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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.4 pp.137-150
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.4.137

Operating Power and Draft Performance of an Integrated Tractor Implement for Flat Ridge Preparation

Young Mo Koo1, Jong Geun Hong2, Jeong Woo Han3, Ha Yu Shin1*
1School of Agricultural Civil and Bio-industrial Engineering, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Korea
2Research Center for Upland Machinery Development, Daegu, 41566, Korea
3Dept. of Smart Machinery Research, Korea Institute of Machinery & Materials, Daejeon, 34103, Korea
Corresponding author: Yu Shin Ha Tel: +82-53-950-5792 Fax: +82-53-950-6780 Email: yushin72@knu.ac.kr
March 7, 2018 April 13, 2018 May 1, 2018

Abstract


The integrated tractor implement, developed for saving labor in the production of local upland crop was assessed to determine the operating power and draft using a draft dynamometer and torque meter. Components of draft are measured using six load-cells of the draft dynamometer, and moments of the axises are determined to analyzed operating performance. Draft is influenced mainly by soil compaction, ranging 108-578 kgf and consuming 0.5-0.9 kW of power. With travel speeds of 0.4-2.0 kph, the specific draft is exponentially decaying to the cutting pitch. Therefore, the operation strategy of the integrated attachment should be focused on the quality of seed bed preparating and mulching, rather than the drafting power efficiency. PTO torque is mainly related with tilling depth and measured in the range of 160-350 N․m, resulting in the most of total power consumption in the range of 9.0-19.8 kW power. Depending upon the upper or lower drafts, the draft location is varied and the balance of the attachment is performed. Therefore, the independent control of lower links is necessary to pursue the stable operation of the integrated tractor implement.



트랙터 장착형 평두둑 복합기의 작업동력 및 견인특성

구 영모1, 홍 종근2, 한 정우3, 하 유신1*
1경북대학교 농업토목·생물산업공학부
2경북대학교 밭농업기계 개발연구센터
3한국기계 연구원 스마트기계연구실

초록


지역 밭작물 생산의 생력화를 제고하기 위하여 개발한 복합 작업기(BG-1200AB)를 트랙터(DK753C: 55kW)에 장착하고 평두둑 복합기의 작업동력 및 견인력을 평가하였다. 견인 동력계의 여섯 로드셀에서 측정된 신호는 분력식에 따라 견인력(Ph), 수직력(Pv) 및 수평력(Ps)으로 계산되었고 각축에 생성되는 모멘트(Mh, Mv, Ms)를 계산하여 작업상태를 분석하였다. 견인력은 주로 토양의 다짐상태에 따라 영향을 받으며 평균 108-578kgf의 견인력에 대하여 견인동력은 0.5~0.9kW 정도였다. 작업속도는 0.4~2.0km/h 범위에서 절단피치가 증가할수록 비견인력(specific draft)이 감소하는 감소지수 관계를 보였다. PTO 토크는 경심에 따라 평균 160~350N․m으로 측정되었으며, 로터리 경운과 펌프 구동에 사용되는 PTO동 력(9.0~19.8kW)이 소비동력의 대부분을 차지하였다. 따라서 복합기의 운용은 견인 동력효율에 맞춰져 서는 이점이 나타나지 않으며 작업결과의 질 즉, 파종상토와 멀칭작업의 품질에 초점이 맞춰져야 한다. 상부견인 또는 하부견인에 따라 부하의 위치와 크기가 변화되고 작업기의 균형이 결정되므로 작업기의 고품질 작업을 추구하기 위하여 하부 링크의 독립적 제어를 제안한다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    716001-7

    서론

    최근 지역 밭작물에 대한 생산과 소비에 대하여 관심이 높아지고 있어 밭농업 기계화와 생력화가 절 실히 필요하게 되었다. 경운, 정지, 방제 등은 벼농 사에서 사용하는 농기계를 대부분 사용하기 때문에 비교적 기계화율이 높으나 각 농작업이 개별적으로 기계화되고 있기 때문에 생력화를 극대화 하지 못하 고 있다(Yu, 2015; NIAS-RDA, 2016). 따라서 각 단계별 작업기를 통합하여 일관화작업을 수행하는 복합기를 개발함으로써 밭농업의 생력화를 제고 하 였다(Koo et al., 2017a; Shim et al., 2018).

    트랙터의 견인 성능에 대한 여러 예측(Zoz, 1972; Wismer & Luth, 1972; Dwyer, 1984; Brixius, 1987) 과 견인실험(Grisso et al., 1982; Harrigan & Rotz, 1995; Bentaher et al., 2008; Lee et al., 2009) 들이 70~80년대에 활발히 이루어졌다. 그러나 이들 의 연구는 조방농업(extensive cultivation)을 전제로 한 비교적 빠른 속도에서 견인 작업기를 바탕으로 이 루어졌고 로터리 작업이 주를 이루는 집약농업 (intensive cultivation)을 위한 작업기의 견인력과 소비동력에 대한 연구는 드물었다(Romig, 1971).

    또한 개발된 작업기의 소요동력을 평가하고 예 측하는 연구들(Lal, 1959; Johnson & Voorhees, 1979; Smith & Barker, 1982; Reid et al., 1985; Chaplin et al., 1987; Garner et al., 1988; Thomsom & Shinner, 1989)에서 여러 형태의 견인 력계(draft dynamometer)를 제시하였고 광범위한 작업기에 대하여 견인력을 평가하였으며, 이 연구들 을 바탕으로 견인력 추정에 대하여 표준(ASAE D230.4, 1987; ASABE D497.7, 2015)을 제정하였 다. 표준에는 주로 조방농업의 주 관심사인 견인력을 예측하였고, 로터리 동력은 단순히 단위 폭에 대한 소요동력을 제시하고 로터리 작업기의 견인력을 예측 하였다. 단위 비견인력은 절단피치(cutting pitch)와 감소지수의 관계가 있으며 로터리의 전방 회전은 견 인력을 감소시키는 효과를 보였다(Hendrick & Gill, 1971a). 이와 같이 대부분의 연구가 조방농업의 고 속작업의 견인작업기를 대상으로 이루어져서, Lee et al.(1992)는 집약농업에 필요한 PTO 동력의 동시 측정이 가능한 동력계측기를 고안하였다.

    Gupta & Visvanathan(1993)와 Hoki et al.(1988) 은 로터리 동력을 이론식과 실험적 방법으로 연구하 였다. PTO 동력의 주요변수는 경심과 회전속도 및 작업속도이며, 작업속도와 회전속도는 상기한 절단 피치와 관련이 있어 절단피치가 증가하면 견인력이 감소하지만(ASAE D230.4) PTO 동력의 경우 작업 속도가 증가(절단피치 증가)하거나 회전속도가 증가 (절단피치 감소)하면 동력이 완만히 증가하게 된다. Marenya & du Plessis(2006; 2007)는 로타베이터 의 절단이론을 적용하여 토크 및 링크에 걸리는 힘 을 비교하였다. 일반적인 경향은 Hendrick & Gill (1971)c의 연구와 같았으며 토크는 경심과 비례하였으 며 절단 피치(cutting pitch) 또한 영향을 미치므로 작업속도와 회전속도는 연관성을 갖는다. Hendrick & Gill(1971)b는 로터리 경운작업의 경심에 대하여 연 구한 바, 경심이 로터리 반경(D/2)보다 깊은 경우 즉, D/h <2.0 여기서 D는 로터리 직경이며 h는 경 심, D/h= 1.2-1.4 및 1.1-1.25에서 각각 전방회전 과 후방회전의 경우 비토크가 최저값을 보였다. 그 러나 경심이 낮은 경우에는 일반적인 경향 즉 회전 속도와 작업속도가 연관된 절단피치와 경심이 증가 하면서 동력이 증가하였다.

    Hendrick & Gill(1971)c의 연구에는 로터리 작업 후 토괴(clod)의 크기를 측정하여 작업결과의 질에 대하여 평가하였다. 로터리날의 선속도와 작업속도 의 비(λ)를 정의하고 토괴의 크기와의 관계를 구명 한 바 이는 절단 피치와 같은 의미를 갖고 있으며 이 변수가 작을수록 상토의 질이 좋은 것으로 나타 났고 동력이 상승하는 것으로 나타났다. 트랙터와 작업기의 행동은 작업의 결과인 상토의 상태에 영행 을 미치므로 작업의 운동을 측정하고 기록하였다 (Godwin et al., 1987; Freeland, 1990).

    이와 같이 개별 작업기에 대한 견인력 및 소비동 력에 대한 연구는 있었으나 최근 집약농업을 위하여 개발된 복합기에 대한 연구는 없는 실정이다. 따라 서, 본 연구의 목적은 농작업의 생력화를 극대화 할 수 있도록 개발된 밭작물 복합작업기(BG-1200AB) (Shim et al., 2018)의 성능평가를 위하여 견인동력 과 PTO동력을 분석하여 바람직한 작업 특성을 제시 하는데 있다.

    재료 및 방법

    1 견인동력계 이론

    Kim et al.(2017)은 트랙터장착형 복합작업기의 견인력과 모멘트 성분을 측정하고 피로 손상도를 계 산하기 위하여 육분력계를 구성하고 실험하였다. Fig. 1은 연구에 사용한 견인동력계의 로드셀에서 측정한 힘들을 h(전후방향), s(수평방향) 및 v(수직 방향) 좌표에 표시하였다. 각축에 대한 회전 모멘트 를 Mh(roll 운동), Ms(pitch 운동) 및 Mv(yaw 운 동)로 표시하였고 각 기준에 대하여 모멘트 암의 길 이를 l(좌우), m(회전) 및 n(상하)로 정의하였다.

    Figure 2(a) (b)와 (c)는 Fig. 1에 보인 견인동력 계에 작용하는 힘을 각각 정면, 윗면, 옆면에서 나 타내므로 각 로드셀에 측정되는 힘들(Fa, Fb, Fc, Fd, Fe, Ff )과 각축에서의 거리위치(a, b, c, d, e)를 상세히 나타내었다. 견인동력계의 로드셀에 작용하 는 힘들을 이용하여 식 (1)-(3)에서 견인력(Ph), 수 직력(Pv) 및 수평력(Ps)을 얻을 수 있다.

    - P h = F a + F b + F c
    식 (1)

    - P v = F d  sin( θ )+ F r sin ( θ )
    식 (2)

    - P s = F d  cos( θ )- F r cos ( θ ) F e
    식 (3)

    여기서,

    • Ph: 견인력(draft force) kgf

    • Pv: 수직력(vertical force) kgf

    • Ps: 수평력(latitudinal force) kgf

    • Fa: 로드셀 Ⓐ에서 측정한 힘 kgf

    • Fb: 로드셀 ⓑ에서 측정한 힘 kgf

    • Fc: 로드셀 ©에서 측정한 힘 kgf

    • Fd: 로드셀 ⓓ에서 측정한 힘 kgf

    • Fe: 로드셀 ⓔ에서 측정한 힘 kgf

    • Ff: 로드셀 ⓕ에서 측정한 힘 kgf

    • θ: 로드셀 ⓓ, ⓕ이 기울어진 각도 °(degree)

    각 축을 기준으로한 모멘트와 중심 O로부터의 암(arm) 길이를 식 (4)~(6)으로 표시 할 수 있다(Fig. 1, 2).

    M h = l ( P s 2 + P v 2 )
    식 (4-1)
    l = ( F f F d ) × ( α sin ( θ ) + c cos ( θ ) ) ( P s 2 + P v 2 )
    식 (4-2)

    M v = m ( P h 2 + P s 2 )
    식 (5-1)
    m = ( F b F c ) ( P h 2 + P s 2 )
    식 (5-2)

    M s = n ( P h 2 + P v 2 )
    식 (6-1)
    n = F a b ( F b + F c ) e ( P h 2 + P v 2 )
    식 (6-2)

    여기서,

    a, b, c, d, e: 동력계의 설계 치수(정수) (Fig. 2) m

    • Mh: 진행방향을 축으로 하는 roll 모멘트 kg·m

    • Mv: 수직방향을 축으로 하는 yaw 모멘트 kg·m

    • Ms: 수평방향을 축으로 하는 pitch 모멘트 kg·m

    • l: Mh 모멘트 암의 길이 m

    • m: Mv 모멘트 암의 길이 m

    • n: Ms 모멘트 암의 길이 m

    상기한 견인력계(draft dynamometer)에서 평가 한 견인력(Ph: kgf)에 작업속도(S: km/h)를 곱하여 식 (7)과 같이 견인동력(Hd: W)를 얻을 수 있다. 또 한 트랙터 PTO축과 작업기 피구동부 스프라인 축사 이에 토크미터와 근접센서를 장착하여 토크(T :N․m) 와 회전속도(Ω: rpm)을 측정하고 식 (8)과 같이 PTO 동력(Hp: W)을 계산할 수 있다.

    H d = P h × S × ( 9.8 × 1000 / 3600 )
    식 (7)

    H p = T × Ω × ( 2 π / 60 )
    식 (8)

    2 실험포장과 토양

    동력 측정의 실험구는 경북대학교 친환경 교육센 터(경상북도 군위군 효령면 소재) 내 포장에 위치 하며 25m×10m(길이×폭) 크기의 실험구 세 곳을 설정하였다. 토질은 미국농무성(USDA-ARS) 분류 법에 의하여 양질사토(LS: loamy sand)에서 사질 양토(SL: sandy loam)로 판단되었다. Table 1에는 각 실험구의 함수량(SMC: soil moisture content) 과 유기함량(SOM: soil organic matter)을 표시하 였고 실험변수로 고려하지 않았다. 실험구의 다짐 (compaction) 정도는 CASE1이 가장 단단하였고 CASE4로 가면서 경운되어 점차 부드러운 토양 조건 으로 토양경도계(SC900, Spectrum Technologies, Inc., Aurora, US)를 사용하여 경심깊이까지 측정 한 토양다짐 경도 CI(cone index)의 최대값을 사용 하였다.

    3 실험과정

    각 실험구의 초기 토양조건을 측정 기록하고, 서 행으로 시작하여 깃발 위치에서 트랙터 엔진을 상 용회전수(2,200rpm)로 유지하고 종료 위치까지의 거리(15-20m)와 시간을 측정하였다. 트랙터 부착형 복합기의 소비동력을 측정하기 위해 트랙터와 복합 기 사이에 견인력계(draft dynamometer, Moru Eng., Daejeon KR)과 PTO 토크미터(torque-meter: TRS300-FSH01993, Futek, Irvine, US(negative signal for CCW))를 설치하였다. 견인력계의 로드 셀은 인장에서 음(-) 신호가 토크미터는 반시계방향 에서 음(-)의 신호가 출력되었다. 동력추출 스프라 인의 회전속도(PTO 1단, 540rpm)를 측정하기 위해 근접센서(ZVF-C12-4DNO, LSIS, Anyang, KR)를 설치하였다(Fig. 3). 도플러 레이더 속도계 (Radar II, Dicki-john Corp., Auburn, US)를 이용하여 실 시간 주행속도를 측정하였다. 속도 데이터는 0.2sec의 간격으로 저장하였고 현장 주행 슬립을 검증하기 위하여 구간시간을 기록하였다(Fig. 4).

    트랙터(DK735C, Daedong Ind. Co., KR)에 설 치된 센서들은 모니터와 함께 트랙터에 장착시켰 다. 로드셀에서 측정된 신호는 데이터 로거(CR850, Campbell Scientific Inc., Logan, US)에 0.2sec 간격으로 저장하였으며 앞 절에서 정의한 분력식 식 (1)~(3)과 같이 견인력(Ph), 수직력(Pv) 및 수 평력(Ps)의 합력으로 표시하였다. Table 2와 같이 각 실험 경우(CASE)는 다른 작업속도에서 이루어 졌으므로 각 시간에 해당하는 데이터 수 만큼 저 장되었다. 토크와 견인력을 측정하면서 구간 주행 을 종료하면, 경심을 측정하고 상토면과 멀칭 상태 를 육안으로 확인하였다.

    4 실험변수와 분석

    작업속도, 토양경도, 경심, 로터리 회전속도를 주 요 실험변수로 고려하였다. 그러나 토양경도에 따 라 경심이 상관관계(Table 2)를 갖는데 이는 토양 의 경도에 따라 침하할 수 있는 경심이 종속되었다 는 의미이다. 따라서 토양경도는 분석의 독립변수 에서 제외시켰다. 또한 로터리 회전속도는 243rpm (PTO 1단 540rpm, gear ratio: 0.45)으로 고정 되었으므로 종속변수인 견인력(Ph)과 토크(T)를 작업단면적(폭×경심)으로 나눈 식 (10)의 비견인 력(specific draft(SD), N/cm2)과 비토크(specific torque(ST), N.cm/cm2)를 계산하여 식 (9)의 절단 피치(cutting pitch(p): cm/rev)에 대하여 분석하 였다(Chung et al., 2015).

    P = ( S × 1000 / 3600 Ω / 60 ) × 100
    식 (9)

    SD= P h × 9.8 W × d
    식 (10-1)

    ST= T × 100 W × d
    식 (10-2)

    여기서,

    • p: 절단피치(cutting pitch) cm/rev

    • S: 작업속도(working speed) km/h

    • Ω: 로터리 회전속도(rotating speed) rpm

    • Ph: 견인력(draft) kgf

    • W: 작업폭(rotavating width) cm

    • d: 경심(rotavating depth) cm

    • T: PTO 토크(torque) N·m

    • SD: 비견인력(specific draft) N/cm2

    • ST: 비토크(specific torque) N·cm/cm2

    결과 및 고찰

    집약농업의 작업기에 많이 사용하는 로터리 작업 기는 견인력과 PTO 토크는 절단피치(cutting pitch) 와 관련하여 분석하고 작업결과의 질과 관련하여 평 가해야 하며, 이러한 상토(seedbed)의 품질은 작업 기의 동적자세(mobile attitude)의 안정성과 관련이 있다(Hendrick & Gill, 1971c).

    1 견인력 특성

    Figure 5는 각 CASE에서 얻은 상․하부 링크에 걸린 부하 데이터(압축+)와 계산된 견인력(Ph: 인 장+)을 보였다. 부하 데이터의 하부링크(로드셀 ⓑ 및 ©)의 신호(Fb 및 Fc)는 CASE1과 2(Fig. 5(a)와 (b))에서 인장(-)을 보였고, 반면 CASE3과 4(Fig. 5(c)와 (d))는 압축(+)을 나타내었다. 즉, CASE1과 2는 하부견인의 경우를 보이고, CASE3 과 4는 상 부견인의 경우를 보였다. 상부견인과 하부견인의 상 태는 견인력의 높이에 따라 나타나며 또한 상토 작 업품질에 영향을 미친다. 견인력은 주로 토양의 다 짐상태에 따라 영향을 받으며 평균 108~578kgf의 견인력에 대하여 견인동력은 미소하여 0.5~0.9kW 정도였음을 ‘소요동력의 구성’에서 고찰하였다.

    견인력(Ph)으로 환산한 값은 토양경도(CI)와 상관 을 보였다. 그러나 작업속도(S)와 경심 (d)은 식 (9) 의 절단 피치(p: cutting pitch)로 표현되고 비견인력 (SD)과 상관관계를 보였다(Hendrick & Gill, 1971c). Table 3에는 각 CASE에 대하여 평균 견인력(Ph)을 이용하여 비견인력(SD: specific draft)을 계산하였 다. 로터리 회전속도(540×0.45= 243rpm)을 기준으 로 절단피치(p)를 평가한 결과, 작업속도 0.4~2.0km/h 범위에서 절단피치가 2.74에서 13.83cm/rev으로 증 가할수록 비견인력은 4.72에서 0.42N/cm2로 감소하 였다. 이를 Fig. 6에서 보인 바와 같이 감소지수의 관계(ASAE D230.4)를 나타냈으며, 상수 a=5.19, b=0.145으로 나타났다.

    2 측방력 및 수직력

    Figure 7은 로드셀 ⓓ, ⓔ과 ⓕ로부터 얻은 데이 터 신호(Fd, Fe 및 Ff)로부터 계산된 측방력(Ps: 좌 향(+)) 및 수직력(Pv: 하향(+))을 보였다. 모든 CASE 에서 측방력의 표준편차(s.d.)는 24.9-31.5kgf로 비 교적 작았다. 하부견인을 대표하는 CASE1과 2(Fig. 7 (a)와 (b))의 수직력의 표준편차가(s.d.)는 12.5-66.4kgf 으로서 비교적 적었으나, CASE3과 4(Fig. 7(c)와 (d))의 경우 수직력의 표준편차가 93.6-100.8kgf으로 상부 견인의 경우에 변동의 폭이 크게 나타났다. 상부 혹 은 하부 견인 모두에서 측방력(Ps)의 변동은 적은 반면 수직력의 변동은 상부견인에서 두드러졌다. 따 라서 상부 또는 하부링크에 걸리는 견인상태에 따라 상토 작업품질에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

    3 모멘트와 암 길이

    Figure 8에는 복합기에 작용하는 모멘트의 변화 와 좌표중심으로 부터의 모멘트 암의 길이를 나타내 었다. CASE1과 2(Fig. 8(a)와 (b))의 하부 견인의 경우의 모멘트는 완만한 변동상태를 보였고 롤(roll) 운동의 암 길이(l)는 우측(-) 방향에 놓여 진행방향 축에 대하여 시계방향 모멘트(Mh)를 보였다. 그러나 다른 모멘트의 암 길이는 중심에서 많이 벗어나지 않았다. 그러나 이상적인 복합작업기의 작업 상태는 롤 운동 또한 중심에서 벗어나지 않아야 한다.

    반면 CASE3과 4(Fig. 8(c)와 (d))의 상부 견인의 경우 요(yaw) 운동의 심한 변동상태를 보였고 암 길 이(m)는 수직방향축에서 진동하였다. 롤 모멘트 암 길이(l)는 하부견인(Fig. 8)과는 다르게 안정적이었 으며 피치모멘트(Ms)의 암 길이(n)도 양의 값에서 안정적이었다. 그러나 양의 피치모멘트는 전륜반력 을 줄이는 역할을 하였으며, 요 모멘트는 하부의 하 중이 평형되지 않아서 생기는 현상으로 작업품질이 안정되도록 제어되어야 한다.

    4 PTO 동력

    Table 4에 보인 토크 값은 실제 부하방향이 반시 계방향으로 음(-)의 값으로 측정되었으나 절대치로 환산하여 분석하였다. PTO 토크는 경심에 따라 평 균 160-350N․m으로 측정되었으며, 경심에 비례하 는 경향을 보였다. 식(10-2)를 이용하여 비토크(ST) 를 계산하면, ST는 Fig. 9와 같이 식 (9)의 절단피 치(p)에 대하여 감소지수의 관계를 보였고 상수값 a=145.5, b=0.02에 결정계수는 R2=0.9946를 보였 다. 절단 피치가 증가한다는 의미는 작업속도는 증 가하고 로터리 회전 속도는 감소한다는 뜻이다. 로 터리와 펌프 등을 구동하는 PTO 동력은 9.0-19.8 kW으로 나타났으며, 총 소요 동력의 많은 부분을 차지하였다. 작업속도의 증가로 절단 피치(p)를 증 가시키면 비견인력과 비토크를 감소시킨다. 조방농 업의 로터리 동력에 대한 연구는 대부분 작업폭(W) 과 투입율(feed rate)을 사용하여 간단한 소요동력 을 예측하였으나(ASABE D497.7, 2015) 집약농업의 저속 경농에서는 비토크와의 관계로 이해하여야 할 것으로 생각된다.

    5 복합기 소요동력의 구성

    Table 5에 의하면 총 소요 동력의 81~93%는 PTO 동력으로 로터리와 펌프 구동에 사용되었고 견인 동 력으로 총동력의 3~8%가 사용되었다. 슬립을 기준으 로 한 예측도표(Zoz, 1972)에서 견인효율(견인동력과 축동력의 비)를 예측하여 축동력은 4~11% 정도로 예 상하였다. 복합작업기의 총동력은 1.3~2.0km/h 작 업속도에서 18~22kW를 소비하였다. 따라서 복합기 의 운용은 견인 동력효율에 맞춰져서는 큰 이득이 예 상되지 않으며, 파종상토와 멀칭작업의 품질, 즉 작 업결과에 초점이 맞춰져야 한다. 조방농업(extensive cultivation)에서는 포장능력을 증가시키려고 작업속 도를 높이는 ‘gear-up throttle-down’의 원리를 적용 하는데 반하여 저속 집약농업(intensive cultivation) 에서는 동력효율의 이점을 기대하지 못하므로 작업 의 고품질화를 추구해야 한다(Koo et al., 2017b).

    6 복합 작업기의 적정 작업조건

    중량이 800~1,100kgf에 이르는 평두둑 복합 작 업기의 행태는 포장의 상토 품질에 영향을 준다. 상 부견인 또는 하부견인에 따라 부하의 위치와 크기가 변화되고 작업기의 행태가 영향을 미치므로 상기한 적정 견인조건에 대한 규명은 ‘ICT-스마트’ 복합기 연구에 핵심원리가 될 것으로 생각된다. 따라서 작 업기의 안정된 작업을 추구하기 위하여 하부 링크의 위치 제어를 필요로 한다.

    하부견인은 상하부 링크에 고른 인장력을 주게 되므로 수평축에 대한 모멘트는 안정적이며 작용선 은 요(yaw)운동을 할 수 있으나 좌우 상하로의 움 직임은 안정적이어서 경심을 유지하고 시스템을 안 정적으로 유지한다. 단단한 토양의 초경(初耕)의 경 우 전후로 진동하는 견인의 특성을 갖게 되지만 좌 우 평형을 이룬 작업을 수행할 수 있다.

    로터리작업의 속도는 일반적으로 2.0~2.5km/h 정도로 알려져 있고 너무 빠르면 절단피치가 증가 하면서 상토의 상태가 불량해질 우려가 있다. 따라 서 복합기를 운영하는 트랙터의 단수는 동력의 효 율의 측면에서 고려되지 못하고 상용회전수(rated rpm) 보다 약간 낮추어 ‘토크 라이즈’의 장점을 이 용할 수 있다.

    로터리와 멀칭 작업의 질을 고려 할 때 2km/h 정도의 속도가 적당하다고 판단되며 포장능력과 연료효율을 감안하여 너무 기어를 낮추지 않도록 (DK753C M1 @2000rpm, DK45SE M1 @2400rpm) 권장한다. 복합기의 작업속도는 로터리 작업속도에 제한을 받는데, 상토의 상태를 좋게 하거나 작업기 의 전후(pitch)와 좌우(roll)흔들림을 작게 하기 위 하여 작업속도를 낮추려고 낮은 기어를 사용할 수 있으나 이는 포장능력을 저하시킬 수 있다.

    따라서 복합기의 작업을 ‘고품화’하려는 의도에서 모멘트 제어를 고안할 수 있다. 그동안 많은 연구 와 적용이 견인력 위주의 제어로 집중되어 왔으나 작업기의 안정된 작업을 추구하기 위하여 하부 리 프트 링크의 독립된 모멘트 제어를 제안한다. 작업 기 수평축에 대한 모멘트를 안정적으로 유지하며 작용선은 요(yaw)운동을 할 수 있으나 좌우 상하로 의 움직임을 안정적으로 제어함으로써 경심을 유지 하고 시스템을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 기대한다.

    감사의 글

    본 연구는 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술 기획평가원의 농림축산식품연구센터의 지원을 받아 연 구되었음(716001-7).

    Figure

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    Forces and moments convention analyzing draft using a draft dynamometer.

    JALS-52-137_F2.gif

    (a) front (b) top and (c) side views of forces and moments for the drafts acting on the dynamometer and measured by six loadcells of ⓐ to ⓕ, located at the distances of a, b, c, d and e from the axis.

    JALS-52-137_F3.gif

    (a) Draft dynamometer and (b) PTO torque-meter placed between tractor and attachment, measuring force components and torque.

    JALS-52-137_F4.gif

    (a) Draft monitoring system and (b) Dopper radar speed meter during the field tests.

    JALS-52-137_F5.gif

    Draft (Ph) and travel speed measurements using(ⓐ, ⓑ & ⓒ) load cells and speed radar for the (a) CASE1, (b) CASE2, (c) CASE3 and (d) CASE4.

    JALS-52-137_F6.gif

    Exponential decay of the specific draft related with the cutting pitch.

    JALS-52-137_F7.gif

    Vertical(Pv) and latitudinal(Ps) resultants for the (a) CASE1, (b) CASE2, (c) CASE3 and (d) CASE4.

    JALS-52-137_F8.gif

    Moments and their lengths of arm for the upper link drafting cases of (a) CASE1, (b) CASE2, (c) CASE3, (d) CASE4.

    JALS-52-137_F9.gif

    Exponential decay relation between the cutting pitch(bite) and the specific torque.

    Table

    Silt-clay soil conditions of representing cases in the experimental plots for measuring draft and PTO power

    Experimental variations of the representing cases, showing dependency between the independent variables of soil compaction(CI) and rotary depth

    Specific draft(SD) calculated from experimental variables and measurement using dynamometer for the representing cases

    Specific torque(ST) calculated from experimental variables and measurement using PTO torque meter for the representing cases

    Power consumption totalled with the draft, PTO and rear axle powers

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