N hwp

Size: px

Start display at page:

Download "N hwp"

보영 사
5 years ago
Views:

1 J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 17(4) (2015) eissn: pissn: 현장적용디스크커터의내부부품분석 배규진 1 ㆍ최순욱 2 * ㆍ장수호 3 ㆍ이규필 4 ㆍ송봉찬 5 ㆍ김갑부 6 1 정회원, 한국건설기술연구원지반연구소선임연구위원 2 정회원, 한국건설기술연구원지반연구소전임연구원 3 정회원, 한국건설기술연구원지반연구소연구위원 4 정회원, 한국건설기술연구원지반연구소수석연구원 5 비회원, 진성티이씨차장 6 비회원, 진성티이씨전무 Analysis of inner parts in the disc cutters applied to the field tests Gyu-Jin Bae 1, Soon-Wook Choi 2 *, Soo-Ho Chang 3, Gyu-Phil Lee 4, Bong-Chan Song 5, Kab-Boo Kim 6 1 Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Senior Research Fellow 2 Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Researcher 3 Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Research Fellow 4 Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Senior Researcher 5 JINSUNG T.E.C., Inc., Deputy General Manager 6 JINSUNG T.E.C., Inc., Senior Managing Director ABSTRACT: The problems for non-rotating of a disc cutter proceed from the faults in inner parts of the disc cutter such as the leak of hydraulic fluid, the intrusion of tunnel mucks and water, overloading, overheating, poor assembly and substandard material. The rotating of a disc cutter is an indicator to show that the inner parts of disc cutter is operable, although the rotational torque depends on the extent of the damage. Therefore, the key in the problems for non-rotating of disc cutter is to maintain that the tapered roller bearings are working properly. This study aims to investigate the inner parts disassembled from disc cutters applied to the field tests in order to help decision for reuse of the disc cutters. As results, surface finishing to remove the scratch on the load zone of the hubs is needed, with the intent to reuse a hub. And the investigation of lapping surface by optical microscope of floating seals and the contamination test of oil need to be performed for reuse of a disc cutter. Especially, the analysis results show that the floating seals play a key role in the normal operation of bearings. There is nothing significant to report in the rest parts such as bearing, shaft, seal retainers. Keywords: Disc cutter, Inner parts, Bearing, Floating seals 초록 : 디스크커터내부부품의손상과관련된원인은씰 (seal) 부의손상으로인한윤활유부족, 토사및수분의침투, 과부하, 과열, 조립문제, 소재문제등이있으며손상정도에따라디스크커터의작동여부, 즉회전이가능한지가나타난다. 따라서디스크커터회전문제에서의핵심은베어링의작동여부라고할수있다. 본연구는 TBM 의굴착도구인디스크커터의재활용에도움이되고자현장적용된디스크커터를회수한후분해하여내부부품을조사하고분석하였다. 그결과, 허브의부하영역에서의스크래치는재활용을위해가공작업이필요한것으로나타났으며, 플로팅씰의래핑면과오일상태는재활용을위한성능파악에필요한시험으로판단되었다. 특히플로팅씰은베어링의정상작동여부에중요한영향을미치는부품으로파악되었다. 그외의베어링, 샤프트, 씰리테이너에서는특이사항이없는것으로나타났다. 주요어 : 디스크커터, 내부부품, 베어링, 플로팅씰 *Corresponding author: Soon-Wook Choi soonugi@kict.re.kr Received July 1, 2015; Revised July 15, 2015; Accepted July 21, 2015 Copyright c2015, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 1. 서론 TBM (Tunnel Boring Machine) 제작및시공기술의발달에따라국내 외 TBM터널건설현장에서는극경암 (420 MPa 까지 ) 또는복합지반과같은굴착이어려운지반조건과고온, 고수압과같은극한환경에서작업이이루어지는경우가많아졌다 (Roby et al., 2008). 디스크커터 (disc cutter) 는 TBM현장의이러한극한조건의최전방에놓여있으므로이를고려하기위하여고성능 ( 고강도, 고수명 ) 화되고있다. 디스크커터는외관상으로지반과직접맞닿는커터링 (cutter ring) 과커터링이설치된허브 (Hub), 그리고디스크커터가커터헤드에고정되는샤프트 (shaft) 로파악할수있다. 더자세히내부를살펴보면커터링이링의형상을유지하면서지속적으로암반을파괴할수있도록재하상태에서회전이이루어지도록하는베어링 (bearing) 과베어링이디스크커터의회전중에도허브안에서원활하게작동하도록외부의토사및수분을단절시키는플로팅씰 (floating seal), 그리고디스크커터의옆면을보호하는씰리테이너 (seal retainer 또는 cover) 가디스크커터의주요부품이라고할수있다 (Herrenknecht, 2007). 커터링은암반을압쇄하여주변에인장및전단파괴를일으킴으로써암석을절삭하는부품으로디스크커터에서가장중요한부품의하나이다. 커터링의형상은 V-shape 타입과 CCS (Constant Cross Section) 타입이있으나현재는지속적으로유사한절삭력을유지하는데유리한 CCS (Constant Cross Section) 타입의커터가주로이용되고있다 (Balci and Tumac, 2012). 암반절삭중디스크커터를살펴보면, 커터헤드부에추력이작용하면커터헤드의각디스크커터는암반과맞닿아연직력이작용하게되며, 이때커터헤드의회전에의해각디스크커터역시회전하면서암반을절삭하게된다. 암반과맞닿은커터링에많게는수십톤의연직력이작용하는상태에서회전이일어나는조건은건설장비중에서극한조건에해당되며, 이러한회전을가능하게해주는테이퍼롤러베어링 (tapered roller bearing) 은디스크커터의가장비싼부품이다. 위와같은재하상태에서커터링과커터링이고정된허브의회전불능은커터링의한쪽면이암반면에계속마모되어편마모를일으키는원인이된다. 이러한회전불능은커터헤드의디스크커터설치용하우징 (housing) 과허브사이의끼임으로발생할수도있지만, 플로팅씰부에서의문제로인해디스크커터내부에토사및수분이유입되어베어링의기능저하또는회전불능됨에따라발생할수있다. 본연구에서는연구를통해개발된고성능디스크커터를현장에적용한후, 회수된디스크커터에대해서평가및분석등이상대적으로많이이루어진커터링보다는디스크커터의내부부품들의성능유지여부와재활용여부등에중점을두고확인해보고자현장적용디스크커터를회수하여내부를분해한다음, 각부품을조사및분석하였다. 2. 디스크커터 2.1 디스크커터의크기및형상디스크커터는허브에설치되는커터링의개수와설치방법에따라싱글디스크커터 (single disc cutter), 더블디스크커터 (double disc cutter), 트윈디스크커터 (twin disc cutter), 트리플 (triple disc cutter) 등으로구분한다 (Fig. 1). 한개의샤프트에다수의커터링이부착된형태는커터간격을확보하기어려운센터커터 (center cutter) 에많이사용되며, 더블디스크커터와트윈디스크커터는커터간격에의해디스크커터배치가어려울경우에페이스커터부에서도사용한다. 디스크커터의용량은베어링의최대하중용량에의해좌우된다. 베어링의최대하중용량은베어링의크기가커질수록높아지기때문에디스크커터는가능하면큰직경을사용하는것이디스크커터의내구성을 474

3 현장적용디스크커터의내부부품분석 Table 1. Diameter, weight and ring width of Herrenknecht disc cutter (Herrenknecht, 2007) (a) Single disc cutter (b) Twin disc cutter Diameter Weight (kg) Cutter tip width (mm) 483 mm (19", single) , mm (17", single) , 19, mm (14", single) 95, 85, 78 19, mm (12", single) mm (17", twin) 277, , 16, 19, mm (17", double) 161 (monoblock) mm (14", double) mm (12", double) 69, mm (11", double) mm (10", double) mm (8", double) 디스크커터의구성 (c) Double disc cutter (monoblock) Fig. 1. Shapes of disc cutters 높이는데유리하다. 그러나커터헤드상에서디스크커터의최적간격이있고최적간격으로배치하였을때디스크커터의배치문제, 그리고디스크커터의가격적인문제로인해상황에맞는적절한디스크커터를사용하게된다. 철도나도로터널에사용되는디스크커터의크기는일반적으로 355 mm(14 인치 ) 에서 483 mm(19 인치 ) 이고커터링의폭은 mm이다. 반면, 소구경공동구터널에사용되는디스크커터의크기는 203 mm(8인치 ) 에서 432 mm(17인치 ) 이다. 앞서말한바와같이가능하면큰직경의커터를사용하는것이유리하나, 상대적으로소구경터널의커터헤드에서는디스크커터배치를위한공간이부족하다는한계가있다 (Table 1). Fig. 2는 432 mm(17인치 ) 직경을가진디스크커터의부품구성도와부품들이다. 커터링의형상과재질은절삭효율과관입깊이에영향을미치는요소이다. 커터링의형상은 Fig. 3과같이 V-shape 타입과 CCS 타입이있지만, V-shape 커터의경우초기에는좋은굴착성능을보이는반면, 마모가진행됨에따라급격한굴착성능의저하를보이기때문에현재는 CCS 커터가표준으로사용되고있다 (Cigla et al. 2001). 베어링 (tapered roller bearing) 은커터링만큼이나디스크커터에서중요한부품이다. 고수압조건에서는베어링이원활하게작동하도록디스크커터내에외부유입수가들어오지못하도록하는플로팅씰 (floating seal) 의성능이중요하며, 복합지반조건에서는베어링의정확한 preloading이중요하다. 고성능 (high quality) 의베어링을사용하면암석압축강도 350 MPa까지대응가능한것으로보고되고있으며, 일반적인 (standard) 베어링을적용하면암석압축강도 100 MPa 까지대응이가능한것으로알려져있다. Table 2는 TBM이점점더강한암반에대해적용됨 475

배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 (a) V-Shape (b) CCS Fig. 3.

, 2008) Diameter (mm) Load (kn) Year Introduced 279 mm (11") 85 1961 305 mm

(c) Main components of the disc cutter Fig. 2.

279 mm 직경에서 85 kn이었던정격하중이현재최대디스크커터직경인 508 mm 직경에서 312 kn까지증가하였다.

(2008) 은베어링의지지하중 (cutter bearing load capacity) 에대한디스크커터의정격하중 (cutter load

씰 (seal) 은자동차, 항공기등의탈것을비롯해서건설기계, 석유화학플랜트, 가전제품등다양한기계의밀봉장치로서사용된다.

4 배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 (a) V-Shape (b) CCS Fig. 3. Shapes of cutter ring (a) Disc cutter(432 mm) (b) Diagram of the disc cutter parts Table 2. Load ratings and introduced years depending on cutter diameters (Roby et al., 2008) Diameter (mm) Load (kn) Year Introduced 279 mm (11") mm (12") mm (13") mm (14") mm (15.5") mm (16.25") mm (17") mm (19") mm (20") (c) Main components of the disc cutter Fig. 2. Disc cutter parts 에따라디스크커터의파괴에대응하기위해디스크커터의직경의증가, 즉정격하중 (load rating) 이증가됨을보여준다. 279 mm 직경에서 85 kn이었던정격하중이현재최대디스크커터직경인 508 mm 직경에서 312 kn까지증가하였다. Table 3은 432 mm직경디스크커터에일반적으로사용하는베어링의사양이다. Roby et al. (2008) 은베어링의지지하중 (cutter bearing load capacity) 에대한디스크커터의정격하중 (cutter load rating) 의비가 432 mm직경디스크커터의 경우 93%, 483 mm직경의경우는 84% 인것으로보고하였다. 씰 (seal) 은자동차, 항공기등의탈것을비롯해서건설기계, 석유화학플랜트, 가전제품등다양한기계의밀봉장치로서사용된다. 씰은작동원리, 형상, 재료등에따라여러가지로분류될수있지만, 특히움직임여부에따라운동용씰 ( 패킹 ; packing) 과고정용씰 ( 개스킷 ; gasket) 으로구분되고, 운동용씰은접촉식 ( 오일씰등 ) 과비접촉식씰 ( 자성유체씰등 ) 로분류한다. 여기서축봉장치라고불리는메커니컬씰 (mechanical seal) 은접촉식씰에속하며각종회전기계축봉부에사용되는대표적인밀봉장치이다. 디스크커터에적용되는플로팅씰은메커니컬씰의특수한형태로플로팅씰, 듀오콘씰 (Duo-Cone seal) 및토릭씰 (toric seal) 등으로불려진다. 플로팅씰은 Fig. 4와같이허브쪽과씰리테이너쪽에설치되는두개의금속링이축방향으로재하된상태로맞닿게한다음, 맞닿은접촉면에서윤활유에 476

Dimensions Load Ratings Bore O.D. Width Dynamic (1) Factors Dynamic (2) Factors Static (mm) (mm) (mm) C 1 (N) e Y C 90 (N) C a90 (N) K C 0 (N) 101.

(2) Based on 90 10 6 revolutions L 10 life, for the manufacturer life-calculation method. C 90 and Ca 90 are radial and thrust values.

Installation of floating seal 의한막 (film of lubricant) 에의해샤프트, 베어링, 씰리테이너가고정된상태로커터링과허브가회전할수있도록하는중요한부품이다.

해외디스크커터의허브와샤프트, 씰리테이너재료를조사한결과, 그재질이국내에서기계구조용합금강강재로사용하는 SCM440 과유사한성분으로구성되어있었다.

5 현장적용디스크커터의내부부품분석 Table 3. Load ratings of the most commonly used tapered roller bearing for disc cutter with a diameter of 432 mm in Korea (Timken, 2012) Bearing Dimensions Load Ratings Bore O.D. Width Dynamic (1) Factors Dynamic (2) Factors Static (mm) (mm) (mm) C 1 (N) e Y C 90 (N) C a90 (N) K C 0 (N) (1) Based on revolutions L 10 life, for the ISO life-calculation method. (2) Based on revolutions L 10 life, for the manufacturer life-calculation method. C 90 and Ca 90 are radial and thrust values. (a) Schematic diagram for installation of floating seal (b) Floating seal Fig. 4. Installation of floating seal 의한막 (film of lubricant) 에의해샤프트, 베어링, 씰리테이너가고정된상태로커터링과허브가회전할수있도록하는중요한부품이다. 플로팅씰과함께설치되는오링 (O-ring) 은외부의이물질을디스크커터내부로유입되지못하게하는역할을담당한다. Table 4는디스크커터에사용되는플로팅씰의일반적인사양이다. 해외디스크커터의허브와샤프트, 씰리테이너재료를조사한결과, 그재질이국내에서기계구조용합금강강재로사용하는 SCM440 과유사한성분으로구성되어있었다. 허브는외부에커터링과커터링을 고정시키는키 (key 또는 stopper) 가장착되며, 내부에는베어링, 플로팅씰, 오링, 샤프트등모든부품이설치되어본체와같은역할을한다. 씰리테이너는샤프트에끼워져플로팅씰과오링의설치를위한거치대역할을하며, 허브옆면에최종적으로설치되어내부부품을보호하는역할을담당한다. 샤프트는디스크커터를커터헤드에고정시키는데사용되고커터링, 허브, 베어링순으로이어지는디스크커터의모든커터작용력을지탱하는부품으로서모든디스크커터부품의지지대역할을한다. 샤프트 Table 4. Specification of floating seal Floating seal Material Usual temperature Hardness Flatness Roughness Seal ring Alloy cast iron - >HRC mm> 0.1Ra> O-ring Nitrile-Butadiene Rubber (NBR) C Hs65 ±

6 배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 의형상및크기는커터의크기와제조사에따라상이하다. 3. 디스크커터의손상 디스크커터는암반을굴착하기위해서 TBM의커터헤드전방에설치되므로디스크커터의마모또는고장은굴진율에매우큰영향을미친다. 현기창등 (2012) 은쉴드 TBM 터널의리스크를커터, 기계구속, 배토 ( 굴진 ), 세그먼트로분류하여분석하였고그결과, 가장큰리스크는커터의절삭량저하에따른굴진율저하이며, 이때커터의절삭량저하는커터의과도한마모와편마모그리고추력과회전력의부족이가장큰요인인것으로보고하였다. 디스크커터는커터링의마모가마모한계에도달하여교체하는경우가가장정상적이라할수있다. 그러나디스크커터는커터링의재료적인문제에의한손상, 즉내충격성의부족으로인한커터링의깨짐현상과내마모성부족으로인한급속한커터 링마모가발생할수있다. 또한베어링, 씰링, 조립등에서의문제로인해디스크커터의회전능력저하또는불능이발생하여커터링의편마모가나타날수있으며, 심할경우허브와베어링까지마모가되는손실이나타나게된다. Fig. 5와 Fig 6은디스크커터의회전문제에대한손상원인과커터링의깨짐현상에대한손상원인을정리한것이다. 본연구에서초점을맞추고있는내부부품과관련해서는 Fig. 5의원인들이주요한요인이되며, 씰링부의토사고착문제를제외하면회전문제에서의핵심은베어링의작동여부이다. 베어링손상의주요원인은 Fig. 5에서와같이씰 (seal) 부의손상으로인한윤활유부족또는토사및수분의침투, 과열 (overheating), 조립문제 ( 적절하지않은 preloading) 가있다. 과부하 (overloading) 는막장면에공동이있을경우에공동이없을경우와동일한추력이커터헤드에작용하면공동부의디스크커터가부담해야하는추력에의한반발력 ( 커터작용력 ) 을나머지디스크커터들이받게됨에따라나타날수있는문제다 (Fig. 5). Fig. 5. Causes of non-rotating of a disc cutter Fig. 6. Causes of impact resistance shortage in a cutter ring 478

7 현장적용디스크커터의내부부품분석 Fig. 7(a) 는손상된베어링의예이고 Fig. 7(b) 는인성부족과같은재료문제또는조립문제로인해커터링을고정하는키 (key or stopper) 가절단된예이다. Fig. 8은플로팅씰의선압저하또는오링의열화등으로인해디스크커터내부에토사또는물이유입된경우이다. Fig. 9는디스크커터설계및제작시조립공차부적합또는원소재자체의결함으로발생 (a) damaged bearing (b) broken key Fig. 7. Damages of bearing and key 될수있는손상을보여주며, Fig. 10은재활용이불가능한경우의플로팅씰을보여준다. 4. 현장적용디스크커터의내부부품분석 본연구에서는서론에서언급한바와같이현장적용디스크커터를대상으로커터링보다는허브와샤프트, 베어링, 플로팅씰과같은디스크커터의내부부품들의손상, 성능유지여부, 재활용여부등에중점을두고확인해보고자하였다. 사용된디스크커터를재활용하는방법은크게두가지로구분한다. 첫번째는마모된커터링을제거하고새로운커터링을설치한다음, 내부오일 ( 유압작동유 ) 을교환한후사용하는 re-ring방법이며, 두번째는디스크커터의모든부품을분해한다음, 부품의사용가능여부에따라재사용또는새제품을사용하여조 Mucks Water (a) Intrusion of mucks (b) Intrusion of water Fig. 8. Intrusion of foreign materials into a disc cutter (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 Damaged surface Fig. 9. Fault caused by unsuitable shrinkage fitting tolerance (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 (a) Chipping of surface (b) Excessive abrasion (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 10. Damages of floating seal Fig. 11. Disc cutters used for analysis of inner parts 479

배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 립하는 rebuild방법이다.

8 배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 립하는 rebuild방법이다. 당연히전자보다후자에비용이많이들기때문에지반조건또는운용상의문제로후자가많을경우프로젝트의비용이증가하게된다. 앞선 3절에서의 Fig. 7 Fig. 10까지와같은경우는 rebuild방법으로재활용하는경우에속한다. 허브및씰리테이너등이손상된경우와편마모가된경우는대부분 rebuild방법으로디스크커터를재활용하게되므로본연구에서는 re-ring방법이적용될것으로예상되는정상마모디스크커터를위주로내부부품분석을실시하였다. Fig. 11은본연구에서사용된현장적용후회수된디스크커터들이다. (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 4.1 허브, 샤프트, 씰리테이너 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 Fig. 12 Fig. 14는회수된디스크커터를분해하여얻은내부부품들 ( 허브, 샤프트, 씰리테이너 ) 이다. 회수된모든허브, 샤프트, 씰리테이너는모두기능및성능상에서는문제가없는것으로파악되었다. 그러나분해된부품의외관조사를통하여다음과같은사항들을예측해볼수있다. Fig. 12는각디스크커터의허브를촬영한사진이다. 사용시간에따라다르지만 Fig. 12(b,d,e,f) 에서는커터링이설치되는위치에서허브위의커터링이회전함에따라나타나는스크래치를확실하게확인할수있다. 커터링이설치되는위치, 즉부하영역 (load zone) 에서의허브의손상특성은스폴링 (spalling) 과그루빙 (grooving) 이나타나는것이며, Fig. 9와같은정도는아니지만 Fig. 12(f) 에서약간의스폴링이나타남을확인할수있었다. 이와같은경우에는표면재가공및재료적인검사가필요한것으로예상된다. 스크래치는허브와커터링이일체화되어회전하는것이아니라허브위에서커터링의회전이일어남으로인하여발생하는것으로판단할수있으며, 커터링과허브사이에적정한조립공차가적용되지않았거나원소재상태및열처리가부적절할경우발생하 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 12. Separated hubs from disc cutters (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 13. Separated shafts from disc cutters 480

현장적용디스크커터의내부부품분석 (a) Disc cutter #1 (b) Disc

#4 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig.

Fig. 13의샤프트들은재활용회수에따라다르지만샤프트의형상이잘유지 ( 외경및휨정도

9 현장적용디스크커터의내부부품분석 (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 14. Separated seal retainers from disc cutters 게된다. 이러한스크래치는재활용시절삭가공이필요하여허브의재활용횟수를감소시키는원인이될수있다. Fig. 13의샤프트들은재활용회수에따라다르지만샤프트의형상이잘유지 ( 외경및휨정도 ) 되는것으로판단되며, 재활용하는데이상이없을것으로판단된다. 또한핵심기능부품은아니지만, 플로팅씰의위치를유지시켜주는씰캐리어도 Fig. 14에서보는바와같이외관상파손이없고, 특이사항없이제기능을유지하였다. Fig. 13(b) 와 Fig. 14(b) 에서녹 (rust) 은디스크커터외부의지하수등에의해생긴것이며, 내부에침투된것은아니다. 마찬가지로나머지부품들역시씰리테이너와플로팅씰로보호되는내부에서의녹은발견되지않았다. 4.2 베어링 Fig. 15는회수된디스크커터의베어링사진이다. 베어링은커터링의회전을원활하게해줌으로써커터링의마모를줄여주어다운타임을감소시키는데중요한부품이다. 외관및회전검사를수행한결과모두이상은없었으며, 커터링의편마모도없는점을고려할때재활용이가능한상태임을알수있었다. 또한조립시의프리로드 (preload: 커터에베어링조립시미소탄성변형을유도하여베어링강성을향상시키고축방향정렬, 진동, 유격등을억제하기위하여가하는하중 ) 는적정했던것으로판단할수있었다. 만약디스크커터내부에서베어링의이상으로커터링이회전하지않으면커터링이굴착단면에닿은채끌리며편마모가진행되게되며, 이렇게편마모가 481

10 배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 15. Separated bearings from disc cutters 된디스크커터개수의증가는커터헤드의토크를가져오고또한관입율과굴진율을저하시키는원인이된다. 4.3 플로팅씰디스크커터의내부부품중플로팅씰은내부부품을보호하고, 내부의오일유출을방지하고외부의이물질과토사유입을차단시키는역할을수행하는주요핵심부품이다. 플로팅씰과같이설치되는오링은플로팅씰의래핑면을기준으로양쪽에서허브와플로팅씰그리고씰리테이너와플로팅씰에대해각각밀봉하는역할을하며실제부품과마찰하지않기때문에밀봉성이높다. 플로팅씰은씰리테이너쪽은고정되고허 브쪽은회전할때내부유체의적당한압력으로밀봉래핑면 (lapping surface; 금속접촉면 ) 에경계마찰내지엷은유체윤활막을형성하여내부오일의누출과외부토사및이물질의유입을차단시킨다. 따라서이금속접촉면의정밀도와내마모성의품질에따라내부부품 ( 베어링, 샤프트 ) 고장이좌우된다. 내부부품의고장은커터의회전불능, 커터링의편마모, 파손등으로나타나며, 디스크커터의수명단축의원인이된다. 회수된디스크커터의플로팅씰의외관과래핑면상태의예는 Fig. 16와같다. 육안관찰에의한플로팅씰의외관과래핑면상태를문제가없는것으로보였으나더자세히살펴보기위하여광학현미경을이용하여래핑면을관찰하였다. 사용전플로팅씰의래핑면은 Fig. 17과같다. 플로 482

현장적용 디스크커터의 내부부품 분석 서는 외관상 특이사항이 없는 것으로 보이지만, 광학 현미경을 이용하여

18에서와 같이 사용 전과 후 디스크커터의 플로팅 씰은 래핑면에서 많은 차이가 발생하였다. Fig.

after use 면에서 오일과 토사가 혼합된 흔적을 확인할 수 있었 고 이에 따라 이물질인 토사가

이러한 플로팅 씰을 계속 사용 시에 는 디스크커터 내부로의 토사 침투에 의한 문제가 나타날 수 있다.

수 있으며, 오일의 기능이 (a) Diamond Lapping 상실되어 베어링이 제 기능을 할 수 없게

17(a)와 같은 다이아몬 으로 디스크커터가 회전하지 않게 되어 편마모 및 드 래핑(diamond

11 현장적용 디스크커터의 내부부품 분석 서는 외관상 특이사항이 없는 것으로 보이지만, 광학 현미경을 이용하여 래핑면을 확대 측정한 결과, Fig. 18에서와 같이 사용 전과 후 디스크커터의 플로팅 씰은 래핑면에서 많은 차이가 발생하였다. Fig. 18(a)의 경우는 래핑면의 경계 마찰면(노란색 밝은 부분)이 가장 잘 형성된 경우로 밀봉이 제대로 (a) one side 되고 있음을 보여주고 있으며, Fig. 18(b, d, f)는 래핑 (b) the other side 면에 금속접촉면의 형성이 완벽하게 되지 않아 래핑 Fig. 16. Example of appearance and lapping surface of floating seal after use 면에서 오일과 토사가 혼합된 흔적을 확인할 수 있었 고 이에 따라 이물질인 토사가 내부로 침투되었을 것으로 예상된다. 이러한 플로팅 씰을 계속 사용 시에 는 디스크커터 내부로의 토사 침투에 의한 문제가 나타날 수 있다. 교체가 필요한 플로팅 씰을 계속 사용할 경우 밀봉 (b) Compound Lapping 기능 저하로 내부 오일이 누유되고 외부의 토사 및 Fig. 17. Lapping surface of floating seal before use 이물질 등이 내부로 침투될 수 있으며, 오일의 기능이 (a) Diamond Lapping 상실되어 베어링이 제 기능을 할 수 없게 되고 최종적 팅 씰은 최종 공정에 따라 Fig. 17(a)와 같은 다이아몬 으로 디스크커터가 회전하지 않게 되어 편마모 및 드 래핑(diamond lapping)과 Fig. 17(b)와 같은 컴파운 파손이 발생할 수 있다. 드 래핑(compound lapping)으로 구분된다. Fig. 16에 따라서 플로팅 씰은 래핑면의 정밀도 및 평편도 (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 18. Lapping surfaces of floating seal after use 483

배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter

Oil after use 등의품질상태가확보되어야하고, 또한조립시의평행도등에주의를요하여야만제기능을발휘할수있다.

오염도의측정은토사의주성분인규소 (Si) 의함유량과수분의함유량을조사하였다. 오일분석결과, 래핑면의광학현미경분석결과와마찬가지로래핑면의형성이잘된 Fig.

. 5. 결론 본연구에서는 TBM의굴착도구인디스크커터의재활용에도움이되고자현장적용된디스크커터를회수한후분해하여내부부품을조사하고분석하였다. 다음은본연구에서얻어진결론을정리한것이다.

즉회전이가능한지가나타난다. 따라서회전문제에서의핵심은베어링의작동여부라고할수있다. 디스크커터의허브에서커터링이설치되는위치는큰하중이재하되며커터링이허브위에서회전하면 Table 5.

12 배규진ㆍ최순욱ㆍ장수호ㆍ이규필ㆍ송봉찬ㆍ김갑부 (a) Disc cutter #1 (b) Disc cutter #2 (c) Disc cutter #3 (d) Disc cutter #4 (e) Disc cutter #5 (f) Disc cutter #6 Fig. 19. Oil after use 등의품질상태가확보되어야하고, 또한조립시의평행도등에주의를요하여야만제기능을발휘할수있다. 래핑면의상태에따른오일의오염도를측정하기위하여회수된디스크커터의오일을전문기관에의뢰하여분석하였다 (Fig. 19). 오염도의측정은토사의주성분인규소 (Si) 의함유량과수분의함유량을조사하였다. 오일분석결과, 래핑면의광학현미경분석결과와마찬가지로래핑면의형성이잘된 Fig. 18(a) 와같은경우는오염도가낮았으며, 래핑면에오일및토사가유입된경우에는오염도가상대적으로높게나타났다 (Table 5). 5. 결론 본연구에서는 TBM의굴착도구인디스크커터의재활용에도움이되고자현장적용된디스크커터를회수한후분해하여내부부품을조사하고분석하였다. 다음은본연구에서얻어진결론을정리한것이다. 디스크커터의내부부품과관련한손상원인은씰 (seal) 부의손상으로인한윤활유부족, 토사및수분의침투, 과부하, 과열, 조립문제, 소재문제등이있으며손상정도에따라디스크커터의작동여부, 즉회전이가능한지가나타난다. 따라서회전문제에서의핵심은베어링의작동여부라고할수있다. 디스크커터의허브에서커터링이설치되는위치는큰하중이재하되며커터링이허브위에서회전하면 Table 5. Analysis results on oil after use Disc cutter Water contents (%) # Test method Silicon contents (Si, mg/kg) # # ,073 KS M 0010:2006 # ,110 # # Test method Inductively Coupled Plasma Atomin Emission Spectroscopy; ICP-AES 484

13 현장적용디스크커터의내부부품분석 서높은마찰열이발생할수있기때문에스폴링과그루빙이나타날수있다. 이러한현상이나타날경우는표면재가공및재료적인검사가필요한것으로판단된다. 커터링이허브위에서회전하게되면허브표면에스크래치가발생하기시작하는것으로파악되며, 이것은커터링과허브사이에적정한조립공차가적용되지않았거나원소재상태및열처리가부적절할경우발생하는것으로판단된다. 이러한스크래치는재활용시절삭가공이필요하여허브의재활용회수를감소시키는원인이될수있다. 조사된베어링은외관및회전검사를수행한결과모두이상은없었으며, 외부의커터링에서편마모도없는점을고려할때, 재활용이가능한상태임을알수있었다. 베어링의정상작동유무를추가로확인하기위해세척한베어링을 rebuild하는디스크커터에설치한후토크를측정해본결과에서도문제가없는것으로나타났다. 플로팅씰은디스크커터의내부부품을지속적으로사용하기위해가장중요한부품으로써플로팅씰의래핑면상태와내부오일상태는플로팅씰의성능파악을위해필요한시험으로판단된다. 근래해저터널등의시공이많아지는시점에서플로팅씰은고수압조건에서의내 외부압력차이에의한성능유지여부가중요할것으로예상된다. 디스크커터는커터링의회전을원활하게함으로써커터링의마모저항능력을최대한으로활용하는것이핵심이다. 이를위해서내마모성및내충격성이좋은커터링의개발도필요하지만회전을원활하게유지시켜주기위한내부부품에대한연구에도관심을가져야할것으로생각된다. 감사의글 본논문은한국건설교통기술평가원의건설기술혁신사업인 TBM 핵심설계 부품기술및 TBM터널의최적건설기술 ( 과제번호 : 10기술혁신E091) - 1세부과제 : TBM 커터헤드최적설계기술및고성능디스크커터개발 의일환으로작성되었습니다. References 1. Balci, C., Tumac, D. (2012), Investigation into the effects of different rocks on rock cuttability by a V-type disc cutter, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 30, pp Cigla, M., Yagiz, S., Ozdemir, L. (2001), Application of tunnel boring machines in underground mine development, Proceedings of the 17th international mining congress and exhibition of Turkey, Ankara, pp Herrenknecht (2007), Herrenknecht cutter tools, Herrenknecht AG. 4. Hyun, K.C., Min, S.Y., Moon, J.B., Jeong, G.H., Lee, I.M. (2012), Risk management applicable to shield TBM tunnel: Ⅱ. Risk analysis methodology, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 14, No. 6, pp Roby, J., Sandell T., Kocab, J., Lindbergh, L., (2008), The Current State of Disc Cutter Design and Development Directions, Proceedings of 2008 North American Tunnelling Conference (NAT2008), Society for Mining, Metallurgy & Exploration, pp Timken (2012), Timken tapered roller bearing catalog, 20M 12-11, rev : Order No

<30375F283138312D313931295F313138375FC0E5BCF6C8A35FBCB1C7FCC0FDBBE8BDC3C7E8BFA120C0C7C7D120B4F5BAEDB5F0BDBAC5A9C4BFC5CDBFCD20BDCCB1DBB5F0BDBAC5A9C4BFC5CD2E687770>

<30375F283138312D313931295F313138375FC0E5BCF6C8A35FBCB1C7FCC0FDBBE8BDC3C7E8BFA120C0C7C7D120B4F5BAEDB5F0BDBAC5A9C4BFC5CDBFCD20BDCCB1DBB5F0BDBAC5A9C4BFC5CD2E687770> J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(2)181-191(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.2.181 pissn: 2233-8292 선형절삭시험에 의한 더블디스크커터와 싱글디스크커터의 커터 작용력과 축응력에 대한 실험적 평가 최순욱 1 ㆍ장수호 2 *ㆍ박영택