1. 서 론
2. 선형절삭시험장비
2.1 선형절삭시험장비
2.2 픽커터의 선정과 설치
3. 시험체 제작 및 시험방법
3.1 시험체 제작
3.2 시험조건 및 방법
4. 시험결과
4.1 최적 절삭조건
4.2 커터간격의 영향
4.3 커터관입깊이의 영향
4.4 평균 커터작용력과 최대 커터작용력의 관계
5. 결 론
1. 서 론
도심지에서 발파굴착과 개착공사의 제약으로 인하여 해외에서는 TBM (Tunnel Boring Machine)을 적용하기 어려운 터널을 중심으로 자유단면 굴착기 또는 부분단면 굴착기(partial-face machine)로 불리는 로드헤더(roadheader)에 의한 기계굴착 시공사례가 증가하고 있다. 로드헤더는 장비 전방에 장착된 커팅헤드(cutting head)에 다수의 픽커터(pick cutter)를 배열하여 회전시킴으로써 암반 또는 콘크리트를 굴착하는 장비이다. 로드헤더의 커팅헤드는 회전방향에 따라 붐의 방향과 커팅헤드 중심축 방향이 일치하는 종방향(axial) 커팅헤드와 직교하는 횡방향(transverse) 커팅헤드로 구분된다. 횡방향 커팅헤드는 일반적으로 종방향 커팅헤드에 비해 높은 강도의 암반을 굴착하는데 유리하다.
TBM의 디스크커터와 마찬가지로 픽커터는 일정한 깊이(cutting depth)만큼 암반 내로 관입되어 절삭하며, 이때 픽커터 선단에는 연직력(normal force), 절삭력(cutting force), 암반과의 마찰에 의한 구동력(side force)이 발생하게 된다. 이와 같은 커터 작용력은 커팅헤드의 소요 추력, 토크 및 동력을 산출하는데 반드시 필요하다(Balci et al., 2004; Copur et al., 2011). 현재 픽커터에 작용하는 커터 작용력을 측정하는 방법은 선형절삭시험이 가장 대표적이지만 선형절삭시험의 수행은 시험체 채취와 시간 및 비용적으로 어려움이 많기 때문에 로드헤더 커팅헤드 제작사에서는 축적된 노하우를 기반으로 자체적인 설계모델을 보유하고 있다. 그러나 이러한 설계모델들은 공개되어 있지 않다.
픽커터는 래디얼타입(radial picks or drag bits)과 포인트어택타입(conical picks or point attack picks)으로 구분할 수 있다. 그러나 현재는 대부분의 경우 모든 암반강도에 적용가능한 포인트어택타입(이후 코니컬커터로 명명)이 사용되고 있다.
코니컬커터는 암반이 약할 경우 두부가 좁은 형태를 사용하여 관입성능을 높이는 반면, 경암에서는 큰 충격에 대한 저항성과 내구성을 확보할 수 있도록 두부와 삽입재의 폭이 넓은 것을 사용한다. 코니컬커터의 구성을 살펴보면, 암반과 접촉하여 큰 응력을 받는 텅스텐 카바이드 삽입재(insert)와 카바이드 삽입재가 삽입되는 두부(head), 두부와 연결되어 홀더(holder)에 삽입되는 샤프트(shaft)가 있다. 텅스텐 카바이드 삽입재는 매우 높은 수준의 내마모성 재료이고 커팅헤드의 회전에 의해 발생하는 암반과의 충격에 견딜 수 있을 만큼 인성이 커야 한다. 두부와 샤프트는 열처리된 강재로 제작되며, 텅스텐 카바이드 삽입재가 암반을 절삭하는 동안 이를 지지하고 하부의 홀더를 보호하는 역할을 한다.
우리나라에서는 로드헤더 커팅헤드의 적용실적이 미미하고 관련된 기술 역시 전무한 상황이다. 본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드 설계의 기본 사항인 절삭조건에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보는 기초 연구를 진행하기 위하여 연암 및 보통암을 대상으로 하는 슬림 코니컬커터를 사용하여 선형절삭시험을 수행하였다.
2. 선형절삭시험장비
2.1 선형절삭시험장비
로드헤더 커팅헤드에 부착되는 픽커터의 절삭성능을 평가하는 방법은 선정된 암석에 대해 커터관입깊이와 커터간격을 달리하면서 각 조건에서의 커터작용력을 측정한다는 점에서 TBM 디스크커터의 그것과 동일하다. 다만 디스크커터에 비해 커터에 작용하는 커터작용력과 커터간격이 상대적으로 작은 점에서 차이가 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 한국건설기술연구원에서 보유한 선형절삭시험장비에 코니컬커터를 설치하여 선형절삭시험을 수행하였다. 이 장비는 디스크커터의 선형절삭시험을 위해 제작되었기 때문에 프레임의 반력 및 시험체의 이동 추력면에서 코니컬커터에 대한 시험을 수행하는데 문제가 없을 것으로 예상되었다. 또한 시험체의 이동이 1 mm 간격으로 조정되므로 커터 간격을 설정하는데 에서도 무리가 없는 것으로 판단되었다.
2.2 픽커터의 선정과 설치
일반적으로 픽커터는 래디얼타입과 포인트어택타입으로 구분할 수 있다(Fig. 2 and 3). 래디얼픽커터는 사용초기에는 커터작용력의 크기, 마모의 정도, 먼지의 발생정도에 있어 코니컬커터에 비해 효과적이지만, 사용함에 따라 그 결과가 반대로 나타나는 것으로 알려져 있다(Hurt and Evans, 1981; Fowell and OCHEI, 1984; Kim et al., 2012). 즉 픽커터가 마모되어 교체될 때까지 사용하는 동안 코니컬커터가 래디얼픽커터에 비해 평균적인 커터작용력이 더 작게 나타나고, 내마모성이 높으며, 먼지가 덜 발생한다는 의미이다. 따라서 현재 로드헤더나 연속채굴기(continuous miner)에는 코니컬커터가 더 광범위하게 사용되고 있다(Goktan and Gunes, 2005).
픽커터는 장비의 절삭능력과 픽커터의 마찰에 대한 저항성 등을 고려할 때 압축강도 100 MPa 이하인 연암조건에서 효과적인 것으로 알려져 있다(Park et al., 2013). 코니컬커터는 일반적으로 Fig. 4와 같이 굴착대상암반의 강도가 높을수록 텅스텐카바이드로 만들어진 커터 팁(tungsten carbide tip)과 커터 팁이 삽입되는 두부(head) 그리고 홀더(holder)에 삽입되는 샤프트(shaft)의 직경이 두꺼워진다. 본 연구에서는 연암(low strength) 또는 보통암(medium strength)을 대상으로 하는 Fig. 5와 같은 슬림(slim)한 형상을 가진 코니컬커터를 사용하였고, 형상에 대한 제원은 Table 1과 같다.
픽커터는 디스크커터와 달리 Fig. 6과 같이 암석의 절삭면과 픽커터의 축사이에 일정한 각도를 가진다. 이 각도를 받음각(attack angle, ϕ)이라 하며, 경암 조건에서의 받음각(55°)이 연암 조건에서 받음각(40 ～45°)보다 더 큰 것으로 알려져 있다(Rostami, 2013). 본 연구에서는 연암과 보통암 조건을 상정하여 받음각을 45°와 50°로 설정하여 선형절삭실험을 수행하였다.
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Fig. 6. Cutting geometry of conical picks |
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Fig. 7. Conical pick with 45-degree attack angle |
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Fig. 8. Conical pick with 50-degree attack angle |
Table 1. Dimensions of the conical pick | ||||
Model | Cutter tip Diameter (mm) | Cutter tip angle (°) | Shank Diameter (mm) | Length (mm) |
U73 | 9 | 70 | 25 | 129 |
선형절삭실험에서 받음각을 모사하기 위하여 Fig. 7, Fig. 8과 같이 코니컬커터를 홀더에 삽입･고정시킨 후 선형절삭시험장비와 커터를 연결하는 철판과 홀더를 용접하면서 받음각을 조정하였다. Fig. 9는 받음각이 모사된 코니컬 커터와 홀더가 선형절삭시험장비에 설치된 모습이다. 선형절삭시험동안 Fig. 6과 같이 커터에 작용하는 3방향의 커터작용력인 연직력(normal force), 절삭력(cutting force and drag force), 구동력(driving force)이 상부의 3방향 로드셀에 의해 측정된다.
3. 시험체 제작 및 시험방법
3.1 시험체 제작
Table 2. Composition of non-shinkage mortar | |||||||
Cement | Sand | Dispercing agent | Expansion agent | Strength agent | Accelerator | +α | |
Content (%) | 41 | 42.95 | 1.0 | 5.0 | 5.0 | 0.05 | 5.0 |
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., 2013, 2014). 본 연구에서 대상으로 하는 암석은 연암 또는 보통암 조건이기 때문에 선형절삭시험을 수행할 만한 무결암을 구하는 것이 매우 어렵다. 따라서 압축강도를 조절할 수 있고 요구되는 시험체 크기로 제작하기 위하여 무수축모르타르를 이용하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 Fig. 10과 같이 선형절삭시험장비의 시험체 설치박스에 넣고 시험체와 설치박스 사이에 모르타르를 채워 넣어 구속하였다. 시험체의 일축압축강도를 측정한 결과는 66 MPa이며, 배합조건은 Table 2와 같다.
3.2 시험조건 및 방법
픽커터의 선형절삭시험에서의 시험변수는 커터의 종류, 커터관입깊이(depth of cut, d), 커터간격(cutter spacing, S), 받음각(attack angle, ϕ), 사각(skew angle)이 있다. 본 연구에서는 커터관입깊이, 커터간격, 받음각의 변화에 따른 커터작용력을 측정하였다. 시험조건은 다음의 Table 3, Table 4와 같다. 받음각이 45°인 경우에서는 다양한 S/d비에 따른 결과를 살펴보고자 하였고, 받음각이 50°인 경우에서는 커터간격이 12, 27 mm인 경우에 대해 받음각에 따른 차이를 알아보고자 하였다.
선형절삭시험은 모르타르시험체가 구속되어 있는 시험체 설치박스를 선형절삭시험장비에 설치한 다음, 받음각이 조정되어 있는 코니컬커터와 3축 로드셀을 시험체 상부에 설치한다. 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.
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. 그러나 절삭깊이가 깊어짐에 따라 코니컬커터의 커터 팁 외의 부분이 시험체에 접촉되기 때문에 깊이에 따라 절삭선의 개수는 달리 하였다. 최외측 절삭선은 인접한 커터 절삭에 의한 상호작용의 영향이 작기 때문에 중앙부의 3～5번 절삭선의 결과를 이용하였다(Choi et al., 2013).
4. 시험결과
모르타르시험체에 대한 선형절삭시험을 수행한 결과로 얻어진 코니컬커터의 절삭거리에 따른 커터작용력의 변화는 Fig. 11과 같다. 커터작용력의 크기는 연직력(Fig. 11a), 절삭력(Fig. 11b), 구동력(Fig. 11c) 순으로 나타났으며, 하나의 절삭선이 형성된 후 일정 간격을 두고 다음 절삭작업에 의해 발생되는 절삭선의 상호작용과 시험체 표면의 요철에 의해 커터작용력의 변화가 절삭거리에 따라 크게 변화하였다. 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).
4.1 최적 절삭조건
픽커터에 의한 최적의 절삭조건은 최소의 에너지로 최대의 절삭효과를 얻을 수 있는 조건을 의미한다. 선형절삭시험결과로부터 서로 다른 절삭조건에 대한 최소의 에너지를 찾기 위해서는 S/d비(커터관입깊이에 대한 커터간격의 비)와 비에너지(specific energy, SE)의 관계가 주로 사용된다. 비에너지는 선형절삭시험조건과 결과로부터 식 (1)에 의해 산정될 수 있다. 이 수식은 선형절삭시험에 의해 한 절삭선과 다음 절삭선 사이의 시험재료의 손실이 시험조건으로 계산된 절삭부피(절삭깊이×절삭간격×절삭거리)만큼 나타난다고 가정한다. 이 방법은 절삭간격 사이에서의 상호작용이 잘 이루어지는 경우에는 선형절삭시험 후 절삭부피를 측정하는 작업 없이 비에너지를 계산할 수 있어 효과적이지만, 커터간격이 넓어서 절삭간격 사이에서의 상호작용이 나타나지 않거나 부족할 경우 비에너지를 과소평가할 수 있다.
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(a) Normal force | (b) Cutting force |
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(c) Driving force | |
Fig. 11. An example of conical pick acting forces obtained from a linear cutting test (Attack angle 45°) | |
Fig. 12는 받음각이 45°와 50°일 때 S/d비에 따른 비에너지의 변화를 도시한 것이다. S/d비에 따른 비에너지는 받음각이 50°인 경우가 45°인 경우에 비해 낮게 나타났다. 받음각이 50°로 같은 경우에서는 커터간격이 12 mm인 경우의 비에너지가 커터간격이 27 mm인 경우보다 더 작게 나타났다. 커터간격이 27 mm인 경우의 선형절삭시험 후 표면에서 절삭간격사이의 상호작용이 부족하게 나타난 점을 고려할 때, 커터간격이 12 mm인 경우(S/d비가 1.3)가 최적의 절삭조건인 것으로 판단된다. 받음각과 커터간격에 상관없이 실험결과 전체에서 S/d비가 작아질수록 비에너지는 작아지는 경향을 보였다. 문헌에 따르면 픽커터의 최적 S/d비는 1～5로 알려져 있다(Asbury et al., 2002; Copur et al., 2011). 또한 Asbury et al.(2002)은 픽커터에 의해 암석이 절삭된다는 조건 하에서 절삭간격이 넓을수록 효율이 더 높아짐, 즉 비에너지가 감소함을 보고하였다.
Fig. 13은 받음각이 45°와 50°일 때 커터관입깊이에 따른 비에너지의 변화를 도시한 것이다. 커터관입깊이에 따른 비에너지는 받음각이 50°인 경우가 45°인 경우에 비해 낮게 나타났으며, 커터관입깊이가 증가함에 따라 비에너지는 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 사실은 절삭깊이가 증가함에 따라 절삭효율이 증가함을 의미한다. 가장 낮은 비에너지는 받음각이 50°, 커터간격이 12 mm, 커터관입깊이가 9 mm인 조건에서 나타났다.
Fig. 14와 Fig. 15는 각각 받음각이 45°와 50°일 때 S/d비에 따른 연직력과 절삭력의 변화를 도시한 것이다. Fig. 12와 Fig. 13에서의 결과와 마찬가지로 받음각이 50°인 경우의 연직력과 절삭력의 평균값이 받음각이 45°인 경우에 비해 낮게 나타났으며, 최소의 평균 연직력과 평균 절삭력 역시 받음각이 50°이고 커터간격이 12 mm인 경우에서 나타났다. 또한 S/d비의 변화에 따른 평균 연직력과 평균 절삭력의 변화도 받음각이 50°이고 커터간격이 12 mm인 경우에서 가장 작았다. 이것은 커터간격이 12 mm인 경우에서는 절삭깊이를 달리 해도 커터작용력의 변화가 작기 때문에 커팅헤드에 유사한 작용력이 전달되므로 설계 시 추력과 동력범위의 선정에 더 효과적이라고 생각할 수 있다.
Specific energy =
cutting force
(1)
penetration·cutting spacing
4.2 커터간격의 영향
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Fig. 16. Variation in mean normal force at different cutter spacings | Fig. 17. Variation in mean cutting force at different cutter spacings |
코니컬 커터의 절삭간격에 따른 커터작용력의 변화를 파악하기 위해 Fig. 16, Fig. 17과 같이 받음각이 45°와 50°일 때 커터간격에 따른 평균 연직력과 평균 절삭력의 변화를 도시하였다. 받음각이 45°이고 커터관입깊이가 3 mm인 경우에서 커터간격이 9 mm, 12 mm일 때를 제외하면 커터간격이 증가함에 따라 코니컬커터의 평균 연직력과 평균 절삭력은 증가하는 경향을 나타냈다. 커터간격이 9 mm, 12 mm인 경우도 반복적인 선형절삭시험의 결과를 평균한 결과인 점과 그 차이가 크지 않다는 점을 고려할 때 경향파악의 관점에서 무리가 없는 것으로 판단된다. 또한 커터간격이 증가한다는 것은 커터가 절삭해야 할 암석의 부피가 커짐을 의미하므로 커터작용력이 커지는 것이 적합하다.
절삭간격에 따른 평균 커터작용력의 변화 결과에서는 받음각이 50°인 경우가 받음각이 45°인 경우에 비해 평균 커터작용력이 작게 나타나 시험체 절삭에 더 효과적임을 알 수 있었고 최소의 평균 연직력과 절삭력은 커터관입깊이가 3, 6 mm인 경우인 것으로 나타났다.
4.3 커터관입깊이의 영향
Fig. 18과 Fig. 19는 받음각과 절삭깊이에 따른 평균 연직력과 평균 절삭력의 변화를 도시한 것이다. 받음각이 50°인 경우가 45°인 경우에 비해 낮은 평균 연직력과 평균 절삭력을 나타냈다. 절삭깊이가 깊어짐에 따라 평균 연직력과 평균 절삭력은 증가하는 경향을 보였으나, 최적 절삭조건인 받음각이 50°, 커터간격이 12 mm, 커터관입깊이가 9 mm인 조건에서는 평균 연직력과 평균 절삭력이 감소하였다. 로드헤더 커팅헤드의 설계 시에는 절삭깊이가 깊어질수록 커터작용력이 커지기 때문에 커팅헤드의 추력, 토크, 동력 등 장비능력의 향상이 필요하다. 따라서 픽커터와 커팅헤드의 최대 용량을 넘지 않으면서 최대의 절삭효율을 얻기 위해서는 최적 절삭깊이를 결정하는 것이 매우 중요하다.
Asbury et al.(2002)는 평균 연직력에 대한 평균 절삭력의 비(Fc/Fn)가 암석의 종류와 조직구성, 커터의 형상, 받음각, 커터관입깊이에 따라 변한다고 하였으며, 그 범위가 0.5～1.0이라고 하였다. 본 연구에서는 Fc/Fn가 Fig. 20과 같이 0.66～0.82로 나타났다. 받음각이 50°인 경우에서는 절삭깊이에 따른 Fc/Fn의 변화가 일정하였으나, 받음각이 45°인 경우에서는 절삭깊이에 따라 Fc/Fn가 증가하는 경향을 보였다. 즉 커터의 관입이 깊어질수록 평균 절삭력의 비중이 커짐을 알 수 있다. 이것은 로드헤더 커팅헤드의 설계 시 절삭깊이를 증가시킬 경우 절삭력이 입력자료로 사용되는 토크와 동력 용량을 유의하여 설계해야 함을 의미한다. 그리고 절삭간격이 좁을수록 Fc/Fn가 감소하는 경향을 보였다.
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Fig. 18. Variation in mean normal force at different penetration depths |
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Fig. 19. Variation in mean cutting force at different penetration depths |
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Fig. 20. Variation in mean cutting force to mean normal force ratios at different penetration depths |
4.4 평균 커터작용력과 최대 커터작용력의 관계
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Fig. 21. Relationship between peak normal force and mean normal force | Fig. 22. Relationship between peak cutting force and mean cutting force |
코니컬커터의 평균 연직력과 최대 연직력, 평균 절삭력과 최대 절삭력의 관계는 각각 Fig. 21, Fig. 22와 같다. 평균 연직력과 평균 절삭력이 증가함에 따라 최대 연직력과 최대 절삭력이 선형적으로 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, 회귀식은 식 (2), 식 (3)과 같다. 이 회귀식으로 부터 최대 커터작용력은 평균 커터작용력의 약 4배 정도임을 알 수 있었다.
(
normalforce) (2)
(
cuttingforce) (3)
여기서 
는 최대 커터작용력 그리고 
은 평균 커터작용력이다.
5. 결 론
본 연구에서는 모르타르시험체를 대상으로 받음각이 45°와 50°이고 S/d비가 1.3～12사이인 시험조건에 대해 슬림 코니컬커터를 사용하여 선형절삭시험을 수행하여 시험동안 발생하는 커터작용력을 측정하였다.
커터작용력의 크기는 연직력, 절삭력, 구동력의 순으로 나타났으며, 절삭거리에 따라 커터작용력의 변동이 크게 나타나기 때문에 시험결과를 분석하고 그 결과를 로드헤더 커팅헤드 설계에 이용하기 위해서는 평균값을 이용하는 것이 필요하다.
선형절삭시험의 기본적인 목적은 최적의 절삭조건을 찾아서 그 때 발생하는 커터작용력을 커팅헤드 설계에 적용하기 위함이다. 본 연구에서는 S/d비와 비에너지의 관계, 관입깊이와 비에너지의 관계, S/d비와 커터작용력의 관계로부터 모르타르시험체에 대한 최적의 절삭조건은 받음각 50°, 커터간격 12 mm, 커터관입깊이 9 mm인 것으로 파악하였다.
받음각이 50°인 경우가 45°인 경우에 비해 모든 시험결과에서 비에너지와 커터작용력이 작게 나타났으므로 모르타르시험체와 유사한 강도의 암석에 대해서는 받음각을 50°로 설정하는 것이 장비설계 및 굴착작업의 효율 증대에 적합한 것으로 판단된다.
커터관입깊이가 증가함에 따라 비에너지는 감소하는 경향, 즉 절삭효율이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 커터관입깊이의 증가는 커터작용력이 증가하도록 하여 커팅헤드의 추력, 토크, 동력 등 장비사양의 향상이 필요할 수 있으므로 장비의 최대용량과 절삭효율을 고려하여 최적의 커터관입깊이를 선정하는 것이 필요하다.
커터간격의 증가는 커터가 절삭해야 할 암석의 부피가 커짐을 의미하기 때문에 커터작용력이 더불어 증가하였다. 최적의 절삭간격은 앞서 말한 여러 가지 관계로부터 선정할 수 있지만, S/d비에 따른 평균 커터작용력의 변화가 가장 작은 조건을 고려할 수 있다.
평균 연직력에 대한 평균 절삭력의 비는 받음각이 50°인 경우에서는 일정했으나, 45°인 경우는 커터관입깊이가 증가함에 따라 평균 절삭력의 비중이 커지는 것으로 나타났다. 이 말은 커팅헤드 설계 시 절삭깊이를 증가시킬 경우 절삭력이 입력자료로 사용되는 장비사양 설계 시 유의해야 함을 보여주기도 하지만, 커터관입깊이에 상관없이 일정한 받음각이 50°인 경우가 장비사양 설계를 위해서 더 효과적임을 알려준다.
