1. 연구 배경

각종 자원개발 및 토목공사 프로젝트에서 기계굴착장비의 적용이 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 관련기술도 급격하게 발전하고 있다(Jeong et al., 2014). 기계굴착장비로는 TBM (Tunnel Boring Machine) 이외에도 부분 단면 굴착기인 로드헤더(roadheader), 장벽식 채굴기(longwall shearer), 트렌처(trencher) 등이 있으며 기계굴착공법은 발파공법에 비해 안정성, 고속굴착, 환경피해 측면에서 장점을 가진다. 기계굴착장비는 통상 커터헤드(cutter head)라고 불리는 부분에 디스크 커터(disc cutter)와 픽 커터(pick cutter)를 다수 배열하고 커터헤드를 구동함으로써 암반을 굴착하게 된다.

픽 커터가 암석을 절삭할 때, 픽 커터에는 암석과의 상호작용에 의한 세 방향의 커터작용력, 즉 절삭력(cutting force), 수직력(normal force), 측력(side force)가 발생하는데(Fig. 1), 이 커터작용력은 기계굴착장비의 추력, 토크, 동력과 같은 핵심사양을 결정하고 굴착장비의 운용조건을 최적화시키는데 중요한 설계변수가 된다(Jeong et al., 2016). 대상 암반에 대한 절삭도구의 작용력을 측정하고 절삭효율을 평가하여 설계변수를 획득하기 위한 방법으로 선형절삭시험이 일반적으로 사용되고 있다. 선형절삭시험은 실제 절삭도구를 장착하여 설계변수를 직접적으로 획득하는데 실용적이나 시험의 수행에는 상당한 시간과 비용이 소요되는 단점이 있다. 이러한 현실적인 한계를 극복하고자 기계굴착장비의 제작사에서는 축적된 데이터베이스를 바탕으로 자체적인 예측, 설계모델을 보유하고 있으나 이러한 모델들은 일반적으로 공개되지 않고 있다.

Fig. 1.

Three dimensional cutter forces act on a pick cutter

국내 기계굴착장비의 제작경험과 관련기술은 해외 선진 기관에 비교하여 부족한 실정이다. 현재까지 국내에서 수행된 연구를 살펴보면 Jeong and Jeon (2016)은 픽 커터에 의한 암석의 절삭과정을 3차원 수치해석을 통해 모사하여 다양한 강도를 가지는 암석에 대한 커터작용력을 산정하는 연구를 수행하였고, Choi et al. (2014a, 2014b)은 로드헤더에 사용되는 픽 커터를 사용하여 시멘트 모르타르에 대한 선형절삭시험을 수행하여 skew angle과 attack angle의 변화에 따른 픽 커터의 절삭성능 변화양상을 보고하였다. 또한 Choi et al. (2015)은 픽 커터의 선단부에 삽입되는 삽입재의 변화에 따른 픽 커터의 절삭성능 변화를 관찰하였고, Choi et al. (2016)은 로드헤더에 국산 픽 커터를 장착하여 그 절삭성능을 현장실험을 통하여 평가하였다. 한편 Kang et al. (2016)은 1축 로드셀을 이용한 소형선형절삭장비를 제작하여 픽 커터의 작용력을 측정하는 연구를 수행하여 일련의 결과를 보고한 바 있다. Jeong and Jeon (2017)은 픽 커터를 이용한 선형절삭시험으로부터 생성된 파쇄 암편의 크기분포와 절삭성능과의 관계를 실험적으로 분석하였다.

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 분석하였다.

2. 선형절삭시험

2.1 시험 장비

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).

Fig. 2.

The small scale linear cutting machine system

픽 커터는 별도로 제작되는 커터홀더에 끼워 로드셀(Fig. 3)에 연결되는 플레이트에 용접을 통해 결합하였고, 시험편의 위치는 제어박스에서 설정이 가능하도록 제작되었으며, 특히 시험편의 선형이동은 일정한 속도로 제어된다. 절삭 거리는 끝단효과(end effect)를 최소화하기 위하여 제어부에 설정된 길이만큼 자동으로 이동하게 되며, 절삭간격은 수동으로 조작하여 설정하고 픽 커터와 시험편의 위치와 픽 커터의 작용력은 제어부와 DAQ에 실시간으로 표시되고 저장된다(Fig. 3).

Fig. 3.

The load-cell, control panel and data acquisition system of LCM

2.2 시험편 및 절삭도구

본 연구에서는 선형절삭시험을 위하여 중국의 Linyi사암과 콘크리트을 시료로 선정하였다. Linyi사암은 중국의 동부에서 채취한 조립질 쇄설성 암석이며 콘크리트는 최대 25 mm 크기의 굵은 골재를 배합하여 양생하였다. 시험편의 크기는 300 mm×300 mm×200 mm (가로, 세로, 높이)의 크기로 제작하였고, Linyi사암과 콘크리트의 일축압축강도는 각각 64 MPa, 21 MPa이다. Linyi사암과 콘크리트의 역학적 특성은 Table 1, 2에 정리하였으며 콘크리트의 배합비는 Table 3에 정리하였다. 혼화재 1은 콘크리트의 강도 발현을 위해 사용되었고 혼화제 2는 양생시점이 겨울임을 고려하여 외부 온도에 따른 양생시간 조절을 위하여 혼합되었다.

Table 1. Mechanical properties of Linyi sandstone

*Schmidt hammer rebound and Shore hardness values were obtained by averaging the upper 10 values from 20 tests performed.

Table 2. Mechanical properties of the concrete

Table 3. Mixing ratio of the concrete

두 재료는 등방재질로 가정하였으며, Linyi사암은 균질한 암석을 나타내고 콘크리트는 불균질한 재료로 고려되었다. 사암의 경우 생성기원에 따라 이방성을 가지는 경우도 보고되고 있다. 하지만 Linyi사암을 사용한 선행연구(Yang and Jing, 2011; Kim and Jeon, 2016)에서는 Linyi사암의 이방성정도가 암석의 강도특성에 미칠 정도로 크지 않거나 혹은 무시할 수 있는 것으로 보고하고 있다. Fig. 4는 Linyi사암의 표면을 전자현미경을 이용하여 촬영한 이미지이다. 선행연구를 참고하여 Linyi사암의 이방성은 암석의 절삭특성에 영향을 미치지 않는 것으로 간주하고 실험결과를 분석하였다.

Fig. 4.

SEM images of Linyi sandstone at different magnifications: (a) x100 and (b) x500 (Kim and Jeon, 2016)

픽 커터는 Vermeer사에서 제조한 것으로 시험편의 강도를 고려하여 연암과 보통암에 일반적으로 적용되는 PN-735MB 모델을 사용하였다. 픽 커터의 개략적인 치수와 사진은 Fig. 5에 나타내었고, 커터의 길이는 85 mm이며 게이지부의 직경은 40 mm, 팁의 각도는 70°, 팁의 직경은 12 mm, 플렌지(flange)의 직경은 상부를 기준으로 30 mm, Shank의 직경은 18.5 mm이다.

Fig. 5.

A schematic diagram and photograph of a pick cutter used in this study

2.3 시험 방법

본 연구에서는 선행연구(Chang et al., 2012)를 참고하여 선행절삭(preconditioning)을 수행한 후 실험을 수행하였다. 선행절삭은 압입깊이 3 mm, 커터간격 10 mm를 적용하여 수행하였으며 선행절삭 전후의 시험편의 사진은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6.

The rock specimen (a) before and (b) after preconditioning

절삭 도중 발생하는 3방향 커터 작용력(절삭력, 수직력, 측력)은 로드셀을 통해 실시간으로 측정하였으며, 절삭과정에서 발생한 커터작용력의 최대값()과 평균값()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 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., 2008) 널리 사용되어 왔으며, 암편의 회수과정에서 발생할 수 있는 손실량을 감안하더라도 부피 측정에 있어 가장 직관적이고 다른 기법들에 비해 정확한 결과를 제공하는 장점이 있다.

2.4 선형절삭시험 변수 설정

픽 커터가 암석을 절삭할 때 고려할 수 있는 변수들은 Fig. 7에서 설명하는 바와 같다. 본 연구에서는 skew angle ()을 0°, 그리고 attack angle ()을 45°로 고정시킨 후, 압입깊이(penetration depth, )와 커터간격(cutter spacing, )만을 변화시켜가며 커터작용력 및 커터작용력들의 비, 그리고 비에너지(specific energy, )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. 그 외 시험결과에 영향을 줄 수 있다고 판단되는 절삭속도(10 mm/s), 절삭거리(220~250 mm), 절삭선의 개수(5개)는 고정시킨 채로 시험을 수행하였다.

Fig. 7.

Definition of the parameters between rock and pick cutter (modified from Bilgin et al., 2013)

3. 시험 결과

3.1 커터작용력

선형절삭시험에서는 세 방향의 커터작용력(절삭력, 수직력, 측력)이 측정되며 Fig. 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. 또한 본 연구에서 skew angle은 일괄적으로 0°로 적용하였기 때문에 측력은 픽 커터의 절삭성능에 미치는 영향이 없는 것으로 가정하고 결과를 분석하였다. Linyi사암과 콘크리트를 대상으로 측정된 커터 작용력은 절삭조건과 함께 Table 4와 5에 정리하였다.

Fig. 8.

The representative cutter forces in LCM test

Table 4. The testing conditions and the cutting results for the Linyi sandstone

Table 5. The testing conditions and the cutting results for the concrete

Fig. 9와 10은 Linyi사암을 대상으로 수행한 시험에서 측정된 평균 커터작용력(절삭력, 수직력)과 s/p비의 관계를 보여준다. 평균절삭력()과 평균수직력() 모두 커터간격과 압입깊이가 증가함에 따라 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 콘크리트의 경우에도 Linyi사암의 결과와 같이 커터간격이 증가함에 따라 모든 압입깊이에서 커터작용력이 증가하는 경향을 보이고, 같은 커터간격에서는 압입깊이가 증가함에 따라서 커터 작용력이 증가하는 경향을 보여준다(Fig. 11, 12).

Fig. 9.

Effect of s/p ratio on the mean cutting force (Linyi sandstone, = 45°and = 0°)

Fig. 10.

Effect of the s/p ratio on the mean normal force (Linyi sandstone, = 45° and = 0°)

Fig. 11.

The effect of the cutter spacing on the mean normal force (concrete, = 45° and = 0°)

Fig. 12.

The effect of the cutter spacing on the mean normal force (concrete, = 45° and = 0°)

한편 현재까지 픽 커터의 커터작용력 산출을 위한 이론적인 모델에서는 암석의 최대강도(인장강도, 전단강도)를 변수로 하였기 때문에(Nishimatsu, 1972; Evans, 1984; Goktan, 1990; Roxborough and Liu, 1995)최대 커터작용력의 산출만이 가능하다. 따라서 평균작용력과 최대작용력간의 상관관계를 실험을 통해 경험적으로 규명할 수 있다면, 이론모델의 실무 적용성을 높일 수 있다. 선형절삭시험을 이용한 선행연구(Bilgin et al., 2006; Choi et al., 2014a)에서 이 비율(최대작용력/평균작용력)은 3~4의 범위를 갖는 것으로 보고하고 있다. 하지만 본 연구에서 Linyi사암과 콘크리트에 대한 비율이 각각 절삭력과 수직력에 대하여 2.28~2.41과 3.28~3.30으로 도출되었다(Fig. 13, 14). 콘크리트의 경우에 Linyi사암보다 큰 값을 가지는데, 이는 콘크리트에 포함된 골재의 영향인 것으로 판단된다. 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.

Fig. 13.

The relationship between the peak cutter force and mean cutter force for Linyi sandstone ( = 45° and = 0°)

Fig. 14.

The relationship between the peak cutter force and mean cutter force for concrete ( = 45° and = 0°)

절삭도중에 발생하는 최대 커터작용력과 평균 커터작용력의 비율은 장비와 커터헤드에서 발생하는 진동(혹은 충격)의 정도와 이에 따른 장비 손상(혹은 마모)을 평가할 수 있는 지표로 고려될 수 있다. 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.

Fig. 15는 Linyi사암에 대하여 다양한 절삭조건에서의 절삭력과 수직력의 비(절삭계수, cutting coefficient)를 도시한 것이며, 절삭계수는 식 (1)과 같이 계산된다. 절삭력과 앞서 언급한 커터작용력 산정을 위한 이론모델에서는 최대 커터 절삭력(cutting force)만이 고려된다. 따라서 절삭계수는 이론모델을 통해 산출되는 절삭력으로부터 수직력을 산정하는데 사용될 수 있고, 커터작용력과 장비의 사양을 추정하는데 중요한 설계변수로 활용된다.

 (1)

Fig. 15.

The cutting coefficients for the mean and peak forces (Linyi sandstone, = 45° and = 0°)

최대작용력과 평균작용력에 대하여 이 비는 Linyi사암의 경우에 각각 0.88, 0.92로 도출되었으며, 이 경우에 절삭력과 수직력을 고려한 픽 커터의 합력의 방향(식 (2)에 따라 계산)은 평균적으로 47°로 산출된다. 한편 콘크리트의 경우에는 Fig. 16에서 산출된 것과 같이 모든 절삭조건에서 평균적으로 1.33의 값을 보이며, 이에 따른 픽 커터의 합력방향은 37°로 산출된다. 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.

Fig. 16.

The relationship between the cutting force and normal force (concrete, = 45° and = 0°)

Fig. 17과 Table 6은 Linyi사암과 콘크리트에서 커터작용력의 합력(resultant force, ) 방향과 attack angle간의 상관관계를 보여주고 있다. Linyi사암의 경우에는 attack angle과 합력의 방향이 비교적 일치하는 경향을 보여주고 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. 픽 커터와 커터홀더 그리고 장비와의 결합부에 걸리는 굽힘력(bending force)를 최소화 할 수 있기 때문이다. 반면 콘크리트의 경우 이 각도는 최적의 각도와 크게 상이하여 기계적 안정성을 저하시킬 수 있는 각도가 될 수 있다.

Fig. 17.

The bending force acts on the pick cutter according to the attack angle and the direction of the resultant force

Table 6. The difference between the attack angle and direction of resultant angle in two specimens

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. 선행연구에서는 일반적인 attack angle의 범위가 경암에서는 55°, 연암에서는 40~45°인 것으로 보고하고 있다(Choi et al., 2014b).

3.2 비에너지 및 최적 절삭조건

비에너지(specific energy)를 통해 정의되는 최적절삭조건은 최소한의 에너지로 암석을 최대한 많이 절삭할 수 있는 절삭조건이다. 통상적으로 s/p비(혹은 커터간격)와 비에너지의 관계를 도시한 후 최소의 비에너지를 보이는 점을 최적 절삭조건으로 정의한다. 본 연구에서 암석의 선형절삭시험을 통해 측정된 절삭조건 별 비에너지는 Table 7과 8에 정리하였다. 절삭 후 회수된 암석의 무게를 이용해 계산된 비에너지(식 (3))를 “measured specific energy”, 근사계산법에 의해 추정된 비에너지(식 (4))를 “calculated specific energy”로 나타내었다.

Table 7. The measured and calculated specific energy for Linyi sandstone

*The “M” and “C” specific energies mean “measured specific energy” and “calculated specific energy”, and were calculated using the cut rock volume obtained from weighing method and approximation calculation method, respectively.

Table 8. The measured and calculated specific energies for concrete

*The “M” and “C” specific energie mean “measured specific energy” and “calculated specific energy”, and were calculated using the cut rock volume obtained from weighing method and approximation calculation method, respectively.

여기서, 는 비에너지, 는 평균 커터 절삭력, 은 절삭 길이, 는 절삭부피이다.

Fig. 18은 Linyi사암에서의 압입깊이 별 s/p비에 따른 비에너지의 변화양상을 나타낸다. 여기서 비에너지는 암편 무게 측정으로부터 얻는 계산된 비에너지를 의미한다. 최적절삭조건은 일반적으로 비에너지의 최소점 근방에서 정의되며, 선행연구(Copur et al., 2011, Bilgin et al., 2013)에서는 픽 커터의 최적 s/p비의 범위는 1~5로 나타나는 것으로 보고하고 있다.

Fig. 18.

The relationship between s/p ratio and specific energy (Linyi sandstone, = 45° and = 0°)

Linyi사암에서 최적 s/p비는 압입깊이 5 mm에서 4로 나타났으며, 다른 압입깊이에서는 3으로 도출되었다. 전반적인 비에너지는 압입깊이가 늘어남에 따라 감소하고 최적 s/p비는 압입깊이에 따라 점차적으로 감소하는 경향을 보인다. 콘크리트 또한 Fig. 19에 나타난 것과 같이 최적 s/p비가 약 2~4 (커터간격 20~25 mm)의 범위 내에서 도출되었으며 압입깊이가 증가함에 따라 비에너지에가 감소하는 경향은 Linyi사암과 유사하였다.

Fig. 19.

The effect of cut spacing on the specific energy and optimum cut spacing at the different penetration depth (concrete, = 45° and = 0°)

한편 근사계산법을 통해 추정된 비에너지 사용하여 최적 절삭조건을 찾기는 어려웠다. 일부 절삭조건에서는 측정된 비에너지와 유사한 경향을 보이기도 하였지만 대부분의 경우에서 비에너지를 과소평가하거나 과대평가하는 결과를 도출하였다. 따라서 최적절삭간격의 도출을 위해서 파쇄 암석의 부피를 정확하게 측정하는 것이 중요하다는 것을 시사한다.

4. 결과 분석

콘크리트 시험편에서 픽 커터의 평균작용력은 Linyi사암에 비해 작은 값을 보이고, 이것은 기존연구를 통해 잘 알려진 바와 같이 재료의 강도 차이에 기인한 것으로 판단할 수 있다. Fig. 20에는 두 재료 간의 개략적인 비교를 위하여 평균 커터작용력을 압입깊이와의 관계를 통해 도시하였다.

Fig. 20.

The comparison of the mean cutter force between Linyi sandstone (L) and concrete (C)

반면 최대 작용력의 경우에는 동일한 압입깊이에서 콘크리트와 Linyi사암 간의 차이가 거의 없다는 것을 알 수 있다(Fig. 21). 이는 픽 커터의 최대작용력과 평균작용력의 비는 재료의 강도에 지배적인 영향을 받기보다는 재료의 구성 물질에 따른 절삭특성(취성/연성)과 취성도 등에 더 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 평균작용력이 낮게 산정이 된다 하더라도 상기 언급한 특성에 따라 최대 커터 작용력을 고려하여 장비의 안정성을 평가하는 것이 필요하며, 또한 장비의 추력, 토크 등의 운용조건(최대 사양대비 운용조건)을 결정하는데 참고사항이 될 수 있다. 기존 문헌들의 결과를 참고하여 볼 때 평균작용력 대비 최대작용력의 비는 2~4의 범위 내에서 평가 할 수 있을 것으로 보이나 향후 다양한 암석을 대상으로 한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 21.

The comparison of the peak cutter force between Linyi sandstone (L) and concrete (C)

마찬가지로 픽 커터의 절삭력과 수직력의 비(절삭계수) 또한 암석의 특성에 영향을 받는 것으로 판단된다. 물리적 의미를 고려할 시 절삭계수는 암석과 픽 커터 사이의 마찰계수와 관계있으므로 주어진 절삭조건에 따른 픽 커터와 암석 간의 접촉면적, 그리고 암석표면의 거칠기 정도, 암석의 구성물질의 특성 등이 절삭계수에 영향을 미칠 수 있다. 또한 절삭계수는 암석에 따라 다른 값을 보이지만 한 가지 암석을 대상으로 한 실험에서는 압입깊이나 커터간격에 영향을 받지 않는 것으로 보인다.

한편 Fig. 22에는 두 재료의 비에너지와 압입깊이와의 관계를 도시하였다. 그 결과 비에너지는 대상 암석의 강도에 비례하는 것으로 분석되었고, 선행연구(Bilgin et al., 2006)에서 보고된 경향과 유사하다. 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. 암석의 강도에 따른 비에너지의 감소경향에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 판단되었고, 본 연구에서 고려된 압입깊이에서는 장비의 사양이 허용되는 한 압입깊이를 증가시키는 것이 굴착효율 측면에서도 유리하다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 22.

The difference of specific energy between Linyi sandstone and concrete

또한 압입깊이의 증가에 따라 비에너지는 점점 감소하는 경향을 보이다가 수렴하는 현상이 관찰되었다. 이러한 결과는 몇몇 선행연구(Chang et al., 2006; Cho, 2010)에서 보고한 최적 압입깊이와 관련이 있다. 일정한 커터간격에서 압입깊이를 계속 증가시키면 비에너지의 변곡점이 관찰이 된다는 것인데, 본 연구에서 적용된 압입깊이의 범위에서는 비에너지가 수렴하는 현상만이 관찰이 되었기 때문에 최적 압입깊이를 규명하기는 어려웠다.

5. 결 론

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.

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.

최대 커터작용력의 경우에는, Linyi사암과 콘크리트에서 유사한 값이 측정되었다. 이에 따라 최대 커터작용력과 평균 커터작용력의 비율은 Linyi사암(2.3)보다 콘크리트(3.3)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.

마찬가지로 절삭력과 수직력의 비율(절삭계수) 또한 암석과 픽 커터 사이의 마찰특성과 암석을 구성하는 물질의 특성에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 같은 attack angle을 적용하였음에도 Linyi사암과 콘크리트의 절삭계수는 각각 0.9와 1.3으로 도출되었다. 이 때 커터작용력의 합력방향은 각각 47°, 37°로 산출된다. 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, 절삭계수는 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.

Linyi사암과 콘크리트에 대하여 최적 s/p비는 각각 3~4, 2~4 범위 내에서 도출되었다. 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.

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.