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문제 정의
- 본 연구에서는 실대형 선형절삭시험의 장점을 이용하면서 시험의 용이성을 증대하기 위하여 소형 선형절삭시험장비를 제작하여 연암과 보통암에 해당하는 Linyi사암과 콘크리트 시료에 대하여 일련의 시험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 절삭조건에 따른 커터작용력 변화양상을 관찰하고 최적 절삭조건을 도출하였으며, 중요 설계변수 중 하나인 최대작용력과 평균작용력의 비, 절삭계수 등이 암석과 절삭조건에 따라 변화하는 양상을 분석 하였다.
가설 설정
- 두 재료는 등방재질로 가정하였으며, Linyi사암은 균질한 암석을 나타내고 콘크리트는 불균질한 재료로 고려되었다. 사암의 경우 생성기원에 따라 이방성을 가지는 경우도 보고되고 있다.
- 또한 본 연구에서 skew angle은 일괄적으로 0°로 적용하였기 때문에 측력은 픽 커터의 절삭성능에 미치는 영향이 없는 것으로 가정하고 결과를 분석하였다.
제안 방법
- Attack angle이 45°, skew angle이 0°인 경우에 대하여 압입깊이를 5~11 mm, 각각의 압입깊이에 따라 커터간격을 4~5가지로 변화시켜가며 커터작용력과 비에너지의 변화양상을 분석하였다.
- 다만 Linyi사암의 경우에는 미리 정해진 s/p비에 따라 커터간격을 변화시켰고, 콘크리트의 경우에는 특정한 커터간격(15~35 mm)을 고정시켜 놓은 상태에서 압입깊이를 변화시켰다. 그 외 시험결과에 영향을 줄 수 있다고 판단되는 절삭속도(10 mm/s), 절삭거리 (220~250 mm), 절삭선의 개수(5개)는 고정시킨 채로 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Linyi사암과 콘크리트 시험편을 대상으로 다양한 절삭조건 하에서 선형절삭시험을 수행하였다. Attack angle이 45°, skew angle이 0°인 경우에 대하여 압입깊이를 5~11 mm, 각각의 압입깊이에 따라 커터간격을 4~5가지로 변화시켜가며 커터작용력과 비에너지의 변화양상을 분석하였다.
- 본 연구에서는 skew angle (Θ)을 0°, 그리고 attack angle (α)을 45°로 고정시킨 후, 압입깊이(penetration depth, p)와 커터간격(cutter spacing, s)만을 변화시켜가며 커터작용력 및 커터작용력들의 비, 그리고 비에너지(specific energy, SE)의 양상을 관찰하고 두 재료 간의 결과 차이를 분석하였다.
- 4는 Linyi사암의 표면을 전자현미경을 이용하여 촬영한 이미지이다. 선행연구를 참고하여 Linyi사암의 이방성은 암석의 절삭특성에 영향을 미치지 않는 것으로 간주하고 실험결과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 skew angle (Θ)을 0°, 그리고 attack angle (α)을 45°로 고정시킨 후, 압입깊이(penetration depth, p)와 커터간격(cutter spacing, s)만을 변화시켜가며 커터작용력 및 커터작용력들의 비, 그리고 비에너지(specific energy, SE)의 양상을 관찰하고 두 재료 간의 결과 차이를 분석하였다. 압입깊이는 5 mm부터 11 mm까지 4가지 조건을 적용하였고, 각 압입깊이 별로 커터간격을 4~5가지로 최적 커터간격을 도출하였다. 다만 Linyi사암의 경우에는 미리 정해진 s/p비에 따라 커터간격을 변화시켰고, 콘크리트의 경우에는 특정한 커터간격(15~35 mm)을 고정시켜 놓은 상태에서 압입깊이를 변화시켰다.
- 절삭 도중 발생하는 3방향 커터 작용력(절삭력, 수직력, 측력)은 로드셀을 통해 실시간으로 측정하였으며, 절삭과정에서 발생한 커터작용력의 최대값(Fpeak)과 평균값(Fmean)을 통해 커터작용력을 평가하였다. 기계굴착에서 절삭효율을 나타내는 파라미터로서 단위체적의 암석을 절삭하는데 소요되는 일의 양인 비에너지(specific energy)가 일반적으로 사용되며, 비에너지를 계산하기 위해서는 커터작용력 이외에 절삭된 암석의 부피를 산출하여야 한다.
- 본 연구에서는 실대형 선형절삭시험의 장점을 이용하면서 시험의 용이성을 증대하기 위하여 소형 선형절삭시험장비를 제작하여 연암과 보통암에 해당하는 Linyi사암과 콘크리트 시료에 대하여 일련의 시험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 절삭조건에 따른 커터작용력 변화양상을 관찰하고 최적 절삭조건을 도출하였으며, 중요 설계변수 중 하나인 최대작용력과 평균작용력의 비, 절삭계수 등이 암석과 절삭조건에 따라 변화하는 양상을 분석 하였다.
- 8은 본 연구에서 측정한 커터작용력의 대표적인 예를 보여준다. 커터작용력의 정량화를 위해 최대 커터작용력과 평균 커터작용력을 계산하였다(로드셀 자체의 정밀도는 0.05 kN). 최대 커터작용력은 절삭도중 측정되는 최대값으로 획득하였으며 평균작용력은 절삭도중 측정된 데이터들의 평균값으로 결정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 선형절삭시험 장비는 실규모 선형절삭시험장비에 비해 규모가 축소된 것으로서 20 ton의 하중용량을 가지며 선형절삭시험 시 요구되는 충분한 강성을 가지도록 제작되었으며, 4개의 컬럼으로 구성된 메인프레임과 커터의 상하부 위치를 조절하기 위한 전기 모터 유닛, 시험을 조작하기 위한 제어부로 구성된다(Fig. 2).
- 본 연구에서는 선형절삭시험을 위하여 중국의 Linyi사암과 콘크리트를 시료로 선정하였다.
- 시험편의 크기는 300 mm × 300 mm × 200 mm (가로, 세로, 높이)의 크기로 제작하였고, Linyi사암과 콘크리트의 일축압축강도는 각각 64 MPa, 21 MPa이다.
데이터처리
- 05 kN). 최대 커터작용력은 절삭도중 측정되는 최대값으로 획득하였으며 평균작용력은 절삭도중 측정된 데이터들의 평균값으로 결정하였다. 또한 본 연구에서 skew angle은 일괄적으로 0°로 적용하였기 때문에 측력은 픽 커터의 절삭성능에 미치는 영향이 없는 것으로 가정하고 결과를 분석하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 선행연구(Chang et al., 2012)를 참고하여 선행절삭(preconditioning)을 수행한 후 실험을 수행 하였다. 선행절삭은 압입깊이 3 mm, 커터간격 10 mm를 적용하여 수행하였으며 선행절삭 전후의 시험편의 사진은 Fig.
- 기계굴착에서 절삭효율을 나타내는 파라미터로서 단위체적의 암석을 절삭하는데 소요되는 일의 양인 비에너지(specific energy)가 일반적으로 사용되며, 비에너지를 계산하기 위해서는 커터작용력 이외에 절삭된 암석의 부피를 산출하여야 한다. 본 연구에서는 실험 후 절삭된 파쇄 암편을 전량 회수하여 무게를 측정하고 이로부터 부피를 산출하는 무게측정법(weighing method)을 사용하였다. 이 방법은 선행연구에서(Balci and Bilgin, 2007; Tuncedemir et al.
- 픽 커터는 Vermeer사에서 제조한 것으로 시험편의 강도를 고려하여 연암과 보통암에 일반적으로 적용되는 PN-735MB 모델을 사용하였다. 픽 커터의 개략적인 치수와 사진은 Fig.
성능/효과
- Linyi사암과 콘크리트 모두에 대해서 압입깊이와 커터간격이 증가함에 따라 평균 커터작용력이 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 커터간격 보다는 압입깊이에 대한 영향이 더 큰 것으로 분석되었다. 또한 콘크리트 보다는 Linyi사암에서 평균 커터작용력이 높게 측정되어, 절삭력과 수직력 모두 재료의 강도에 영향을 받는다는 것을 확인 할 수 있었다.
- 콘크리트 시험편을 제작하는데 사용한 굵은 골재는 기질을 이루고 있는 시멘트와 비교하여 강도가 다르고 분포가 균질하지 않은 특성을 갖는다. Linyi사암에 비해 콘크리트의 강도가 낮은 것을 고려할 때, 이 결과는 평균작용력에 대한 최대작용력의 발생 범위가 재료의 평균 강도 보다는 절삭특성(취성/연성)과 구성물질의 특성에 지배적인 영향을 받는 것으로 분석되었다.
- 17과 Table 6은 Linyi사암과 콘크리트에서 커터작용력의 합력(resultant force, FR) 방향과 attack angle간의 상관관계를 보여주고 있다. Linyi사암의 경우에는 attack angle과 합력의 방향이 비교적 일치하는 경향을 보여 주고 있지만, 콘크리트의 경우에는 attack angle과 합력의 방향이 일치하지 않는 것으로 나타났다. 결과적으로 Linyi사암의 경우에는 45°의 attack angle은 픽 커터의 기계적 안정성을 높이는 절삭조건이 될 수 있고 최적 attack angle에 가까운 것으로 판단할 수 있다.
- 결과적으로 Linyi사암의 경우에는 45°의 attack angle은 픽 커터의 기계적 안정성을 높이는 절삭조건이 될 수 있고 최적 attack angle에 가까운 것으로 판단할 수 있다.
- 두 재료에서의 결과 차이를 근거로 하여 판단하면, 픽 커터 작용력의 합력방향은 픽 커터와 재료의 마찰계수에 영향을 받는 것으로 판단되고, 마찰계수는 픽 커터의 형상과 재질, 커터팁의 각도에 영향을 받는 것으로 볼 수 있다. 픽 커터의 attack angle을 최적화하기 위해서는 먼저 임의의 attack angle을 적용하여 픽 커터의 합력방향을 개략적으로 산출 한 후 attack angle을 변화시켜가며 bending force를 최소화할 수 있는 각도를 찾는 것이 효율적인 방법이 될 것이다.
- 또한 attack angle이 45°임을 고려할 때, 콘크리트의 경우 해당 절삭조건은 장비의 안정성 측면을 고려하면 굽힘력을 크게 발생시킬 수 있으므로 효율적 절삭조건이 아닌 것을 확인 할 수 있었다.
- 이것은 attack angle이 동일하더라도 암석의 특성에 따라 절삭계수가 변화할 수 있음을 의미한다. 또한 본 연구에서 도출된 실험결과로 미루어 볼 때, 절삭계수는 커터간격과 압입깊이에 독립적인 값으로 판단된다.
- 강도가 상대적으로 큰 Linyi사암의 경우, 콘크리트에 비해 같은 절삭조건에서 높은 수준의 비에너지가 도출되었고, 이는 콘크리트에 비해 굴착에 많은 에너지가 소요됨을 의미한다. 또한 비에너지는 압입깊이가 증가함에 따라 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 비에너지의 감소폭은 콘크리트 보다 Linyi사암의 경우가 큰 것으로 확인되었고, 이에 따라 비에너지의 차이는 압입깊이에 따라 점차적으로 감소하였다.
- Linyi사암의 경우에 콘크리트보다 높은 비에너지가 관측되었고 이는 비에너지가 암석의 일축압축강도에 비례한다는 기존의 연구결과를 뒷받침한다. 또한 압입깊이가 증가함에 따라 비에너지가 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며 이는 장비의 사양이 허용하는 한 압입깊이를 증가시키는 것이 굴착효율 측면에서도 유리하다는 것을 시사한다.
- 또한 압입깊이의 증가에 따라 비에너지는 점점 감소하는 경향을 보이다가 수렴하는 현상이 관찰되었다. 이러한 결과는 몇몇 선행연구(Chang et al.
- Linyi사암과 콘크리트 모두에 대해서 압입깊이와 커터간격이 증가함에 따라 평균 커터작용력이 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 커터간격 보다는 압입깊이에 대한 영향이 더 큰 것으로 분석되었다. 또한 콘크리트 보다는 Linyi사암에서 평균 커터작용력이 높게 측정되어, 절삭력과 수직력 모두 재료의 강도에 영향을 받는다는 것을 확인 할 수 있었다.
- 3)에서 더 높은 값이 도출되었다. 이 비율은 평균 커터작용력과는 달리 암석의 절삭특성(취성/연성)과 암석의 구성물질에 영향을 받는 것으로 판단되었고, 콘크리트의 경우에는 장비본체 및 부속품에 진동 및 손상을 줄 가능성이 높다는 것을 의미한다. 기계굴착장비의 설계 시 예상한 굴착효율을 확보하기 위하여 커터작용력의 변화를 허용할 수준의 강성을 확보하는 것이 중요할 것으로 판단되었고 유사 지반에 대한 장비의 설계 시에는 이에 대한 고려가 필요할 것으로 사료된다.
- 콘크리트 시험편에서 픽 커터의 평균작용력은 Linyi사암에 비해 작은 값을 보이고, 이것은 기존연구를 통해 잘알려진 바와 같이 재료의 강도 차이에 기인한 것으로 판단할 수 있다. Fig.
- 9와 10은 Linyi사암을 대상으로 수행한 시험에서 측정된 평균 커터작용력(절삭력, 수직력)과 s/p비의 관계를 보여준다. 평균절삭력(Fc_mean)과 평균수직력(Fn_mean) 모두 커터간격과 압입깊이가 증가함에 따라 증가 하는 경향을 확인할 수 있다. 콘크리트의 경우에도 Linyi사암의 결과와 같이 커터간격이 증가함에 따라 모든 압입 깊이에서 커터작용력이 증가하는 경향을 보이고, 같은 커터간격에서는 압입깊이가 증가함에 따라서 커터 작용력이 증가하는 경향을 보여준다(Fig.
- 또한 attack angle이 45°임을 고려할 때, 콘크리트의 경우 해당 절삭조건은 장비의 안정성 측면을 고려하면 굽힘력을 크게 발생시킬 수 있으므로 효율적 절삭조건이 아닌 것을 확인 할 수 있었다. 한편 최대 작용력과 평균 작용력의 비, 절삭 계수는 압입깊이와 커터간격과 같은 기본적인 절삭조건에 영향을 받지 않고 하나의 암석에 대해서는 일정한 값을 보였다. 따라서 위의 계수들을 산출하고자 할 때에는 임의의 조건에 대한 실험으로부터 도출이 가능함을 의미한다.
후속연구
- 따라서 평균작용력이 낮게 산정이 된다 하더라도 상기 언급한 특성에 따라 최대 커터 작용력을 고려하여 장비의 안정성을 평가 하는 것이 필요하며, 또한 장비의 추력, 토크 등의 운용조건(최대 사양대비 운용조건)을 결정하는데 참고사항이 될 수 있다. 기존문헌들의 결과를 참고하여 볼 때 평균작용력 대비 최대작용력의 비는 2~4의 범위 내에서 평가할 수 있을 것으로 보이나 향후 다양한 암석을 대상으로 한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 장비 본체와 구성 부품들이 커터작용력의 변화폭을 충분히 견딜 만큼 강성이 확보가 되어 있을 경우에는 본래의 절삭효율을 기대할 수 있겠지만, 그렇지 않은 경우에는 절삭효율이 기대에 미치지 못하게 된다. 따라서 기계장비의 굴착효율을 최적화하기 위해서, 최대 커터 작용력의 발생 범위를 고려하여 장비의 안정성(강성)을 확보하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
- 비에너지의 감소폭은 콘크리트 보다 Linyi사암의 경우가 큰 것으로 확인되었고, 이에 따라 비에너지의 차이는 압입깊이에 따라 점차적으로 감소하였다. 암석의 강도에 따른 비에너지의 감소경향에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 판단되었고, 본 연구에서 고려된 압입깊이에서는 장비의 사양이 허용되는 한 압입 깊이를 증가시키는 것이 굴착효율 측면에서도 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 하지만 본 연구의 결과들은 한정된 강도를 갖는 재료에 대한 시험결과이므로 향후 이 결과를 보완, 검증하기 위한 추가 실험적 연구가 필요할 것으로 판단되며, 유사한 강도 및 조건에 대한 기계굴착 장비의 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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