본 연구는 로드헤더 커팅헤드에 사용되는 코니컬커터의 삽입재 크기에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보기 위하여 절삭간격과 절삭깊이, 그리고 사각을 변화시키면서 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. 절삭간격이 12~27 mm인 조건에서 절삭깊이에 따라 평균 커터작용력이 일정한 범위에서 나타났다. 사각이 $0^{\circ}$인 경우에서는 일반적으로 알려진 최적 S/d비 1~5사이인 4~4.5 조건에서 비에너지가 최소로 나타났으며, 사각이 $6^{\circ}$인 경우에서는 최적 S/d비가 좀 더 작은 1~3에서 나타났다. 단순히 시험결과에 의한 비교에서는 슬림 코니컬커터가 헤비 코니컬커터에 비해 절삭효율이 좋게 나타났지만, 대상지반의 강도가 높을 경우에 대해 커터의 소모량과 손상을 고려한다면 헤비 코니컬커터의 사용이 효과적일 것이다.
본 연구는 로드헤더 커팅헤드에 사용되는 코니컬커터의 삽입재 크기에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보기 위하여 절삭간격과 절삭깊이, 그리고 사각을 변화시키면서 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. 절삭간격이 12~27 mm인 조건에서 절삭깊이에 따라 평균 커터작용력이 일정한 범위에서 나타났다. 사각이 $0^{\circ}$인 경우에서는 일반적으로 알려진 최적 S/d비 1~5사이인 4~4.5 조건에서 비에너지가 최소로 나타났으며, 사각이 $6^{\circ}$인 경우에서는 최적 S/d비가 좀 더 작은 1~3에서 나타났다. 단순히 시험결과에 의한 비교에서는 슬림 코니컬커터가 헤비 코니컬커터에 비해 절삭효율이 좋게 나타났지만, 대상지반의 강도가 높을 경우에 대해 커터의 소모량과 손상을 고려한다면 헤비 코니컬커터의 사용이 효과적일 것이다.
In order to estimate the performance of a conical cutter depending on the insert size, this study measured forces acting on conical cutters with different cutter spacings, penetration depths and skew angles using slim and heavy conical cutters. When cutter spacings ranged from 12 to 27 mm, the devia...
In order to estimate the performance of a conical cutter depending on the insert size, this study measured forces acting on conical cutters with different cutter spacings, penetration depths and skew angles using slim and heavy conical cutters. When cutter spacings ranged from 12 to 27 mm, the deviations of mean cutter forces with cutter depths appeared smaller compared to other cutter spacings. When skew angle is $0^{\circ}$, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 4 to 4.5 for which specific energy of cutting was minimized. It were usually found in the range of 1 to 5. However, when skew angle is $6^{\circ}$, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 1 to 3. The simple comparison results shows that the performance of slim cutter was superior to that of heavy cutter, but the use of heavy cutter can be effective, considering the cutter consumption and cutter damage when the strength of the ground is high enough.
In order to estimate the performance of a conical cutter depending on the insert size, this study measured forces acting on conical cutters with different cutter spacings, penetration depths and skew angles using slim and heavy conical cutters. When cutter spacings ranged from 12 to 27 mm, the deviations of mean cutter forces with cutter depths appeared smaller compared to other cutter spacings. When skew angle is $0^{\circ}$, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 4 to 4.5 for which specific energy of cutting was minimized. It were usually found in the range of 1 to 5. However, when skew angle is $6^{\circ}$, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 1 to 3. The simple comparison results shows that the performance of slim cutter was superior to that of heavy cutter, but the use of heavy cutter can be effective, considering the cutter consumption and cutter damage when the strength of the ground is high enough.
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문제 정의
본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드 설계의 기본 사항인 절삭조건에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보는 기초 연구로써 모르타르 시험편을 대상으로 슬림(slim) 코니컬커터와 헤비(heavy) 코니컬커터를 사용하여 선형절삭시험을 수행하였다.
, 2013, 2014a). 본 연구에서는 압축강도를 조절할 수 있고 요구되는 시험체 크기로 제작하기 위하여 무수축모르타르를 이용하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 Fig.
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.
선형절삭시험은 기계굴착장비에 사용되는 커터에 대해 실물크기의 절삭간격과 절삭깊이를 설정하여 시험함으로써 최적의 절삭조건을 얻는데 그 목적이 있다. 최적의 절삭조건은 최소의 에너지로 최대의 절삭효과를 얻을 수 있는 조건을 뜻하며, 대부분 S/d비(커터관입깊이에 대한 커터간격의 비)와 비에너지(specific energy, SE)의 관계를 이용하여 최적조건을 찾고 있다(Rostami et al.
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.
선형절삭시험장비(Linear Cutting Machine)은 실물크기의 디스크커터, 픽커터 등을 사용하여 커터작용력을 측정하기 때문에 크기효과에 의한 불확실성(uncertainty)을 줄일 수 있는 장점이 있어 기계굴착장비의 성능예측을 위해 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 한국건설기술연구원에서 보유한 선형절삭시험장비에 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.
본 연구에서는 경암 조건을 상정하여 받음각을 55°로 설정하고 사각은 0°와 6°로 설정하여 선형절삭실험을 수행하였다.
본 연구에서는 모르타르시험체를 대상으로 슬림 코니컬커터와 헤비 코니컬커터를 사용하여 S/d비가 0.7～18사이인 시험조건에 대해 선형절삭시험을 수행하였고 시험동안 발생하는 커터작용력을 측정하였다.
본 연구에서는 받음각이 55°인 경우에 대해 2개의 다른 코니컬커터를 사용하여 커터관입깊이, 커터간격, 사각의 변화에 따른 커터작용력을 측정하였다.
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. 5와 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 달리하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 Fig. 3a와 같이 연암 또는 중간암을 대상으로 하는 슬림(slim)한 형상을 가진 코니컬커터와 Fig. 3b와 같은 경암을 대상으로 하는 헤비(heavy)한 형상을 가진 코니컬커터를 사용하였고, 형상에 대한 제원은 Table 2와 같다.
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.
데이터처리
커터작용력은 하나의 절삭선이 형성된 후 일정 간격을 두고 다음 절삭작업에 의해 발생되는 절삭선의 상호작용과 시험체 표면의 요철에 의해 커터작용력의 변화가 절삭거리에 따라 크게 변화한다. 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
1절에서와 같이 절삭간격이 12, 18, 27 mm일 때 평균연직력과 평균 절삭력이 일정하게 나타났다. 그러나 헤비 코니컬커터의 경우는 평균 커터작용력이 다소 크게 변화하는 것을 볼 수 있었으며, 절삭간격 12, 18, 27 mm에서의 평균 커터작용력의 차이는 유사하게 나타났다.
절삭간격이 증가함에 따라 커터가 절삭해야 할 암석의 부피가 커지므로 평균 연직력과 평균 절삭력의 크기는 증가하였으며, 헤비 코니컬커터의 평균 커터작용력이 슬림 코니컬커터의 평균 커터작용력보다 크게 나타났다. 또한 절삭간격이 증가할수록 슬림 코니컬커터와 헤비 코니컬커터의 평균 커터작용력의 차이가 커지는 경향을 보였다.
5 조건에서 비에너지가 최소로 나타났으며, 사각이 6°인 경우에서는 최적 S/d비가 좀 더 작은 1～3에서 나타났다. 본 연구에서 검토된 사각이 6°인 경우의 평균 커터작용력의 결과는 사각이 0°인 경우의 시험결과와 큰 차이를 보이지 않았다.
4로 나타났다. 본 연구에서 사용한 슬림 코니컬커터에서는 절삭깊이에 따른 Fc/Fn의 변화가 일정하였으나, 헤비 코니컬커터에서는 절삭깊이에 따라 Fc/Fn의 차이가 크게 나타났다. Fc/Fn도 절삭깊이에 따른 평균 커터작용력이 일정한 것이 장비 설계에 유리한 것과 마찬가지로 절삭깊이에 따라 일정한 값을 유지하는 것이 장비의 설계에 유리하다.
15는 S/d비에 따른 평균 연직력과 평균 절삭력의 변화를 도시한 것이다. 슬림 코니컬커터의 동일 절삭간격에 대한 S/d비의 변화를 살펴보면 4.1.1절에서와 같이 절삭간격이 12, 18, 27 mm일 때 평균연직력과 평균 절삭력이 일정하게 나타났다. 그러나 헤비 코니컬커터의 경우는 평균 커터작용력이 다소 크게 변화하는 것을 볼 수 있었으며, 절삭간격 12, 18, 27 mm에서의 평균 커터작용력의 차이는 유사하게 나타났다.
시험을 수행한 결과, 슬림 코니컬커터를 사용하였을 경우, 즉 커터의 단부가 날카로울수록 절삭효과가 좋은 것으로 나타났다. 절삭의 효율을 나타내는 비에너지뿐만 아니라 평균 커터작용력 역시 슬림 코니컬커터의 경우가 헤비 코니컬커터를 사용한 경우보다 작게 도출되었다.
1절의 사각이 6° 경우와 마찬가지로 헤비 코니컬커터에 대한 커터작용력이 크게 나타났다. 앞의 결과와 같이 커터작용력의 크기는 절삭간격이 좁을수록 작아지는 결과가 나타났으며, 절삭간격 12 mm인 경우와 27 mm인 경우의 커터작용력은 약 두 배인 것으로 나타났다.
평균 연직력과 평균 절삭력은 헤비 코니컬커터가 시험체 표면과 닿는 면적이 넓기 때문에 슬림 코니컬커터를 사용한 경우보다 헤비 코니컬커터를 사용한 경우에서 모두 높게 나타났다. 절삭간격이 12, 18, 27 mm에서 커터종류에 상관없이 평균연직력과 평균 절삭력은 관입깊이에 따라 일정한 범위에서 나타났다.
절삭간격이 넓어질수록, 그리고 커터의 삽입재의 직경이 커질수록 평균 커터작용력은 커지는 것으로 나타났다. 절삭간격이 12～27 mm인 조건에서 절삭깊이에 따라 평균 커터작용력이 일정한 범위에서 나타나는 것으로 확인할 수 있었다. 커팅헤드에 의한 절삭작업은 사이클로이드 형태로 절삭이 이루어지므로 절삭깊이에 따른 평균 커터작용력의 차이가 작을수록 장비의 설계에 유리하다.
절삭간격이 넓어질수록, 그리고 커터의 삽입재의 직경이 커질수록 평균 커터작용력은 커지는 것으로 나타났다. 절삭간격이 12～27 mm인 조건에서 절삭깊이에 따라 평균 커터작용력이 일정한 범위에서 나타나는 것으로 확인할 수 있었다.
절삭간격이 증가함에 따라 커터가 절삭해야 할 암석의 부피가 커지므로 평균 연직력과 평균 절삭력의 크기는 증가하였으며, 헤비 코니컬커터의 평균 커터작용력이 슬림 코니컬커터의 평균 커터작용력보다 크게 나타났다. 또한 절삭간격이 증가할수록 슬림 코니컬커터와 헤비 코니컬커터의 평균 커터작용력의 차이가 커지는 경향을 보였다.
17은 사각이 6° 경우에 코니컬커터 종류와 절삭간격에 따른 Fc/Fn의 변화이다. 절삭깊이 3, 6 mm에서 절삭간격에 따른 Fc/Fn의 변화는 절삭간격 12, 27 mm에서 모두 0.3 정도로 나타났으나, 절삭간격 27 mm에서 절삭깊이에 따른 Fc/Fn의 변화가 더 작게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
평균 연직력과 평균 절삭력은 헤비 코니컬커터가 시험체 표면과 닿는 면적이 넓기 때문에 슬림 코니컬커터를 사용한 경우보다 헤비 코니컬커터를 사용한 경우에서 모두 높게 나타났다. 절삭간격이 12, 18, 27 mm에서 커터종류에 상관없이 평균연직력과 평균 절삭력은 관입깊이에 따라 일정한 범위에서 나타났다.
9는 슬림 코니컬커터와 헤비 코니컬커터를 사용하였을 때 절삭깊이에 따른 평균 연직력과 평균 절삭력의 변화를 도시한 것이다. 평균 연직력은 절삭간격이 좁은 경우(S= 6, 12 mm)에는 관입깊이가 깊어짐에 따라 증가하는 경향을 보였고 절삭간격이 넓어질수록 위로 볼록한 형상을 가지는 것을 나타났다. 이러한 경향은 절삭간격이 넓어질수록 관입깊이가 깊어짐에 따라 S/d비가 최적 S/d비에 가까워지기 때문인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
코니컬커터에서 두부와 샤프트의 역할은 무엇인가?
코니컬커터는 암반과 접촉하여 이를 파쇄하면서 큰 하중을 받는 텅스텐 카바이드 삽입재(tungsten carbide insert)와 카바이드 삽입재가 삽입되는 두부(head), 두부와 연결되어 홀더(holder)에 삽입되는 샤프트(shaft)로 구성되어있다. 두부와 샤프트는 열처리된 강재로 제작되며, 텅스텐 카바이드 삽입재가 암반을 절삭하는 동안 이를 지지하고 하부의 홀더를 보호하는 역할을 한다(Choi et al., 2014c).
코니컬커터는 어떻게 구성되는가?
코니컬커터는 암반과 접촉하여 이를 파쇄하면서 큰 하중을 받는 텅스텐 카바이드 삽입재(tungsten carbide insert)와 카바이드 삽입재가 삽입되는 두부(head), 두부와 연결되어 홀더(holder)에 삽입되는 샤프트(shaft)로 구성되어있다. 두부와 샤프트는 열처리된 강재로 제작되며, 텅스텐 카바이드 삽입재가 암반을 절삭하는 동안 이를 지지하고 하부의 홀더를 보호하는 역할을 한다(Choi et al.
포인트어택타입의 픽커터는 어떤 특징을 가지는가?
현재 대부분의 로드헤더(roadheaders) 및 컨티뉴어스마이너(continuous miners)와 같은 기계굴착장비는 특별한 경우를 제외하면 포인트어택타입(conical picks or point attack picks)의 픽커터를 사용하고 있다. 코니컬커터로 불리는 이 픽커터는 절삭동안 홀더(holder) 내에서 자체 연마(self sharpening)가 이루어지기 때문에 래디얼타입(radial picks or drag bits) 픽커터보다 사용기간 동안 절삭능력의 유지가 월등한 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2012).
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