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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.55 No.2 pp.117-125
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.55.2.117

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

Hee-Jin Kook, Yeong-Soo Choi*, Yang-Hyun Cho
Dept. of Rural & Biosystems Eng. Chonnam National University, Gwangju, 61186, Korea

These authors contributed equally to this work


*Corresponding author: Yeong-Soo Choi Tel: +82-62-530-2157 Fax: +82-62-530-2159 E-mail: y-choi@jnu.ac.kr
February 22, 2021 ; March 26, 2021 ; April 5, 2021

Abstract


This research was conducted to develop a radish harvester, which was designed and constructed for a self-propelled harvester with a pulling mechanism. The harvester is consisted of wheel-type running gear, main harvesting mechanism, and hydro transmission system. The radish stems are lifted by the rotary wings driven by 12V DC motors. Then, the radish is pulled out and transfers to a loading box by the compressive force of the conveyor belts. The physical characteristics of some Korean radishes were investigated to design a radish harvester. The vertical pulling force was also measured. Field tests were carried out to evaluate the harvesting performance of the prototype harvester. The harvesting performance test showed the best results were pulling rate 82.0%, transferring rate 90.0%, and damaged rate 0.6% at the conditions of the pulling angle 30°, and the travel speed 0.25㎧ (pulling speed ratio 6.24). However, since the growing posture of the radish was irregular due to the structure of the soil such as the height of the ridge, efficient and uniform harvesting operation was restricted. To improve the harvesting performance of the prototype harvester, it was recommended that an additional auxiliary device was necessary for some reasons such as the stem cutting due to the tensile breaking force of the stem during pulling and transporting, and the drooping during transporting. The preprocessing unit was consisted of lifting device, entry induction device and lodging induced device. The preprocessing unit was designed with dimensions of 39㎝ in overall length, 42㎝ in the overall width and 17㎝ in overall height.



자주식 무 수확기의 인발성능 및 전처리부 설계

국희진, 최영수*, 조양현
전남대학교 지역바이오시스템공학과

초록


본 연구에서는 개발된 자주식 무 수확기의 인발성능 평가와 그 향상을 위한 전처리부 설계에 관한 내용을 제시하였다. 무 수확기는 주행부, 주수확부, 동력전달부, 적재부 등으로 구성되었으며, 무 줄기를 협지한 후 인발하여 수확하는 인발식 차륜형 무 수확기이다. 구체적으로는 주수확부 설계요인에 따른 시작기의 인발성능평가, 우리나라 무 품종에 따른 재배작형과 물리적 특성 분석 및 시작기의 인발성능 향상을 위한 전처리부 설계를 수행하였다. 수확기 설계를 위한 기초 자료로 활용하기 위해서 우리나라 계절별 품종들(여름무: 청황무, 가을무: 청두무, 토광무)에 대해 수확시기의 물리적 특성을 조사하였다. 무의 크기를 품종별 평균값으로 나타냈을 때 3가지 품종에 있어서 줄기 너비는 43㎝ ~ 82㎝, 뿌리의 최소 지름은 5.5㎝ ~ 8.5㎝, 최대 지름은 8㎝ ~ 13㎝ 범위로 나타났으며, 수직인발력은 평균 77.8N ~ 122.3N으로 다양하게 나타났다. 인발각도, 속도비를 인발성능 요인으로 고려한 인발성능 평가에서는 인발각도 30°, 수확기 주행 속도 0.25㎧, 걷어올림장치 속도 1.56㎧일 때의 속도비 6.24에서 인발률 82.0%, 이송률 90.0%, 손상율 0.6%로 인발성능이 가장 높게 나타났으나, 보다 향상된 무 인발성능을 확보하기 위해 국내 무의 형태적 특성을 고려하여 걷어올림장치, 도복유인장치 그리고 진입유도장치로 구성된 전처리부를 전장 39㎝, 전폭 42㎝, 전고 17㎝의 치수로 제시하였다.



    Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture, Forestry and Fisheries(iPET)
    320001-4

    서론

    최근 우리나라 전체 경지면적은 지속적으로 감소하고 있으나, 밭 경지면적이 전체 경지면적에서 차지하는 비중은 상대적으로 높 아지고 있다. 전체 경지면적은 2000년 1,899천㏊에서 2019년 1,533천㏊으로 감소하였으며, 전체 경지면적 대비 논 경지면적 비 중은 2000년 60.5%에서 2019년 54.1%으로 감소한 반면 밭 경지 면적 비중은 2000년 39.0%에서 2019년 49.0%으로 증가하였다. 수익성 및 건강에 대한 관심 증대, 식문화의 변화에 따라 국내 농업 은 논농업 중심에서 밭농업 중심으로 이동하고 있기 때문이다. 주 요 9개 작물(고추, 마늘, 양파, 배추, 무, 콩, 감자, 고구마, 잡곡)의 생산액은 2000년에 3조 4,692억원으로 미곡 10조 5,050억의 33.0%였지만, 2018년에는 6조 5779억원으로 증가하였을 뿐 아니 라 미곡생산액 대비 78.3%로 밭농업의 중요성이 높아지고 있다. 또한 농업조수입 중 미곡 외 작물 비중이 2000년 54.2%에서 2008 년 63.1%, 71.5%로 증가하였다. 이처럼 밭작물은 벼농사에 비해 상대적으로 소득수준이 높아 농민들이 밭작물 재배를 선호하지만 농가당 재배규모가 영세하고 많은 작업공정의 기계화가 실현되지 않아 밭농사의 생력화가 저조한 현실이다. 전체인구 대비 농업인구 비율은 2010년 6.2%에서 2018년 4.5%로 감소하였으며, 그 중 65세 이상은 2010년 31.8%에서 2018년 44.7%로 증가하였다. 또한 2018년 기준 논농업 기계화율은 98.4%이나 밭농업 기계화율 은 60.2% 수준이다. 인구감소 및 고령화 추세를 감안하면, 향후 밭농업 기계화율 제고가 시급한 실정이다(MAFRA, 2020).

    무의 재배 작업단계별 노동시간을 살펴보면 총 67.2h/10a으로 무 재배를 위한 두둑 형성, 피복, 방제 등 작업은 기존 범용성 관리 기를 통하여 기계화율이 높은 반면, 파종과 수확 및 줄기절단 작업 은 인력에 의존하고 있어 노동강도가 크고 작업능률이 낮은 실정이 다. 무의 수확작업 및 운반작업의 노동 투하 시간은 17.9h/10a로 노동 투하 비율은 전체의 26.7%로 무 재배 작업 중 가장 높아 인발, 이송, 배출, 수집 등 수확 일관 작업이 가능한 수확기 개발 연구가 필요한 실정이다.

    현재까지 국내의 밭작물 수확기의 개발은 절단장치, 굴취장치, 이송장치, 선별장치 등을 중심으로 연구가 수행되어 왔으나 상용화 에는 아직 미흡한 실정이다. 본 연구에서 채택하고 있는 인발식 밭작물 수확 대상 작물은 무와 배추가 대부분이며 마늘(Chang et al., 1999), 당근(Choi et al., 1998) 그리고 대파(Hong et al., 2020) 수확에도 적용한 사례가 있다. 동력원에서 보면 트랙터 부착 용이나 자주식으로 개발되고 있다. 배추수확기에 관한 연구는 Dongdong et al. (2016), Hachiya et al. (2004), Du et al. (2019), Hong et al. (2000), Stout et al. (1996) 등이 있으며, 무수확기에 관한 연구는 Choi et al. (2001), Jung et al. (2018), Lee et al. (2017) 등에 의해 수행 되었다. 특히 국내에서는 자주식 무 수확기 에 관한 연구는 수행되지 않고 트랙터 부착식으로 개발되었다. 우 리나라 무 재배 재배면적이나 경작지의 특성에 비추어 볼 때 자주 식 인발형 무 수확기 개발에 관한 지속적인 추진이 요구되고 있다.

    본 연구의 목적은 개발된 자주식 무수확기의 인발성능 평가와 인발성능 개선을 위한 전처리부 설계에 있다. 구체적으로는 벨트를 이용하여 무의 줄기부분을 협지한 후 인발하여 수확하는 인발식 차륜형 시작기 개발, 주수확부 설계요인에 따른 시작기의 인발성능 평가, 우리나라 재배 무 품종의 물리적 특성 분석 및 시작기의 인발 성능 향상을 위한 전처리부 설계를 수행하였다.

    본 연구에서는 주수확부 설계를 중심으로 수행되었다. 개발된 무 수확기의 핵심부인 주수확부는 벨트를 사용하여 무 줄기를 협지 함으로써 일발 및 이송하는 구조로 설계되었다. 무 수확기의 인발 메카니즘의 설계를 위하여 우리나라 무 품종에 따른 재배작형과 물리적 특성 분석, 시작기 개발, 시작기의 인발성능 평가하고, 인발 성능 향상을 위한 전처리부 설계 방안을 제시하였다.

    재료 및 방법

    1. 인발식 배추수확기 개요

    18.6㎾ 출력의 공랭식 2기통 4행정 가솔린엔진을 동력원으로 하는 자주식 무 수확기를 개발하였으며, 주요부는 주행부, 인발기 능과 이송기능을 수행하는 주수확부, 동력전달부, 적재부 등으로 구성되었다.

    주행부는 차륜형 주행방식(Wheel)을 채택하여 국내 농업환경 에 부합되는 경사지 및 부정지에 대한 높은 기동성 및 작업성을 갖도록 하였다. 엔진의 동력은 개도각 제어에 따른 유량조절이 가 능한 28㏄ 가변용량 펌프·모터의 HST를 사용하여 구동하였다. 엔 진과 HST는 벨트에 의한 직결 연결 방식으로 구성하였고, HST에 의한 전·후진 무단변속 및 조작이 가능하다. 인발부와 적재부가 무 수확기의 측면에 위치하기 때문에 무게중심이 변화되므로 인발 부를 차량의 전단부에 위치시켜 수확기의 무게중심이동을 최소화 하도록 설계하였다.

    주수확부는 인발부와 이송부로 구성되며, 동일 벨트를 이용하여 무를 인발하고 인발된 무를 수확기의 적재함으로 이동시키는 기능 을 수행한다. 인발방법은 전방의 수직날개인 걷어올림장치에 의해 무의 눕혀진 줄기를 세워 수평날개인 진입유도장치에 의해 이송부 로의 진입을 유도한다. 이송부에 유도된 무는 벨트의 협지와 운송 작용에 의해 발생되는 인발력에 의해 인발된다. 인입부 풀리는 컨 베이어 벨트를 구동시킬 뿐만 아니라 인발시 무를 밀어주어 인발력 을 감소시키는 기능을 수행한다. 또한 인발 후 이송되는 무가 이탈 되지 않도록 컨베이어 벨트에 압축력을 발생시키는 압축스프링에 의해 컨베이어 벨트의 텐션 조절이 가능하다.이송부의 동력전달은 엔진으로부터 출력된 동력이 유압모터를 작동시킨 후 기어박스, 인입부 풀리, 벨트 순으로 동력이 전달되며, 유량제어밸브를 사용 하여 이동속도에 따른 주수확부의 속도 조절이 가능하다. 이는 솔 레노이드 및 매뉴얼 밸브, 유랑제어를 통해 조절하게 된다. 인발부 의 수직 및 수평 날개는 12V 직류모터를 사용하여 구동하였다.

    동력전달부는 기체의 선회 주행 및 원활한 수확작업을 위한 조 향제어부, 두둑높이에 따른 수확작업에 대응하여 지면을 기준으로 상하의 경우 최저 0㎝ ~ 최고 129.3㎝, 좌우의 경우 최저 0㎝ ~ 최고 25㎝ 범위에서의 높이제어를 위한 주수확부 위치제어부, 이 송부의 벨트 속도제어를 위해 최고속도 0.60㎧의 이송부의 벨트속 도제어부로 구성하였다. 전체 동력 전달 시스템의 구동은 엔진에 의해 동력을 얻으며, 이 때 발생된 동력이 유압펌프를 구동시키고, 유압펌프에서 발생된 유압을 솔레노이드 밸브의 조정에 의해 조향 제어, 주수확부의 위치와 벨트속도가 제어되도록 하였다. 또한 유 압오일의 온도상승을 방지하기 위하여 오일 쿨러를 설치하였다.

    운전부는 이송부 레버, 조향 레버, 주변속 레버, 부변속 레버, 엔진 조속 레버, 키 스위치, 방향지시등 스위치, 클러치 페달, 운전 자 시트로 구성되었다. 줄기 절단부는 인발된 무가 이송되는 동안 줄기를 절단하는 기능을 수행하며, 유압으로 구동된다. 이 칼날은 이송부의 하단에 위치하도록 하였다. 적재부는 수확된 무를 담는 메쉬파렛트를 올려놓는 장치로서 운전석 뒤쪽에 위치하도록 설계 하였다.

    2. 국내 무의 물리적 특성 조사

    무 수확기의 주수확부 설계 요인 분석을 위한 기초자료로서 수 확시기 재배작형별 무의 기계적 수확에 관련되는 물리적 특성 조사 를 위하여 여름 무, 가을 무를 대상으로 각각의 무 포장에서 줄기 너비, 뿌리 직경, 토양 수분함수율에 따른 인발력을 조사하였다. 이러한 데이터는 무 수확기 전처리부 설계를 목적으로 측정하였으 므로 무의 줄기가 자연스럽게 늘어진 상태의 무 줄기 너비와 뿌리 직경을 자를 이용하여 측정하였다. 샘플은 각 포장 내에서 20개를 임의 선택하여 측정하였다. 토양 수분함수율은 0 ~ 100% 범위에 서 정밀도 ±1%로 측정할 수 있는 토양 수분계(IMKO TRIME-PIC064, eNVCO, Australia)를 이용하여 측정하고, 무의 수직인발에 필요한 힘을 측정범위가 최대 200N인 디지털 하중계 (BFG200, Mecmesin, United Kingdom)로 측정하였다. 수직인발 력은 무의 줄기 하단 부위를 끈으로 묶어 디지털 하중계에 수직으 로 연결하여 무가 뽑힐 때 걸리는 최대 힘을 측정하였다.

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

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

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

    3. 무 수확기의 인발 및 이송 시험

    개발된 시작기의 수확 성능의 평가와 보완을 위한 추가 설계 인자 도출을 위해 2020년 9월 18일에 전라남도 나주시 다시면 가운리 169-5 소재 밭에서 무 포장을 조성하기 위해 무를 파종하였 다. 재배포장 조성을 위해 국내 무 재배의 작형별 재식간격 및 지역 별 재배양식을 조사하고, 밭 농업 경쟁력 제고를 위한 밭 농업 기계 화 촉진방안 및 주요 작목별 기계화전략 도출에서 제시한 표준 기계화 재배양식을 고려하였다. 본 연구를 위한 기계화 재배양식 (NAMRI, 1997)을 기준으로 1줄, 두둑 폭 60㎝, 고랑 폭30㎝, 주간거리 23㎝의 무 포장을 조성하였다. 무 수확기의 수확 성능 평가를 위한 시험은 2020년 11월 18일에 실시하였다. 주수확부 설계 요인으로는 걷어올림장치 간격, 일반각, 주행속도와 걷어올림 장치 속도의 비 등이 있다. 본 시험에서는 무의 인발 및 이송 성능 에 큰 영향력을 끼치는 설계요인인 인발각, 주행속도와 걷어올림장 치 속도의 비인 걷어올림 속도비(Chung, 1988)의 영향을 평가하 고자 하였다. 인발각은 기존에 보고된 근채류 수확기의 인발각과 본 연구에서 개발된 수확기의 각도조절 범위를 고려하여 25°, 30°, 35°의 3수준으로 설정하였고, 걷어올림 속도비는 15.6, 6.24, 3.90 의 3수준으로 설정하였다. 수확 성능 시험은 인발각, 걷어올림 속 도비에 따른 인발률, 이송률, 손상율을 측정하였고, 각 시험 수준별 로 약 10m (20개)의 작업구간에서 5회 반복하여 수행하였다. 인발 률은 무의 줄기를 인발벨트로 협지하여 무의 뿌리가 지면에서 완전 히 뽑힐 때까지의 무의 개수이고, 이송률은 인발 후 무가 인발벨트 에서 떨어지지 않고 배출부의 수평 컨베이어까지 이송된 무의 개수 이다. 손상률은 시험 구간당 전체 무에서 인입부 풀리에 의한 무름 이나 찍힘 등 상품성을 잃었다고 판단되는 무를 육안으로 판별하여 결정하였다.

    결과 및 고찰

    1. 자주식 무 수확기 개발

    주행부, 인발과 이송 기능의 주수확부, 동력전달부, 적재부 등으 로 구성된 1조식의 무 수확기를 개발하였다. 인발부의 걷어올림장 치에 의해 무의 눕혀진 줄기를 세워 모은 후 진입유도장치에 의해 무 줄기의 이송부 진입을 유도한다. 이송부에 진입된 무는 2개의 인발벨트의 압착력에 의해 줄기 부분이 협지되어, 이송부의 전면 경사에 따라 무가 지면에서 뽑혀 올라오게 된다. 인발된 무는 적재 부로 이송되면서 인발벨트에서 이탈되지 않도록 2개의 인발된 무 를 배출부로 이송시키는 기능도 수행하게 된다. 이때 무 줄기를 협지하는 힘은 인발벨트의 텐션을 유지시켜주는 압축스프링에 의 해 조정되도록 하였다. 걷어올림장치 간격의 범위는 무 줄기 너비 의 범위를 고려하여 38 ~ 42㎝로 설정하였으며, 인발높이는 무 줄기 시작부분에서 0 ~ 3㎝ 아래 부분을 인발벨트의 무 협지점으로 설정하였다. 이러한 걷어올림장치 간격과 인발높이 설정의 기준은 다음의 “국내 무의 품종별 재배작형과 물리적 특성”에서 설명한 내용을 고려하였다. 이송부의 끝부분에 연결된 배출부는 수평 컨베 이어를 포함하고 있다. 인발벨트 끝부분까지 이송된 무는 인발벨트 를 벗어나게 되며 자중에 의해 부출부의 수평 컨베이어 위로 떨어 지고, 인발벨트의 끝부분과 배출부 컨베이어 사이의 높이는 무의 길이를 고려하여 8㎝ 이내로 제작하여 무의 낙하에 의한 손상은 없도록 하였다. 수평 컨베이어는 수확된 무를 적재함으로 이송하는 기능을 담당하며, 필요한 경우에는 이송부에서 이송되는 동안에 무의 줄기를 제거하는 공정을 추가할 수 있도록 하였다. Fig. 1에는 개발된 무 수확기를 나타내었다.

    2. 국내 무의 품종별 재배작형과 물리적 특성

    무의 품종별 재배작형과 물리적 특성 조사는 전라남도 나주시 소재 시험 포장, 광주광역시 광산구 소재 농가 시험포장에서 실시 하였다 (Table 2). 전라남도 나주시 소재 시험포장에서는 2가지의 품종에 대해 조사하였다. 첫 번째 품종 및 재배작형은 청황무(여름 무)이고, 토양수분함량 13.6% (dry basis, db), 둥근 두둑의 1열 재배이며, 주간거리 27.5㎝, 조간거리 65㎝의 재배양식으로 재배 되었으며, 두 번째 품종 및 재배작형은 청두무(가을 무)이고, 토양 수분함량 7.8% (db), 둥근 두둑의 1열 재배이며, 주간거리 23㎝, 조간거리 73㎝의 재배양식으로 재배되었다. 광주광역시 광산구 소 재 농가에서 품종 및 재배작형은 토광무(가을 무)이고, 토양수분함 량 6.3% (db), 둥근 두둑의 1열 재배이며, 주간거리 28.2㎝, 조간거 리 85㎝의 재배양식으로 재배되었다.

    무 수확기의 주수확부 설계 요인 분석을 위한 기초자료로서 수 확시기 재배작형별 무의 물리적 특성 조사를 위해 각각 포장별로 무의 줄기 너비와 뿌리의 최소⋅최대 지름을 측정하였다. 청황무의 줄기 너비는 49㎝ ~ 82㎝, 뿌리의 최소 지름은 6㎝ ~ 8㎝, 최대 지름은 8㎝ ~ 12㎝ 범위였으며, 청두무의 줄기 너비는 55㎝ ~ 80㎝, 뿌리의 최소 지름은 6㎝ ~ 8㎝, 최대 지름은 10㎝ ~ 13㎝ 범위로 나타났다. 토광무의 줄기 너비는 43㎝ ~ 74㎝, 뿌리의 최소 지름은 5.5㎝ ~ 8.5㎝, 최대 지름은 9㎝ ~ 12㎝ 범위로 나타났다. 대체로 토광무가 다른 품종의 재배작형에 비해 크기가 작은 것으로 나타났다. 무의 재배작형별 수직인발력은 무의 재배작형에 따라 다양하게 나타났는데 이는 무의 품종 및 길이, 무게, 토양함수율, 재배환경 등의 요인으로 인하여 차이가 나타난 것으로 판단된다. 본 연구에서 제시한 3가지의 국내 무의 품종wj별 물리적 특성은 국내에서 생산되는 모든 무의 특성을 대표할 수는 없다. 그럼에도 불구하고 3가지 무의 물리적 특성을 조사한 이유는 본 연구에서 제시된 무 수확기의 설계 기준을 제시하고자 했기 때문이다.

    3. 걷어올림 속도비가 인발성능에 미치는 영향

    수확기 설계에 있어서 도복된 대상 작물의 줄기나 잎을 걷어올 리는 작용을 분석하는데 걷어올림 속도비(Chung, 1988)를 사용한 다. 걷어올림 속도비(Kt)는 식(4)와 같이 표시되며 걷어올림장치 속도(Vb)와 수확기의 주행속도(Vm)의 합속도(Va) 의 방향은 걷어 올림 작용을 크게 좌우하게 되며, Fig. 2에서와 같이 Va의 방향과 수직선이 이루는 각을 걷어올림궤적의 방향각(γ), 걷어올림장치 속 도가 지면과 이루는 각을 인발각(θ) 이라고 한다.

    Kt = V b V m
    (4)

    Where,

    • Kt: Pulling speed ratio

    • Vb: Lifting device speed

    • Vm: Vehicle travel speed

    걷어올림궤적의 방향각(γ)는 (식 5)와 같이 나타나며, 도복각(β) 은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 무의 기울기가 수직선과 이루는 각으로서 걷어올림궤적의 방향각과의 관계에 의하여 걷어올림 작 용을 결정한다.

    γ = t a n 1 V b s i n θ V b c o s θ V m
    (5)

    Where,

    • γ: Direction angle of pulling trajectory

    • θ: Pulling angle

    Fig. 3에서 도복각 는 작물의 기울기가 수직선과 이루는 각으로 도복방향과 기체 진행방향이 같을 때 이고, 그와 반대인 경우를 로 규정하였다. 무의 경우 줄기의 분포상태에 따라 의 범위를 가지 는 것으로 나타났다. 걷어올림 작용은 Fig. 3에서 일 경우 이루어지 는데 식 (5)에 의해 구한 걷어올림궤적의 방향각은 최소 30.6°~ 최고 52.8°의 값을 가지므로 본 연구에서 개발한 시작기의 걷어올 림 작용은 원만히 이루어지는 것으로 판단된다.

    걷어올림장치는 12V 직류모터에 의해 구동되고 이 때 걷어올림 장치 속도 는 1.56㎧가 된다. 실제로 속도 는 걷어올림장치 선단의 선속도를 나타낸다. 기체의 주행속도가 0.10㎧일 때, 주행속에 대 한 걷어올림장치 속도의 비인 걷어올림 이론 속도비는 15.6이 되 며, 주행속도가 0.25㎧일 때, 걷어올림 이론 속도비는 6.24가 된다. 주행속도가 0.40㎧일 때, 걷어올림 이론 속도비는 3.90이다.

    걷어올림 속도비에 따른 인발성능을 알아보기 위해 예비실험을 통하여 수확기의 주행속도 0.10㎧, 0.25㎧, 0.40㎧ 의 3수준, 그리 고 인발각은 25°, 30°, 35°의 3수준에 대하여 수확 성능실험을 실시하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 실제 포장 작업에 있어서 무 줄기의 수분으로 인해 무 줄기와 걷어올림장치 사이에 슬립현상이 일어나 걷어올림장치의 걷어올림 속도 손실이 발생하 였다. 인발각 25°, 주행속도 0.10, 0.25, 0.40㎧에 따른 인발성능 시험 결과 평균 인발률은 74.0%, 평균 이송률은 84.0%, 평균 손상 률은 1.2%로 나타났으며, 이 중 주행속도 0.25㎧, 속도비 6.24에서 상대적으로 더 우수한 결과를 보였다. 또한 인발각 30°, 주행속도 3가지 수준에 따른 인발성능 시험 결과에서는 평균 인발률은 76.3%, 평균 이송률은 86.7%, 평균 손상률은 0.9%로 나타났다. 이 중 주행속도 0.25㎧, 속도비 6.24에서 인발률 82.0%, 이송률 90.0%, 손상율 0.6%로 가장 높은 인발성능을 나타냈다. 인발각 35°, 3가지 주행속도에 따른 인발성능 시험 결과에서는 평균 인발 률은 72.0%, 평균 이송률은 83.7%, 평균 손상률 1.0%로 나타났 다. 이때에는 주행속도 0.10㎧, 속도비 15.6에서 인발률 75.0%, 이송률 85.0%, 손상율 1.0%로 상대적으로 높은 인발성능을 나타 냈다. 따라서 본 무 수확기의 경우에는 속도비 6.24가 가장 인발성 능에 우수한 것으로 판단되었다. 모든 인발각과 속도비 수준에서 인발률은 69.0~82.0%, 이송률은 80.0~90.0%, 손상률은 0.6~1.7% 범위로 나타났으나 목표로 했던 인발율 90% 이상의 성능이 나타나지 않아 각 수준별 유의성 분석은 실시하지 않았다.

    속도비의 인발성능에 관한 실험 결과 전반적으로 속도비 6.24, 주행속도 0.25㎧, 걷어올림속도 1.56㎧에서 우수한 성능을 나타내 었으므로 이들 조건에서 인발각의 영향을 규명하기 위해서 Fig. 4와 같이 인발각 25°, 30°, 35°의 3수준에서 경사각별 시작기의 주행속도 0.25㎧ 일 때의 평균 인발률, 평균 이송률 그리고 평균 손상율을 비교하였으나 이 역시 인발률과 이송률 그리고 손상율에 있어서 기대했던 성능에는 미치지 못한 결과를 나타내었다. 그러므 로 현 시작기의 구조로서는 속도비나 인발각의 조절만으로 기대한 인발성능을 구현하지 못하는 것으로 판단되었다. 이러한 결과는 특히 인발율 측정에 있어 엄격한 인발기준을 적용한 것도 하나의 요인이기도 하다. 불완전한 인발이나 줄기의 협지가 완전히 이루어 지지 못한 경우는 성공 인발율에 포함시키지 않았다. 무는 동일 품종이라 하더라도 수확시 물리적 특성이 다를 뿐만 아니라 균일한 파종이 이루어지지 못해 결주나 중첩 식재가 이루어진 경우가 발생 하게 된다. 따라서 자주식 무 수확기의 수확 성능을 개선시킬 수 있는 방안 중 하나로 주수확부를 보조할 수 있는 장치를 설계하여 무를 효과적으로 인발 및 이송할 수 있는 전처리 장치가 개발될 필요가 있다고 판단되었다.

    4. 전처리부 설계

    무 수확용 시작기의 주수확부에 의한 수확 성능평과 결과 기대 했던 인발률에는 미치지 못하는 결과를 나타내었다. 낮은 인발 성 능에 영향을 미치는 요인으로는 재배지 특성, 모의 물리적 특성, 기계적 특성, 운전자의 숙련도 등이 있다. 특히 토양의 종류, 불규 칙한 두둑과 골의 형상 등의 재배지 특성 등과 기계적 요인 중 주행부의 종류 및 형상 등으로 판단되었다. 이로 인하여 인발력이 줄기의 인장파단력보다 커져 줄기가 절단되거나 인발 후 이송 과정 에서 떨어지는 현상이 발생되었다. 따라서 인발성능을 향상시키기 위해서는 인발부의 효율적 설계와 더불어 기체나 인발부의 수평제 어가 고려될 수 있다. 몬 연구에서는 인발력 감소 및 주수확부로의 원활한 이송을 위해 주수확부를 보조할 수 있는 전처리 장치를 설계하였다. 주요 구성으로는 무의 눕혀진 줄기를 세워 모으는 기 능을 하는 걷어올림장치와 무 줄기의 수집 및 인입부 풀리로의 진입을 유도하는 진입유도장치 그리고 걷어올림장치와 진입유도 장치 사이에 부착형식인 도복유인장치이다. 시작기의 인입부 풀리 는 벨트 구동이 주 기능이나 무를 밀어서 인발력을 감소시키는 효과도 유발되었으나 미는 과정에서 상처를 발생시켜 더욱 효과적 인 도복유인장치를 설계하게 되었으며, 도복유인장치는 회전하는 롤러가 인발각 만큼 무를 밀어줌으로써 인발력을 감소시키고 더불 어 롤러의 호전에 의해 정확한 자세를 유지한 채 이송부로 이동시 켜주는 기능을 수행하게 된다. 이 때 무와 직접적으로 접촉되는 롤러의 소재는 무의 파손을 억제하기 위해 생고무로 설정하였다. 롤러는 자유경첩으로 부착되어 있어 무를 밀어준 후 스프링의 힘에 의해 제자리로 돌아오며, 깔때기 형태의 구조를 지녀 직선 형태일 때 보다 접촉 면적이 늘어나 효과적으로 무를 밀어주게 하였다 (Fig. 5). 전처리부의 주요 치수로는 전장(진입유도장치 회전날 중 심축에서 걷어올림장치 회전날 중심축까지) 39㎝, 전고(인입부 풀 리와 걷어올림장치 회전날과의 수직거리) 17㎝, 전폭(양쪽 걷어올 림장치 거리) 42㎝로 설계되었으며, 작형별 무의 물리적 특성을 분석하여 도복유인장치 롤러의 상부간격은 5.5 ~ 8.5㎝, 하부간격 은 8 ~ 13㎝범위로 설계하였다(Table 3). 또한 도복유인장치에 의해 무가 일정 각도로 넘어가더라도 걷어올림장치와 진입유도장 치로 이루어진 줄기 수집부에서 줄기를 수집해주지 않는다면 무가 기울어진 상태로 이송부로 진입하게 되어 무 줄기의 인발과 이송이 불가능하게 된다. 따라서 효과적인 줄기 수집을 위해 걷어올림장치 와 진입유도장치로 이루어진 줄기 수집부의 날개수를 기존의 4개 에서 6개로 추가하였다.

    본 연구에서는 개발된 자주식 무 수확기의 인발성능을 평가하 고, 시작기의 성능을 향상시킬 수 있는 전처리부의 설계를 제시하 였다. 시작기의 성능 평가 결과가 인발성능에 있어 상용화 수준에 는 미치지 못한 것으로 나타났다. 이를 보완하기 위하여 제시된 전처리부는 실증실험을 통해 인발성능 향상 효과를 확인하지 못하 고 설계 결과만을 제시하였으나 완성도 높은 후속 무 수확기 개발 에 기여할 수 있으리라 기대된다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평 가원의 농식품기술융합창의인재양성사업의 지원을 받아 연구되었 음(과제번호: 320001-4)

    Figures

    JALS-55-2-117_F1.gif

    Developed self-propelled radish harvester.

    JALS-55-2-117_F2.gif

    Velocity diagram of lifting device speed (Vb) and vehicle travel speed (Vm).

    JALS-55-2-117_F3.gif

    Lodging angle (left) and Pulling action (right).

    JALS-55-2-117_F4.gif

    Effects of pulling angle on harvesting performance (travel speed: 0.25㎧).

    JALS-55-2-117_F5.gif

    Structure of designed preprocessing unit.

    Tables

    Specifications of the developed radish harvester

    Physical characteristics of Korean radishes

    Harvesting performance at various pulling angles and speed ratios

    Main dimensions of designed preprocessing unit

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