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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.1 pp.99-108
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.1.99

Pulling Performance of a Self-Propelled Chinese Cabbage Harvester and Design of a Preprocessing Unit

Ho-Jin Kim, Yeong-Soo Choi*
Dept. of Rural & Bio-Systems Eng. Chonnam National University, Kwangju 61186, Korea
Corresponding author: Yeong-Soo Choi Tel: +82-62-530-2157 Fax: +82-62-530-2159 E-mail: y-choi@jnu.ac.kr
January 16, 2020 January 21, 2020 January 21, 2020

Abstract


This research was conducted to evaluate the pulling performance of a Chinese cabbage harvester, which was designed and constructed for a self-propelled harvester with pulling mechanism. The harvester is consisted of crawler-type running gear, main pulling conveyor, hydro static transmission system as main units. In order to get the informations for developing a pulling mechanism, physical properties of three types of Chinese cabbages, which were cultivated in different seasons of spring, autumn and winter, were investigated. Also, vertical pulling force was measured. The size of the three types of Chinese cabbages ranged from 22.7 cm to 30.6 cm in width and 29.9 cm to 33.8 cm in height. In general, winter Chinese cabbage showed larger size than other varieties. The pulling force ranged from 90.8 N to 159.5 N on average. Field tests were carried out to evaluate the pulling performance of the harvester. The results of the test showed the best pulling rate of 80% when the conditions were at inclined angle of 35° of the main conveyor, the driving speed of 0.4 m/s, and the belt speed of 0.61 m/s (speed ratio 1:1.22). However, the results suggested that an auxiliary device such as a preprocessing unit should be designed to enhance the pulling and conveying performance. The preprocessing unit was designed so that it can be attached in front of the main pulling conveyor of the prototype harvester and is consisted of induced unit and auxiliary pulling conveyor. The preprocessing unit was designed with dimensions of 88 cm in overall length, 60 cm in overall width and 15 cm in overall height. It is expected that the unit can help for Chinese cabbages to be pulled out easily and to ensure stable transfer along the main pulling conveyor.



자주식 배추수확기의 인발성능 및 전처리부 설계

김 호진, 최 영수*
전남대학교 지역바이오시스템공학과

초록


본 연구에서는 주행부, 주반송부, 동력전달부 등으로 구성된 배추를 인발하여 수확할 수 있는 궤도형의 자주식 인발형 배추수확기 개발, 인발기능과 이송기능을 갖는 주이송부의 설계 요인에 따른 포장 수확 성능 평가, 우리나라 품종별 재배작형에 따른 배추 물리적 특성 분석 및 시작기의 인발 및 반송 성능 향상을 위한 전처리부 설계를 수행하였다. 수확기 설계를 위한 기초 자료로 활용하기 위해서 우리나라 계절별 대표 품종(봄배추: 대통배추, 가을배추: 노랑배추, 월동배추: 겨울왕국)에 대해 수확시기의 물리적 특성을 조사하였다. 겉잎을 제거하지 않은 상태에서 크기를 품종별 평균값으로 나타냈을 때 3가지 품종에 있어서 폭은 22.7 ~ 30.6 cm, 높이 29.9 ~ 33.8 cm 범위로 나타났으며, 수직인발력은 평균 90.8~159.5 N으로 다양하게 나타났다. 인발각도, 속도비를 인발성능 요인으로 고려한 인발성능 평가에서 인발각도 35°, 수확기 주행 속도가 0.4 m/s 이고 인발벨트 속도 0.61 m/s 일 때의 속도비 1 : 1.22에서 인발률 80%로 인발정도가 가장 높게 나타났으나, 보다 향상된 배추 인발성능을 확보하기 위해서는 인발 시 배추를 안정적으로 전달할 수 있는 메카니즘이 추가로 요구되어 배추수확기 주이송부의 전방에 부착할 수 있는 유인부와 보조반송부로 구성된 전처리부를 전장 88 cm, 전폭 60 cm, 전고 15 cm의 치수로 설계・제시하였다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    316018-3

    서론

    배추는 우리나라 주요 부식인 김치의 주재료로 이용되고 있는 채소로서, 연중생산 체계가 확립되어 1년 내내 파종과 수확이 가능하나, 최근 이상기온 등으로 인하여 여름 및 가 을재배에서 안전성의 문제가 발생하고 있다. 2017년 기준 통계청 자료에 따르면 작형별 재배면적은 봄배추가 11,989ha, 고랭지배추가 5,385ha, 가을배추는 13,674ha, 월동배추는 4,356ha를 차지하였다. 현재 배추 재배는 봄배추는 3~5월에 경남, 전남, 충남, 경기지방에서 하우스재배 배추가 출하되 기 시작하여 통상 5월 중순이면 하우스재배 출하는 종료된 다. 5월 중순에서 6월 초순에는 하우스재배에 이어 터널재 배 배추가 출하되고, 6월 중순부터 7월 초순까지는 경기도 일원에서 노지재배 형태로 출하되고 있다. 여름에 재배하여 수확하는 배추를 ‘여름배추’라고 하며, 여름배추는 주로 고 랭지를 중심으로 재배되므로 ‘고랭지배추’ 또는 ‘고랭지 여 름배추’라고도 불린다. 하절기(7~9월) 출하되는 고랭지배추 로, 주산단지는 해발 400m 이상의 강원도 태백, 정선, 평창 등지와 전북 장수, 경북의 고랭지 일부 지역에 한정되어 있 다. 가을배추는 11월~12월에 출하되며 주산지는 충청도 충 주, 제천, 아산, 서산, 당진 및 전라도 나주, 영암 등에서 대단 위로 재배되고 있다. 가을은 배추가 가장 생육하기 좋은 기 후조건을 갖추고 있어 이시기에 배추의 품질은 다른 작형에 비하여 좋다. 9월 중순경 파종하여 12월부터 이듬해 2월 말 까지 수확하며 전라남도 해안지역 및 제주도 일부 지역에서 재배되는 작형으로 수확하는 배추를 ‘월동배추’라고 부른다. 통계청 조사 결과 2017년 기준 작형별 생산량은 봄 배추가 57.4만톤, 고랭지 배추는 25.5만톤, 가을배추는 136.2만톤, 월동 배추는 34.9만톤이 생산되고 있다(KOSTAT, 2017).

    배추 재배 작업단계별 노동시간을 살펴보면 총 73.1h/10a 으로 경운·정지, 비닐피복, 시비, 제초, 방제작업만 기계화가 이루어지고 있으나 수확 및 운반작업은 아직도 대부분 인력 에 의존하고 있어 노동강도가 크고 작업능률이 낮은 실정이 다. 배추의 수확작업 및 운반작업의 노동 투하 시간은 18.7h/10a로 노동 투하 비율은 전체의 25.6%로 배추 재배 작업 중 가장 노동비율이 높다. 따라서 배추재배에 있어 수 확작업의 기계화는 시급히 해결되어야할 과제로 대두되고 있다. 우리나라 배추수확기 개발에 관한 연구는 수차례 수 행되어 왔지만 실용화 단계에는 이르지 못해 현재 국내 자 주식 배추수확의 기계화율은 거의 0% 수준이며, 기존에 연 구된 배추 수확기는 트랙터 동력을 이용한 작업기 형태로, 굴취날을 통한 굴취작업 후 인력을 통하여 수집 및 선별 하 는 기능을 갖고 있었다.

    배추수확기 개발에 관한 연구는 국내에서는 대부분 트랙터 견인형 인발형 수확기를 개발하였으며 상용화에는 아직 이르 지 못하고 있는 실정이다(Hong et al., 2000). 일본(Hachiya et al., 2004)과 중국(Dongdong et al., 2016)에서도 배추수확기 개발에 관한 연구가 이루어졌으며 일본에서는 일부 기종이 실용화 되었다. 국내에서 인발형 밭작물 수확기로는 당근 수확기(Choi et al., 1998, 2002)와 마늘수확기(Chang et al., 1999, Noh et. al., 2002)가 연구되었으며, 외국에서는 양배 추 수확기가 인발형 구조로 개발되었다(Stout et al., 1996, Roger et al., 2004).

    본 연구는 자주식 배추수확기 개발을 목적으로 벨트를 이용하여 배추 몸통부분을 협지한 후 인발하여 수확하는 인 발식 궤도형 시작기 개발, 주반송부 설계 요인에 따른 시작 기의 성능평가, 우리나라 재배 대표배추 품종의 물리적 특 성 분석 및 시작기의 인발성능 향상을 위한 전처리부 설계 를 수행하였다.

    본 연구는 자주식 배추수확기의 인발 메카니즘 설계를 목 적으로 수행되었다. 개발된 배추수확기의 핵심부인 인발부 는 회전하는 벨트가 배추 몸통부분을 협지한 후 배추를 인발 하여 수확하는 구조로 설계되었다. 배추수확기 인발 메카니 즘의 설계를 위하여 우리나라 재배 대표 배추 품종의 물리적 특성 분석, 시작기 개발, 시작기의 인발성능 평가하고, 인발 성능 향상을 위한 전처리부 설계 방안을 제시하였다.

    재료 및 방법

    1. 인발식 배추수확기 개요

    22kW 출력의 수냉식 4사이클 디젤엔진을 동력원으로 하 는 자주식 배추수확기가 개발되었으며, 주요부는 주행부, 인발기능과 이송기능을 수행하는 주이송부, 동력전달부, 운 전부, 뿌리 절단부, 적재부 등으로 구성되었다(Fig. 1).

    주행부는 궤도형 주행장치(crawler)를 채택하고, 엔진의 동력을 개도각 제어에 따른 유량조절이 가능한 28 CC 가변 용량 펌프/모터의 HST를 사용하여 구동하였다. 엔진과 HST 는 벨트에 의한 직결 연결 방식으로 구성하였고, HST에 의한 전·후진 무단변속 조작이 가능하다. 인발부를 포함한 이송부 가 수확기의 전방으로 돌출되어 있으므로 배추 수확기의 중 심으로 무게 중심을 이동시키기 위해 배출부를 후방으로 돌 출시키고, 배추수확기 전체 중량의 20%를 차지하는 엔진을 배추수확기의 중심에 배치함으로써 수확기의 무게 밸런스가 이루어 경사지에서의 안정성을 높이도록 설계하였다.

    주이송부는 인발부와 이송부로 구분되며, 동일 벨트를 이용하여 배추를 인발하고 인발된 배추를 수확기의 적재함 으로 이동시키는 기능을 수행한다. 인발방법은 기체가 전진 함에 따라 먼저 주반송부의 앞쪽에 설치된 인발부에 해당하 는 인발풀리 쪽의 벨트에 배추 겉잎을 유도한 후 배추의 몸 통을 잡고 인발한다. 인발된 배추는 인발풀리에 비해 상대 적으로 작은 크기의 풀리들과 이송벨트로 이루어진 이송부 에 의해 적재함으로 운반된다. 이송부에서는 배추가 이탈되 지 않도록 압축력을 발생시키는 텐션스프링에 의해 텐션이 조절된다. 이러한 텐션스프링에 의한 압축력의 조절은 이송 시의 배추에 대한 압축력이 자동 조절되어 배추 종류에 따 른 적응성을 높이도록 하였다. 또한 이송벨트의 속도 조절 과 더불어 인발풀리 간격을 조절하게 설계하여 배추 인발시 인발력의 조정이 가능하도록 하였다. 주이송부의 동력전달 은 엔진동력을 취출하여 유압모터를 구동한 후 기어박스, 구동풀리, 벨트, 벨트풀리 순으로 동력이 전달된다.

    동력전달부는 기체의 선회 주행을 위한 조향제어부, 두둑 높이에 따른 수확작업에 대응하여 지면을 기준으로 최저 0 cm ~ 최고 30 cm 범위에서의 높이제어를 위한 주이송부 승하 강제어부, 주반송부의 벨트 속도제어를 위해 최고속도 0.93 m/s의 주반송부의 벨트속도제어부로 구성하였다. 전체 유압 시스템의 구동은 엔진에 의해 동력을 얻으며, 조향부, 승하강 부의 유압펌프를 구동시키고, 주반송부의 벨트구동과 절단칼 날의 구동을 위한 유압은 power pack에 의해 공급된다.

    운전부는 이송부 승하강 레버, 좌우 조향 레버, 주변속 레버, 부변속 레버, 엔진 조속 레버, 키 스위치, 방향지시등 스위치, 클러치 페달, 운전자 시트로 구성되었다. 뿌리 절단 부는 인발된 배추가 이송되는 동안 뿌리 절단과 겉잎을 제 거하는 기능을 수행하며, 유압으로 구동되고 절단 칼날은 150°각도의 V자 형태로 제작하였다. 이 칼날은 이송부의 하 단에 위치하도록 하였으며 칼날의 위치를 상하로 조절하여 베추 뿌리 위치에 따라 조정이 가능하도록 하였다. 적재부 는 수확된 배추를 담는 메쉬파렛트를 올려 놓는 장치로서 운전석 뒤쪽에 위치하도록 설계하였다.

    2. 국내 배추의 물리적 특성 조사

    배추수확기의 주반송부 요인 분석을 위한 기초자료로서 수확시기 재배작형별 배추의 기계적 수확에 관련되는 물리 적 특성 조사를 위하여 봄배추(대통), 가을배추(노랑), 월동 배추(겨울왕국)품종에 대하여 각각의 배추포장에서 폭, 높 이, 무게, 토양 수분함수율에 따른 인발력을 측정하였다. 이 러한 데이터는 배추수확기 인발부 설계를 목적으로 수집하 였으므로 묶어지지 않은 상태의 배추 폭을 측정하였으며, 높이는 뿌리를 제외한 배추의 수직 길이를 측정하였다. 샘 플은 수확시기의 각 포장 내에서 30개를 임의 선택하여 측 정하였다. 토양 수분함수율은 0~100 % 범위에서 정밀도 ±1 %로 측정할 수 있는 토양수분계(Soil hygrometer, BFG200) 를 이용하여 측정하고, 배추의 수직인발에 필요한 힘을 디 지털 하중계(Digital force gage, 측정범위(최대 200 N), TRIME-PICO64) 로 측정하였다. 수직인발력은 배추 잎의 중간 부분을 끈으로 묶어 디지터 하중계에 수직으로 연결하 여 배추가 뽑힐 때 걸리는 최대힘을 측정하였다.

    3. 배추수확기의 인발 및 반송 성능 시험

    개발된 시작기의 수확성능을 평가하고 보완을 위한 추가 설계 인자 도출을 위해 2019년 4월 4일에 전라남도 나주시 봉황면 소재 전남대학교 봉황농장에서 배추 포장을 조성하 기 위해 배추를 파종하였다. 재배포장 조성을 위해 국내의 배추재배의 지역별 재배양식을 조사하고, 밭농업 경쟁력 제 고를 위한 밭농업기계화 촉진방인 및 주요 작목별 기계화전 략 도출에서 제시한 표준 기계화 재배양식 고려하였다. 본 연구를 위한 배추 포장은 봄배추작형으로 조성하기 위해 표 준 기계화 재배양식(농업기계화연구소, 1997)을 기준으로 1 줄, 두둑폭 60 cm, 고랑폭 30 cm, 주간 40 cm의 배추 포장을 조성하였다. 배추수확기의 인발성능 평가를 위한 시험은 2019년 6월 4일 실시하였다. 주반송부 설계 주요 요인으로 는 인발각도, 인발벨트와 주행속도의 속도비, 인발벨트간격 등이 있다. 본 시험에서는 인발각도, 주행속도와 인발벨트 의 속도비의 영향을 평가하고자 하였다. 인발각도, 주행속 도와 인발벨트의 속도비는 배추의 인발 및 반송 성능에 직 접적인 영향을 미치게 되는 설계 요인이다. 인발각도는 수 확기의 각도조절 범위를 고려하여 30°, 35°, 40°의 3수준으로 설정하였고, 주행속도와 인발벨트의 속도비는 1 : 1.15~1.31 범위에서 3수준으로 설정하였다. 수확 성능 시험은 인발 각 도, 주행속도와 인발벨트속도의 속도비에 따른 인발률, 이 송률, 손상률을 측정하였고, 각 시험 수준에서 약 8 m(20포 기)의 작업구간에서 2회 반복하여 수행하였다. 인발률은 배 추를 인발벨트로 협지하여 배추의 뿌리가 지면에서 완전히 뽑힐때까지의 배추 개수이고, 이송률은 인발 후 배추가 인 발벨트에서 떨어지지 않고 적재함 이송벨트까지 이송된 배 추의 개수이다. 손상률은 시험 구간당 인발된 배추 중에서 찍힘이나 인발벨트의 압축력에 의한 무름 등 상품성을 잃었 다고 판단되는 배추를 판별하여 결정하였다.

    P u l l i n g r a t e ( % ) = N u m b e r o f p u l l e d c a b b a g e s T o t a l n u m b e r o f t a r g e t c a b b a g e s f o r p u l l i n g × 100
    (식 1)

    C o n v e y i n g r a t e ( % ) = N o . o f p u l l e d c a b b a g e s N o . o f d r o p p e d c a b b a g e s d u r i n g c o n v e y i n g N o . o f p u l l e d c a b b a g e s × 100
    (식 2)

    D a m a g e d r a t e ( % ) = N o . o f d a m a g e d c a b b a g e s N o . o f p u l l e d c a b b a g e s × 100
    (식 3)

    결과 및 고찰

    1. 인발식 배추수확용 시작기

    주행부, 주반송부, 동력전달부 등으로 구성된 1조식의 배 추 수확 장치를 설계 제작하였다.(Fig. 2) 깔대기 형태의 구 조를 지닌 주반송부에 진입한 배추를 인발벨트에 의해 몸통 부분을 파지하여, 기체가 앞으로 이동하면서 전면 경사를 이루어 배추가 지면에서 뽑혀 올라오도록 하였다. 인발된 배추가 2개의 인발벨트에 의하여 이송부로 이송되면서 인 발벨트에서 이탈되지 않도록 2개의 인발벨트가 서로 배추 를 누르면서 파지하게 된다. 이 때 배추를 파지하는 힘은 인발벨트의 텐션을 유지시켜주는 텐션스프링에 의해 조정 되도록 하였으며, 인발벨트간격의 범위는 텐션스프링의 압 축력에 의한 배추의 압축변형을 고려하여 19~23 cm로 설정 하였고, 인발높이는 배추 높이의 중간부분인 지면 위 12~18 cm를 인발벨트의 배추 파지점으로 설정하였다. 이러한 인 발벨트 간격과 인발높이 설정의 기준은 다음의 국내 배추의 품종별 재배작형과 물리적 특성에서 설명하였으며 Table 1 에 요약하여 나타내었다. 배출부는 이송부의 끝부분에 연결 되며 수평 컨베이어를 포함하고 있다. 이송벨트 끝부분까지 이송된 배추는 이송벨트를 벗어나게 되어 자중에 의해 배출 부의 수평 컨베이어 위로 떨어지고, 이송벨트의 끝부분과 배출부 컨베이어 사이의 높이는 10 cm 이내로 배추의 낙하 에 의한 손상은 없도록 제작하였다. 수평 컨베이어는 수확 된 배추를 적재함으로 이송하는 기능을 담당하며, 필요한 경우에는 수평 컨베이어를 통과하는 동안에 배추 겉잎을 제 거하는 공정을 추가할 수 있도록 하였다.

    2. 국내 배추의 품종별 재배작형과 물리적 특성

    배추의 품종별 재배작형과 물리적 특성 조사는 전라남도 나주시 소재 시험 포장, 경상남도 창원시 소재 농가, 전라남 도 해남군 소재 농가 시험포장에서 실시하였다. 전라남도 나주시 소재 시험포장에서 품종 및 재배작형은 봄배추(대통 배추)이고, 토양수분함량 33. 9%(w.b.), 둥근두둑의 1열재배 이며, 주간거리 40 cm, 조간거리 90 cm의 재배양식으로 재 배되었으며, 경상남도 창원시 소재 농가에서 품종 및 재배작 형은 가을배추(노랑 배추)이고, 토양수분함량 24.9%(w.b.), 둥근두둑의 1열재배이며, 주간거리 50 cm, 조간거리 100 cm 의 재배양식으로 재배되었다. 전라남도 해남군 소재 농가 시 험포장에서 품종 및 재배작형은 월동배추(겨울왕국)이고, 토 양수분함량 25.3 %(w.b.), 둥근두둑의 1열재배이며, 주간거 리 45 cm, 조간거리 65 cm의 재배양식으로 재배되었다. 한편 월동배추의 경우 주산지인 해남에서는 2줄 재배를 선호하고 있어 이에 대한 적응성 검토가 필요할 것으로 보여졌다.

    배추수확기의 주반송부 요인 분석을 위한 기초자료로 활 용하기 위하여 재배작형별 배추의 물리적 특성인 배추의 폭, 높이, 무게와 수직 인발력을 측정하였다. 봄배추(대통) 의 폭은 23 ~ 28 cm, 높이는 29 ~ 32 cm 범위로 나타났다. 가을배추(노랑)의 폭은 17 ~ 28 cm, 높이는 26 ~ 33 cm 범 위였고, 월동배추(겨울왕국)는 폭이 29 ~ 34 cm, 높이는 32 ~ 35 cm 범위로 나타났다. 대체로 월동배추가 다른 품종의 재배작형에 비해 크기가 큰 것으로 나타났다. 배추의 수직 인발력은 세 품종에서 90.8~159.5 N 범위로 다양하게 나타 났으며 평균값으로는 가을배추가 가장 크게 나타났다. 이는 배추의 품종, 작황, 토양 종류, 토양함수율, 수확시기 등의 다양한 요인으로 인하여 차이가 발생한 것으로 판단된다.

    본 연구에서 제시한 3가지의 국내 배추의 품종별 물리적 특성은 국내에서 생산되는 모든 배추의 특성을 대표할 수는 없다. 동일 품종이더라도 배추는 토양, 기후, 관리, 질병, 재 배시기 등의 다양한 요인에 의해 생육상태가 달라지기 때문 이다. 그럼에도 불구하고 3가지 계절별 배추의 물리적 특성 을 조사한 이유는 본 연구에서 제시된 배추수확기의 설계 기준을 제시하고자 했기 때문이다.

    3. 주행속도와 이송부 경사각이 인발성능에 미치는 영향

    수확기 설계에 있어서 도복된 대상 작물의 줄기나 잎을 걷어올리는 작용을 분석하는데 걷어올림 속도비(Chung et al., 1997)를 사용한다. 걷어올림 속도비, Kt는 식 (4)와 같이 표시되며 인발벨트속도(Vb)와 수확기의 주행속도(Vm)의 합속도(Va) 의 방향은 걷어올림 작용을 크게 좌우하게 된 다. Fig. 2에서와 같이 Va의 방향과 수직선이 이루는 각을 걷어올림궤적의 방향각, γ라고 한다. 배추 잎이 이송부에 수직으로 물려 인발 되기 위해서는 걷어올림궤적의 방향각 이 90°가 되어야 한다. 그러기 위해서는 Va의 방향이 수직 이 되어야 하고 이때 두 방향이 반대인 수평성분의 크기가 |Vbcosθ|= |Vm| 인 관계가 성립되어야 하므로 + V b = V m cos θ 가 되어 작물을 수직으로 세울 수 있는 인발벨트속도 Vb는 수확기의 전진속도와 이송부 경사각에 따라 결정된다.

    K t = V b V m = 1 cos θ
    (식 4)

    여기서,

    • Kt : 걷어올림 속도비

    • Vb: Pulling belt speed (m/s)

    • Vm: Travel speed (m/s)

    • θ: Tilt angle of conveyor

    주행속도와 이송부 경사각에 따른 인발성능을 알아보기 위해 예비실험을 통하여 수확기의 주행속도 0.3 m/s, 0.4 m/s, 0.5 m/s 의 3수준, 그리고 이송부 각도는 30°, 35°, 40° 의 3수준에 대하여 성능실험을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 실제 포장 작업에 있어서 배추 겉잎 의 수분으로 인해 배추와 벨트협지부분에 슬립현상이 일어 나 인발벨트의 속도 손실이 발생하였다. 따라서 식 (4)에서 결정되는 이론 인발벨트의 속도에 슬립률 20% 감안한 실제 인발벨트 속도로 시험하였다.

    이송부 각도 30°, 속도비 1.15, 주행속도 0.3, 0.4, 0.5 m/s 에 따른 인발성능 시험 결과 인발률의 평균은 68.3%, 이송 률의 평균은 75.3%, 손상률은 주행속도 0.5 m/s 일 때만 5% 로 나타났으며, 이 중 주행속도 0.4 m/s, 인발벨트속도 0.58 m/s에서 상대적으로 더 우수한 결과를 보였다. 또한 이송부 각도 35°, 속도비 1.22, 주행속도 3가지 수준에 따른 인발성 능 시험 결과에서는 인발률의 평균은 75%, 이송률의 평균 은 80%, 손상률은 0%로 나타났다. 이 중 주행속도 0.4 m/s, 인발벨트속도 0.61 m/s에서 인발률 80%, 이송률 83%로 가 장 높은 인발성능을 나타냈다. 이송부 각도 40°, 속도비 1.31, 주행속도 0.3, 0.4, 0.5m/s에 따른 인발성능 시험 결과 에서 는 인발률의 평균은 71.6%, 이송률의 평균은 77.6%, 손상률 은 0%로 나타났다. 이 때에는 주행속도 0.3 m/s, 인발벨트 속도 0.49 m/s에서 인발률 75%, 이송률 82%로 상대적으로 높은 인발성능을 나타냈다. 모든 이송부 각도와 속도비 수 준에서 인발율은 65~80%, 이송율은 71~83% 범위로 나타 났으나 목표로 했던 90% 이상의 성능이 나타나지 않아 각 수준별 유의성은 의미가 없다고 판단되었다. 또한 인발각도 라고 할 수 있는 이송부 경사각의 영향을 규명하기 위해서 Fig. 3과 같이 경사각별 각 시작기의 주행속도에 따른 평균 인발율과 이송율을 비교하였으나 이 역시 인발률이나 이송 률에 있어서 기대했던 성능에는 미치지 못한 결과를 나타내 었다. 그러므로 현 시작기의 구조로서는 속도비나 이송부 경사각의 조절만으로 기대한 인발성능을 구현하지 못하는 것으로 판단되었다. 따라서 인발식 배추수확기의 수확 성능 을 획기적으로 높일 수 있는 주반송부를 보조할 수 있는 장 치를 설계하여 배추를 안정적으로 인발 및 이송할 수 있는 전처리장치가 필수적으로 개발되어야 한다고 판단되었다. Table 2

    4. 전처리부 설계를 위한 유인부 모형

    개발된 배추수확기는 인발성능 측정 결과 시작기의 보완 이 필요한 것으로 나타났다. 무엇보다 배추가 안정적으로 인 발부에 협지되어 이송부로 전달되어야 하는데 시작기의 구 조상 단지 이송부의 선단에서 이송벨트의 협지에 의한 인발 만으로는 그 효과에 한계가 있는 것으로 판단되었다. 따라서 이송부와 더불어 효관적인 배추의 협지와 인발, 그리고 이송 부로의 전달을 위해서는 현 시작기의 구조에서 추가적으로 전처리부가 필요하다고 판단되었다. 전처리부의 설계를 위 하여 먼저 인발장치 운동에 의한 배추의 거동을 규명하기 위 하여 유인부 모형을 이용한 배추의 인발현상을 분석하였다.

    유인부 모형은 배추잎을 걷어 올리기 위해서는 전처리부 선단의 측면 형상이 삼각형을 이뤄야 한다고 가정하여 Fig. 4에 나타난 형태의 모형을 제작하고 전처리부의 전진에 따 른 배추의 거동 현상을 분석하였다. 모형의 선단에는 배추 의 겉잎을 세우고 모아주는 작용뿐만 아니라 이송부에 안정 적으로 배추를 전달하기 위해 회전날이 필요한 것으로 가정 하여 회전날에 해당하는 원형날을 부착하였다. 전처리부의 이동거리에 따른 배추 자세를 분석하기 위하여 모형의 진입 각도가 35°과 40°인 유인부 모형을 사용하여 시험을 수행하 였다. 인발시 배추 전도현상이 발생하지 않으면서 주반송부 에 가장 이상적으로 이송되는 배추 상태는 배추수확기의 주 반송부와 배추 수직중심선 사이의 각도가 90°를 이루었을 경우로 가정하였다. 전처리부의 이동에 따른 배추와 유인부 모형 사이의 각도는 전처리부 진입각도 35°와 40°의 두 모형 모두 20 cm 이상 전진했을 경우에는 배추 뒤쪽으로 토양이 적체되어 배추전도각의 변화는 더 이상 발생되지 않는 것을 확인하였다. 실제 전처리부를 작동할 경우 회전날이 회전하 면서 토양을 파쇄하여 인발에 필요한 힘을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 회전날이 안쪽으로 회전함으로써 배추 뿌리 부 분을 잡아당기는 효과를 발생시켜 이상적인 반송각인 90°에 더 근접하게 자세가 조정되어 주반송부로의 이송이 더 효과 적일 것으로 판단된다. 35°와 40°의 유인부 모형에서 전진거 리에 따른 배추전도각은 전진거리 20 cm이상에서 35°모형 과 40°모형 모두 19°로 나타나 모형 각도에 따른 배추전도각 은 유의성을 나타내지 않았다.(Table 3) 따라서 보조반송부 설계에서 배추를 안정적으로 이송할 수 있는 보조반송부와 배추사이의 각도를 90°로 조성하기 위해서는 보조반송부의 각도는 지면에서 19°로 설계되어야 할 것으로 판단되었다.

    5. 전처리부 설계

    배추수확기 시작기의 주반송부에 의한 수확 성능평가 결 과 기대했던 인발률에는 크게 미치지 못하는 결과를 나타내 었다. 낮은 인발 성능에 영향을 미치는 환경적 요인으로는 일정하지 않는 두둑높이 등의 재배지 구조와 배추의 물리적 특성, 토양 특성 등이 있으며, 기계적 요인으로는 수확기 주 행부의 궤도 간격과 골과 골 사이의 간격과의 차이, 인발력 부족과 이송되는 배추 자세 불량 등으로 판단되었다. 이로 인하여 인발력이 충분하지 않아 배추를 완전히 뽑지 못하여 반송 도중 벨트 사이로 떨어지는 현상이 발생되거나, 인발 된 배추의 인발벨트에 의한 배추 협지 초기자세 불량 때문 에 반송중 배추가 전도되는 현상이 발생되었다. 따라서 일 본 농업식품 산업 총합 연구기구(NARO)에서도 연구를 수 행하였던 전처리부를 설계하였다. 주요 구성으로는 배추를 충분히 인발하여 주반송부로 안정적으로 이송할 수 있는 유 인부와 보조반송부로 구성된 주반송부의 전처리부를 주반 송부 전방 부착형식으로 설계하였다. 유인부는 회전날을 회 전하면서 토양을 파쇄하여 인발력을 감소시키고 더불어 인 발된 배추를 주반송부로 유도하는 기능을 수행하게 된다. 보조반송부는 회전날에서 인발된 배추를 보조반송부 벨트 를 통과하여 주반송부 벨트로 정확한 자세로 이동시켜주는 기능을 수행하게 된다. 전처리부의 주요 치수로는 전장(유 인부 회전날 중심축에서 고정풀리 중심축까지) 88 cm, 전폭 (양쪽 구동풀리 거리) 600 cm, 전고(유인부 회전날과 보조 반송부의 수직거리) 15 cm로 설계되었으며, 작형별 배추의 물리적 특성을 분석하여 전처리부 반송장치의 벨트간격은 22 ~ 32 cm 범위, 유인부 저면과 보조반송부의 수직 높이 거리는 14 ~ 17 cm 범위로 설계하였다.(Table 4) 보조반송 부의 구조는 주반송부 벨트에 의해 구동되는 구동풀리, 풀 리를 연결하며 핀 형식을 통해 벨트간격조절이 가능한 프레 임, 배추 협지를 위한 V벨트로 구성하였다.(Fig. 5).

    본 연구에서는 개발된 인발형 배추수확기의 인발성능을 평 가하고, 시작기의 성능을 향상시킬 수 있는 전처리부의 설계를 제시하였다. 시작기의 성능 평가 결과가 인발성능에 있어 상용 화 수준에는 미치지 못한 것으로 나타났다. 이를 보완하기 위 하여 제시된 전처리부는 실증실험을 통해 인발성능 향상 효과 를 확인하지 못하고 설계 결과만을 제시하였으나 완성도 높은 후속 배추수확기 개발에 기여할 수 있으리라 기대된다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술 기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지원을 받아 연구되 었음(316018-3)

    Figure

    JALS-54-1-99_F1.gif

    Developed self-propelled Chinese cabbage harvester.

    JALS-54-1-99_F2.gif

    Velocity diagram of pulling belt speed(Vb) and travel speed(Vm).

    JALS-54-1-99_F3.gif

    Effects of tilt angles of conveyor on pulling performance.

    JALS-54-1-99_F4.gif

    Experiment to verify the effect of a preprocessing unit model on pulling practice of Chinese cabbage.

    JALS-54-1-99_F5.gif

    Structure of designed preprocessing unit.

    Table

    Physical characteristics of Chinese cabbages measured in this study

    Pulling performance at various pulling angles and speed ratios

    Pulling practice of Chinese cabbage according to the model forward movement

    Main dimensions of designed preprocessing unit

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