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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.3 pp.111-122
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.3.111

Conceptual Design and Rearward Stability Analysis of an Integrated Tractor Implement for Flat Ridge Preparation

Sung Bo Shim1, Young Jo Nam2, Young Mo Koo3*
1Major of Bio-Industrial Machinery Engineering(IALS), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Bulls Co., Ltd., Sungju, 40053, Korea
3School of Agricultural Civil and Bio-industrial Engineering, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Korea
Corresponding author: Young Mo Koo Tel: +82-53-950-5788 Fax: +82-53-950-6780ymkoo@knu.ac.kr
March 7, 2018 April 13, 2018 May 27, 2018

Abstract


Recently, as interest in the production and consumption of safe and high quality ‘local food’ has increased, the labor-saving mechanization of local upland field agriculture have also become urgently needed. Therefore, the objectives of this study are to design the concept of an integrated tractor implement and to analyze the rearward overturn stability. The concept of a tractor-attached integrated implement system was setup by combining the five operations, such as tilling, ridge forming, spraying, mulching and seeding in the upland farming. Dead-weight and power consumption of the integrated implement were estimated with the specifications of conventional attachments, and then the feasibility was reviewed in the aspect of power engineering. The capability of 33.6 kW(45 PS) tractor reaches the marginal limit, as to apply the designed implement with the estimated weight and total power of 1,270 kgf and 33.5 kW. The stationary and mobile stability characteristics of the implement are theoretically analyzed and discussed. In terms of operational stability, it is recommended to install a front loader to prevent rearward overturn when attached to category I(<48 kW) tractors.



트랙터 장착형 일관작업 평두둑 복합기의 개념설계 및 후방전도 안정성 분석

심 성보1, 남 영조2, 구 영모3*
1경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학전공(농업생명과학연구원)
2불스(주)
3경북대학교 농업토목·생물산업공학부

초록


최근 안전하고 질 좋은 ‘로컬푸드’에 대한 생산과 소비에 대한 관심이 높아지면서 지역 밭농업의 기계 화와 생력화를 절실히 필요하게 되었다. 본 연구의 목적은 밭농업을 생력화하기 위한 일관화 작업 평두 둑 복합기의 개념을 설계하고 후방전도 안정성을 검토하는데 있다. 일관화 작업 복합기는 경운·정지, 휴립, 방제, 멀칭 및 파종·정식의 다섯 단계별 작업기를 통합하여 트랙터 부착 견인형으로 일관작업 체계의 개념으로 설계하였다. 기존의 개별 작업기들를 참고하여 복합기의 자중과 소비동력을 추정하고 국내 농가에서 사용하는 트랙터에 적용 할 수 있는지를 동력 공학적으로 검토하였다. 방제용액을 포함 한 작업기의 추정 자중은 1,270kgf으로 예상 총소비 동력 33.5kW을 제공할 트랙터를 검토한 바, 45PS(33.6kW)급 트랙터는 히치 상승능력과 총동력에 있어 적절한 한계선 이내에 있는 것으로 판단되 었다. 또한 복합작업기의 자중에 의한 후방전도의 안정성을 검토하였는데, 본 연구에서 설계한 복합 작 업기를 카테고리 I(<48kW) 트랙터에 장착하여 사용할 경우 트랙터 전면 평형추(ballast)로서 전방 버 켓로더를 부가하여 후방전도 안정성을 유지해야 한다.



    서론

    농촌 노동력의 고령화와 소비자들의 ‘로컬푸드’에 대한 관심증가(Lee, 2014; Ju, 2015) 등으로 인하 여 밭농업의 기계화와 생력화가 갈수록 중요해지고 있다. 제7차 농업기계화 기본계획(2012~2016) 수 립 및 시행 이후 기계화율이 1996년 40%에서 2015년 58.3%로 높아졌으나(NAS-RDA, 2016), 아 직도 파종·정식, 비닐 멀칭, 수확 등의 작업 과정 은 기계화율이 낮고 생력화의 정도도 만족스럽지 못 하다(Kim et al., 2013; Yu et al., 2014). 그 원인 으로는 각 농작업의 개별적인 기계화, 지역마다 다 른 복잡한 재배체계 등을 들 수 있다. 각 농작업 중 에서도 노동력 집중도가 높은 농작업 단계의 기계화 가 미흡하여 생산비 절감과 생력화에 장애가 되고 있으므로, 관행의 생산 방식을 기계화에 적합하게 단순화하고 표준화하는 것은 일관 기계화의 필수적 인 선행조치라고 할 수 있다(Rhee, 2014).

    이를 위하여 농촌진흥청(RDA, 2015)은 재배체계 (재배 양식과 기계작업 과정) 표준화 대상을 9 품목 (고추, 마늘, 양파, 배추, 무, 두류, 감자, 고구마, 잡곡), 14 작물로 선정하고 표준화 등 생산성 증대 방안을 제시하였다. 우리나라 밭작물의 재배양식은 크게 평 두둑과 둥근 두둑으로 나눌 수 있는데, 본 연구의 주 관심 재배양식인 평두둑 대표작물(마늘, 양파)의 표준 작업폭을 제시하였다. Fig. 1과 같이 평두둑에서의 기계작업은 경운(밭갈기), 정지(고르기), 두둑성형(휴립), 약액살포·시비, 멀칭(비닐피복), 파 종·정식 순서로 진행하는 것이 일반적이며, 둥근두 둑(고추, 배추, 무 등)은 약액살포와 시비를 제외할 수 있으므로 평 두둑과 둥근 두둑 재배 방식에 모두 사용이 가능한 복합작업기를 구현하기 위하여 각 작 업별 작업기 모듈의 교환과 조정이 용이하도록 제안 되었다(KIPO, 2017). 이와 같이 일련의 기계 작업 과정이 한 번에 이루어 질 수 있도록 단일 복합기로 통합되면 재배체계가 일관화 될 수 있다.

    Katahira et al.(2004)은 관리기의 개별 작업을 하나의 기계로 묶어서 대파의 재배를 생력화하여 저 비용 재배를 실현하였고, 성형 정밀도가 좋은 절구 (ditch)를 사용하여 동시에 시비와 배토가 가능한 기계를 개발하였고, 그 성능을 분석 한 결과 흑토와 사질토 포장에서 관행에 비해 각각 10배와 13배로 작업능률이 향상되었으며, 부담 면적은 관행에 비하 여 각각 3.8배 및 5.3배로 증가되는 결과를 보였다 (Katahira et al., 2006).

    이와 같은 선행 연구 결과로 미루어 볼 때 각 단 계별 작업기를 통합하여 일관화작업을 수행하는 복 합작업기를 개발하면, 밭농업의 생력화에 기여할 것 으로 생각된다(Koo et al., 2017). 따라서 본 연구는 밭농업의 일관화 작업을 위한 평두둑 복합작업기를 개발하기 위한 첫 단계로서, 평두둑 복합작업기의 개념 설계 및 후방전도 안정성 평가를 수행하였다.

    재료 및 방법

    1 개념설계

    밭농업의 개별적인 기계작업을 복합기로서 일관화 하기 위하여 기존의 개별적 기계를 모듈화하고 밀집 시켜 집약농업에 적합하도록 구조와 동력을 검토하 였다. 복합기는 Fig. 2와 같이 평두둑 작물의 재배 체계에 맞추어 경운·정지, 두둑성형, 방제, 멀칭 및 파종의 다섯 단계의 각 작업기를 통합한 트랙터 부착형 일관작업 개념으로 구성하였다.

    개념설계를 기반으로 경운에서 파종까지 순서대로 일관 작업이 되도록 시작기를 구성한다. 이에 복합 기 구조의 단순화, 운영의 효율성, 트랙터 견인형으 로서의 안정성 등에 중점을 두어 설계하고 구현하기 위하여 다음과 같은 설계조건을 요약하였다.

    • 평 두둑용 복합 작업기는 경운·정지, 두둑성형, 약액살포·시비, 멀칭·절단, 파종·이식의 작업 이 순서대로 이루어지도록 모듈을 배치한다.

    • 각 작업 모듈 사이에 구조적으로 간섭이 발생하 지 않아야 하며 기구적 동작에 서로 영향을 미치 지 않도록 한다.

    • 모듈의 필요와 순서에 따라 조합이 가능해야 하 며 모듈 간 연결 장치는 장·탈착이 용이하도록 고안되어야 한다.

    • 조향 반경을 최소화 즉, 새머리(headland) 면적을 최소화하고, 트랙터 3점 히치에 과도한 하중이 발 생하지 않도록 작업기의 길이는 2,500mm 이하로 최소화 한다.

    • 작물별 재배양식 조사 결과를 바탕으로 두둑 및 멀칭 폭은 1,200mm, 작업기 전폭은 1,800mm로 하고 조정이 가능하도록 구성한다..

    • 카테고리 I 또는 II(KS B ISO 730, 2014) 트랙 터에 적용하는 것을 목표로 하고, 복합작업기의 총중량은 1,000kgf이 넘지 않도록 한다.

    • 특히, 평두둑용 복합 작업기의 방제를 위한 약액 탱크 무게와 위치를 결정할 때 후방전도에 대한 안정성을 고려한다.

    복합기의 각 모듈의 소비동력과 자중을 기존의 개 별 작업기로부터 참고하여 현재 농가에서 사용하는 트랙터와 양립하여 적용할 수 있는지를 동력 공학적 으로 검토하였다. 또한 현실적으로 복합기를 장착할 수 있는 카테고리 I 또는 II급 트랙터의 규모를 정 의하고 3점 히치의 상승능력과 동력부의 여유를 검 토하였다.

    Figure 3(a)에 보인 시작기에 대하여 Ansys®를 사용하여 복합기 구조의 응력분석을 시행하였다. 재료는 구조용강 SS400(S45C)을 사용하였으며, 강 도특성은 항복강도(yield point) 245MPa와 파단강 도(ultimte point) 400MPa이다. 이를 바탕으로 Fig. 3(b)에 작업기의 3D 구조분석 모델을 보였고 강도 설계를 위한 구조물은 대표적인 동적 작업하중인 견 인력 800kgf에 대하여 분석 검토하였고 결과를 바 탕으로 구조물 치수를 결정하였다(데이터 미제시).

    2 안정성 분석

    본 연구에서 다룰 복합 작업기의 무게는 약 800~1,000kgf으로, 국내 농가에서 가장 많이 보유 하고 있는 카테고리(<48kW)과 상위 등급인 카테고 리 Ⅱ(<92kW)(KS B ISO 730, 2014) 트랙터를 대 상으로 안정성을 분석하였다.

    복합작업기는 여러 가지 농작업기를 일체화 시켜 놓았기 때문에 자체중량이 상당히 무겁고 무게중심 또한 트랙터 자체 중심에서 뒤쪽으로 멀어져있다. 따라서 차량의 이동 및 회전을 위하여 3점 히치에 부착된 작업기를 상승시킬 경우 트랙터 전륜이 들어 올려지는 후방전도가 일어날 수 있다. 따라서 정지 상태에서 작업기가 상승하였을 때 힘의 평형 모델을 이용하여 정적 후방전도 안정성을 분석하였으며, 견 인 작업 중 힘의 평형 모델을 이용하여 동적 후방전 도 안정성을 분석하였다.

    이론적인 후방전도의 임계상태는 Rf≤0 이지만, 토양추진력을 발생시킬 수 있는 안정 상태는 작업기 와 부가중량을 장착하지 않은 트랙터 자체만의 정적 전륜반력(일반적으로 Wt의 30~40%)의 ⅓이상이 되 어야하며, 이는 후방전도에 대한 전륜반력의 임계치 (Rf0)이다(Ryu, 2004).

    2.1 정적 안정성

    후방전도 조건을 분석하기 위하여 Fig. 4와 같은 힘의 평형모델을 바탕으로 전륜의 반력 ( R f ) 을 계산 하여 후방전도 여부를 판단하였다. Fig. 4는 카테고 리 I 에 해당하는 33kW급 트랙터(Dedong, DK45SE, 45PS)를 기준으로 하여 구성한 정적 평형모델로서 전방로더 ( W b l ) 를 추가적인 평형추 ( W f ) 로 사용한 경 우이다. 카테고리 II에 해당하는 75PS(55kW) 급 트랙 터의 경우 전방로더 ( W b l ) 가 기본평형추( ( W f ) : ballast) 로 대체되었다.

    M B = R f ( L r + L f ) W b l ( L + L 4 ) W t L r + W a L 5 + W c L m = 0
    식(1)

    R f = { W b l ( L + L 4 ) + W t L r W a L 5 W c L m } / ( L r + L f )
    식(2)

    여기서,

    • M B = B지점을 기준으로 취한 모멘트 평형식

    • R f = 전륜 반력(reaction of front wheel), kgf

    • L = L r + L f = 차륜간 거리(wheel base), m

    • L r = 후륜 거리(rear wheel distance from GC), m

    • L f = 전륜 거리(front wheel distance from GC), m

    • L 4 = 전방 평형추 거리(ballast location from front wheel), m

    • L 5 = 주 작업기 거리(integrated attachment location from rear wheel), m

    • L m = 추가 작업기 거리(additional attachment location from rear wheel), m

    • W t = 트랙터 중량(frame weight), kgf

    • W b l = 전방로더 중량(front load weight), kgf

    • W a = 작업기 중량(weight of integrated attachment), kgf

    • W c = 추가 작업기(커터+파종기) 중량(weight of additional attachment), kgf

    식 (1)은 정적인 경우의 관계식으로 B 지점을 기 준으로 모멘트식 ( M B ) 을 세워 식 (2)와 같이 전륜 반력(Rf)를 계산 할 수 있다. Table 1에는 후방전도 안정성을 분석하기 위한 트랙터와 복합작업기의 변 수에 대한 기본 제원과 전륜반력의 임계치 ( R f o ) 를 보였다.

    2.2 동적 안정성

    동적인 경우 안정 조건을 분석하기 위하여 Fig. 5 와 같은 힘의 평형 모델을 이용하여 견인 작업 중 전륜의 반력 ( R f ) 을 계산하여 후방전도를 분석하였 다. Fig. 5는 카테고리 II에 해당하는 55kW급 트랙 터(Dedong, DK753C, 75PS)를 기준으로 하여 구성 한 동적 평형모델이다. 45PS(33kW) 급의 카테고리 I 트랙터의 경우 평형추 ( W f ) 가 전방로더 ( W b l ) 로 대 체되었다.

    식 (3)은 동적인 경우 즉, 견인 작업 중 힘의 평 형 식으로 B 지점을 기준으로 모멘트 평형 식 ( M B ) 을 세워 식 (4)와 같이 후륜반력(Rf)을 계산 할 수 있다. 동적인 경우에도 정적인 경우와 마찬가 지로 R f 는 트랙터 자체만의 정적 전륜반력 임계치 (Rf0)의 ⅓ 이상이 되어야한다. 견인 작업 중에는 후 방 작업기가 지면에 놓여 있기 때문에 반력 Ra에 의 하여 Rf는 증가할 수도 있고, 견인력 P에 의해 발생 한(후방전도)의 모멘트(+Ms)로 인하여 감소될 수도 있다.

    M B = R f ( L r + L f ) W f { ( L f + L r ) + L 4 } W t L r + ( W a R a ) L 5 + W c L m + ( P h y + P v x ) + M s = 0
    식 (3)

    R f = W f { ( L f + L r ) + L 4 } + W t L r ( W a R a ) L 5 W c L m ( P h y + P v x ) M s / ( L r + L f )
    식 (4)

    R a = ( W f + W t + W a + W c ) ( R r + R f ) + P v
    식 (5)

    여기서,

    • R r = 후륜 반력(reaction of rear wheel), kgf

    • R a = 작업기 반력(reaction of attachment), kgf

    • W f = 전방평형추 중량(front ballast weight), kgf

    • P h = 동적 수평 견인력(mobile horizontal draft), kgf

    • P v = 동적 수직 견인력(mobile vertical draft), kgf

    • x = 수직 견인력 암의 길이(arm distance of vertical draft), m

    • y = 수평 견인력 암의 길이(arm distance of hori. force), m

    • M s 동적 피치 모멘트(mobile pitch moment), Nm

    Figure 6은 견인력 측정을 위하여 장착한 견인동 력계의 측면으로 동적상태에서 견인력(P)의 높이(y) 와 방향( α ) 및 피치모멘트 ( M s ) 의 크기를 계산하는 근거가 된다. 작업기 쪽의 반력(Ra)의 산출은 부정 정(statically indeterminate)의 문제로 식 (5)에 의 하여 시행착오 방법을 사용하여 구할 수 있다. 견인 력(P)의 동적 전이를 계산하기 위하여 후륜 접지점 B 에 대한 모멘트 수직 암의 길이(y)는 식 (6)에 의 하여 구하였다. Table 2에는 견인력에 의한 반력의 전이 계산에 사용되는 변수를 보였다. 동적 안정성 분석에 사용된 예는 Koo et al.(2018)에서 분석한 전형적인 데이터를 사용하였고, 작업기 반력 ( R a ) 을 보였다.

    y = y g + y 1 = y g + ( e + e 1 ) = y g + ( e + n cos α )
    식 (6)

    여기서,

    • y = y g + y 1 수평 견인력 암의 길이(arm distance of hori. force), m

    • y g = Fb & Fc 센서 지면위치(ground location of sensors Fb & Fc), m

    • y 1 + e + e 1 견인력의 실위치(actual location of draft from sensor), m

    • e = Fb & Fc 센서로부터 원점(O)의 위치(location of origin), m

    • e 1 = n cos α 로드셀 Fb & Fc 센서와 견인력 실위치 편차(offset), m

    • n = 수평 견인력(Ps) 거리(distance of horizontal force), m

    • tan α = P v / P h 견인력 방향(direction of draft), dimensionless

    상기한 정적 및 동적상태에서의 전륜반력을 계산 함으로써 후방전도의 안정성을 판단하는 스프레드시 트(spread-sheet)를 Excel(Microsoft Office, ver. 2016)로 그래픽화 하였다(그림 미제시).

    결과 및 고찰

    1 개념설계

    Table 3은 작업폭 1,200mm의 복합기를 구성하기 위한 기존 상용작업기의 자중과 농작업을 위한 소비 동력을 추정하였고(KAMICO, 2016), 합산함으로써 일관작업 복합기의 상한 자중과 소비동력의 범위를 가늠하였다. 로터리작업에는 주로 PTO 동력이 사용 되었고 회전방향에 따라 견인력을 감소시키는 경향 을 보인다(ASABE Standard D497.7, 2015). 방제 기는 펌프를 작동하는데 PTO 동력을 소비하였으며 두둑성형·멀칭 및 파종기는 1-3kW 정도의 견인과 구동에 필요한 동력을 소비한다. 따라서 복합기의 PTO동력은 약 26kW, 총 필요동력의 상한선은 약 33.5kW로 추산되었다.

    Table 4는 방제용액을 포함한 작업기의 추정 자 중 1,270kgf을 적용한 트랙터의 3점히치로 들어 올 릴 상승능력이 있는지를 검토하고 예상 총동력 33.5kW을 어느 정도 여유를 가지고 제공할 수 있는 지 검토한 바, 45마력(33.6kW) 트랙터는 상승능력 과 총동력에 있어 적절한 한계선 이내에 있는 것으 로 판단되었으며, 또한 작업기의 자중에 의한 후방 전도의 안정성을 검토할 필요가 있다. 카테고리 II 급에서 선정한 75마력(55.5kW) 트랙터는 히치의 상 승능력, 총동력 및 후방전도 가능성에 있어서 전자 보다 1.5-2배 여유로운 것으로 판단하였다.

    Figure 7은 예상되는 최대 견인력(P) 800kgf이 가해 졌을 때 Ansys® 모델로부터 분석된 구조물에 나타나는 응력은 269MPa으로서 항복응력(245MPa) 을 약간 상회하고 있으므로 동적하중을 고려하여 파 손에 대한 안전성과 파단응력(400MPa)를 바탕으로 한 내구성을 추가적으로 검토할 필요가 있다.

    Figure 8은 평두둑 복합기의 시작기 도면으로서 경운부터 파종까지 각 모듈의 배치와 일관작업 과정 을 설명한다. 로타베이터에 의한 경운 이후 평두둑 정지용 진압롤러를 설치하여 부착 작업기의 흔들림 을 방지하고, 포장의 평탄도를 유지하기 위하여 진 압롤러 뒷부분에 스프링이 장착된 관절형태의 링크 부를 두었다. 비닐피복 전 토양 소독을 위한 방제장 치로서 방제살포 모듈을 설치하였으며, 방제용 탱크 에 약액을 가득 채웠을 때 트랙터의 안정성을 해칠 수 있으므로 최대한 복합작업기의 전방(3점 링크 쪽)에 위치시키고 탱크용량은 200~300L 정도로 구 성하였다. 살포 펌프는 로타베이터 축에서 취출한 동력으로 구동하며, 벨트·풀리 장치로 동력을 단속 할 수 있게 하였다.

    로타베이터와 약액탱크 등 중량이 큰 부분은 3점 링크에 연결된 트랙터 차체 실린더가 위치를 조절 하도록 하였고 중량이 작은 부분인 방제, 멀칭 및 파종 모듈은 작업기에 장착된 보조실린더를 이용하 여 조절하도록 하였다. 따라서 회전 및 이동 작업 시 3점링크에서 한번, 보조실린더에서 다시 한 번 접도록하여 작업기의 전장을 최소화할 수 있다.

    멀칭 모듈은 롤 형태의 상용 피복비닐을 장착할 수 있는 롤링 중심축 장치와 두둑의 끝부분에서 비 닐커팅이 가능한 멀칭 절단 장치를 부착하였고, 비 닐피복 모듈 마감부에는 멀칭폭 측부의 복토를 위한 롤러와 복토디스크를 장착하였다. 이후 다양한 상용 파종기 또는 정식기를 추가할 목적으로 견인바퀴를 설치하고 파종기 부착프레임을 장착할 수 있도록 구 성하였다.

    특히 비닐피복 작업 시작 지점에서 비닐을 고정하 고, 두둑의 종점에서 비닐을 잘라내는 일이 전적으로 인력으로 이루어지고 있으며, 비닐 피복 후의 파종· 정식 작업은 많은 작업 시간과 노동력을 필요로 한 다. 따라서 복합작업기는 피복비닐 고정과 절단 작업 을 자동화할 수 있도록 하고, 다양한 작물의 재배체 계에 적용할 때 작업기의 장착 및 분리에 많은 시간 과 노동력이 소모되므로 각 작업 모듈의 탈착이 용이 하도록 하였다. 또한 재배체계 검토에서 나타난 작물 별, 지역별 주간 및 조간의 차이를 극복하기 위한 방 법으로 프레임의 폭을 조절할 수 있도록 구성하였다.

    2 안정성 분석

    복합기의 안정성은 ①정적 안정성과 ②동적 안정 성으로 구분하여 이론적 분석의 결과를 고찰하였고 결과를 Table 5에 제시하였다. ①정적 안정성의 경 우, Table 1에 보인 카테고리 II, 55kW(75PS) 트랙 터의 제원을 사용하여 전방 평형추(350kgf)를 부착 하고 300kgf의 방제용액을 탱크에 채운 후 작업기를 상승시켰을 때 Table 5의 전륜반력(Rf)은 570.7kgf 으로 트랙터 자체만의 정적 전륜 반력 임계치(Rf0)인 1,337.7kgf의 42% 정도로 안정하다고 판단되었다. 반면 카테고리 I, 33kW(45 PS) 트랙터의 경우 전방 평형추(180kgf)를 부착하고 200kgf의 방제용액을 탱 크에 채운 후 작업기를 상승시켰을 때, Table 5에 보 인바와 같이 전륜 반력 ( R f ) 은 -243kgf로 후방 전도 가 일어날 것으로 판단되었다. 하지만 전방에 버켓로 더(500kgf)를 부착하였을 경우 Rf가 360.5kgf로 트랙 터 자체만의 정적 전륜반력 임계치(Rf0)인 732.1kgf 의 49%로 매우 안정하다고 판단된다(Table 5).

    ②동적 안정성의 경우는 Table 1의 카테고리 II, 55kW(75PS) 트랙터 제원과 Table 2의 동적 변수를 사용하여 동적 안정성을 분석한 결과 Table 5에 보 인 바와 같이 전륜반력(Rf)은 1495.4kgf로 트랙터 자체만의 정적 전륜반력 임계치(Rf0)인 1,337kgf 보 다 더 높은 수치로 안정하였다. 동적 상태인 경우 는 후륜으로 부하전이가 일어나므로 견인력 증가에 도 도움이 될 것으로 판단된다. Table 1의 카테고 리 I, 33kW(45PS) 트랙터 경우도 Rf0=732.1kgf의 84% 정도로 동적 상태인 경우는 전방 버켓 없이도 안정하다고 판단되었다. Table 5에 보인 중량(Wbl) 이 500kgf인 버켓로더를 추가 했을 때는 Rf가 1,371.4kgf으로 버켓을 포함한 정적 전륜반력(Rf)인 1,577.8kgf 보다 감소하여 후륜으로 부하전이가 일 어남을 알 수 있었다. 견인 작업 시 로터리의 구동과 작업기 후방부의 지지바퀴 등이 안정성을 향상시키 며 부하 전이는 트랙터의 견인력에 도움을 준다.

    본 연구에서 개발하는 복합 작업기의 예상 무게 는 자중 800kgf으로 방제용액 300kgf을 포함하면 1,000-1,100kgf 정도로, 국내 농가에서 많이 보유 하고 있는 48kW(64PS) 이하 급(카테고리 I)트랙터 에 장착하여 사용할 경우 트랙터의 하중 전이를 일 으키므로 트랙터 전면 평형추(ballast)로서 전방 버 켓로더를 장착하여 안정성을 유지할 필요가 있다고 판단된다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식 품기술기획평가원의 농림축산식품연구센터의 지원을 받아 연구되었음(716001-07).

    Figure

    JALS-52-111_F1.gif

    Typical cultivating process for crops such as onion or garlic when grown on flat ridge

    JALS-52-111_F2.gif

    A conceptual design of an integrated implement attached to tractor for flat ridge preparation of upland farming.

    JALS-52-111_F3.gif

    (a) A prototype integrated implement and (b) design mesh model for the stress analysis using Ansys® for flat ridge preparation of upland farming.

    JALS-52-111_F4.gif

    Force configuration for the stationary stability analysis when an integrated implement is lifted up and attached to category I(<48 kW) tractor.

    (Abbreviations: Wt; frame weight, Wbl; front load weight, Wa; weight of integrated attachment, Wc; weight of additional attachment, Rf; reaction of front wheel, Rr; reaction of rear wheel, L=Lr+Lf; wheel base, Lr; rear wheel distance from GC, Lf; front wheel distance from GC, L4; ballast location from front wheel, L5; integrated attachment location from rear wheel, Lm; additional attachment location from rear wheel)

    JALS-52-111_F5.gif

    Force configuration for the mobile stability analysis when an integrated implement is drafted and attached to category II(48-96 kW) tractor.

    (Abbreviation: Wt; frame weight, Wf; front ballast weight, Wa; weight of integrated attach- ment, Wc; weight of additional attachment, Rf; reaction of front wheel, Rr; reaction of rear wheel, Ra; reaction of attachment, L=Lr+Lf; wheel base, Lr; rear wheel distance from GC, Lf; front wheel distance from GC, L4; ballast location from front wheel, L5; integrated attachment location from rear wheel, Lm; additional attachment location from rear wheel, P; draft resultant, Ph; mobile horizontal draft, Pv; mobile vertical draft, x; arm distance of vertical draft, y; arm distance of horizontal force, Ms; mobile pitch moment, TFr; resistance of rear wheel, TFf; resistance of front wheel, Fr; traction of rear wheel)

    JALS-52-111_F6.gif

    Configuration of sensor forces (Fa, Fb & Fc) and pitch moment (Ms) corresponding to the draft resultant (P) on the side view of draft dynamometer for the mobile stability analysis (Koo et al., 2018).

    (Abbreviation: Fa, Fb & Fc; sensor forces, P; draft resultant, Ph; mobile horizontal draft, Pv; mobile vertical draft, Ms; mobile pitch moment, y=yg+y1; arm distance of hori. force, yg; ground location of Fb & Fc sensor forces, y1=e+e1; actual location of draft from Fb & Fc sensors, e; location of origin from sensors, e1=n·cosα; offset, n; distance of horizontal force, tanα=Pv/Ph; direction of draft)

    JALS-52-111_F7.gif

    The maximum von Mises stress for a typical maximal draft force of 800 kgf.

    JALS-52-111_F8.gif

    design of a prototype integrated tractor implement for flat ridge preparation of upland farming.

    Table

    Specifications of an integrated attachment(BG-1200AB) and categories I & II tractors(DK45SE & DK753C) for stability analysis

    1)100kgf less loading for Class I tractor
    2)W<sub>a</sub>=w1+w2+w<sup>+</sup>+w3(weight of integrated attachment), kgf
    3)W<sub>c</sub>=w4+w5(weight of additional attachment), kgf

    Dynamic variable data for mobile operating of an integrated attachment(BG-1200AB) mounted on categories I & II tractors(DK45SE & DK753C) for mobile stability analysis

    Estimation of power uses based on the selected commercial attachments for the conceptual design of an integrated implement with 1200 mm swath

    1)Rotavator and ridge former are normally operated together.
    2)Rotary operation reduces draft depending on the direction of rotation.

    Specifications of selected tractors possibly mounting the integrated implement for the operating condition

    1)Total weight includes the weights of tractor and integrated implement.
    2)Reaction forces(Rf, Rr and Ra) on front wheel, rear wheel, attachment respectively, presumed by the mobile stability analysis.

    Determination of front wheel reactions(Rf) to an integrated attachment(BG-1200AB) mounted on categories I & II tractors(DK45SE & DK753C) for stability analysis at stationary and mobile operating conditions

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