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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.51 No.2 pp.165-173
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2017.51.2.165

Harvesting Performance of the Experimental Pick-up Type Pulse Crop Harvester for Sprout 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+82-62-530-2159snyoo@chonnam.ac.kr
November 10, 2016 January 24, 2017 March 8, 2017

Abstract

To evaluate performance of the experimental pick-up type pulse crop harvester for harvesting sprout 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, germination rate of threshed grain, 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 2800 rpm and the harvesting speed of 1.0 m/s, and then average pick-up grain loss ratio of 2.7%, discharging grain loss ratio of 0.5%, whole grain ratio of 99.3%, damaged grain ratio of 0.2%, unthreshed grain ratio of 0.0%, foreign material ratio of 0.2%, and germination rate at 8 days after seeding of 72.8% were shown. It is considered that the harvester has lower grain loss and higher grain quality than the imported bean combines. And also as it could harvest 3 rows of cut and dried sprout bean crop width of which was about 2 m, its effective field capacity was estimated for about 50 a/h.


시험용 수집형 두류 수확기의 나물 콩 수확성능

최 영수, 유 수남*
전남대학교 지역바이오시스템공학과

초록

본 연구는 시험용 수집형 자주식 두류 수확기를 설계·제작하여 예취·건조된 나물 콩을 대상으로 수 확작업 성능을 파악하였다. 수확시험은 수확기의 엔진 회전속도 2000, 2400, 2800rpm, 작업속도 0.6, 1.0, 1.4m/s의 설정에 따라 수집 손실비율, 배진 손실비율 등 수확손실과 수확된 곡물 품질로서 완전립 비율, 손상립 비율, 미탈곡립 비율, 이물질 비율을 분석하였으며, 그 외 수확된 나물 콩의 발아세와 발 아율, 작물 재배 폭과 작업속도를 고려한 작업능률을 조사·분석하였다. 시험기는 운전조건이 엔진 회 전속도 2800rpm, 작업속도 1.0m/s일 때 가장 좋은 작업 성능을 보인 것으로 판단되며, 이 때 수집 손 실비율 약 2.7%, 배진 손실비율 약 0.5%, 총 손실비율 약 3.1%, 완전립 비율 약 99.3%, 손상립 비율 약 0.2%, 미탈곡립 비율 약 0.0%, 이물질 비율 약 0.2%의 작업 성능과 수확된 나물 콩의 발아세, 발아 율은 약 100%, 71.7%를 보여 국외 보통형 콤바인 보다 곡물 손실이 적고, 수확 곡물의 품질도 높아 우 수한 작업 성능을 보인 것으로 나타났다. 또한 시험기는 나물 콩의 수확시험 조건이 불량한 상태에서도 재배 폭이 약 2m인 3조 예취·건조 나물 콩을 약 1.0m/s의 작업속도로 수집·탈곡할 수 있어서 유효 포장작업능률은 약 50a/h 정도일 것으로 판단되었다.


    Rural Development Administration
    PJ00998101

    서론

    국내 콩의 관행 수확작업은 인력이나 콩예취기로 예취작업을 한 후 약 3~4일 정도 포장에서 건조시 켜 트랙터나 동력경운기의 동력을 이용하여 콩 탈곡 기, 콩 선별·정선기를 구동하여 탈곡, 선별·정선 작업을 수행하고 있다. 소요 노동시간은 약 5.8시간 /10a, 총 콩 재배 작업시간의 약 46%를 차지하여 노동력이 많이 소요되고, 노동부하가 높으며, 작업 능률과 작업 정도도 매우 낮아서 콩 등 두류 작물 전용의 고 능률, 저 손실의 수집형 자주식 콤바인 개발이 시급한 실정이다(KSAM, 2014).

    국내에서는 Yoo et al.(1990)이 2조식 콩 전용 콤바인을 이용하여 콩 생력기계화 재배 기술시험 을 실시하여 수확적기 구명, 콩 품종별 손실률을 구명하였는데 수확적기는 성숙기 후 10일 경, 평 균 손실률은 3.8%였으며, 품종에 따라 1.6~9.7% 로 차이를 나타냈다고 보고하였다. Hong et al. (2003)은 무한궤도식, 릴, 왕복 예취날식, 돌기치 식, 2단 요동+송풍식 등의 특성을 갖는 1.5m 폭 자주식 콩 콤바인 시작기 개발 연구에서 콩 재배 실태 및 수확방법 조사, 주요부 요인별 성능시험, 포장 성능시험, 농가 적응시험, 경제성 분석 등을 수행하였다. 시작기는 작업능률 27a/시간, 콩 손 실률 1.2∼2.8%(작업속도 0.6m/s) 성능을 나타내 어 관행작업 대비 98% 노력 절감, 88% 비용 절감 을 이룰 수 있다고 보고하였지만 작업속도 증가를 통한 작업능률 향상이 필요한 것으로 판단된다. 국 내 중소 농기계업체인 오페주식회사는 회전 예취 날, 돌기형 전처리 수집부를 갖춘 자주식 예취형 콩 전용 콤바인을 국산화 개발하여 상용화 보급을 시도 중에 있다. 또한 현재 전량 수입 중인 잡곡, 두류 등을 수확할 수 있는 범용 보통형 콤바인의 국산화 개발을 위하여 주요 국내 농기계업체가 2013년부터 지식경제부 기술혁신사업으로 수행 중 에 있다.

    국외의 경우 구미 등 일본을 제외한 나라에서는 주 로 보통형 콩 콤바인이 활용되고 있는데 콩의 적정 수확 함수율에 대한 연구(Herbek & Bitzer, 2004; Howell & Martens, 2004; Wright et al., 2004), 콤바인의 적정 작업속도에 대한 연구(Mowitz, 2001; Berglund & Helms, 2003; Herbek & Bitzer, 2004; Wright et al., 2004), 적정 탈곡 급동속도 에 대한 연구(Grisso, 2004; Herbek & Bitzer, 2004; Wright et al., 2004), 콤바인의 기계적인 손상과 이물질 비율에 대한 연구(Mowitz, 2001; Costa et al., 2002; Berglund & Helms, 2003; Krzyzanowski et al., 2003), 콤바인의 포장손실에 대한 연구(Beasley, 2002; Shay et al., 2002; Grisso, 2004; Herbek & Bitzer, 2004; Mesquita et al., 2006) 등이 수행되었다. 많은 연구자들이 콩 수확 관련 수확기의 성능 및 효율 향상, 곡물 손상 및 손실 감소, 곡물 품질 향상을 위한 콩 예 취 및 전처리장치, 탈곡장치 등 콤바인 주요부의 개량·개발에 대한 연구를 주로 수행하였다. 연구 자, 기종, 콩의 종류에 따라 차이는 있지만 콩의 적 정 수확 함수율은 약 13∼15%, 콩 수확 콤바인의 적정 작업속도는 1.3∼1.5m/s, 탈곡부 탈곡 급치 (급동)의 적정 속도는 약 13.9m/s이며, 현재 콤바 인 기술발전에도 불구하고 수확 시 포장손실률은 약 6%, 손상립 비율은 약 3%, 이물질 비율은 1% 이 하의 작업 성능이 허용할 수 있는 수준이라고 제시 하였다(Mesquita et al., 2006).

    현재 콩 이외의 팥 등 두류작물의 저 손실, 저 손 상 기계화 수확을 위한 예취, 탈곡․선별장치 등에 대 한 기초연구, 전용 콤바인 등 수확기 개발 연구는 매우 미흡한 상태이며, 특히 우리나라의 수확여건을 고려한 승용 예취기, 수집형 자주식 콤바인 개발이 매우 시급한 실정이다. 따라서 본 연구는 예취·건 조된 콩, 팥 등 두류 작물을 수집하면서 탈곡할 수 있는 저 손실, 고 품질 수확이 가능한 수집형 자주 식 두류 콤바인 개발을 위하여 시험용 시작기를 설 계·제작하였으며 나물 콩을 대상으로 수확작업 성 능을 분석하였다.

    재료 및 방법

    1.시험용 수집형 두류 수확기

    시험용 수집형 두류 수확기의 주요부는 출력 약 52kW 엔진, 크롤러형 주행부, HST 등을 갖춘 차 대, 시험기 주요부에 동력전달을 위한 체인 및 V벨 트 전동방식의 동력전달부, HST 구동, 기체의 수평 제어, 곡물탱크의 배출구 높이 조절 등을 위한 콤바 인의 유압장치부, 운전조작부, 작물수집부, 작물반 송부, 2단 복동형 강선 급치식의 탈곡부, 송풍+요동 방식의 선별·정선부, 수평 오거와 버킷 엘리베이터 의 재처리부, 경사판과 버킷 엘리베이터의 곡립이송 부, 유압리프트 기능을 갖춘 낙하식 곡물탱크와 접 이식 곡물 배출부 등으로 구성하였다.

    시험용 수집형 두류 수확기는 중복 개발과 연구개 발비 저감을 위해 크롤러형 주행부, 최대 출력 52kW의 수냉식 디젤엔진, HST방식 동력전달장치 등을 갖춘 현재 생산 판매 중인 국제종합기계 4조식 자탈형 콤바인 DKC-685C 차대를 활용하여 수확기 주요부 동력전달을 위한 동력전달부, 차체 수평제어 장치, 작물 수집부와 곡립탱크의 높이 제어를 위한 유압장치를 설계하였으며, 자탈형 콤바인 운전조작 부를 수집형 두류 콤바인 조작에 적합하도록 개조하 였다. 작물수집부는 평지와 두둑재배, 노지와 멀칭 재배 조건에서 작물 수집이 가능하며, 수확작물 수 집 시 수집 손실률을 줄이기 위하여 수집 돌기의 작 물 타격력을 최소화 하도록 7조의 수집돌기 부착 체 인과 수집높이 조절바퀴를 갖도록 설계·제작하였 다. 작물반송부는 작물반송 시 손상을 줄일 수 있도 록 오거와 돌기판 부착 체인 반송장치를 이용하였 다. 탈곡부는 선진국에서 두류 작물 탈곡에 효율적 임이 검증된 2단 복동형 직류방식의 급동을 적용하 고, 국내 두류 작물의 탈곡에 적합하며 효율적인 고 탈곡률, 저 손상률의 강선 급치 및 절단 날, 수망 등을 설계하였으며, 진동 흡수력이 우수하고 내구성 이 검증된 목재 프레임을 적용하였다. 선별·정선부 는 탈곡된 두류 작물 특성에 적합한 요동형 짚처리 체, 곡물판 및 선별체, 곡립체, 송풍기를 채용하였 으며, 각종 체의 진동 흡수력이 우수하고 내구성이 검증된 목재 프레임을 적용하였다. 재처리부는 재탈 곡물의 막힘과 곡물의 손상을 최소화할 수 있는 수 평이송 오거, 수직이송 버킷엘리베이터 방식으로 설 계·제작하였으며, 곡립이송부는 곡물의 손상을 최 소화할 수 있는 경사판식 수평이송장치, 버킷엘리베 이터 방식의 수직이송 장치를 갖추도록 설계·제작 하였다. 곡립탱크 및 곡립배출부는 곡립 손상을 최 소화할 수 있는 홈통형의 접이식 곡립배출장치를 설 계하였으며, 곡립 배출구의 배출높이 조정을 위하여 유압리프트를 적용하였다(Yoo et al., 2015).

    제작된 시험용 두류 수확기의 외관과 주요부 규격 은 팥 수확시험에서 제시한 것(Choi & Yoo, 2017) 과 같으며, Fig. 1은 시험용 두류 수확기 주요부의 구성과 주요부로의 동력전달 체계를 나타낸 것이다.

    2.포장 성능시험

    운전조건에 따른 시험용 수집형 두류 수확기의 작 물수집부, 탈곡부, 선별·정선부 등 주요부 작업 성 능과 적정 운전조건을 파악하기 위하여 나물 콩(해 품)을 대상으로 엔진 회전속도, 작업속도를 요인으 로 하여 포장 성능시험을 2014. 10. 17~18일 무안 시험포장에서 수행하였다.

    Table 1은 공시재료인 나물 콩의 주요 제원을 나 타낸 것으로 예년에 비하여 작황 부진으로 인하여 미숙립의 비율이 높게 나타났으며, 또한 예취 후 건 조 기간 중 강우 다발로 수확시험 시기가 1주일가량 지연되어 곡립 함수율이 낮고, 곡립 꼬투리가 벌어 진 비율이 높은 상태에서 시험을 수행하였다.

    Table 2는 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 하였다. 표에서와 같이 시험기의 포장 곡물손실로서 는 수확 곡물의 전체 중량에 대한 수집부의 수집 손 실 곡립 중량의 비율을 나타내는 수집 손실비율, 수 확 곡물 전체 중량에 대한 짚 처리체, 선별·정선체 출구에서의 곡립 손실 중량의 비율을 나타내는 배진 손실비율을 측정하여 총 곡립 손실비율을 산정하였 다. 수확 곡물의 품질로서는 시험기 곡립탱크 곡립 배출구에서의 샘플을 채취하여 전체 샘플 중량에 대 한 완전립, 손상립, 미탈곡립, 검불 등 이물질 중량 의 비율로 완전립 비율, 손상립 비율, 미탈곡립 비 율, 이물질 비율 등을 각각 구하였다(FACT, 2016). 또한 나물 콩은 콩나물로 주로 활용되기 때문에 발 아율이 매우 중요하다. 따라서 기계수확 나물 콩의 파종 후 5일, 8일의 발아율을 조사하여 관행의 손 탈곡 나물 콩과 비교하였다. 그 외 시험기의 적정 운전조건, 이론작업능률을 분석하였고, 시험기 주요 부의 이상 작동 여부를 파악하였다.

    포장 곡물 손실과 수확 곡물 품질의 각 분석항목 자료는 분산 분석(ANOVA)을 시행하였으며, 5% 유 의수준에서 Duncan의 다중비교를 하였다. 시험기의 유효작업능률은 수확 작물의 재배 폭과 작업속도를 고려하여 이론작업능률을 구한 다음 콩 콤바인의 일 반적인 포장효율을 고려하여 추정하였다.

    결과 및 고찰

    1.곡물손실

    Table 3은 시험 요인별 수집 및 배진 손실비율을 나타낸 것이다. 시험결과 평균 곡립 손실비율은 수집 손실비율 1.25∼6.15%, 배진 손실비율 0.30∼0.90%, 총 손실비율 1.90∼6.55%의 범위로 나타났다. 수집 손실비율은 엔진 회전속도가 증가함에 따라 즉 수집 돌기의 속도가 커짐에 따라 커지는 것으로 나타났 으나, 배진 손실비율, 총 손실비율은 엔진 회전속도 즉 탈곡부, 선별·정선부의 작동조건이나 시험기의 작업속도에 따라 차이가 없었는데 이는 나물 콩의 줄기와 꼬투리 함수율이 낮았기 때문으로 판단된다.

    2.곡립구 수확물 조성

    Figure 2는 곡립구에서의 수확물 조성 분석 광 경과 분류된 나물 콩의 손상립, 이물질, 미숙립을 나타낸 것이며, Table 4는 곡립구에서의 수확물 조성비율을 나타낸 것이다.

    Table 에서와 같이 완전립 비율 96.45∼99.30%, 손 상립 비율 0.10∼0.50%, 미탈곡립 비율 0.00∼0.65%, 이물질 비율 0.15∼1.30%의 범위로 나타났다. 완전립 비율은 엔진 회전속도와 작업속도가 커질수록 증가하 였으나, 손상립 비율은 차이가 없었으며, 미탈곡립 비 율과 이물질 비율은 엔진 회전속도의 증가에 따라 감 소되는 것으로 나타났다. 전반적으로 엔진 회전속도 가 클 때 즉 탈곡 급동 및 선별·정선부 속도가 클 때 수확 곡물의 품질이 좋은 것으로 판단된다.

    3.발아율

    나물 콩은 주로 콩 나물로 이용되기 때문에 발아 율이 중요한데 Table 5에서와 같이 파종 후 5일 발 아율은 모두 100%였지만, 파종 후 8일 발아율은 67.50∼72.67%의 범위로 낮게 나타났다. 이는 기상 여건에 따른 작황 부진 때문으로 판단된다. 엔진 회 전속도와 작업속도 수준에 따른 차이는 없는 것으로 나타났으며, 또한 손 탈곡의 발아율 74.67%와도 차 이가 없었다.

    4.작업 성능, 적정 운전조건

    시험작물인 나물 콩은 예년에 비하여 작황 부진으 로 인하여 미숙립 및 착색립 비율이 높게 나타났으 며, 또한 예취·건조 후 강우 다발로 수확시험 시기 가 지연되어 곡립함수율이 낮고, 곡립 꼬투리가 벌 어진 비율이 높은 상태에서 시험을 수행함으로서 수 집 손실비율, 손상립 비율이 높게 나타난 것으로 보 인다. 곡립함수율 등 적정한 작물 건조 상태에서 수 확하는 것이 매우 중요하며, 그 경우 시험용 수집형 두류 수확기의 작업 성능은 크게 향상될 것으로 보 인다. 수확작업 중 시험기의 작물수집부, 작물반송 부, 탈곡부, 선별·정선부, 재처리부, 곡립이송부 등 주요부의 막힘이나 이상 현상은 없었다.

    곡물손실, 곡물품질, 작업능률 등을 전반적으로 고려해 볼 때 나물 콩 수확 시 시험기의 적정 운전 조건은 엔진 회전속도 2800rpm, 작업속도는 약 1.0m/s로 추정되며, 이때 수집 손실비율 약 2.7%, 배진 손실비율 약 0.5%, 총 손실비율 약 3.1%, 완 전립 비율 약 99.3%, 손상립 비율 약 0.2%, 미탈곡 립 비율 0.0%, 이물질 비율 약 0.2%의 작업 성능과 수확된 나물 콩의 발아세, 발아율은 약 100%, 71.7%를 보였다. 또한 포장시험 결과 시험기는 시험 조건이 불량한 상태에서도 목표성능인 총 손실비율 5% 미만, 손상립 비율 5% 미만, 이물질 비율 1% 미 만을 만족하였으며, 국외 보통형 두류 콤바인의 성 능 수준인 포장손실률 약 6%, 손상립 비율 약 3%, 이물질 비율 1% 이하의 성능기준 보다 우수한 성능 을 보인 것으로 나타났다(Mesquita, 2006).Fig. 3

    시험기는 재배 폭이 약 2m인 3조 예취·건조 나 물 콩을 약 1.0m/s의 작업속도로 수집·탈곡할 수 있어서 이론포장작업능률은 약 70a/h 정도일 것으 로 판단되며, 포장작업효율을 약 70%를 가정할 때 (Ajit et al., 1993) 유효포장작업능률은 약 50a/h를 보일 것으로 예상되었다.

    시험용 수집형 두류 수확기의 수집부, 탈곡부, 정 선·선별부 등 주요부는 엔진과 V벨트, 체인 전동 장치로 직결 구동됨으로 인하여 엔진 회전속도에 비례하여 주요부의 속도가 설정되도록 되어있다. 그러나 엔진 출력의 효율적 이용과 수집형 두류 수 확기의 작업 성능 향상을 위해서는 상용 엔진 회전 속도인 2800∼3000rpm에서 주요부 특히 탈곡부와 선별·정선부의 속도를 나물 콩의 함수율 등 작물 상태, 작업조건 등 작업여건에 따라 적절하게 설정 하여 작업하는 것이 필요하다. 따라서 운전자가 탈 곡부, 선별·정선부 등 작업 성능에 크게 영향을 미치는 주요부의 속도를 수확 조건에 따라 적정하 게 설정할 수 있도록 하는 변속장치가 필요한 것으 로 판단되었다.

    감사의 글

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

    Figure

    JALS-51-165_F1.gif

    Power flow diagram from engine to main parts.

    JALS-51-165_F2.gif

    Analysis of the grain tank output, damaged grain, foreign materials, and immature grains.

    JALS-51-165_F3.gif

    Views of the field test.

    Table

    Main specifications of the tested sprout bean

    *Standard deviation

    Experimental design for evaluating harvesting performance

    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.

    Field loss of grain for the harvesting sprout bean

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

    Component ratio of output in grain tank

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

    Germination rate of the harvested grain

    *Germination rate at 8 days after seeding,
    **Duncan’s multi range test, Means in a row with different letters are significantly different(p<0.05),
    ***Standard deviation

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