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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.51 No.1 pp.213-221
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2017.51.1.213

Harvesting Performance of the Experimental Pick-up Type Pulse Crop Harvester for Red Bean

Yeong-Soo Choi, Soo-Nam Yoo*
Department of Rural and Biosystems Engineering, Chonnam National University, Gwangju, 61186, Korea
Corresponding author: Soo-Nam Yoo +82-62-530-2155, +82-62-530-2159, snyoo@chonnam.ac.kr
November 10, 2016 December 26, 2016 January 31, 2017

Abstract

To evaluate performance of the experimental pick-up type pulse crop harvester for harvesting red bean, its pick-up and discharging grain loss ratios, grain quality such as whole grain ratio, damaged grain ratio, unthreshed grain, and foreign material ratio in grain tank, and theoretical field capacity of the harvester were analyzed according to engine speeds of 2000, 2400 and 2800 rpm and harvesting speeds of 0.6, 1.0 and 1.4 m/s. It is considered that the harvester showed optimum performance at the engine speed of 2400 rpm and the harvesting speed of 1.0 m/s, and then average pick-up grain loss ratio of 3.9%, discharging grain loss ratio of 0.5%, total grain loss 4.4%, whole grain ratio of 97.0%, damaged grain ratio of 1.8%, unthreshed grain ratio of 0.0%, and foreign material ratio of 0.4% were shown. It is considered that the harvester has lower grain loss and higher grain quality than those of the imported bean combines. And also as it could harvest 3 rows of cut and dried red bean crop width of which was about 2 m, its theoretical field capacity was estimated for about 70 a/h.


시험용 수집형 두류 수확기의 팥 수확성능

최 영수, 유 수남*
전남대학교 지역바이오시스템공학과

초록

본 연구는 수집형 자주식 두류 콤바인 개발을 위하여 시험용 수확기를 설계·제작하여 예취·건조된 팥을 대상으로 수확작업 성능을 분석하였다. 수확시험은 수확기의 엔진 회전속도 2000, 2400, 2800rpm, 작업속도 0.6, 1.0, 1.4m/s의 설정에 따라 수집 손실비율, 배진 손실비율 등 수확손실과 수 확된 곡물 품질로서 완전립 비율, 손상립 비율, 미탈곡립 비율, 이물질 비율을 분석하였으며, 작물 재배 폭과 작업속도를 고려한 이론작업능률을 계산·추정하였다. 시험기는 운전조건이 엔진 회전속도 2400rpm, 작업속도 1.0m/s일 때 가장 좋은 작업 성능을 보인 것으로 판단되며, 이 때 수집 손실비율 약 3.9%, 배진 손실비율 약 0.5%, 총 손실비율 약 4.4%, 완전립 비율 약 97.0%, 손상립 비율 약 1.8%, 미탈곡립 비율 약 0.0%, 이물질 비율 약 0.4%의 성능을 보여 국외 보통형 콤바인 보다 곡물 손 실이 적고, 수확 곡물의 품질도 높아 우수한 작업 성능을 보인 것으로 나타났다. 또한 시험기는 팥의 수확시험 조건이 불량한 상태에서도 재배 폭이 약 2m인 3조 예취·건조 팥을 약 1.0m/s의 작업속도로 수집·탈곡할 수 있어서 이론 작업능률은 약 70a/h 정도일 것으로 판단되었다.


    Rural Development Administration
    PJ00998101

    서론

    팥은 천안과 경주를 중심으로 재배되고 있으며 주로 그 지역의 호도과자, 빵 등 식품 재료로 주로 사용되고 있다. 국내의 현행 팥의 관행 수확작업은 인력으로 예취작업을 한 후 약 3~4일 정도 포장 에서 건조시킨 다음 인력 중심의 탈곡기, 선별·정 선기로 탈곡, 선별·정선작업을 수행하고 있는데 노동력이 많이 소요되고, 노동부하가 높으며, 작 업능률과 작업 정도도 매우 낮아서 두류 작물 전 용 고 능률, 저 손실의 수집형 자주식 콤바인 개 발이 매우 시급한 실정이다. 잡곡, 두류 등을 수 확할 수 있는 범용 보통형 콤바인은 전량 수입 중 이며, 현재 국산화 개발을 수행 중에 있다. 그러 나 범용 보통형 콤바인은 기술의 발전에도 불구하 고 예취 손실 등 포장손실이 크고, 곡물 손상률 또한 커서 수확 곡물 품질도 떨어지는 것으로 알 려져 있다(Mesquita et al., 2006).

    국내의 두류 콤바인 관련 연구는 Yoo et al. (1990)이 두류 생력기계화 재배기술체계 확립시험 연구에서 보통형 2조식 콩 콤바인을 이용 수확시 기에 따른 콩 품종별 손실률, 수확적기를 구명하 였으며, Hong et al.(2003)은 보통형 콩 콤바인 시작기 개발 연구에서 장류 콩을 대상으로 수확 손실, 수확물 조성, 작업능률, 경제성 분석 등의 연구를 수행하였을 뿐 전반적으로 두류 기계수확 에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 특히 팥의 기계수확에 대해서는 Yoo et al.(1990)이 기계수 확을 위한 제초제 선발시험 연구를 수행하였을 뿐으로 기계수확을 위한 기초연구와 수확기 개발 연구는 거의 전무한 실정이다. 또한 국외의 경우 도 장류 콩을 중심으로 한 콩 콤바인의 개량 개 발 및 수확성능에 대한 연구는 많이 수행되었으나 (Mowitz, 2001; Beasley, 2002; Costa et al., 2002; Shay et al., 2002; Grisso, 2004; Herbek et al., 2004; Mesquita et al., 2006) 팥을 대상 으로 한 기계수확 관련 연구는 찾아보기 힘든 실 정이다.

    현재 장류 콩 외에 팥 등 두류작물의 저 손실, 저 손상 기계화 수확을 위한 예취, 탈곡·선별장치 등에 대한 기초연구, 전용 콤바인 등 수확기 개발 연구는 거의 전무한 상태이며, 따라서 본 연구는 예취·건조된 콩, 팥 등 두류 작물을 수집하면서 탈곡할 수 있는 저 손실, 고 품질 수확이 가능한 수집형 자주식 두류 콤바인 개발을 위하여 시험용 시작기를 설계·제작하였으며 팥을 대상으로 수확 작업을 실시하여 작업 성능을 분석하였다.

    재료 및 방법

    1.시험용 수집형 두류 수확기

    포장 성능시험에 사용된 수확기는 나물 콩 수확 성능시험에 사용된 것과 동일한 돌기형 수집장치와 직류 복동형의 탈곡장치 등을 갖춘 52kW급의 시험 용 수집형 두류 수확기를 사용하였다.

    시험용 수집형 두류 수확기는 예취·건조된 콩, 서리태, 팥 등 두류 작물을 7열의 돌기형 걷어올림 장치로 수집하여 오거 및 체인 반송 장치를 이용 작물을 탈곡부로 반송한다. 반송된 작물은 효율적 인 탈곡을 위하여 강선 급치가 부착된 직류식 복동 급동방식의 탈곡부에서 탈곡되며, 볏짚처리체에 의 하여 볏짚은 배출되고 여기에 포함된 일부 곡물과 탈곡부 수망을 통과한 곡물 및 작은 검불은 송풍 팬, 요동운동의 곡립판, 볏짚체, 곡립체 등으로 구 성된 선별·정선부에 의하여 선별·정선이 이루어 진다. 여기서 일부 미탈곡립 등은 오거 및 버킷엘 리베이터로 구성된 재처리장치에 의하여 탈곡부로 재순환되어 재탈곡이 이루어지며, 곡립은 수평 곡 립 이송판 및 버킷엘리베이터에 의하여 곡립탱크로 이송되어 적재된다. 곡립탱크는 곡물 배출 시 손상 감소, 곡물 배출높이 조절의 편이성 증대를 위하여 유압리프트 방식을 채용하였으며, 곡립탱크의 곡물 은 접이식 홈 형의 곡물배출구로 배출하여 곡립포 대에 담도록 하였다(Yoo et al., 2015; Yoo & Choi, 2016). Fig. 1, Table 1.

    2.포장 성능시험

    운전조건에 따른 시험용 수집형 두류 수확기의 작 물수집부, 탈곡부, 선별·정선부 등 주요부 작업 성 능과 적정 운전조건을 파악하기 위하여 팥(아라리) 을 대상으로 엔진 회전속도, 작업속도를 요인으로 하여 포장 성능시험을 2014년 10월 14일~15일 경 주 시험포장에서 수행하였다. Fig. 2.

    인력으로 예취·건조된 팥을 수집·탈곡·선별·정 선 수확하는 시험용 수집형 두류 수확기의 성능 시험 공시재료 팥의 주요 제원을 나타낸 것이 Table 2이 다. 예년에 비하여 작황 부진으로 인하여 미숙립의 비율이 높게 나타났으며, 또한 예취 후 건조 기간 중 강우 다발로 수확시험 시기가 지연되어 곡립 함 수율이 낮고, 꼬투리가 벌어진 비율이 높은 상태에 서 시험을 수행하였다. Fig. 3.

    Table 3은 시험기의 포장시험 내용을 나타낸 것 으로 시험기는 작물수집부, 작물반송부, 탈곡부, 선 별·정선부 등 주요부의 운전속도가 엔진 회전속도 에 비례하여 작동되도록 설계·제작되어서 엔진회전 속도와 작업속도를 시험요인으로 하여 시험을 수행 하였으며, 표에서와 같이 시험기의 포장 곡물손실, 수확 곡물의 품질, 적정 운전조건, 이론 작업능률을 분석하였고, 그 외 주요부의 이상 작동 여부를 파악 하였다. 포장 곡물 손실과 수확 곡물 품질의 각 분 석항목 자료는 분산 분석(ANOVA)을 시행하였으며, 5% 유의수준에서 Duncan의 다중비교를 하였다. 시 험기의 이론 작업능률은 수확 작물의 재배 폭과 작 업속도를 고려하여 추정하였다. Fig. 4.

    결과 및 고찰

    1.곡물손실

    Table 4는 시험 요인별 수집 및 배진 손실비율을 나타낸 것이다. 시험결과 평균 곡립 손실비율은 수 집 손실비율 3.10~4.83%, 배진 손실비율 0.17~ 0.77%, 총 손실비율 3.23~5.13%의 범위로 나타났 으며, 수집 손실비율, 배진 손실비율, 총 손실비율 모두 엔진 회전속도, 작업속도에 따라 차이가 없는 것으로 분석되었다. 전반적으로 총 손실비율이 크게 나타난 것으로 보이며, 이 중 수집 손실비율이 높았 는데 이는 팥 시료의 특성과 함께 강우에 의한 수확 시기 지연으로 평균 곡물함수율이 11.05%로 과 건 조되어 꼬투리가 벌어진 것이 많았기 때문으로 판단 된다. 하지만 국외 보통형 두류 콤바인의 허용 성능 수준인 포장손실률 약 6% 이하는 만족하는 것으로 나타났다(Mesquita et al., 2006). Table 5.

    2.곡립구 수확물 조성비율

    곡립구에서의 수확물 조성은 완전립 비율 91.37~ 96.77%, 손상립 비율 1.00~6.50%, 미탈곡립 비율 0.00~0.30%, 이물질 비율 0.40~1.63%의 범위로 나타났다. 완전립 비율, 미탈곡립 비율, 이물질 비 율은 엔진 회전속도가 커질수록 감소하였으나, 손상 립 비율은 증가하는 것으로 나타났으며, 작업속도에 따른 차이는 없었다. Fig. 5.

    전반적으로 나물 콩 수확에 비하여 완전립 비율이 낮고, 손상립 비율이 높아 곡립구의 수확된 팥 품질 이 낮게 나타났는데 이는 팥의 작황 부진, 낮은 곡 물 함수율과 부적절한 탈곡속도 때문인 것으로 판단 된다. 특히 팥은 2800rpm 엔진속도에서 큰 손상립 비율을 보였으며, 완전립 비율도 약간 낮게 나타났 는데 이는 팥이 나물 콩에 비하여 급동 급치 속도가 높을 경우 곡물 손상이 쉽게 일어나기 때문으로 판 단되며, 따라서 나물 콩 수확의 적정 엔진속도인 2800rpm 때(1, 2 급동 급치 선단속도 각각 약 9.2, 11.0m/s) 보다 2400rpm(1, 2 급동 급치 선단속도 각각 약 7.9, 9.6m/s)으로 낮게 설정하여 곡립 손상 을 줄이고 완전립 비율을 높일 필요가 있었다. 이물 질 비율 또한 엔진속도 2400rpm(선별 송풍 팬 회전 속도 약 1183rpm, 볏짚처리체, 곡립판, 볏짚체, 곡 립체 진동수 약 4.9Hz)에서 가장 낮게 나타났다.

    국외 보통형 콩 콤바인 탈곡 급치의 적정속도는 약 13.9m/s로 제시되고 있는데(Mesquita et al., 2006) 본 연구 수집형 두류 수확기 복동형 탈곡장 치의 탈곡 급치 속도는 이보다 낮은 속도로 작업할 수 있어서 상대적으로 손상립 비율이 낮고, 이물질 비율 또한 낮아 곡물 품질 면에서 우수한 성능을 보 인 것으로 판단되었다.

    3.작업 성능, 적정 운전조건

    시험작물인 팥은 예년에 비하여 작황 부진으로 인 하여 미숙립 비율이 높게 나타났으며, 또한 예취· 건조 후 강우 다발로 수확시험 시기가 지연되어 곡 립함수율이 낮고, 곡립 꼬투리가 벌어진 비율이 높 은 상태에서 시험을 수행함으로서 수집 손실비율, 손상립 비율이 높게 나타난 것으로 보인다. 따라서 곡립함수율 등 적정한 건조 상태에서 수확하는 것이 매우 중요하며, 그 경우 시험용 수집형 두류 수확기 의 작업 성능은 크게 향상될 것으로 보인다. 수확작 업 중 시험기의 작물수집부, 작물반송부, 탈곡부, 선별·정선부, 재처리부, 곡립이송부 등 주요부의 막힘이나 이상 현상은 나타나지 않았다.

    곡물손실, 곡물품질, 작업능률 등을 전반적으로 고려해 볼 때 나물 콩에 비하여 상용 엔진 회전속도 2800 rpm 이상에서 높은 손상립 비율을 보여 급동 회전속도를 낮추어 작업하는 것이 필요하였으며, 적 정 운전조건은 엔진 회전속도 2400rpm, 작업속도 1.0m/s에서 수집 손실비율 약 3.9%, 배진 손실비율 약 0.5%, 총 손실비율 약 4.4%, 완전립 비율 약 97.0%, 손상립 비율 약 1.8%, 미탈곡립 비율 약 0.0%, 이물질 비율 약 0.4%의 작업 성능을 보였다. 또한 포장시험 결과 시험기는 시험조건이 불량한 상 태에서도 본 연구의 목표성능인 총 손실비율 5% 미 만, 손상립 비율 5% 미만, 이물질 비율 1% 미만을 만족하였으며, 국외 보통형 두류 콤바인의 성능 수 준인 포장손실률 약 6%, 손상립 비율 약 3%, 이물 질 비율 1% 이하의 성능기준 보다 우수한 성능을 보인 것으로 나타났다(Mesquita, 2006).

    또한 시험기는 재배 폭이 약 2m인 3조 예취·건 조한 팥을 약 1.0m/s의 작업속도로 수집·탈곡할 수 있어서 이론 작업능률은 약 70a/h 정도일 것으 로 판단되며, 콤바인의 전형적인 포장효율인 약 70%를 가정할 때(Ajit et al., 1993) 유효 작업능률 은 약 50a/h를 보일 것으로 예상되었다.

    시험용 수집형 두류 수확기의 수집부, 탈곡부, 정 선·선별부 등 주요부는 엔진과 V벨트, 체인 전동장 치로 직결 구동됨으로 인하여 엔진 회전속도에 비례 하여 주요부의 속도가 설정된다. 팥의 함수율 등 작 물 상태, 부하 조건 등 작업여건에 따라 엔진 출력 의 효율적 이용과 수집형 두류 수확기의 작업 성능 향상을 위해서는 상용 엔진 회전속도인 2800~ 3000rpm으로 작업하는 것이 필요하며, 수확 곡물의 품질 특히 손상립 비율 감소를 위하여 탈곡부의 급 동 회전속도를 팥 작물의 줄기, 곡립 함수율 등 다 양한 작물조건변화를 고려할 때 약 10~20% 줄일 수 있도록 적정 작업속도 설정을 위한 탈곡부 변속 장치가 필요한 것으로 판단되었다.

    감사의 글

    본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제명: 수집형 자 주식 두류 콤바인 개발, 과제번호: PJ00998101)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    JALS-51-1-213_F1.gif

    Drawings of the pick-up part, and its pick-up chain and tines.

    JALS-51-1-213_F2.gif

    Drawing of the threshing, separating and cleaning parts.

    JALS-51-1-213_F3.gif

    Assembly and construction views of the experimental pick-up type pulse crop harvester.

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    Views of the field test.

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    Views of analysis of the output sample in grain tank, damaged grain, foreign materials, immature grains.

    Table

    Main specifications of the experimental pick-up type pulse crop harvester

    Characteristics of the testing red bean

    Details of the experimental design

    1)Speeds of threshing tooth ends on first and second threshing drums, oscillating frequency of separating device and cleaning shoe such as straw walker, grain pan, chaffer sieve, and grain sieve, and speed of air blower are proportional to engine speed for the harvester. Those are 9.2, 11.0 m/s, 5.7 Hz, and 1380 rpm at the engine speed of 2800 rpm, respectively.
    2)As travel speeds of the harvester were set by speed control lever as 0.6, 1.0, and 1.4 m/s under no load condition, actual speeds in field tests reduced by 0.1-0.3 m/s due to difference of ground conditions and harvesting loads.

    Average grain loss for the harvesting red bean

    *Duncan’s multi range test, Means in a row with different letters are significantly different(p<0.05).
    **Values in parenthesis mean standard deviation.

    Grain quality in grain tank

    *Duncan’s multi range test, Means in a row with different letters are significantly different (p<0.05).
    **Values in parenthesis mean standard deviation.
    1)Remaining ratio except the ratios in table is unwhole grain ratio including immature grain.

    Reference

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