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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.5 pp.127-136
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.5.127

Slip Analysis of an Integrated Tractor Implement for Round Ridge Preparation

Young-Mo Koo*, Byung-Mook Kim
*Corresponding author: Young-Mo Koo Tel: +82-53-950-5788 Fax: +82-53-950-6780 Email: ymkoo@knu.ac.kr
May 28, 2020 June 21, 2020 July 16, 2020

Abstract


To sequence the conventional practice of upland farming, individual machines were modularized and combined into an integrated tractor implement which was fabricated along the cropping system for round ridge. The objectives of this study are to analyze slip characteristics, underlying field performance of an integrated implement for round ridge crops and then to suggest management of the implement to maximize operating efficiency in the intensive agriculture. A Doppler radar speedometer was used to measure no-load speed on concrete track and slip was calculated by determining the dynamic radius of rear wheels using the zero slip speed. The results of the study showed low slips (3.9-8.9%) despite the significant effects of the experimental variables because the weight of the integrated implement attached to a Category II tractor was excessively heavy to ensure static rearward stability. For the intensive farming which mainly uses rotavator, the principle of ‘gear up throttle down’ wouldn't be applied and neither saving of fuel consumption be influential to operating costs because of the low operating speed (2.0-4.0 km/h). Therefore, operation of the integrated implement wouldn't get predominant beneficial by draft and fuel efficiencies but should be focused on the quality of outcomes, such as seedling bed and mulching.



트랙터 장착형 일관작업 둥근두둑 복합기의 슬립특성 분석

구 영모*, 김 병묵
경북대학교 농업토목·생물산업공학부

초록


밭농업의 기계작업을 복합기로 일관화하기 위하여 관행의 개별적 기계를 모듈화하고 일체화시켜 둥근두둑 작물의 재배체계에 맞추어 구성하였다. 본 연구의 목적은 둥근두둑 복합작업기의 작업성능을 파악하는데 근거가 되는 슬립의 특성을 분석하여 집약농업의 작업효율을 극대화 할 수 있는 복합작업기의 운용방안을 제시하고자 하였다. 도플러 레이더 속도계를 사용하여 무부하 기준속도를 콘크리트 지면에서 주행속도를 측정하고, 후륜 동반경을 결정함으로써 이론 회전속도를 이용하여 제로슬립 속도를 계산하였다. 연구의 결과는 변수의 유의한 영향에도 불구하고 심하게 낮은 슬립의 범위(3.9-8.9%)에 있음을 보였다. 이는 복합작업기의 무거운 중량에 대응한 정적 후방전도 안정성을 위하여 카테고리 2급 트랙터를 사용하였 기 때문이다. 로타베이터를 기본으로 하는 집약농업의 경우 작업속도(2.0-4.0km/h)가 저속이므로‘gear up throttle down’원리가 적용되지 않으며 연료의 소비량은 운용비용에 절대적이지 않을 것으로 판단된다. 따라서 복합기의 운용은 견인 및 연료효율에 맞춰져서는 큰 이득이 예상되지 않으며, 파종상토와 멀칭작업의 품질, 즉 작업결과에 초점이 맞춰져야 한다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    716001-07

    서론

    최근 지역 농산물에 대한 소비와 관심이 증가하고 있어 밭농업 의 기계화와 생력화에 대한 연구와 평가가 활발히 진행되고 있다 (Koo & Kim, 2018). 2019년 농업 주요통계(KAMICO, 2019)에 따르면 농가 인구는 2013년 기준 285만 명에서 2018년 기준 232만 명으로 지속해서 감소하고 있고, 농촌의 65세 이상 인구 비율은 2013 년 37.3%에서 2018년 44.7%로 꾸준히 증가하고 있다. 이에 따라 농촌의 노동력 부족 현상이 심화될 것으로 판단되며 노동 집약도가 높은 밭 농업은 큰 애로에 직면할 것으로 예상된다. 또한, 국제 농산 물 시장의 개방이 가속되는 상황에서 밭농업의 경쟁력을 강화할 수 있는 중장기적인 대책이 필요하며, 이를 위한 방안으로 기계화 와 생력화의 중요성이 강조되고 있다(Kim, 2015).

    평두둑 작물의 기계작업은 경운, 정지, 두둑성형(휴립), 약액살 포·시비, 멀칭(피복), 파종·정식 순서로 진행하는 것이 일반적이며, 둥근두둑(콩, 고구마, 배추, 무 등)은 약액살포와 시비를 제외하기 도 하므로 평 두둑과 둥근 두둑 재배 방식에 모두 사용이 가능한 복합작업기를 구현하기 위하여 각 작업별 작업기 모듈의 교환과 조정이 용이하도록 제안되었다. 이와 같이 일련의 기계 작업 과정 이 한 번에 이루어 질 수 있도록 단일 복합기로 통합되면 재배체계 가 일관화 될 수 있다(Shim et al., 2018).

    트랙터의 견인 성능에 대한 여러 예측(Zoz, 1972;Wismer & Luth, 1974;Brixius, 1987;Dwyer, 1984)과 슬립 및 견인실험(Harrigan & Rotz, 1995;Lee et al., 2009)들은 70-80년대에 활발히 이루어졌 다. 그러나 이들의 연구는 조방농업(extensive cultivation)을 전제로 한 비교적 빠른 속도의 견인형 작업기를 바탕으로 이루어졌으나 로터 리 작업이 주를 이루는 집약농업(intensive cultivation)을 위한 작업 기의 견인력과 소비동력에 대한 연구는 드물었다.

    조방농업에 관한 연구는 고속의 견인작업에서 연료소비효율에 초점을 맞추고 있으나 복합기는 집약 농업의 관점에서 상토 및 파종 품질을 평가의 기준으로 삼아야 한다. Koo et al. (2018)은 밭농업 의 개별적인 기계작업을 복합기로서 일관화하기 위하여 기존의 개 별적 기계를 모듈화하고 일체화시켜 집약농업에 적합하도록 하여 평두둑 작물의 재배체계에 맞추어 경운·정지, 두둑성형, 방제 및 멀칭 등 네 단계의 각 작업기를 통합한 트랙터 부착형 일관작업 복합기를 구성하였다.

    밭농업의 일관화를 위해 개발된 복합작업기는 로터베이터를 기 본으로 관행의 작업순서에 맞게 여러 작업기를 순차적으로 배치하 여 통합시킨 형태이므로 작업속도 등 로터베이터의 특성에 영향과 제약을 받는다. Hendrick & Gill (1971)은 작업속도와 로터리 날 의 회전속도에 영향을 받는 절단 피치와 경심과 작업속도에 연관된 비(比)견인력(specific draft)이 감소지수의 관계에 있으며, 또한 작 업속도에 대한 선속도 값이 커지면 토괴(clod)의 크기가 커져서 작 업의 질이 떨어지므로 로터베이터의 작업속도는 상토의 품질에 의 해 제한된다고 주장하였다.

    Gupta & Visvanathan (1993)Hoki et al. (1988)은 로터리 동력을 이론식과 실험적 방법으로 연구하였다. PTO 동력의 주요 변수는 경심과 회전속도 및 작업속도이며, 작업속도와 회전속도는 상기한 절단피치와 관련이 있어 절단피치가 증가하면 견인력이 감 소하지만 PTO 동력의 경우 작업속도가 증가(절단피치 증가)하거 나 회전속도가 증가(절단피치 감소)하면 동력이 완만히 증가한다.

    트랙터와 작업기의 동적 움직임은 기계작업의 결과인 상토의 상태 에 영향을 미치므로 작업의 운동특성, 특히 슬립의 측정과 연구는 견인특성을 분석하는데 근거가 되었다(Freeland, 1990;Godwin et al., 1987). 슬립은 다음의 세 가지 실제 속도의 측정방법을 통하여 얻는 것으로 알려져 있다: 1) 피구동륜에서 측정하는 방법은 간단하 지만 토양의 상태 및 전륜의 측방미끄럼 등에 의하여 영향을 받는다. 2) 제5의 바퀴를 사용하면 실제 속도의 측정에서 중량전이 및 토양의 상태로부터 자유롭다. 3) Doppler 레이더 속도계는 0.53km/h 보다 저속에서는 사용할 수 없으나 그 이상의 속도에서는 신뢰성이 높다.

    Pranav et al. (2012)은 상기한 1)번의 방법으로 전륜에서 실속 을 측정하고 후륜의 속도를 측정하여 슬립과 동반경을 계산하는 프로세서를 개발하였다. Raheman & Jha (2007)은 2)의 방법을 이용하여 경심의 깊이에 따라 10-45%의 슬립을 측정하였고 동일한 경심에서 주행속도가 증가함에 따라 슬립이 증가하여 무부하 실험 에서 약 2%의 오차를 보였다. Thansandote et al. (1997)은 3)의 방법으로 한 조의 두 레이더를 각각 지면과 후륜을 향하게 하여 신호를 받고 그 차이로부터 슬립을 계산하였으며, 제5륜을 사용하 여 ±0.5%의 오차를 검증하였다.

    구동륜의 견인계수(draft coefficient)와 견인효율(tractive efficiency) 은 슬립의 함수로 나타나고 기준이 되는 제로 슬립의 속도는 동반경으로 부터 계산할 수 있다. Zoz (1972)의 예측도표를 이용하 여 슬립과 실제 속도를 측정하고 구동륜의 하중반력을 조절함으로 써 견인효율과 견인계수를 최적의 상태로 유지 할 수 있다. Park & Lee (2012)는 Wisemer & Luth의 식을 수정한 Brixius식을 사용 하여 바이어스 타이어의 견인성능을 예측하였다. 운동저항계수에 차륜슬립을 고려하여 견인계수와 견인효율을 시뮬레이션 하는데 있어, 슬립의 측정은 견인성능을 분석하고 계산하는데 필수요소임 을 보였다.

    조방농업 운용형태의 제어기를 개발하여 수출 경쟁력을 높이고 트랙터의 연료소비 효율을 극대화하는 기술개발이 필요하였다(Lee, 2015). 구동륜의 슬립을 최적상태로 유지하는 것은 동력손실을 최 소화하고 토양으로 전달되는 추진력을 유지하기 위함이다. 이를 위하여 밸러스트의 조정 등을 통하여 중량전이와 중심의 조절을 이용하였으나 실시간으로 적용이 가능하지 않았다. 적정슬립보다 적으면 운동저항에 의하여 동력이 손실되므로 부하를 증가시키거 나 구동륜의 반력을 증가시키는 방법으로 슬립을 증가시킨다. 반대 로 적정슬립보다 과대하면 슬립에 의해서 동력이 손실되므로 부하 를 줄이거나 엔진의 속도를 낮추고 중량을 줄일 필요가 있다. 연약 지면의 경우 2륜구동(2WD) 트랙터의 경우는 10-15%, 4륜구동 (4WD)인 경우는 8-12% 정도를 유지할 것을 추천하였다. Pranav et al. (2012)의 연구에서는 경심을 조절함으로써 슬립을 제어하여 견인효율, 연료소비량 및 포장능력을 제고하였다. 슬립을 전륜과 후륜에서 회전속도를 측정하여 제어에 사용하였는데 견인력 제어 보다 슬립 제어가 효과적인 것으로 분석되었다.

    Kim et al. (2011)은 슬립을 적정하게 유지하는 것은 필요하지만 부하의 변동이 일어나면 엔진속도, 주행속도가 변하고 중량의 전이 가 일어나는 등 제어하기 매우 어렵고, 따라서 통합 제어 시스템이 필요하고 슬립의 모니터링은 중요하다고 보았다. 조방농업의 특징 인 큰 견인력의 고속작업인 경우는 기어단수를 올리고 엔진속도를 낮추는‘gear up throttle down (GUTD)’의 원리가 연료소비효율 을 극대화하지만, 로타베이터를 기본으로 하는 집약농업의 경우 작업속도가 저속이므로 부담면적이 작아 연료의 소비량은 운용비 용에 절대적이지 않다. 따라서 수출용 조방농업 트랙터에 대한 통 합조정 시스템은 중요하지만, 내수용 집약농업 트랙터에는 제한적 인 것으로 판단된다.

    따라서, 본 연구의 목적은 둥근두둑 복합작업기의 작업성능을 분석하고 개선하는데 근거가 되는 슬립의 특성을 분석하여, 집약농 업의 작업효율을 극대화 할 수 있는 복합작업기의 운용 방안을 제시하고자한다.

    재료 및 방법

    1. 일관작업을 위한 공시 복합기

    농림축산식품부에서 조사한 콩과 고구마의 주요 산지 별 재배양 식 결과(Table 1)와 농촌진흥청에서 제시한 표준 재배양식(Table 2)을 바탕으로 복합작업기의 두둑 폭은 600mm로 설정하였다. 관 행의 개별 작업체계를 복합작업기를 이용한 일관작업체계로 전환 함으로써 유류비, 인건비 등의 변동비 절약과 일체화에 따라 구입 비 등이 절감되고, 농작업의 단순화를 통한 생력화 효과가 장점으 로 기대된다. 또한, 단계별 작업과정의 단위기계의 일체화로 작업 효율이 향상될 것으로 예상된다(Koo & Kim, 2018).

    우리나라 밭작물의 재배양식은 일반적으로 평두둑과 둥근두둑 으로 나눌 수 있다. 둥근두둑 적용작물의 기계 작업은 주로 경운·정 지, 두둑 성형, 비닐 멀칭, 파종·정식 순서로 작업하여 약액살포와 시비를 생략하여 작업하는 경우가 많다. 따라서 평두둑과 둥근두둑 에 모두 작업 가능한 복합작업기를 구현하기 위해 카테고리 2급 트랙터의 최대 작업폭 1800mm을 기준으로 하여 600mm 둥근 두 둑을 2조로 폭을 1200mm로 구성하고 각 작업기 모듈의 교환과 장탈착, 조정이 용이하도록 하였다. 이와 같이 관행의 개별기계 작 업과정이 한 번에 통합 수행될 수 있도록 복합작업기로 일체화하면 밭작물의 재배체계가 일관화 될 수 있다. 회전 반경을 최소화하려고 작업기 최대 길이는 2500mm으로 제한하였고, 카테고리 2급 트랙 터(KS B ISO 730, 2014)에 적용하는 것을 목표로 총 중량이 1 ton이 넘지 않도록 하였다(Shim et al., 2018).

    Fig. 1은 밭농업의 일관 기계화를 위해 구상된 둥근두둑 복합작업 기(BG1200-ABC, Bulls Co., Sungju, Korea)이며 로터베이터를 기본으로 하여 작업모듈을 부착한 제원을 제시하였다(Table 3(a)). 경운부터 파종에 이르는 과정들을 순차적으로 수행하도록 구성되었 으며, 약액살포 과정을 추가할 경우 탱크는 후방 전도에 대한 안정성 을 고려하여 로터베이터의 상부에 위치할 수 있다.

    2. 트랙터와 타이어

    Fig. 2(a)에 보인 트랙터는 연구에서 사용한 Kioti의 DK753C 모 델로서 55.5kW (74.4PS) 엔진을 장착한 카테고리 2급으로서 Table 3(b)에 세부 제원을 소개하였다. Shim et. al (2018)은 동일한 트랙 터를 사용하여 평두둑 복합기의 안정성을 고찰하였고, 전방 평형추 3.4kN (350kgf)을 부착하고 작업기를 상승시켰을 때 전륜반력은 트랙터 자체만의 정적 전륜 반력 임계치의 42% 정도로 안정하였 다. 반면 카테고리 1급, 33kW (45PS) 트랙터의 경우 전방 평형추 1.77kN (180kgf)을 부착하고 작업기를 상승시켰을 때, 후방 전도 가 일어날 것으로 판단되었다.

    슬립실험에서 중요한 요인인 장착타이어의 제원은 한국표준 (KS M4251-1)과 함께 Table 4에 나타내었으며 타이어 제조사 (Hung-a Tire Co., Yangsan, Korea)의 지침서에 나타난 제원은 실제 실험타이어의 실측과 비교하여 보였다. 주행 또는 작업 중의 동반경은 압력조건에 따라 변하므로 실 조건에서 측정하여 무부하 속도를 계산하는데 사용하였다.

    3. 레이더 속도측정

    Fig. 2(b)에 보인 도플러 레이더 속도계(Radar II, Dickey-john, Auburn, IL USA)는 트랙터의 선단에 장착되었다. 식(1)은 도플러 속도계의 원리이다.

    f = 2 υ λ
    (1)

    여기서 υ 는 작업속도 (m/s), λ = c/fT 에서 c는 광속도(3× 108m/s), fT 는 혼의 출력 주파수(24.125GHz)이므로 υ=1.0km/h 에 대하여 f=44.8Hz이다. 지면이 레이더 혼에 대하여 기울어져 감응하면 각도(θ=40°)에 대하여 식(2)의 관계이다.

    f θ = k f cos θ
    (2)

    여기서 k는 속도계의 선택적 감쇠항(0.75)으로 1.0km/h에 대하 여 fθ=40°=25.74Hz로 예상한다. 하지만 ‘결과 및 고찰’의 실험적 인 회귀식에서 fθ 는 25.25Hz로 결정되었다.

    4. 무부하 동반경의 결정

    미국 캔자스 농촌지도소(Kansas State University Extension, Manhattan, KS USA)의 자료에는 실용적인 슬립의 정도를 시험하 는 방법에 대하여 다음과 같이 지도하고 있다(Taylor et al., 1991).

    • ① 트랙터 타이어에 표시를 하고 위치에 맞춰 포장에 깃발을 꽂아 시작점을 표시한다.

    • ② 실작업(작업기, 기어 및 트로틀)과 같은 조건의 포장에서 구 동륜 10회전을 진행하여 타이어 표시가 도달한 위치에 종점 을 깃발로 표시한다.

    • ③ 2단계에서 진행한 거리를 작업기를 들어 올린 무부하 조건으 로 콘크리트 도로에서 회전한 수(N0)를 측정한다.

    • ④ slip(%) = (10-N0)×10로 계산한다.

    따라서 복합기의 작업중 슬립을 계산하기 위하여 무부하 기준 속 도를 콘크리트 지면에서 측정할 수 있다. 콘크리트 지면에서의 주행 에도 어느 정도 슬립이 있으나 실용적으로 타이어의 동반경(Rd )을 계산해서 식(3)으로 후륜의 회전속도를 적용하여 무부하 기준속도 로 사용될 수 있다.

    υ o = 2 π 60 Ω r R d / 1000
    (3)

    여기서

    • υo 는 무부하 기준속도 (km/h)

    • Ωr 는 후륜의 이론회전속도 (rpm)

    • Rd 는 후륜의 동반경 (m)

    무부하 기준속도는‘제로슬립’속도로 간주되며 실험은 실제작업 조건에서의 후륜 동반경(Rd )을 결정하기 위하여 시행하였다. 콘크 리트 지면에서의 주행속도를 측정하고 후륜의 이론 회전속도를 이 용하여 계산하고 평균값을 사용하였다.

    경북대학교 농장(경북도 군위군 효령면 소재)에 15m의 콘크리 트 지면 주행트랙을 설정하였고 상기한 트랙터(DK753C)의 네 종 류의 주․부변속 기어조합(L3, M1, M2, M3)에 대하여 정격 엔진속 도 2200rpm에서 시행하였다. 주행 속도의 측정은 초시계로 구간 의 주행시간을 측정하고, 동시에 상기한 레이더 속도계로 측정하여 회귀식에 따라 주행속도로 환산하여 식(4)를 사용하여 후륜의 동반 경(Rd)을 계산하고 평균하였다.

    R d = υ m 1000 ( 2 π 60 Ω r )
    (4)

    여기서 υm는 레이더에 의한 회귀식 환산 주행속도(km/h)로 서 콘크리트 무부하 기준속도 실험에서는 υmυo 이다.

    5. 작업기의 슬립 포장실험

    슬립 실험구는 경북대학교 농장의 같은 필지에서 25m×10m(길 이×폭) 크기의 서로 인접한 실험포장(P1 & P2) 두 곳을 선택하였다. 토질은 미국농무성(USDA-ARS) 분류법에 의하여 양질사토(LS: loamy sand)에서 사질양도(SL: sandy loam)로 판단되었다. Table 5에는 각 실험구의 토양 함수량(SMC: soil moisture content), 유 기질함량(OMC: organic matter content)과 원추지수(cone index) 를 표시하였고 실험변수로 고려하지 않았다. 토양경도는 반복적으 로 경운되어 부드러운 토양(tilled to soft soil) 조건으로 토양경도 계(SC900, Spectrum Technologies, Inc., Aurora, US)를 사용하 여 경심깊이(200mm)까지 측정한 원추지수(CI)의 최대값으로 표 시하였다.

    실험 변수는 PTO 회전속도(RPM), 주행속도(SPD)과 경심(DEP) 으로 3회 반복(REP)하였고 동일한 실험세트(SET) 2회를 다른 날 짜에 각 포장에서 시행하였다(Table 6). PTO의 회전속도(RPM)는 540rpm(Y1)과 1000rpm(Y2)이었고, 실제 로터리의 회전속도는 기 어비 2.805를 적용하여 각각 192.5rpm과 356.5rpm이었다. 주행속 도(SPD)는 엔진 정격속도(2200rpm)에서 기어조합 L3, M1, M2 및 M3에 대하여 이론속도는 각각 0.89, 2.20, 3.20 및 4.32km/h였고, 이후 제로슬립 기준속도는 각각 0.862, 2.124, 3.092 및 4.176km/h 로 평가되었다. 경심(DEP)의 수준은 D1, D2 및 D3로서 각각 80, 115 및 150mm이다.

    슬립(s)은 식(5)로 계산하였다.

    s ( % ) = υ o υ m υ o × 100 = 1 300 υ π R d Ω r
    (5)

    여기서 υm 는 레이더에 의한 회귀식으로 환산한 주행속도 (km/h)

    • υo 는 무부하 기준속도 (km/h)

    • Ωr 는 후륜의 이론회전속도 (rpm)

    • Rd 는 후륜의 동반경 (m)

    도플러 레이더 속도계의 펄스데이터는 회귀식(6)을 이용하여 실시간 주행속도(υm)로 환산하여 저장하였고 현장 주행 슬립을 검증하기 위하여 구간시간을 초시계로 기록하였다. 주행속도 데이 터는 데이터 로거(21X, Campbell Scientific Inc., Logan, USA) 에 0.2sec 간격으로 저장하였다. 식(5)를 통하여 계산된 슬립(s)은 각 실험세트(SET1, SET2)에 대하여 72번의 실험을 행하여 모두 114개의 데이터 중 6개의 결측치(missing data)를 제외하고 총 138개의 데이터를 바탕으로 슬립에 대한 분석이 행하여졌다.

    결과 및 고찰

    1. 무부하 기준속도의 결정

    Table 7에는 실험에 사용된 트랙터의 후륜 회전수와 트랜스미션 의 기어조합을 참고하여 기어비를 보였다. 기어비는 엔진속도에 대 한 후륜의 회전 속도비를 나타내므로 트랙터의 이론적인 주행속도 를 계산할 수 있다. 실험 트랙터에 장착된 16.9-34 타이어(Hung-A Tire, Yangsan, Korea)의 공시 후륜지름(OD=1575mm)을 이용하 여 정격 엔진속도(2200rpm)에서 실험 기어조합 (L3, M1, M2 및 M3)에서의 이론속도를 실험에 참조하였다.

    Fig. 3에 보인 무부하(제로슬립) 기준속도는 콘크리트 지면에서 의 주행속도를 초시계를 사용하여 측정한 속도와 레이더 속도계의 도플러 펄스의 회귀식(6)을 이용하였다(Table 8).

    υ m = 0.0396 f θ 0.0235
    (6)

    여기서 fθ 는 실험적으로 1.0km/h에 대하여 25.25Hz(0.0396 의 역수에 해당)로 결정되었다.

    회귀식의 분석 결과는 Table 8에 보였고 상관계수 R2는 0.9985 로 나타났다.

    Table 9에는 초시계 측정 속도와 레이더 측정 속도를 보였고, 후륜 의 이론 회전속도(Table 7)를 이용하여 각 실험치에 대한 동반경 (Rd )을 계산하였다. 각 측정에 대한 동반경의 평균은 각각 760.9와 760.5mm였고 레이더 측정 실험치를 채택하여 Rd 는 760.5mm로 결 정하였다. 따라서 각 기어조합에 대한 실험에서의 무부하(제로슬립) 기준속도(υo )는 각각 0.862, 2.124, 3.092 및 4.176km/h로 계산되 었고(Table 9) 이들은 본 실험의 슬립(s)을 계산하는데 사용되었다.

    2. 실험변수의 영향

    Table 10에는 실험변수의 분산분석(ANOVA)을 통한 변수의 슬 립에 대한 영향을 보였다. 약 한달 간격을 두고 실시한 SET의 영향 은 5%(p=0.047)수준에서 유의하였으나 한계치에 있으므로 그 영향 은 미미하였다. 주요 실험변수 PTO 회전속도(RPM), 주행속도(SPD) 과 경심(DEP)은 1% 수준에서 유의하였다.

    Fig. 4와 Table 11에 변수의 영향과 평균의 유의성을 비교하였 다. PTO회전속도(RPM) 변수는 로터리의 회전속도와 관련이 있으 며 540rpm 보다 1000rpm에서의 슬립이 큰 것으로 분석되었다. 이 변수는 토양의 절단피치와 PTO 동력에 영향을 미치며 비견인 력에도 영향이 있을 것으로 생각된다. 기어조합으로 표시된 주행속 도(SPD)는 정격 엔진 회전속도(2000rpm)에서 행해진 실험적 영 향으로 일반적으로 주행속도가 빠르면 슬립이 증가하는 경향을 보 였다. SET1의 실험에서는 유의성이 확연히 드러났으나, SET2에 서는 경향이 흐트러지며 유의성을 확연히 나타내지 못하였다. 주행 속도가 빨라지면 절단피치가 증가하고 일반적으로 비견인력은 감 소하는 원리가 있어 주행속도의 증가에 대하여 슬립이 증가하지만 견인력은 감소할 수 있다(Koo et al., 2018).

    로터리 경심(DEP)의 증가에 따라 슬립이 증가하였다. 경심은 견인 력을 증가시키는 주요 요인으로 알려져 있으므로 영향은 현저하게 유 의하였으며 D3(150mm)에 대한 슬립은 D2(115mm)와 D1(80mm)의 슬립보다 큰 값을 보였다(Fig. 4).

    Table 11에는 LSD (t-test) 방법으로 평균을 다중 비교하였으며 각 변수에 대하여 평균이 유의하게 분리되었으나 상대적인 변이가 큰 경심(DEP)의 경우 평균 3.9-8.9%의 범위에서 분포를 보였고, 이러 한 슬립구간은 실용적으로 추천하는 슬립범위의 하한에 속한다. 미 국 농촌지도소의 지침에서 슬립은 경(硬)지면에서 8%정도, 연(軟)지 면에서는 15%정도가 되도록 추천하며 슬립이 8%이하이면 연지면 에서는 트랙터의 중량을 줄이거나 운동저항을 줄여 작업하도록 권장 한다. 또한 15%이상이면 중량을 늘여 효율을 개선시키거나, 견인력 을 증가시키는 이중타이어를 쓸 수 있다(Taylor et al., 1991).

    3. 복합작업기의 슬립특성

    본 연구의 결과는 슬립이 과도하게 낮은 경우에 속하는데 이는 복합작업기의 중량이 크고 정적안정성(Shim et al., 2018)에 대응 하기 위하여 카테고리 2급에 속하는 55kW (75hp) 트랙터를 사용 하였기 때문이다. 트랙터 후륜의 반력을 줄여 슬립을 증가시키기 위해서는 카테고리 1급으로 복합기를 운영해야 하며 정적 후방전 도의 안정성을 위하여 전방버켓(front loader bucket)을 균형추 (ballast) 대신 장착해야한다.

    복합기의 작업은 로터리로 선처리하고 포장을 일관 작업하는 것이 일반적이므로 연(軟)지면(tilled to soft soil)으로 구분되어 견인성능을 극대화시키려면 슬립을 15% 정도까지 상승시켜야한 다. 선행연구에 따르면 평두둑 복합기는 견인 동력으로 총동력의 3-8%가 사용되었고 견인계수(견인력과 후륜반력의 비<0.2)는 상당 히 낮을 것으로 예상한다(Zoz, 1972). 슬립을 기준으로 한 예측도표 에서 견인효율(견인동력과 축동력의 비)은 0.45-0.5 정도로 예상된 다. 로터리작업의 속도는 일반적으로 2.0-4.0km/h정도로 알려져 있고 너무 빠르면 절단피치가 증가하면서 상토의 상태가 불량해질 우려가 있다. 따라서 복합기를 운영하는 트랙터의 단수는 동력의 효율의 측면에서 고려되지 못하고 상용회전수(rated engine rotating speed)보다 낮추어 이용할 수 있다.

    따라서 복합기의 운용은 견인 동력효율에 맞춰져서는 큰 이득이 예상되지 않으며, 파종상토와 멀칭작업의 품질, 즉 작업결과에 초 점이 맞춰져야 한다. 조방농업(extensive cultivation)에서는 연료 효율을 증가시키려고 작업속도를 높이는‘GUTD’의 원리를 적용하 는데 반하여 저속 집약농업(intensive cultivation)에서는 동력효율 의 이점을 기대하지 못하므로 상토두둑 작업의 고품질화를 추구해 야 한다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가 원의 농림축산식품연구센터의 지원을 받아 연구되었음(716001-07).

    Figure

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    An integrated implement attached to tractor for round ridge preparation of upland farming.

    JALS-54-5-127_F2.gif

    (a) A tractor (DK753C, Kioti, Daedong Ind.) used in the experiment and (b) Doppler radar sensor (Radar II, Dickey-john) for measuring ground speed.

    JALS-54-5-127_F3.gif

    Regression curve of Doppler radar pulse and speed determined by stop-watch.

    JALS-54-5-127_F4.gif

    Means and standard errors of slips by PTO speed (RPM), forward speed (SPD) and depth (DEP) for overall data and sub-data sets of SET1 and SET2.

    Table

    Conventional planting patterns with round ridge in the major staple area of soybean and sweet potato (MAFRA, 2018)

    Standard planting pattern of soybean and sweet potato for mechanized cultivation (RDA, 2015)

    Specifications of (a) integrated implement (BG1200-ABC) used in the research, attached on (b) the tractor (DK753C)

    1) Daedong Heavy Ind. Co.2) Bulls Ltd. Co,, own model3) Hwang-geum Co., 2row4) Overseas brand of Deadong Ind.

    Specifications of the rear tire (16.9-34) mounted on the tractor used in the experiments

    1) Outer diameter (OD) specified in the manual of Kioti DK735C
    2) Dynamic radius determined by unload zero slip test on concrete road.

    Soil conditions of experimental plots used in the test

    Experimental variables and levels for slip tests

    1) Theoretical forward speed at the engine speed of 2200rpm.

    Rotating speed of rear axle and theoretical forward speed of DK753C tractor with 16.9-34 rear tire at the rated engine speed of 2200 rpm

    1) Data for H range gear are not presented.

    Regression analysis of forward speed (vm,km/h) to Doppler radar pulse(x, Hz) on the concrete surface

    Determination of reference speeds to zero slip from the dynamic radius of tire (16.9-34) without load on concrete surface

    ANOVA of slip (%) data for test SET1 and SET2

    Separation of means of slip (%) data for the variables of PTO speed (RPM), forward speed (SPD) and depth (DEP)

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