1. 서 론
2. 시험조건 및 시험방법
2.1 선형절삭시험
2.2 적외선 열화상 측정
3. 암석의 선형절삭시험에 의한 픽커터 작용력과 발생 온도 분석
3.1 커터 작용력과 발생 온도의 분포
3.2 커터 작용력과 발생 온도의 상관관계
4. 결 론
1. 서 론
암반 굴착 장비인 로드헤더(roadheader)와 컨티뉴어스 마이너(continuous miner)에는 소모성 암반 절삭도구로서 픽커터(pick cutter)가 사용된다. 픽커터는 TBM (Tunnel Boring Machine)에 사용되는 회전식 디스크커터(disc cutter)와는 굴착 메커니즘과 구성이 매우 상이하다.
픽커터가 장착되는 커팅헤드(cutting head)의 설계(Cho et al., 2023, Eyyuboglu et al., 2005, Hekimoglu et al., 1991), 절삭 대상 암석 조건에 따라 픽커터의 절삭력을 추정하기 위한 연구(Bilgin et al., 2006, Choi et al., 2016, Choi et al., 2014a, b, Hekimoglu and Ozdemir, 2004, Kim et al., 2022, Shahabedin et al., 2018) 등에 대한 연구는 비교적 활발히 진행되고 있으나, 픽커터의 형상변수 추정에 대한 통계적 연구사례(Chang et al., 2023)를 제외하고는 픽커터 자체의 설계와 제작에 대한 연구는 매우 부족한 상황이다. 특히, 픽커터의 설계와 제작은 각 제작사별로 자체적인 노하우와 기술을 활용하여 이루어지고 있는 것이 현실이다.
픽커터는 크게 텅스텐 카바이드 삽입재(tungsten carbide insert), 헤드부(head) 및 샤프트(shaft)로 구성된다. 텅스텐 카바이드 삽입재는 매우 높은 수준의 내마모성 재료로서 암반과 계속 접촉하며 큰 응력을 받는 부분이다. 반면, 픽커터의 헤드부와 샤프트는 열처리된 강재로 제작되며 텅스텐 카바이드 삽입재를 지지하고 커터 박스(box 또는 holder)를 보호하는 역할을 한다(Chang, 2015). 따라서 픽커터의 성능은 텅스텐 카바이드 삽입재의 특성과 손실 최소화에 크게 좌우된다고 볼 수 있다. 하지만 아직까지 암석 절삭 과정 시에 텅스텐 카바이드의 손실이나 손상에 대한 연구결과가 제시되어 있지 않다.
픽커터에 의한 암석 절삭 과정은 동적 파괴 과정으로서, 3축 로드셀(loadcell)에 의한 픽커터의 작용력 측정을 제외하고는 접촉식 센서나 장치에 의해 별도의 측정을 실시하는 것이 매우 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 적외선 열화상 측정방법(Infrared thermography, IRT)에 의해 암석 절삭 과정 중에 픽커터에 발생하는 온도를 실시간으로 측정함으로써, 픽커터에 의한 암석 절삭 특성과 텅스텐 카바이드 삽입재의 손상 여부를 간접적으로 파악하고자 하였다.
적외선 열화상 측정방법은 측정 대상 물체의 특성과 결함을 파악하기 위하여 다양한 공학 분야에 활용되고 있다. 특히, 토목이나 광업 분야에서도 암반의 불연속면과 암교(rock bridge)의 특성화(Guerin et al., 2019), 그라운드 앵커(ground anchor)의 잔류 응력 추정(Min et al., 2023), 암반 사면의 안정성 평가(Wua et al., 2005) 등을 위해 적외선 열화상 측정방법이 적용되고 있다. TBM에 사용되는 디스크커터의 선형절삭시험(linear cutting test) 시에 커터에 발생하는 온도를 측정하기 위해서도 적외선 열화상 측정방법이 적용된 사례가 있다(Choi et al., 2013).
물체에서 발생하는 열은 복사(radiation), 대류(convection), 전도(conduction)에 따라 달라지나, 이 중 복사가 열에너지 확산에 가장 큰 영향을 끼친다(Min et al., 2023). 특히, 복사 에너지는 물체의 온도와 관련이 높기 때문에 복사 에너지를 측정하여 대상 물체의 온도를 파악할 수 있다. 따라서 열화상 측정방법에서는 물체의 복사 에너지를 측정하고 온도로 환산하여 이를 영상(image)으로 산출한다(Han and Park, 2008). 열에너지는 0.7-1000 μm 범위의 파장에서 -273°C(0 K) 이상의 온도 조건을 가진 모든 물체에서 방출되기 때문에(Min et al., 2023), 다양한 재료와 구조물의 특성과 결함을 비파괴적으로 찾아내는데 열화상 측정방법을 적용할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 픽커터의 선형절삭시험 시에 적외선 열화상 측정방법을 적용하여 픽커터와 절삭 대상 암석에 발생하는 온도를 측정함으로써, 픽커터의 절삭 과정 중에 발생하는 온도 특성을 파악하고 픽커터 작용력과의 상관관계를 조사하여 향후 픽커터의 설계ㆍ제작 개선을 위한 기초 자료를 제시하는 것을 목표로 설정하였다.
2. 시험조건 및 시험방법
2.1 선형절삭시험
본 연구에서 수행된 픽커터의 선형절삭시험에 사용된 암석은 마천화강암으로서 평균 일축압축강도는 110.7 MPa로 측정되었다. 암석 블럭을 300 × 300 × 300 mm로 가공하여 선형절삭시험에 사용하였다.
선형절삭시험 시에는 텅스텐 카바이드 삽입재의 폭(W)이 22 mm 및 25 mm인 두 가지 종류의 픽커터를 사용하였다(Fig. 1). 픽커터의 간격(line spacing, S)은 시험 대상 암석의 일축압축강도를 고려하여 스웨덴 SANDVIK사의 MT720 로드헤더 장비를 기준으로 설정하여 16 mm로 고정하였다(Jung et al., 2023). 픽커터의 관입깊이(P)는 기존 유사 연구결과들(Balci and Bilgin, 2007, Balci et al., 2004, Su and Akcin, 2011)을 참고하여 2 mm, 4 mm 및 6 mm로 설정하여 시험을 실시하였다.
픽커터의 받음각(attack angle)은 역시 기존 사례(Rostami, 2013)를 참고하여 경암 조건에서 일반적으로 적용되는 55°로 설정하였고, 암석면에 직각인 축과 픽커터의 중심축 사이의 각도인 사각(skew angle)은 0°로 고정하였다. 본 연구에 사용된 선형절삭시험 장비에는 절삭 과정 중에 발생하는 픽커터의 3차원 커터작용력을 측정하기 위한 로드셀이 설치되어 있으며, 로드셀의 측정 허용하중은 각 축별로 200 kN(20 tonf)이다. 3차원 세 방향으로의 움직임은 전기모터에 의해 서보제어된다. 암석 절삭면에 대해 사전절삭(pre-conditioning)을 수행하여 실제 현장 조건과 유사하게 픽커터에 의해 일정한 손상이 가해진 상태의 절삭면을 형성한 후에 본 절삭시험을 수행하였다(Fig. 2). 사전절삭 시에는 픽커터의 관입깊이와 절삭간격을 각각 2 mm 및 10 mm로 적용하여 2회 수행하였다. 또한 모든 시험조건에서 픽커터의 절삭속도는 1000 mm/min로 동일한 값을 적용하였다.
이상과 같이 두 가지 종류의 픽커터와 세 가지의 픽커터 관입깊이 조건별로 15~17회의 절삭시험을 실시하여, 총 98회의 절삭 과정에 대해 픽커터 작용력과 적외선 열화상에 의한 온도 측정 결과를 획득하였다.
2.2 적외선 열화상 측정
표면 온도의 측정에 의해 대상 물체의 상태를 평가하기 위한 적외선 열화상 측정방법의 장점을 정리하면 다음과 같다(Clark et al., 2003).
•원격 측정(remote sensing): 측정 장비와 조사 대상 물체 사이에 직접적인 접촉이 필요하지 않다. 장치와 물체 간의 거리도 수 mm에서 수 km까지 가능하므로 잠재적인 위험 영역을 식별하기 위한 측정이 가능하다. 또한 외부 조명이 필요하지 않으므로 주·야간에 모두 작동이 가능하다.
•대규모 모니터링 능력(large monitoring capacity): 적외선 열화상 측정 시에는 한 장면 내 여러 지점의 온도를 동시에 모니터링할 수 있다.
•가시성(visibility): 열 복사(thermal radiation)는 가시광선보다 연기와 안개를 더 잘 투과할 수 있기 때문에 시각적으로 가려진 물체도 감지할 수 있다.
•측정 범위(Range of measurement): 열화상 카메라 장치의 렌즈 조리개를 변경하고 다양한 필터를 도입하여 시스템의 감도와 열 복사에 대한 반응을 환경에 맞게 변경할 수 있다.
•빠른 응답 속도(Fast response rate): 급격한 온도 변화를 감지하고 모니터링할 수 있다.
•휴대성(portability): 열화상 측정장비를 가볍고 쉽게 운반할 수 있다.
•손쉬운 데이터 조작(easy data manipulation): 기록된 데이터는 개인용 컴퓨터(PC)에서 모니터링하고 처리할 수 있다.
본 연구에서는 이상과 같은 특징을 가진 적외선 열화상 측정 카메라를 사용하여 픽커터에 의한 암석 절삭 과정 시에 발생하는 온도를 측정하였다. 본 연구에서 사용된 열화상 카메라는 FLIR사의 T420 모델로서 다음의 Table 1과 같은 사양을 가진다.
Table 1.
Main specifications of the infrared thermal image camera used in this study
| Features | Specifications |
| Sensitivity | < 0.04°C @ 30°C |
| Accuracy | ± 2% |
| Resolution | 320×240 pixels (Max. 640×480 pixels) |
| Temperature range | -20°C ~ 650°C |
| Spectral range | 7.5 ~ 13 μm |
외기 온도로 인한 영향을 최소화하고자, 밀폐된 실험실 공간에서 에어컨디셔너에 의해 실내 온도를 20°C로 일정하게 유지하며 시험을 실시하였다. 이와 같은 조건의 선형절삭시험 중에 적외선 열화상 카메라에 의한 온도 측정장면은 Fig. 3과 같다. 이때 자동적으로 측정되는 최대 온도 지점(Fig. 4의 붉은색 원)과 더불어서 텅스텐 카바이드 삽입재의 끝(tip)을 추가적으로 측정 지점(Fig. 4의 흰색 원)으로 설정하여 온도 측정을 실시하였다.
3. 암석의 선형절삭시험에 의한 픽커터 작용력과 발생 온도 분석
3.1 커터 작용력과 발생 온도의 분포
적외선 열화상 카메라는 연속적인 동영상을 기록하기 때문에 데이터 분석을 위해 매 1초마다 동영상 화면을 캡쳐하여 최대 발생 온도와 픽커터 tip에서의 발생온도를 저장하였다. 또한 본 연구에서는 커터 작용력의 3차원 성분 가운데, 가장 대표적이고 값이 가장 큰 연직 작용력(normal force)을 분석 대상으로 설정하였다.
절삭거리별로 측정된 커터 연직 작용력과 발생온도의 경향의 예는 Fig. 5와 같다. 모든 시험 조건에서 최대 온도는 픽커터의 절삭에 의해 치핑(chipping)이 발생하는 암석에서 측정되었고, 픽커터 tip에서의 발생 온도는 상대적으로 낮게 측정되었다. 그러나 Fig. 5의 결과는 매 1초마다 발생온도를 저장하여 도시한 것으로서 정확한 비교가 어렵기 때문에, 각각의 절삭 라인(cutting line) 시험에서 얻어진 최대 작용력과 평균 작용력을 산정하고 암석과 픽커터 tip에서 발생한 각각의 최대 온도와 평균 온도를 정리하여 비교 분석을 실시하였다.
총 98회의 절삭시험에서 얻어진 최대 연직 작용력의 평균값은 텅스텐 카바이드 삽입재의 폭과 커터의 관입깊이가 증가할수록 커지는 경향을 나타내긴 하였으나, 결과들의 분포가 상당 부분 중첩되는 것을 알 수 있다(Fig. 6(a)). 이는 치핑에 의한 픽커터의 암석 파괴 메커니즘 때문으로서, 인접한 절삭 라인 사이에서 지속적이고 매끈한 치핑이 발생하는 것이 아니라 이전 절삭단계에서 남아 있는 암선(ridge)이 클 경우에는 큰 작용력이 발생하고 반대인 경우에는 작용력이 작게 측정되기 때문이다. 특히, 본 연구에서와 같이 일반적인 절삭 시험에 적용되는 커터 관입깊이의 차이는 수 mm로서 치핑의 크기 영향을 상쇄할 만큼 충분히 크지 않다. 평균 연직 작용력의 경우에는 분포의 중첩이나 범위가 더욱 다양하고 크게 나타났다(Fig. 6(b)). 이에 따른 암석의 최대 온도와 커터 tip의 최대 온도도 삽입재의 폭이 크고 관입깊이가 증가할수록 평균값은 증가하는 경향을 나타내나 분포의 중첩 경향이 상당히 큰 것으로 나타났다(Fig. 7).
따라서 로드헤더 장비의 설계나 굴진성능 예측을 위해 선형절삭시험 결과를 활용할 경우에는 최대값 또는 평균값과 같은 단일값(single value)을 사용하기 보다는 본 연구에서 분석한 결과와 같이 작용력의 발생 분포를 고려하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
3.2 커터 작용력과 발생 온도의 상관관계
총 98회의 절삭 시험에서 얻어진 최대 연직 작용력(Fpeak), 평균 연직 작용력(Fmean), 암석의 최대 온도(Tmax_rock), 커터 tip에서의 최대 온도(Tmax_tip), 암석의 평균 온도(Tavg_rock) 및 커터 tip에서의 평균 온도(Tavg_tip) 결과들에 대한 산점도(scatter plot)를 도시한 결과는 Fig. 8과 같다. 전체적으로 커터 tip의 최대 및 평균 온도 측정결과들은 나머지 변수들과의 상관관계가 뚜렷하지 않은 것으로 나타났다.
이를 구체적으로 살펴보면, 픽커터의 최대 연직 작용력과 평균 연직 작용력은 상관계수 R이 0.88로서 매우 밀접한 상관관계를 나타내었으며(Fig. 9), 최대 연직 작용력과 암석의 최대 및 평균 온도의 상관관계도 양호한 것으로 분석되었다(Fig. 10 및 Fig. 11). 즉, 최대 연직 작용력이 클 경우에는 이에 비례하여 치핑으로 인해 발생하는 암석의 온도가 증가하였음을 알 수 있다. 이로 인해 암석에 발생한 최대 및 평균 온도 사이의 상관계수는 0.91로서 매우 선형적인 양(+)의 상관관계를 나타내었다(Fig. 12). 픽커터의 평균 연직 작용력과 발생 온도의 상관관계도 최대 연직 작용력의 경우와 유사하게 나타났다(Fig. 13 및 Fig. 14).
반면, 연직 작용력과 커터 tip의 최대 및 평균 발생 온도 사이에는 뚜렷한 상관관계가 나타나지 않았는데(Fig. 10, Fig. 11, Fig. 13 및 Fig. 14 참조), 이는 본 연구에서 측정된 커터 tip의 최대 온도와 평균 온도는 각각 25~56°C 및 24~33°C의 범위에 존재하며 분산도 크게 나타났기 때문이다. 즉, 일정하게 유지된 실내 온도 20°C 대비 평균 4~13°C 및 최대 36°C의 온도 상승만이 발생하였다. 커터 tip에서 발생한 최대 온도와 평균 온도 사이에도 양(+)의 상관관계는 보이지만 분산이 큰 관계로 양호한 상관관계로는 볼 수 없다(Fig. 15).
커터 발생온도가 높지 않은 이유는 절삭 거리 300 mm의 암석 블록에 대한 시험으로서 절삭 거리 자체가 길지 않은 원인도 있지만, 픽커터의 절삭 메커니즘과 열전도율(thermal conductivity) 특성에 의한 것으로 사료된다. 앞서 설명한 바와 같이 픽커터에 의해 암석면으로부터 암석 파편(chip)들이 분리될 때, 암석 치핑에 상대적으로 높은 에너지가 소요되기 때문에 암석면에서 순간적으로 높은 온도가 측정된 것이다(Fig. 16). 또한 암석의 열전도율은 0.4~7.0 W/m·K 범위에 해당하는데 반해(Labus and Labus, 2018), 텅스텐 카바이드의 열전도율은 입자 크기와 코발트(cobalt) 함량에 따라 다소 차이는 있지만 약 100~140 W/m·K(Wang et al., 2015)로서 암석보다 약 20배 이상의 값을 가진다. 또한 재료의 열전도율이 높을수록 열이 쉽게 방열되어 온도는 빨리 떨어지고 짧은 시간 내에 다시 균일한 온도로 변화되는 것으로 보고되고 있다(Han and Park, 2008). 따라서 이러한 물리적 특성으로 인해, 픽커터의 절삭 과정 중에 텅스텐 카바이드 삽입재에 발생하는 온도는 대기 온도 대비 약 4~36°C만 상승하고 빠른 시간 내에 대기 온도로 유지되는 것을 관찰할 수 있었다. 단, 앞서 기술한 바와 같이, 본 실험결과는 짧은 절삭거리의 실험실 조건에서 얻어진 결과로서 향후 실제 굴착현장에서의 온도 발생 경향을 파악해볼 필요가 있다.
픽커터의 적외선 열화상 촬영 결과에서 특징적인 또 다른 현상은 절대적인 온도가 높지는 않았지만 절삭 과정 중에 텅스텐 카바이드 삽입재에 상대적으로 높은 온도가 유지된다는 점이다. 반면, 픽커터의 헤드부나 샤프트에는 특징적인 온도 상승이 관찰되지 않는다(Fig. 17). 일반적으로 픽커터에 사용되는 텅스텐 카바이드는 경도(HRC, Rockwell Hardness measured on the C scale)가 약 65 이상으로서 높은 경도를 가지고 있지만, 카바이드 삽입재는 픽커터의 헤드부 안쪽에 음각으로 형성된 부분(Fig. 1 참조)에 삽입되고 은납(silver brazing) 작업을 통해 굳혀지는 공정으로 제작된다. 즉, 삽입재 자체는 충분한 경도를 가지고 있더라도 픽커터 헤드부와 삽입재의 연결 부위가 취약하다면 삽입재의 탈락이나 손상이 발생할 가능성이 높음을 알 수 있다. 따라서 본 실험결과로부터 픽커터의 주요 구성 부위 중에서 삽입재에 상대적으로 높은 온도, 즉 높은 응력이 지속적으로 작용하기 때문에, 은납 공정의 품질을 높게 유지하거나 삽입재와 헤드부 사이에 보강을 실시하여 삽입재의 탈락과 손상을 방지하는 것이 픽커터의 성능을 개선할 수 있는 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 로드헤더와 컨티뉴어스마이너와 같은 자유단면굴착기에 사용되는 절삭 도구인 픽커터의 선형절삭시험을 실시하고, 적외선 열화상 카메라를 통해 측정된 발생 온도와 픽커터 작용력과의 상관관계를 분석하였다.
분석 결과, 모든 실험 조건에서 최대 온도는 픽커터의 절삭에 의해 치핑이 발생하는 암석면에서 측정되었고, 암석의 최대 및 평균 온도는 픽커터의 작용력과 밀접한 상관관계를 가지는 것으로 분석되었다. 따라서 적외선 열화상 측정 등을 통해 암석 절삭 시의 발생 온도를 측정할 수 있는 경우, 픽커터 작용력의 추정이 가능한 것으로 나타났다.
반면, 절삭 과정 중에 픽커터의 tip에서 발생하는 온도는 대기 온도 대비 최대 상승 36°C 이하로서 상대적으로 낮게 나타났다. 전체적으로 픽커터의 최대 온도는 25~56°C 범위에 존재하여 온도의 급격한 상승이 두드러지지 않고 커터 작용력과의 상관관계도 암석의 발생 온도 경향과 비교할 때 뚜렷하지 않았다. 이는 실험실 조건에서 수행된 짧은 절삭 거리 조건도 영향이 있겠지만, 픽커터에 사용되는 텅스텐 카바이드 삽입재의 높은 열전도 특성 때문인 것으로 사료된다. 즉, 높은 파괴 에너지가 소모되는 암석의 치핑 현상과 비교할 때, 열전도율이 높은 텅스텐 카바이드 삽입재에서는 절삭 중에 순간적으로 온도가 다소 증가한 후에 빠른 시간 내에 대기 온도로 유지되는 경향을 나타내었다. 단, 적외선 열화상 측정 결과, 픽커터의 주요 부위 중에 텅스텐 카바이드 삽입재에 상대적으로 높은 온도가 유지되는 것으로 관찰되어, 픽커터 절삭 성능의 유지를 위해서는 취약 부위가 될 수 있는 삽입재와 헤드부 사이에 보강을 실시하거나 픽커터의 제작 시에 삽입재와 헤드부의 결합을 위해 사용되는 은납 공정의 품질을 향상시키는 것이 필요할 것으로 판단된다.
픽커터의 작용력은 텅스텐 카바이드 삽입재의 폭과 커터의 관입깊이가 증가할수록 평균적으로 커지는 경향을 나타내긴 하였으나, 작용력 측정결과들의 분포가 상당 부분 중첩되는 것을 확인하였다. 이는 절삭과정에서 형상되는 불규칙한 암선과 절삭면의 거칠기에 의한 것으로서, 수 mm 차이의 관입깊이 조건은 치핑의 크기 영향을 배제할 수 있을 정도로 충분히 크지 않다고 할 수 있다. 따라서 픽커터를 사용하는 굴착 장비의 설계나 굴진성능 예측을 위해 선형절삭시험 결과를 활용할 경우에는 평균값과 같은 단일값을 사용하기 보다는 최대값을 사용하거나 작용력의 분포를 고려하는 것이 보수적인 측면에서 유리할 것으로 사료된다.
실험실 조건과 달리 실제 현장에서는 각각의 픽커터에 발생하는 작용력을 측정하기 어렵기 때문에, 본 연구에서 얻어진 결과를 활용하여 절삭 대상 암석에 발생하는 온도로부터 픽커터의 작용력과 취약 부위를 추정할 수 있을 것이다. 그러나 이상의 결과는 일정한 온도 조건의 실험실에서 얻어진 것으로서, 향후 실제 굴착 현장에서의 반복적인 커터 절삭 과정, 내부 온도, 유입수 조건 등을 고려한 보정과 적용성 평가에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.
