덤프트럭 기초 — 적재 용량, 구동계 및 자율 주행 운송 설계

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덤프트럭의 생산성은 엔진 출력이나 적재 용량만으로 결정되는 것이 아닙니다. 현장에서 운반할 수 있는 토사의 양은 적재, 이동, 오르막길 주행, 회전, 하역, 그리고 빈 트럭으로 복귀하는 모든 과정을 안전하게 완료하는 데 걸리는 시간(분)에 따라 결정됩니다. 도로 건설에 사용되는 대형 덤프트럭과 광산에 사용되는 초대형 오프로드 트럭은 구조적으로는 매우 다르지만, 적재, 구동, 제동, 그리고 위치 예측을 조화롭게 수행하는 기본 원리는 동일합니다.

현장의 채굴 덤프트럭

이미지: Logan Lake Mining Dump Truck 2 (dave_7, CC BY-SA 2.0), Wikimedia Commons. 특정 코마츠 또는 캐터필러 모델이 아닌 대표적인 채굴 차량입니다.

0. 30초 요약

적재량은 단순히 "적재함량 × 토양 밀도"가 아니라 축하중, 타이어, 제동 거리, 도로 강도에 의해 제한됩니다.
경사로를 오르는 데 필요한 견인력은 경사 저항, 구름 저항, 가속 저항의 합입니다. 전기 구동 방식은 저속에서 높은 토크를 얻고 회생 제동을 용이하게 합니다.
적재함은 유압 실린더로 기울어집니다. 유압 유량은 상승 시간을 결정하고, 압력과 실린더 면적은 들어올리는 힘을 결정합니다.
광산에서는 GNSS, IMU, 레이더, 카메라 및 차량 간 통신을 활용한 자율 운반이 실용화되었으며, 유인 차량과의 혼합 작업 및 원격 모니터링을 중심으로 이루어지고 있습니다.
자율 주행 평가 지표에는 무인 주행 거리뿐만 아니라 적재량, 사이클 시간, 타이어 마모, 연료/전력 소비량, 정지 시 안전 여유 등이 포함됩니다.

1. 주행 저항 및 필요 출력

차량 질량을 $m$ , 중력 가속도를 $g$ , 경사도를 $i$ (소각 근사), 구름 저항 계수를 $C_r$ , 가속도를 $a$ 라고 합시다. 주행 저항의 근사치는 다음과 같습니다.

F_{req}=mg(i+C_r)+ma

휠 반경이 $r$ 이고 총 구동 토크가 $T_w$ 일 때, 노면에 전달되는 견인력은 $F_t=T_w/r$ 입니다. 그러나 노면 마찰에 의해 설정된 상한값 $F_t\le\mu mg$ 을 초과하면 타이어가 헛돌게 됩니다. 속도 $v$ 에서의 엔진 출력 $P$ 은 다음과 같습니다.

P\simeq F_{req}v/\eta

따라서 저속으로 가파른 오르막길을 오를 때는 높은 토크가 중요한 역할을 하고, 고속으로 빈 차로 돌아올 때는 출력과 냉각이 중요한 역할을 합니다.

2. 적재함 및 유압식 덤핑 메커니즘

적재함을 들어 올리는 유압 실린더의 피스톤 면적을 $A$ , 차압을 $\Delta p$ 이라고 합시다. 이상적인 추력은 $F=\Delta pA$ 입니다. 베드의 무게중심과 힌지 사이의 거리를 $l$ , 실린더 작용점까지의 모멘트 팔을 $r_m(\theta)$ 라고 하면, 필요한 추력은 다음과 같습니다.

F_{cyl}(\theta)=\frac{M_{load}(\theta)}{r_m(\theta)}

베드가 초기에 거의 수평인 자세일 때는 $r_m$ 이 작아서 최대 압력을 쉽게 사용할 수 있습니다. 베드가 상승함에 따라 중력 모멘트가 감소하므로 유압 유량을 증가시켜 빠르게 배출할 수 있는 설계가 가능합니다. 점토가 달라붙거나, 재료가 굳거나, 적재가 고르지 않은 경우 필요한 토크가 변하기 때문에 압력 센서와 자세 센서를 사용하여 이상 현상을 감지합니다.

3. 구동 방식: 기계식, 디젤-전기식, 배터리식

중형 도로용 덤프트럭에는 디젤 엔진, 클러치/토크 컨버터, 변속기, 프로펠러 샤프트, 차동 장치로 구성된 기계식 구동계가 일반적입니다. 초대형 광산용 트럭에는 디젤 발전기로 전기를 생산하고 인버터와 휠 모터를 구동하는 디젤-전기식 구동계가 널리 사용됩니다. 이 방식은 기어 단수를 줄여 좌우 바퀴에 토크를 독립적으로 분배할 수 있도록 합니다.

배터리-전기 구동 방식은 배기가스 배출량과 공회전 시간을 줄일 수 있지만, 에너지 밀도, 충전 시간, 무게, 저온 환경 성능, 고속 충전기 설치 등의 과제가 있습니다. 전기 구동 방식은 내리막길에서 회생 제동을 통해 운동 에너지를 배터리로 되돌릴 수 있지만, 완전 충전 상태이거나 고온일 경우에는 기계식 제동 장치와 마찰 브레이크로 전환해야 합니다.

4. 적재량 측정

과적은 타이어, 차체, 브레이크, 도로에 손상을 줄 수 있으며, 과소적은 사이클당 생산성을 저하시킵니다. 계량 시스템은 차량이 주행 중일 때 적재량을 추정하기 위해 서스펜션 압력, 차축 변형률, 유압 실린더 압력 및 가속도를 결합합니다. 간단한 힘 평형을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

하지만 노면의 불규칙성, 덤프 트럭의 피칭, 그리고 불균등한 하중 분포는 오차를 유발합니다. 따라서 정지 후 정적 계량 결과와 주행 중 동적 추정 결과를 상호 검증하고, 차량별 오차를 수정하는 것이 중요합니다.

5. 자율 운반 및 안전 설계

광산의 자율 운반 시스템(AHS)은 운반 차량에만 국한되지 않습니다. 로더, 분쇄기, 덤프 지점, 정비소, 도로 지도, 그리고 제어실을 통신망으로 연결하여 교차로 우선순위, 추월 금지 구역, 정지선, 비상 대피 등을 관리합니다. GNSS 신호가 차단된 광산에서는 IMU와 휠 속도를 사용하여 단기적인 추정을 수행하고, 레이더, LiDAR, 그리고 지형지물을 활용하여 지도 정보를 복구합니다.

코마츠는 광산용 자율 운반 시스템(AHS)을 제품 형태로 공개하고 실제 적용 사례를 제시하고 있으며, 캐터필러 역시 Command와 같은 원격/자율 운반 솔루션을 제공합니다. 안전 요구 사항과 운영 설계는 일반 도로용 덤프트럭 운전자 보조 시스템과 다르기 때문에 광산 현장의 성공 사례를 일반 도로에 그대로 적용해서는 안 됩니다.

안전 중심 설계는 다음과 같은 세 가지 계층으로 구성됩니다.

차량 계층: 브레이크, 조향 장치, 적재함 잠금 장치, 비상 정지 장치를 각각 안전한 상태로 독립적으로 작동시킵니다.
협업 계층: 주변 차량, 작업자, 로더와 위치, 속도, 의도를 공유합니다.
제어 계층: 통신 두절 또는 지도 정보 불일치를 감지하면 감속, 정지 또는 대피로 전환합니다.

6. 사이클 시간 비교

그림 1 — 사이클 시간 관점은 엔진 출력 비교에서는 드러나지 않는 대기열과 회전 지연을 보여줍니다. 가장 짧은 명목상의 이동 시간이 항상 가장 높은 현장 생산성을 의미하는 것은 아닙니다.

적재 시간 $t_l$ , 출발 이동 $t_h$ , 하역 $t_d$ , 복귀 이동 $t_e$ , 대기 시간 $t_q$ 을 고려하면 한 사이클은 다음과 같습니다.

T_{cycle}=t_l+t_h+t_d+t_e+t_q

적재량 $M_p$ 을 사용한 시간당 토사량 $\eta_u$ 활용률은

Q_{hour}=\frac{M_p\,60\,\eta_u}{T_{cycle}[min]}

입니다.

자율 운송의 가치는 최고 속도를 높이는 것보다 대기 시간과 변동성을 줄이고 로더와 크러셔의 활용률을 일치시키는 데 있습니다. 연료 또는 전기 소비량 또한 빈 차량 복귀, 공회전, 교통 체증을 포함한 전체 작업 주기 동안 평가해야 합니다.

7. 요약

덤프트럭은 적재함, 유압 장치, 구동계, 제동 장치 및 통신 장치가 통합된 단일 운송 장비로 설계되었습니다. 적재량만으로 경쟁하는 것은 등판, 타이어, 도로, 충전 및 제동 거리와 같은 병목 현상을 간과하는 것입니다. 현재 광산용 AHS 또는 전기 덤프트럭에 대한 정보를 살펴볼 때는 차량의 자율 주행 수준뿐만 아니라 적재에서 하역까지의 전체 작업 주기와 비정상 상황 발생 시 사람이 안전하게 개입할 수 있는 절차도 함께 확인하는 것이 중요합니다.

이해했는지 확인하세요

적재량이 많을수록 시간당 운송량이 항상 증가하는 것은 아닌가요?

적재, 이동, 대기열, 하역에 따라 전체 사이클 시간이 결정됩니다. 적재량과 전체 사이클 시간을 함께 비교해 보세요.

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