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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.50 No.6 pp.175-182
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2016.50.6.175

Analysis of Load Deflection for Load Weighing of Vehicle

Jin Seok Jo1 , Jea Min Jo1, Deuk Gyu Hwang2, Han jong Ko3, Won Geun Son4, Hyeon Tae Kim1*
1Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Science(Institute of Agriculture & Life Science), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2AND Korea, Seoul, 07331, Korea
3Department of Agriculture Sciences, College of Natural Sciences, Korea National Open University, Seoul, 03087, Korea
4Department of Veterinary Medicine, College of Venterinary Medicine, Jeju National University, Jeju, 63243, Korea
Corresponding author : Hyeon Tae Kim +82-55-772-1896+82-55-772-1899bioani@gnu.ac.kr
June 25, 2016 July 25, 2016 August 22, 2016

Abstract

In this study, we developed a load cell that can be used to measure the live load in the procedure loading materials to livestock vehicle, it was used to evaluate the performance and development of load cell. Parallel leaf spring to the vehicle bottom body of livestock vehicle the load displacement was generated in accordance with the loading platform, which receives the load data by measuring the displacement generated in the development of load cell. For this experiments, by using the actual parallel leaf springs of the vehicle, experimental jig was designed, and actual load was constructed by pressing. In order to confirm the linearity of testing and parallel leaf springs, hysteresis test were performed through increased and decrease of load. Experimental results shows that the load was measured via actual load and the load cell showed relatively difference, after some correction it was determined that it is possible to improve the accuracy. In the case of the hysteresis test, when the load is reduced, errors occur due to the elasticity of the parallel leaf springs, so it was determined that there is need of modification in sensing.


축산차량의 적재 중량 측정을 위한 하중 변위량 분석

조 진석1 , 조 재민1, 황 득규2, 고 한종3, 손 원근4, 김 현태1*
1경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)
2한국에이엔디
3한국방송통신대학교 자연과학대학 농학과
4제주대학교 수의과학대학 수의학과

초록

본 연구는 축산관련차량에 적재물질을 상하차 할 때 발생하는 적재하중을 측정 할 수 있는 로드셀을 개발하고, 개발 로드셀의 성능을 평가한 것이다. 축산관련차량의 차체 하단에 평행 판스프링은 하중이 적재함에 따라 변위가 발생하며, 발생 변위를 개발 로드셀로 측정하여 하중 데이터를 수신하였다. 실험 을 위해 실제 차량의 평행 판스프링을 이용하여 실험용 지그를 설계하였고, 실제하중은 프레스(press) 를 통해 조성하였다. 실험은 하중이 선형적으로 측정되는지 확인하기 위한 직진성 테스트와 평행 판스 프링의 복원력을 확인하기 위해 하중의 증·감소를 통한 히스테리시스 테스트를 진행하였다. 실험결과 는 실제하중과 로드셀을 통해 측정한 하중은 비교적 차이를 나타냈지만, 일부 보정을 통해 정확도를 향 상 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 히스테리시스 테스트의 경우 하중이 감소할 때 평행 판스프링의 탄 성으로 인한 오차 발생은 추가적인 센싱을 통해 수정이 필요할 것으로 판단된다.


    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    315006-02-1-SB010

    서론

    최근 현대인들의 식품, 특히 농산물에 대한 관심 은 친환경에 웰빙 물결이 더해지면서 안전하고 신뢰 할 수 있는 먹거리에 대한 관심이 초점이 되고 있 다. 이는 다양한 소비자층에서 다양한 소비자 욕구 로 표출되고 있으며 이를 충족하기 위해 생산농가에 서 유통, 가공, 판매 등 전 과정에서 관련 정보의 획득, 관리, 유지, 공유할 수 있는 제도적 기술적 장치가 필요한 실정이다(Kang et al., 2007). 특히, 매년 구제역으로 인해 피해를 입는 축산업의 경우에 는 생산이력(Traceability)과 관리(management)의 차원에서 큰 의미를 지닌다. 국내 축산업은 지난 10 년 동안 사육규모와 개체 수가 증가하여 양적인 측 면에서 크게 성장했지만 가축 질병에 대해서 소극적 으로 대응함으로써 축산농가의 경제적 피해를 가져 왔다(Kim et al., 2012). 단적인 사례로 2010년 10 월 경북 안동에서 시작하여 2011년 4월 경북 영천에 서의 발병을 마지막으로 종료된 구제역으로 약 350 만여 마리의 가축이 살처분 되었으며, 3조원 가량의 경제적인 손실이 발생하였다(Xu et al., 2014). 매 년 가축 질병으로 경제적 손실이 발생함에도 불구하 고 상황 해결 대책이 미흡한 실정이다. 이러한 상황 에 효과적으로 대응하기 위해 농림축산식품부에서 축산차량에 대하여 차량무선인식장치인 GPS(Global Positioning System)의 설치를 의무화하여 차량의 운행경로를 통해 전염병 확산을 방지하는 대책을 강 구하였다. 하지만 축산차량에 적재된 경제동물의 종 축·생축 이동 중 일부 또는 전부의 종축·생축의 상·하차 정보(중량 변화 정보)에 대한 수집·관리 방안이 부재함에 따라 가축의 이동에 따른 가축전염 병의 감염경로는 추적과 방역 자체가 불가능한 실정 이다(Kyung & Yom, 2012).

    본 연구에서는 차량에 적재되는 하중의 변화를 통해 경제동물의 종축·생축의 상하차정보를 확인 하고자 한다. 기존에 차량에는 적재물의 중량을 측 정하기 위해 전자저울 또는 계근대(Truck Scale), 각도 센싱 방식, 로드셀 방식 등의 다양한 센서가 사용되고 있다. 그러나 종축·생축을 포함한 가축 및 약재 등을 적재하고 전국 약 27만6천여 개소의 축산관계시설을 출입하는 약 4만7천여 대의 다양한 유형의 축산차량의 운행경로와 적재 중량의 변화량 에 대한 철저한 관리가 필요한 경우에는 기존의 중 량센서의 적용만으로는 그 목적을 달성하기에 미흡 한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 적재 하중에 의해 발생하는 차량의 역학적 변화를 통해 내부 적 재물의 상하차정보를 계측 할 수 있는 로드셀을 개 발하였다.

    대형트럭은 대부분 경제성을 고려하여 다판스프링 이 장착되어 있다. 다판스프링은 다른 현가장치와 비교하여 구조가 간단하고, 작동에 필요한 설치 높 이가 낮아도 되는 장점이 있다. 또 판간 마찰 (inter-leaf friction)로 스프링의 진동을 빨리 감쇠 시킬 수 있는 이점이 있으나 마찰로 인한 이력특성 이 나타난다(Moon & Song, 2008). 일반적으로 코 일 스프링의 하중-변위 관계는 선형적인 특징을 보 이지만, 다판스프링의 경우 비선형적인 관계를 나타 낸다(Moon et al., 2004). 본 연구에서는 일반 대 형트럭에 하중이 조성 될 때, 다판스프링의 변위량 을 통해 차량 내부 적재물질의 중량을 계측하고자 한다. 이를 위해 개발된 로드셀을 하중 측정 정밀도 를 평가하고, 다판스프링의 비선형적인 이력 특성으 로 인해 발생하는 문제를 로드셀의 추가적인 보정을 통해 해결하고자 한다.

    재료 및 방법

    1.실험장치

    1.1.차량 평행 판스프링(Plate Spring)

    가축이나 가축분뇨를 운반하는 축산관련차량의 경 우 대형트럭의 이용이 일반적이다. 경우에 따라 적 재중량 1.5톤 트럭부터 25톤 트럭까지 활용된다. 트 럭은 적재용량에 따라 1축식, 2축식으로 나누어지 며, 일반 차량을 비롯하여 모든 차량에 기본적으로 Fig. 1과 같이 평행 판스프링이 장착되어 있다. 평 행 판스프링은 Fig. 1과 같이 겹판으로 이루어져 차량 에 부착되어있다. 본 연구에서는 2.5톤 트럭(Mighty, Hyundai)에 부착 된 평행 판스프링을 차체에서 추 출하여 연구의 실험 장비를 제작하였다. Figure 2는 실험장비 개발에 적용한 원리이다. 평행 판스프링은 Fig. 1과 같이 겹판으로 이루어져 있으며, Fig. 2와 같이 차량에 적재된 화물이 없을 경우에는 판스프링 이 Arch형태를 나타낸다. 차에 적재물이 상차하게 되면 판스프링은 수평으로 펴지며 판스프링의 이동 이 발생하게 된다. 적재하중이 높을수록 판스프링은 수평상태로 부하를 받으며 유동이 발생한다. 따라서 적재하중에 따라 발생하는 판스프링의 변위량의 환 산을 통해 실제 차량에 적재된 하중을 추정하고자 한다.

    1.2.실험용 판스프링 지그제작

    실험을 위해 실제 2.5톤 트럭차량의 기준으로 하 중측정을 위해 구매한 평행 판스프링을 이용하여 Fig. 3과 같이 실험용 지그를 제작하였다. 실험장비 는 적재하중을 대신하여 프레스(Press)장비에 의해 하중을 조성하였고, 하중을 전달하는 프레스가 거치 된 판과 아래 판스프링을 실제차량과 동일한 수평선 상에 두고 제작하였다. 프레스에서 가해지는 하중은 판스프링 중앙하단에 마스터 로드셀(Load-Cell)을 장착하여 측정하였다. 또한 평행 판스프링에 접목 가능한 로드셀을 추가적으로 개발하였다(Fig. 4). 로드셀의 모형은 Fig. 4와 같고 로드셀은 프레스가 거치된 판의 중앙과 좌측부분에 고정시켰다. 좌측과 중앙부는 하중으로 인한 변위가 모두 나타나는 지점 이기 때문에 양쪽을 측정하여 실제하중과 오차가 작 게 나타나는 부분을 추가적으로 확인하고자 하였다. 로드셀은 중앙부와 좌측부분에 Fig. 5와 Fig. 6을 같이 고정하였고, 스프링을 판스프링에 고정하였다. 상하 스프링의 변위를 무게로 환산하여 하중데이터 를 수집하였다.

    2.실험방법

    실험은 실내에서 진행하였고, Fig. 3의 실험용 지 그를 활용하였다. 실험은 평행 판스프링의 좌측, 중 앙부의 하중데이터를 측정하였다. 적재 하중은 프레 스를 이용하여 Table 1과 같이 조성하였다. 프레스 를 통해 조성된 하중은 마스터 로드셀을 통해 데이 터를 측정하였고, 측정위치별로 실제 프레스를 이용 하여 조성한 하중과 로드셀을 통해 측정된 좌측, 중 앙부의 하중데이터를 비교하였다. 실험은 두 가지로 구성하여 진행하였다. 첫째로 프레스로 가압하여 증 가시킨 실제 하중과 개발 로드셀로 측정한 데이터가 유사하게 증가하는지 확인하는 직진성 테스트와 실 제하중을 증가시고 감소시켰을 경우, 실제하중과 로 드셀에 의해 측정되는 데이터가 동일하게 하중이 증 가하고 감소하는지 확인하기 위해 히스테리시스 테 스트를 진행하였다.

    3.분석방법

    실험은 적재하중에 따른 판스프링의 변위를 측정 하여 하중 값으로 환산하고, 측정하중과 실제 가해 진 하중의 차이를 통해 개발 장비의 성능을 분석하 는 것이 목적이다. 따라서 실제 가해진 하중과 적재 하중의 데이터를 Origin 프로그램(Ver. 2011)을 이 용하여 회귀분석을 진행하였다.

    결과 및 고찰

    1.직진성 테스트

    하중의 직진성 테스트를 진행하였을 때 좌측, 중 앙부 데이터는 Fig. 7, Fig. 8과 같이 나타났다. 테 스트를 진행했던 평행 판스프링의 좌측과 중앙부는 프레스의 하중이 증가함에 따라 판스프링의 유동으 로 인한 로드셀 계측 하중도 선형적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 7). 하지만 프레스를 통 해 가압한 실제 하중(FR)과 테스트를 통해 계측된 로드셀 하중(FT)의 수치는 상이하게 나타났다. Fig. 9은 좌측부에 실제 하중과 로드셀에 의해 측정된 데 이터의 하중차이를 나타낸 그래프이다. FR과 FT은 200kg에서 37kg(18.5%), 400kg은 25kg(6.25%), 600kg은 33kg(5.5%), 800kg은 28kg(3.5%), 1,000kg 에서는 13kg(1.3%)의 하중 오차를 나타냈다. FR의 값이 증가할수록 오차비율이 감소하는 것을 확인했 다. 이를 통해 높은 하중에서 개발 로드셀의 활용 도가 높아지는 것으로 판단된다. FR과 FT의 차이 는 가압하는 하중에 따라 다른 오차값을 나타냈다. 하지만 Fig. 9을 통해 FT값 간에 데이터 편차가 낮 은 수준(0kg~17kg)으로 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

    Figure 10은 중앙부에 실제 하중과 로드셀에 의 해 측정된 데이터의 하중차이를 나타낸 그래프이다. 중앙부에서 측정한 하중도 좌측부와 마찬가지로 FR 과 FT의 값이 선형적으로 증가하는 것이 확인되었 다. 하지만 프레스를 통해 가압한 실제 하중(FR)과 테스트를 통해 계측된 로드셀 하중(FT)의 수치는 상 이하게 나타났다. Fig. 10은 중앙부에 실제 하중과 로드셀에 의해 측정된 데이터의 하중차이를 나타낸 그래프이다. FR과 FT은 200kg에서 43kg(21.5%), 400kg은 42kg(10.5%), 600kg은 39kg(6.5%), 800kg 은 28kg(3.5%), 1,000kg에서는 11kg(1.1%)의 하중 오차를 나타냈다. 중앙부도 좌측부와 같이 FR의 값 이 증가 할수록 오차비율이 감소하는 것을 확인했 다. FR과 FT의 차이는 가압하는 하중에 따라 다른 오차값을 나타냈다. 하지만 Fig. 10을 통해 FT값 간 에 데이터 편차가 낮은 수준(0kg~12kg)으로 나타나 는 것을 확인 할 수 있다.

    실제 하중과 로드셀을 통해 측정한 데이터의 회귀 분석 진행하였다. 직진성 테스트에서 좌측부와 중앙 부의 측정하중의 차이가 낮은 수준으로 나타나기 때 문에 회귀분석은 중앙부 반복 측정 데이터와 실제하 중 간의 유의성을 검증하였다. 실제 하중이 로드셀 에 의해 측정되는 데이터를 높은 수준으로 설명 할 수 있다는 것을 확인 하였다(Fig. 11).

    이를 통해 데이터의 실제하중에 따라 측정되는 데 이터의 부분적 보정을 통해 오차를 줄일 수 있을 것 으로 판단된다.

    2.히스테리시스 테스트

    차량에 적재물의 상하차 시 적재된 하중을 측정한 데이터, 즉 FT과 실제 적재물의 무게 FR이 동일하게 나타나는지 확인하기 위해 히스테리시스(Hysteresis) 테스트를 진행하였다. 실험은 프레스를 통한 가압으 로 상차 시 환경을 조성하였다. 하차는 점층적으로 증가시킨 프레스의 하중을 줄여가며 상황을 조성하 였고, 중앙부 로드셀을 기준으로 확인하였다. Fig. 12는 히스테리시스 테스트를 진행한 실험결과이다. 실험결과는 직진성 테스트와 마찬가지로 상차 시 FR과 FT는 선형적으로 동일하게 증가하는 것을 확 인하였다. 하지만 적재물을 차량에 상차 시, 직진성 테스트와 같은 오차가 나타나는 것을 확인하였다. 이 부분은 일부 보정을 통해 정확도를 개선 할 수 있을 것으로 판단된다. 차량에 적재물을 하차하는 경우, FR과 FT의 오차가 상당하게 나타났다. 차량 에 상차 시에는 FR과 FT사이에 오차 값이 선형적으 로 오차가 형성되어 보정을 통한 정확도 향상이 가 능하지만, 차량의 적재물 하차 시 발생하는 하중의 오차는 불규칙하게 형성되기 때문에 보정을 통한 정 확도 개선이 어려울 것으로 판단된다. 불규칙한 오 차는 평행판스프링에 의해 발생한 것으로 판단된다. 평행 판스프링은 겹판으로 되어있기 때문에 차량에 적재물을 하차할 때, 겹판 사이 스프링의 탄력으로 인해 로드셀에 로그되는 데이터가 오차값을 나타내 는 것으로 판단된다. 하지만 차량의 상하차 작업 후 최종적으로 로그되는 데이터는 최초 시점과 동일한 영점으로 복귀하는 것을 확인하였다.

    3.실험고찰

    최종적으로 본 연구에서는 축산차량에 기본적으 로 탑재되어 있는 평행 판스프링을 통해 하중을 측 정하였다. 실험결과 실제하중(FR)과 로드셀에 의해 측정된 하중(FT)사이에는 다소 큰 오차가 나타났 다. 좌측부의 경우, FR과 FT의 하중 오차는 200kg 에서 37kg(18.5%), 400kg은 25kg(6.25%), 600kg 은 33kg(5.5%), 800kg은 28kg(3.5%), 1000kg에서 는 13kg(1.3%)으로 나타냈다. 중앙부의 경우, FR과 FT의 하중 오차는 200kg에서 43kg(21.5%), 400kg은 42kg(10.5%), 600kg은 39kg(6.5%), 800kg은 28kg (3.5%), 1000kg 수준으로 나타났다. 하지만 FT값 사이의 오차는 좌측부가 0kg~17kg, 중앙부가 0kg~ 12kg 수준으로 실제 적용한 하중을 고려하면 낮은 오차가 나타났다. 이를 통해 FT값의 보정을 통해 정 확도를 향상 시킬 수 있을 것으로 판단되며, 중앙부 와 좌측부의 하중 데이터가 유사한 수준으로 나타나 는 것을 통해 개발 로드셀의 적용 위치는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보여졌다. Hysteresis 테스트의 경우, 적재 물질을 적재 시 하중은 직진성 테스트와 마찬가지로 유사하게 증가하는 것을 확인 할 수 있 었다. 하지만 적재 물질을 하차 시 하중이 크게 상 이한 부분이 나타났다. 이는 평행 판스프링이 겹판 으로 이루어져 있기 때문에 겹판 사이의 탄성으로 인해 변위 값이 갑작스럽게 변화하여 발생한 것으로 판단된다. 이 부분은 차후 겹판 스프링에 추가적인 센서를 접목하여 해결 가능 할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수산 식품기술기획평가원의 첨단생산 기술 사업의 지원을 받아 수행된 연구임(315006-02-1-SB010).

    Figure

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    Vehicle parallel leaf springs.

    Parallel leaf springs attached to the vehicle and mounting structure.

    JALS-50-175_F2.gif

    Layout of parallel leaf springs.

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    The photo of experiment device.

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    The photo of development load cell.

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    Left section of the experiment device.

    JALS-50-175_F6.gif

    Middle section of the experiment device.

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    Straightness load test(Left section).

    Test 1-5 was measured in the same way repeatedly.

    JALS-50-175_F8.gif

    Straightness load test(middle section).

    Test 1-5 was measured in the same way repeatedly.

    JALS-50-175_F9.gif

    Load error of the left section.

    JALS-50-175_F10.gif

    Load error of the middle section.

    JALS-50-175_F11.gif

    The results of middle section regression analysis.

    JALS-50-175_F12.gif

    The results of middle section hysteresis test.

    Table

    Experimental design

    Reference

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