되는 비용을 크게 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	pick cutter에 작용하는 절삭력 파악이 중요한 이유?	여기서, 절삭력은 드래그 힘(drag force, Fd), 수직력(normal force, Fn), 구동력(side force, Fs)로 분류할 수 있으며, 서로 직교하는 3축 방향 힘을 의미한다. 픽 커터 끝단에 작용하는 절삭력은 로드헤더의 용량 설계 및 운용조건 결정 및 커팅헤드의 픽 커터 배열설계에 사용되는 핵심 정보이기 때문에 로드헤더의 효과 적인 설계 및 운용을 위해서는 대상 암반에 따른 픽 커터에 작용하는 절삭력을 반드시 파악해야 한다.
	로드헤더란?	로드헤더(Roadheader)는 터널공사, 석탄채굴 등에 주로 사용되는 대형 광산기계이며, Figure 1과 같이 회전하는 커팅헤드(cutting head)를 사용하여 연속적으로 암반을 제거할 수 있는 장치이다. 커팅헤드는 수십 개의 픽 커터(pick cutter)가 특정 패턴으로 배열되어 있으며, 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)로 구성된 픽 커터는 끝단(tip)은 커팅헤드의 회전동력을 전달받아 암반을 제거한다.
	커팅헤드의 특징?	로드헤더(Roadheader)는 터널공사, 석탄채굴 등에 주로 사용되는 대형 광산기계이며, Figure 1과 같이 회전하는 커팅헤드(cutting head)를 사용하여 연속적으로 암반을 제거할 수 있는 장치이다. 커팅헤드는 수십 개의 픽 커터(pick cutter)가 특정 패턴으로 배열되어 있으며, 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)로 구성된 픽 커터는 끝단(tip)은 커팅헤드의 회전동력을 전달받아 암반을 제거한다. 암반을 제거할 때 픽 커터 끝단은 Figure 1과같이 암반으로부터 3축 방향으로 절삭력(cutting force)을 받는다.

참고문헌 (10)

Sandvik Mining Catalogues and Technical Brochures http://pdf.directindustry.com/pdf/sandvik-mining-40142.html, Accessed July 06, 2016.
J. W. Cho, S. Jeon, H. Y. Lee, and S. H. Jang, "Evaluation of cutting efficiency during TBM disc cutter excavation within a Korean granitic rock using linear-cutting-machine testing and photogrammetric measurement," Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 35, pp. 37-54, 2013.

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N. Bilgin, M. A. Demircin, H. Copur, C. Balci, H. Tuncdemir, and N. Akcin, "Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 43, no. 1, pp. 139-156, 2006.

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C. Balci and N. Bilgin, "Correlative study of linear small and full-scale rock cutting tests to select mechanized excavation machine," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 44, no. 3, pp. 468-476, 2007.

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R. Gertsch, L. Gertsch, and J. Rostami, "Disc cutting tests in Colorado Red Granite: Implications for TBM performance prediction," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 44, no. 2, pp. 238-246, 2007.

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H. Tuncdemir, N. Bilgin, H. Copur, and C. Balci, "Control of rock cutting efficiency by muck size," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 45, no. 2, pp. 278-288, 2008.

상세보기
C. Balci, "Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation: A case study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel, Turkey," Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 24, no. 4, pp. 423-435, 2009.

상세보기
M. Z. Abu Bakar and L. Gertsch, "Evaluation of saturation effects on drag pick cutting of a brittle sandstone from full scale linear cutting tests," Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 34, pp. 124-134, 2013.

상세보기
M. Z. Abu Bakar, Saturation Effects on Mechanical Excavatability of Roubidoux Sandstone under Selected Rock Cutting Tools, Ph.D. Dissertation, Geological Engineering, Missouri University of Science and Technology, USA, 2012.
M. Entacher, G. Winter, T. Bumberger, K. Decker, I. Godor, and R. Galler, "Cutter force measurement on tunnel boring machine-System design," Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 31, pp. 97-106, 2012.

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