[논문]구동형 언더커팅 디스크에 의한 암석절삭에 관한 기초연구

정호영; 김세훈; 전석원

doi:10.7474/tus.2020.30.6.591

구동형 언더커팅 디스크에 의한 암석절삭에 관한 기초연구
Fundamental Study on Rock Cutting by an Actuated Undercutting Disc 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.6, 2020년, pp.591 - 602

정호영 (한국원자력연구원) , (서울대학교) , 김세훈 (서울대학교) , 전석원 (서울대학교)

초록
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기존의 전통적인 암석절삭방식의 한계점을 극복하고자 다양한 신개념의 암석절삭메커니즘이 연구되고 있으며, 그 중 언더커팅은 최근 연구가 수행되고 있는 기술이다. 본 논문에서는 언더커팅에 대한 기초연구로서 구동형 언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘과 절삭에 관여하는 중요핵심변수들에 대하여 소개하였다. 구동형 언더커팅에 의한 절삭성능을 평가하기 위한 시험시스템을 구축하고 이를 활용하여 주요 핵심변수들을 변화시켜가며 구동형 언더커팅 디스크를 활용한 절삭시험을 수행하였다. 구동형 언더커팅 절삭시험으로부터 획득되는 3방향 커터작용력의 특성을 분석하였으며, ADC의 주요 절삭변수인 선형 이동속도, 법선압입깊이, 편심의 증가에 따라 3방향 커터작용력의 평균값과 최댓값은 모두 선형적으로 증가하는 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Several alternative rock-cutting concepts, which are modified from the conventional ones, have been developed lately. Of the concepts, undercutting is one of the latest technologies. In this study, as a fundamental study on the undercutting technique, the rock-cutting mechanism and important parameters of the undercutting were introduced. This study built up cutting test system for evaluating the cutting performance of an actuated undercutting disc cutter (ADC), and carried out a series of cutting tests under different cutting parameters of ADC. The characteristics of cutter forces obtained from ADC rock-cutting tests were analyzed. The both average and peak values of the three directional cutter forces were linearly increased with the increases of linear velocity, penetration depth in vertical direction and eccentricity of ADC.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Definition of cutting parameters for actuated undercutting disc cutting
그림 Fig. 2. Pictures of actuated disc cutting system; (a) cutting surface, and (b) test equipment (Dehkhoda and Detournay, 2019)
그림 Fig. 3. Pictures of linear actuated disc cutting machine in Seoul National University; (a) test equipment, and (b) cutting trajectory on artificially made concrete specimen
그림 Fig. 4. Pictures of small-scale undercutting disc cutters with different diameters at 60, 80, 100, and 150 mm
표 Table 1. Scale conditions used in ADC cutting test in this study
표 Table 2. Testing conditions of ADC cutting test in this study
그림 Fig. 5. Example of cutting trajectory of ADC with different cutting parameters (red line indicates a movement of disc centre)
그림 Fig. 6. Definition of three orthogonal cutter forces in ADC
그림 Fig. 7. Representative example of cutter forces obtained from the ADC test (d = 80 mm, p = 3 mm, e = 10 mm, RPM = 70)
그림 Fig. 8. Effect of penetration depth on the cutter forces in ADC (d = 80 mm, e = 5 mm, RPM = 100, v = 40 mm/s)
표 Table 3. Summary of cutter forces obtained from ADC tests
그림 Fig. 9. Effect of linear velocity on the cutter forces in ADC (d = 80 mm, e = 5 mm, RPM = 100, pv = 3 mm)
그림 Fig. 10. Effect of eccentricity on the cutter forces in ADC (d = 80 mm, RPM = 100, p_v = 3 mm, v = 30 mm/s)
그림 Fig. 11. Rock chips produced by ADC in (a) lab test (in this study) and (b) field test (Amberg, 2013)

AI 본문요약
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문제 정의

진행 중에 있다. 본 논문에서는 구축된 시험시스템을 활용하여 수행된 절삭시험을 통해 얻어진 언더커팅에 의한 암석절삭 특성과 주요 절삭조건의 변화에 따른 커터작용력 특성을 간략히 소개하고자 한다.
본 논문에서는 언더커팅에 대한 기초연구로서 구동형 언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘과 절삭에 관여하는 핵심변수들에 대하여 소개하였다. 구동형 언더커팅에 의한 절삭성능을 평가하기 위한 시험시스템을 구축하고 이를 활용하여 주요핵심변수들을 변화시켜가며 ADC를 적용한 절삭시험을 수행하였다.
또한 지속적으로 변화하는 접촉점에 서의 커터 작용력을 접선방향과 반경방향 성분으로 분해하는 과정이 필요하다. 본 논문에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하고자 하며 추후 연구에서 이에 대한 자세한 논의를 추가하고자 한다.
하지만 국내에서는 지금까지 기존의 TBM 및 로드헤더를 중심으로 한 연구개발이 수행되어 왔으며, 언더커팅에 대한 연구는 전무한 실정이었다. 본 연구는 언더커팅에 대한 기초연구로서 언더커팅 방식 중 하나인 구동형 언더커팅에 대하여 이루어졌다. 언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘과 절삭에 관여하는 중요 핵심변수들을 분석하였고, 언더커팅에 의한 암석절삭과정을 구현하기 위해 구축된 암석절삭시험시스템과 시험방법에 대하여 소개하였다.

가설 설정

.Cutting force와 Normal force의 최댓값은 동시에 나타난다.
7)에서 약 155 MPa의 경암에 해당한다. Table 1에는 차원해석의 결과를 요약하였으며, 차원해석 시 콘크리트의 밀도는 2.1 g/cm³으로 측정되었고, 암석의 밀도는 2.6 g/cm³ 으로 가정하였다.

제안 방법

2)언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘을 구현한 시험시스템에 대하여 소개하였다. 본 연구에서 구축한 시험시스템은 3개의 축 방향으로 각 20 tonf의 하중용량을 갖고, ADC에 관여하는 모든 변수들에 대한 제어가 가능하므로 추후 언더커팅을 적용한 암석절삭메커니즘에 대한 이해와 주요 변수들의 변화에 따른 절삭효율 및 절삭성능의 변화를 규명하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
3)본 연구에서는 법선압입깊이, 선형이동속도, 편심을 변화시켜가며 ADC에 의한 암석절삭시험을 수행하고 절삭과정에서 발생하는 커터작용력의 특성을 관찰하였다. 커터작용력은 법선압입깊이, 선형이동속도, 편심의 변화에 따라 대체로 선형증가하는 경향을 관찰할 수 있었으나 보다 상세한 분석을 위해서는 커터의 이동궤적과 암석과 커터의 접촉점을 고려하여야 할 것으로 판단되었다.
8은 법선압입깊이의 변화에 따른 언더커팅 디스크의 3방향 평균작용력(F_{n_mean}, F_{c_mean}, F_{s_mean})과 최대작용력(F_{n_peak}, F_{c_peak}, F_{s_peak})의 변화양상을 나타내고 있다. 결과분석을 위해 절삭평면상에 작용하는 측력과 절삭력의 합력(F_{R_mean}, F_{R_peak}, 수직력을 제외한 합력)을 함께 도시하였다. 기존의 TBM 디스크 커터 및 픽 커터의 암석절삭에서는 압입깊이에 따른 커터작용력의 증가 경향이 여러 선행연구를 통해 보고된 바 있다(Bigin et al.
소개하였다. 구동형 언더커팅에 의한 절삭성능을 평가하기 위한 시험시스템을 구축하고 이를 활용하여 주요핵심변수들을 변화시켜가며 ADC를 적용한 절삭시험을 수행하였다. 본 연구로부터 얻어진 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘과 절삭에 관여하는 중요 핵심변수들을 분석하였고, 언더커팅에 의한 암석절삭과정을 구현하기 위해 구축된 암석절삭시험시스템과 시험방법에 대하여 소개하였다. 또한 구축된 시험시스템을 활용하여 절삭시험을 수행하고 주요핵심변수에 따른 절삭성능의 변화를 개략적으로 고찰하였다.
된다. 본 논문에서는 ADC의 암석절삭에서 정의되는 변수를 수직, 법선방향으로의 압입깊이와 절삭간격, 절삭각도, 편심, 선형이동속도, 커터직경으로 정의하였고 각각의 개념에 대하여 논하였다.
본 연구에서 고려한 절삭조건은 Table 2에 요약하였다. 상술한 바와 같이 커터직경은 80 mm로 고정하여 시험을 수행하였고, 법선 압입 깊이, 편심, 선형이동속도를 각 3단계로 변화시켜가며 시험을 수행하였다. 모든 시험에 대하여 RPMe 100으로 고정하였다.
3축 방향하중 20 tonf 용량의 로드셀이 장착되어 있으며, ADC의 편심 회전을 구현하기 위한 회전 전기모터 외에 3축 방향으로의 시험편의 이송과 디스크커터의 이동을 제어하기 위한 교류전원 서보모터가 각축에 장착되어 있다. 시험기에 연결된 별도의 컨트롤러를 통해 ADC 시험조건을 구현하기 위한 RPM, 선형절삭속도(v), 법선 압입 깊이(p_v), 평행압입깊이(p_h), 절삭거리(l), 절삭간격(s) 등을 입력하여 자동 제어할 수 있으며, 편심(e)과 기울임 각(α)은 사용자가 별도로 설치된 자와 지그를 결합하여 수동으로 제어할 수 있도록 제작하였다. 최대 거치 가능한 시험편의 크기는 30 cm × 30 cm × 30 cm 이다.
본 연구는 언더커팅에 대한 기초연구로서 언더커팅 방식 중 하나인 구동형 언더커팅에 대하여 이루어졌다. 언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘과 절삭에 관여하는 중요 핵심변수들을 분석하였고, 언더커팅에 의한 암석절삭과정을 구현하기 위해 구축된 암석절삭시험시스템과 시험방법에 대하여 소개하였다. 또한 구축된 시험시스템을 활용하여 절삭시험을 수행하고 주요핵심변수에 따른 절삭성능의 변화를 개략적으로 고찰하였다.
그 이유는 언더커팅에서 선형이동속도는 기존의 암석절삭에서와는 달리 압입깊이를 변화시킨다. 언더커팅에서는 압입깊이가 두 가지로 구분되는데, 이에 대한 선행 연구가 없으므로 본 논문에서는 편의상 굴착면에 대한 법선압입깊이(p_v) 와 평행압입깊이(p_h)로 구분하였다. 평행압입깊이는 선형이동속도와 RPM의 영향을 받으며, 커터가 편심축을 따라 1회전 하는 동안 선형이동방향으로 커터가 압입하는 깊이를 의미한다.
16)배 축소된 크기이다(500 mm 기준). 커터크기의 축소에 따라 시험편의 강도를 감소시킬 필요가 있었으며 본 연구에서는 압축강도 20 MPa를 갖는 콘크리트로 유사 암석시험편을 제작하여 절삭시험을 수행하였다. 차원해석에 따라 본 시험편은 실스케일(축소비 1/7.

대상 데이터

상술한 바와 같이 실제 굴착장비에 장착되는 ADC의 크기는 직경 500-550 mm 정도이나, 본 논문에서 소개할 절삭시험에서 사용한 언더커팅 디스크의 직경은 80 mm로 실제에 비해 6.25(1/0.16)배 축소된 크기이다(500 mm 기준). 커터크기의 축소에 따라 시험편의 강도를 감소시킬 필요가 있었으며 본 연구에서는 압축강도 20 MPa를 갖는 콘크리트로 유사 암석시험편을 제작하여 절삭시험을 수행하였다.
커터크기의 축소에 따라 시험편의 강도를 감소시킬 필요가 있었으며 본 연구에서는 압축강도 20 MPa를 갖는 콘크리트로 유사 암석시험편을 제작하여 절삭시험을 수행하였다. 차원해석에 따라 본 시험편은 실스케일(축소비 1/7.7)에서 약 155 MPa의 경암에 해당한다. Table 1에는 차원해석의 결과를 요약하였으며, 차원해석 시 콘크리트의 밀도는 2.

성능/효과

1)언더커팅에서는 압입깊이, 절삭간격, 절삭각도 이외에 회전속도, 편심길이, 선형이동속도 등의 절삭변수들이 추가적으로 관여하게 된다. 본 논문에서는 ADC의 암석절삭에서 정의되는 변수를 수직, 법선방향으로의 압입깊이와 절삭간격, 절삭각도, 편심, 선형이동속도, 커터직경으로 정의하였고 각각의 개념에 대하여 논하였다.
먼저 평균작용력의 경우에는 수직력과 절삭력이 압입깊이 증가에 따른 선형적인 증가 경향을 보여주고 있으나 측력의 경우에는 경향성을 확인할 수 없었다. 다만 절삭평면상에서 함께 작용하는 측력과절삭력의 합력을 계산한 결과, 압입깊이에 따라 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 원인 중 하나는 ADC에서는 커터의 회전에 따라 암석과의 접촉점이 지속적으로 변화하기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구에서 얻어진 ADC 에 작용하는 커터작용력의 특징을 간략히 요약하면 다음과 같다. 또한 TBM 디스크커터의 경우에는 수직력에 대한 절삭력과 측력의 비율이 1/10, 1/20 정도로 매우 낮지만, 언더커팅 디스크에서는 세 방향의 커터작용력의 수준이 거의 유사한 것으로 나타났다.
앞선 분석과 동일한 방법으로 그래프를 도시하였다. 편심의 경우에도 평균작용력, 최대작용력 모두와 대체로 비례관계에 있는 것을 확인할 수 있었다. 편심이 증가하게 되면 평행압입깊이가 증가하고 커터가 절삭평면상에서 이동하는 궤적의 면적도 함께 증가한다.
앞선 분석과 마찬가지로 측력, 절삭력, 측력과 절삭력의 합력, 수직력을 함께 도시하였다. 평균작용력과 최대작용력 모두 대체로 커터의 선형이동속도에 따라 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 선형이동속도를 제외하고는 모든 조건을 동일하게 적용하였기 때문에, 선형이동속도의 증가는 곧바로 평행압입깊이(p_h)의 증가를 의미하게 된다.

후속연구

4)본 연구에서는 기계절삭의 절삭효율을 나타내는 비에너지에 대한 분석은 이루어지지 않았으며 추후 커터작용력의 계산과정에 커터의 이동궤적과 암석과 커터의 접촉점의 변화를 고려하여 ADC의 주요 변수에 따른 절삭효율의 변화를 규명하기 위한 추가연구가 필요하다.
이에 대한 원인은 언더커팅에서 발생하는 암석파쇄 메커니즘의 차이 때문인 것으로 판단된다. TBM 디스크 커터 혹은 픽커터에서는 압축파쇄에 의한 암석균열이 인장형 혹은 전단형으로 인접 절삭선으로 전파하는 반면, 언더커팅 디스크에서는 인장균열에 의한 암석파쇄가 유도되므로 균열 영역이 크게 확장되지 않는 것으로 보이며 이러한 미소영역 균열 전파에 관한 관찰은 추가적으로 연구가 이루어져야 하는 부분이다. 또한, 이에 대해서는 시험을 통해 회수된 암편으로부터 측정된 절삭부피와 이론적으로 산정된 절삭부피를 비교하여 정량적인 분석이 필요하다.
이에 따라 커터작용력이 증가한 것으로 판단된다. 또한 편심은 커터의 직경에도 영향을 받을 것으로 추정되므로, 다양한 커터직경에 대한 시험을 바탕으로 편심과 커터 직경이 커터작용력에 미치는 영향을 추가적으로 분석할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
TBM 디스크 커터 혹은 픽커터에서는 압축파쇄에 의한 암석균열이 인장형 혹은 전단형으로 인접 절삭선으로 전파하는 반면, 언더커팅 디스크에서는 인장균열에 의한 암석파쇄가 유도되므로 균열 영역이 크게 확장되지 않는 것으로 보이며 이러한 미소영역 균열 전파에 관한 관찰은 추가적으로 연구가 이루어져야 하는 부분이다. 또한, 이에 대해서는 시험을 통해 회수된 암편으로부터 측정된 절삭부피와 이론적으로 산정된 절삭부피를 비교하여 정량적인 분석이 필요하다. 한편 ADC에 의해 생성되는 암편의 크기는 TBM 디스크커터 및 픽 커터에 의해 생성된 것보다 큰 것으로 파악된다(Gospodarczyk et al.
2)언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘을 구현한 시험시스템에 대하여 소개하였다. 본 연구에서 구축한 시험시스템은 3개의 축 방향으로 각 20 tonf의 하중용량을 갖고, ADC에 관여하는 모든 변수들에 대한 제어가 가능하므로 추후 언더커팅을 적용한 암석절삭메커니즘에 대한 이해와 주요 변수들의 변화에 따른 절삭효율 및 절삭성능의 변화를 규명하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
절삭된 암편의 크기 분포가 큰 값을 가진다는 것은 보다 효율적인 절삭이 이루어지는 것을 간접적으로 의미한다. 암편의 크기 분석으로부터 언더커팅 방식에 의한 적용성을 평가하는 것이 가능할 것으로 판단되며, 실험실에서 회수된 ADC에 의한 암편의 크기분포를 TBM 디스크커터 및 픽 커터에 의해 생성되는 크기분포와 정량 적으로 비교･분석하는 것이 필요하다.
이러한 원인 중 하나는 ADC에서는 커터의 회전에 따라 암석과의 접촉점이 지속적으로 변화하기 때문인 것으로 판단된다. 지속적으로 변화하는 암석과 커터의 접촉점에서 커터의 반경방향성분과 접선방향성분으로 나누어 커터작용력을 산출하여야 보다 정확한 분석이 가능할 것이며 추가 연구가 필요한 부분이다. 반면 최대 커터작용력의 경우에는 압입깊이에 따른 모든 커터작용력이 증가하는 경향을 명확하게 관찰할 수 있었다.
커터작용력의 특성을 관찰하였다. 커터작용력은 법선압입깊이, 선형이동속도, 편심의 변화에 따라 대체로 선형증가하는 경향을 관찰할 수 있었으나 보다 상세한 분석을 위해서는 커터의 이동궤적과 암석과 커터의 접촉점을 고려하여야 할 것으로 판단되었다.
따라서 ADC에서는 법선압입깊이(p_v)와 함께 평행압입깊이 또한 커터작용력에 주요한 영향을 미치는 인자인 것으로 판단할 수 있다. 하지만 평행압입깊이는 RPM과 선형이동속도의 함수이기 때문에, 다양한 조합의 RPM 과 선형이동속도에 대한 추가실험을 통하여 RPM, 선형이동속도, 평행압입깊이가 커터작용력에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다.

참고문헌 (12)

Bilgin, N., M.A. Demircin, H. Copur, C. Balci, H. Tuncdemir, and N. Akcin, 2006, Dominant rock properties affecting the performance of conical cutters and the comparison of some experimental and theoretical results, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 43, 139-156.

상세보기
Cho, J., S. Jeon, S. Yu, and S. Chang, 2010, Optimum spacing of TBM disc cutters: A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method, Tunn. Undergr. Sp. Tech. 25.3, 230-244.

상세보기
Copur, H., N. Bilgin, C. Balci, D. Tumac, and E. Avunduk, 2017, Effects of different cutting patterns and experimental conditions on the Performance of a Conical Drag Tool, Rock Mech. and Rock Eng. 50, 1585-1609.

상세보기
Dehkhoda, S. and E. Detournay, 2017, Mechanics of actuated disc cutting. Rock Mechanics and Rock Engineering, 50.2, 465-483.

상세보기
Dehkhoda, S. and B. Hill, 2019, Clearance angle and evolution of depth of cut in actuated disc cutting, J. Rock Mech. Geotech. Eng. 11, 644-658.

상세보기
Dehkhoda, S. and E. Detournay, 2019, Rock cutting experiments with an Actuated Disc, Rock Mech. and Rock. Eng. 52, 3443-3458.

상세보기
Gospodarczyk, P., K. Kotwica, and G., Stopka, 2013, A new generation mining head with disc tool of complex trajectory, Arch. Min. Sci. 58.4, 985-1006.

상세보기
Jeong, H. and S. Jeon, 2018, Characteristic of size distribution of rock chip produced by rock cutting with a pick cutter, Geomech. Eng. 15.3, 811-822.

상세보기
Jeong, H., S. Choi, and S. Jeon, 2019, Current status of rock cutting technique using undercutting concept, Tunn. Undergr. Sp. 29.3, 148-156.

원문보기 상세보기
Jeong, H., S. Choi, and S. Jeon, 2020, Effect of skew angle on the cutting performance and cutting stability of point-attack type picks, Tunn. Undergr. Sp. Tech. 103, 103507.

상세보기
Kovalyshen, Y., 2015, Analytical model of oscillatory disc cutting, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 77, 378-383.

상세보기
Nishimatsu, M., 1979, On the effect of tool velocity in rock cutting, In: International conference on mining machinery, Brisbane, Australia, 2-6 July, 314-319.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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