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콩탈곡기 탈곡작업 시에 막힘 현상이 없는 탈곡부의 개발
김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
콩탈곡기(800kg/hr, 독립동력 탈곡부(공랭/2기통/4행정/가솔린기관))의 감김 및 막힘 현상을 줄이며 콩의 깨짐과 변형이 없는 개발하는 것을 목적하였다. 탈곡부는 크게 콩대를 넣는 투입부, 콩대의 분쇄와 탈곡이 이루어지는 탈곡통, 분쇄된 콩대와 콩깍지가 배출되는 배출부, 1차 선별하게 되는 흔들체, 발생하는 먼지와 가벼운 이물질을 제거하는 흡입팬, 탈곡된 콩을 마대로 옮겨주는 승강기로 구성되었다. 탈곡통의 기존품과 개발품의 모식도는 다음과 같다. 기존품은 급치와 급치간의 간격이 좁고 통의크기가 큰 상태에서 철판으로 막혀있어 탈곡시의 공간이 협소하여 처리량이 적고 감김 현상이나 막힘 현상이 발생하기 쉽다. 이에 분쇄 메인 축을 중심으로 네 개의 보조 축에 달려있는 특수한 탈곡날을 스크류 형상으로 배치한 개발품(φ520mm, L1,100mm)은 탈곡날 사이의 간격이 넓고 탈곡날과 보조축 외의 공간이 커 투입시의 처리량이 극대화 되고 보조 축과 탈곡날의 회전으로 감김 현상이나 막힘 현상의 발생을 현저하게 줄였다. 이때 탈곡통의 끝부분에 있는 날개는 먼지와 잔대를 흡입하고 큰대를 퍼 올려 콩대의 분쇄 시 발생되는 큰 콩대나 잔대, 먼지를 흡입하여 배출토록 하였다. 또한 분쇄구간을 최대한 늘려 콩대 배출구로 나가는 콩의 양을 최소화하도록 개발되었다.
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김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
참깨는 전국적으로 169,804 농가에서 22,930ha 재배된다(KOSIS, 2021). 참깨 수확시기는 8월초로 비가 자주 오고, 습한 기후조건이다. 따라서 참깨대가 덜 마른상태에서도 탈곡과 정선이 가능한 수확기가 필요한데, 참깨 기계화율은 51% 수준인데 수확단계가 4.3% 수준으로 매우 미진한 상황이다(2019 농업기계이용실태조사, 2020). 개발 예정인 참깨 2조식 복합수확기는 전동식 15마력급으로 수확(참깨대 예취후 이송)/탈곡(참깨대에서 탈립)/정선(참깨알 분리)/석발(참깨알에서 돌 분리)/조제(포대) 기능을 부여한 본체를 개발하는 것이다. 여기서, 참깨 기계화 진척의 부진은 농가고령화와 더불어 재배에 있어서 주요 20 작업단계 중 수확단계(수확/건조/탈곡/선별 및 포장/운반 및 저장)가 노동시간의 44.3%를 차지한다. 각 세부 단계별로 소규모 재배면적으로 농기계 구입이 어려운데, 더불어 악성 농작업자세가 반복된다. 따라서 수확기 본체에 통합이 가능한 수확·정선·석발·조제 복합기능을 부여하여 노동시간을 단축하고 악성 농작업에 대응이 필요하다. 개발은 대규모 농가(공동사용 포함)를 목표로 선행연구(잡곡탈곡부(1020190118716), 잡곡탈곡기(1020190032346), 이물질분리장치(1020150018163), 탈곡송풍장치(1020140064107) 등)를 적용하고, 복합수확기 시스템, 참깨 전용 탈곡장치, 공기이송장치 등 신규 요소기술을 개발로 진행될 예정이다. 수확단계에서 수확·탈곡·정선·조제 등 반복적으로 노동력이 투여되는 단계를 한 대의 수확기에 기구적으로 통합하고, 복합기능을 부여하는 연구개발 및 제품화를 통한 기계화 추진이 절실하다. 또한, 들깨, 수수, 기장 등 타 소립자 곡물에 대한 적용범위 확산도 필요하다.
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김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
콩탈곡기는 탈곡기능, 무한궤도 주행기능, 자동하역 기능을 지닌다. 여기서 탈곡기능과 무한궤도 주행기능이 동시작동 및 선택작동이 가능하고, 탈곡장치가 무한궤도에서 분리되고 무한궤도장치가 자동하역 기능을 갖도록 개발하였다. 이는 2개의 독립엔진(탈곡부, 주행부)은 총배기량 291cc, 연속정격출력 6.5ps/1,800rpm으로 별도 혹은 동시에 작동 가능하도록 개발하는 것을 의미한다. 최초 무한궤도 주행장치에 동력을 사용하여 탈곡장치를 구동시키려 하였으나, 무한궤도장치와 탈곡장치를 결합 시켜야하고 탈곡작업과 하역작업을 동시에 사용이 불가능해지는 단점이 있었다. 따라서, 개발된 동력시스템은 탈곡기능(엔진1_4 사이클 가솔린 엔진, 스위치시동), 무한괘도 주행기능(엔진2_4 사이클 가솔린 엔진, 키 시동) 및 자동하역장치 기능(엔진2+유압_엔진2로 유압펌프 구동)으로 구성되었다. 콩탈곡기 변속장치는 무한괘도장치의 주행속도(km/hr)가 전진 3단(1.6/3.17/4.9), 후진 2단(1.51/3.0)으로 설계, 개발하였다.
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김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
자주식 콩탈곡기(800kg/hr, 독립동력 주행부(공랭/2기통/4행정/가솔린기관)) 개발을 위한 무한궤도는 접지면적을 최대화하여 이동과 농작업이 가능하도록 다양한 농작업환경을 고려하였다. 장치는 콩탈곡기 및 적재함 등이 장착 가능한 규격(L 1,170mm, 높이 300mm, 전폭 900mm, 벨트폭 180mm)로 구성되었다. 무한괘도장치는 메인 프레임, 장력 조절장치, 상부/하부 로울러, 트랙 아이들러, 트랙, 스프로킷으로 구성했는데, 구성 모식도는 다음과 같다. 하부 로울러는 회전하는 로울러, 베어링, 시일, 축 및 고정측의 칼라로 구성되고, 설계 형식은 단일 플랜지형으로 하였다. 흙탕물, 진창 토사에 묻혀 회전하므로 윤활제의 누설방지와 더불어 흙물의 침입을 막기 위하여 플로우팅 시일을 사용하도록 하고, 시일링의 경도는 HRC 65~70, 축재질 허용응력은 58kg/mm2 수준이다. 트랙 아이들러는 트랙 프레임 위를 앞뒤로 미끄럼 이동하고, 조정 실린더는 그리스 양을 조정함으로 이동 거리를 조정토록 하였다. 상부 로울러는 트랙이 아이들러와 구동륜을 안내한다. 트랙 스프로킷은 동력을 받아 무한궤도 트랙에 동력을 전달하는데, 잇수가 적을수록 큰 힘을 발휘함으로 미션의 출력 회전수에 따른 트랙 스프로킷을 선정하였다. 트랙은 고무재질로 같은 중량의 휠형 장비에 비해 2배 이상의 견인력을 가지며, 경량화가 가능하여 접지압이 낮아 습지, 모래와 같은 연약지반, 경사진 작업현장에서도 우수한 주행 성능을 발휘하도록 설계, 개발하였다.
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참깨의 재배현황, 작업단계별 노동시간 및 농업기계화율에 따른 분석
김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
참깨는 전국적으로 169,804 농가에서 22,930ha 재배되고 있는데, 가구당 0.13ha 규모이며, 자급률은 15% 수준이다(KOSIS, 2021). ‘19년 기준으로 단위면적당(10a) 총수입은 1,170천 원인데, 이때 경영비는 507천원이며, 10a당 소득은 664천 원 수준(소득률 56.7%)이며, 10a당 평년치는 수량성 72kg, 총수입 1,251천 원, 소득 820천 원이다. 생산비의 구성은 경영비 507천 원(28.2%), 노동비 1,100천 원(61.3%), 자본용역비 188천 원(10.5%) 구성인데, 경영비에는 위탁영농비 16천 원(0.9%), 고용노동비 67천 원(3.7%)이 포함되어 있다. 전체적으로 생산비 중에서 노동비(위탁/고용/자가)는 56.9%로 절대적이다. 참깨의 작업단계별 노동시간은 66.3시간(남 31.2, 여 35.1)인데, 수확(13.3)/건조(4.5)/탈곡(7.5)/선별 및 포장(3.3)/운반 및 저장(0.8) 등 수확과 관련된 공정이 29.4시간으로 참깨 노동시간의 44.3%를 차지하고 있다. 농가당 소득분포는 83.3%가 200∼1,200천 원 범위인데, 400∼600천 원 구간이 25.9%, 500∼1,000천원 구간과 200∼400천원 구간이 16.7%로 가장 높은 구성비를 보인다(2019농축산물소득자료집, 2020). 참깨 기계화율은 51% 수준(보행 26%, 승용 25%)인데, 주요 농작업 단계별로는 경운정지 100%, 파종정식 10.3%, 비닐피복 64.6%, 방제 75.8%, 수확 4.3% 수준이다(2019 농업기계이용실태조사, 2020). 따라서 향후 농가고령화에 대응하여 기계화 진척이 가장 미진한 수확공정의 수확·탈곡·정선·조제 등 반복적으로 노동력이 투여되는 단계를 한 대의 수확기에 기구적으로 통합하고 복합기능을 부여하는 수확기의 연구개발 및 제품화를 통한 기계화 추진이 절실하다.
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김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
참깨는 전국적으로 169,804 농가에서 22,930ha 재배되며(KOSIS, 2021), 기계화율은 51%(수확단계 4.3%) 수준으로 매우 미진함(국립농업과학원, 2020). 개발을 위해 설계된 참깨 복합수확기는 주행부 언더케리지(무한궤도 시스템), 샤시 및 프레임, 파워트레인(모터, EM, 감속기), 배터리 BMS, 동력전달 계통, 통합제어시스템 및 조작부의 설계로 진행되었음. 설계는 선행연구자(NAAS, 2017)의 재배양식 표준화인 작물조건, 고랑폭, 두둑높이, 조간, 주간과 주요 품종(건백, 안산, 선흙, 평안)의 물성인 길이 및 무게(초장, 무게, 줄기직경, 절단면 기준 무게중심거리를 고려하였음. 설계방향 설정에서 예취부는 EV화를 위한 이송벨트부의 동력을 EV모터로 동작되도록 하고, 고정프레임과 이송벨트의 견고한 부착을 위해 프레임 설계, 이송벨트 케이스의 설계 등을 적용함. 탈곡부는 버켓엘리베이터의 배출구를 통해 깨꼬투리와 깨알을 선별하여 정선부에 따로 투입이 가능할 수 있도록 배출슈트를 구성하고 깨대가 안정적으로 투입될 수 있도록 탈곡부의 호퍼와 오거를 설계함. 정선·석발부는 모터 1개로 작동하도록 설계되었고 공기이송식 승강기를 내장함. 또한 깨 꼬투리는 주행부에 설치된 그릇에, 이물질은 기계 밖으로 배출될 수 있도록 흔들체 배출슈트를 설계함. 주행부는 배터리 내장공간의 확장을 위해 언더캐리지로 설계함. 또한 EM브레이크를 적용, 공간 최적화, 언더캐리지 안정화 설계를 적용함. 복합수확기의 제작 및 조립은 1)주행부 언더케리지, 2)탈곡부, 3)정선부, 4)배출부, 5)탈곡부·정선부·배출부 통합, 6)배터리,BMS, 7)파워트레인, 8) 동화 주행부 통합, 9)예취부, 10)전동화 주행부·탈곡부·정선부·배출부·예취부/배선연결/ 통합제어시스템 총 조립, 11)통합기 순으로 진행됐으며, 한국농업기술진흥원의 기술검정을 수행하였음.
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콩의 재배현황, 작업단계별 노동시간 및 농업기계화율에 따른 분석
김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
‘20년 콩은 전국적으로 281,950 농가에서 55,008ha 재배(10a당 생산량 147kg, 생산량 80,926톤)되고 있는데, 가구당 0.195ha 규모이다(KOSIS, 2021). ‘19년 기준으로 단위면적당(10a) 총수입은 867천 원인데, 이때 경영비는 290천원이며, 10a당 소득은 576천 원 수준(소득률 66.5%)이며, 10a당 평년치는 수량성 180kg이다. 생산비의 구성은 경영비 290천 원(45%), 자가노동비 288천 원(44.6%), 자본용역비 67천 원(10.4%) 구성인데, 경영비에는 위탁영농비 47천 원(7.3%), 고용노동비 32천 원(5%)이 포함되어 있다. 또한, 주요 식량작물로 분류되지 않은 콩은 소득동향, 작업단계별 노동시간 및 작목별 10a당 소득분포 등은 조사하지 않고 있다. 전체적으로 생산비 중에서 노동비(위탁/고용/자가)는 56.9%로 절대적이다(2019농축산물소득자료집, 2020). 콩 기계화율은 67.4% 수준(보행 34.1%, 승용 33.3%)인데, 주요 농작업 단계별로는 경운정지 98.9%, 파종정식 31.9%, 비닐피복 72.6%, 방제 92.9%, 수확 40.6% 수준이다. 기계화 진척에서 수확단계는 40.6%로 감자 71.9%, 고구마 57.9%에 비해 낮으나, 밭작물 평균 수확단계 기계화율인 31.6%에 비해 높은 편이다(2019 농업기계이용실태조사, 2020). 따라서 향후 농가고령화에 대응하여 기계화 진척이 가장 미진한 수확공정의 수확·정선·석발·조제·적재 등 반복적으로 노동력이 투여되는 단계를 한 대의 수확기에 기구적으로 통합하고 복합기능을 부여하는 수확기의 연구개발 및 제품화를 통한 농가고령화 대응, 악성 농작업의 해소 및 이에 따른 기계화 추진이 절실하다.
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참깨 수확·정선·석발·조재 복합수확기의 3D 시뮬레이션 해석
김상완 ( Sang-wan Kim ),박성훈 ( Sung-hun Park ),강무준 ( Mu-jun Kang ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
개발되는 참깨 복합수확기는 주행부 언더케리지, 샤시 및 프레임, 파워트레인, 배터리 BMS, 동력전달 계통, 통합제어시스템 및 조작부로 설계되었음. 설계후 검증을 위한 해석 플랫폼 개발은 ① 참깨 수확 복합기 실제 3차원 설계도면 확보, ② 3D 시뮬레이션 해석을 위한 간략화 작업 수행, ③ 예취부, 정선부, 수확부 등 전체적인 시스템 중량 확인, ④ 주요 관심 부를 제외한 부품 삭제 및 유한요소 모델 생성을 위한 클린업 수행 순우로 진행하였음. 여기서 주요 부품 및 결합 분석은 참깨 수확 복합기 주요 부 및 Full-model 정보 확인으로 Weights, Center of Mass, Moment of Inertial이다. 구조 시뮬레이션 조건은 외력 및 경계 조건으로 외력 조건 : 예취부 중량 3,000N, 상부체 7,000N (실제 중량 보다 1.2 ~ 1.5배 적용), 운전 조건 : 정지 및 운전 가정, 적용 대상 : 예취부 연결 브라켓 및 상부체지지 프레임으로 설정하였음.해석결과 운전상태에서 예취부는 최대 응력 확인 : 75.2MPa, 최대 변위 확인 : 0.15mm, 외력 : 3,000N (예취부 중량 + 급가속 모션 적용), 상부 지지프레임은 최대 응력 확인 : 416MPa, 최대 변위 확인 : 1.3mm, 외력 : 3,000N (예취부 중량) + 7,000N (상부체 중량 + 급가속 모션 적용)으로 나타남. 시작기 설계에 3D 해석결과 예취부 및 상부체 무게를 1tonf 로 실제 중량 대비 1.2 ~ 1.5 배 이상을 적용하였고, 연결부 해석 결과 국부 및 전반적인 관심부에서 정지 및 가속 조건 모두 항복 강도 이내(안전율 1 이상, 최대응력 기준), 프레임 해석 결과 국부적인 관심부에서 정지 및 가속 조건 모두 안전율이 1 이내, 격자 모델 끝단 부 이기도 하며 실제 중량 고려 시 항복 강도 이내, 프레임 해석 결과 전반적인 관심부에서는 모두 항복 강도 이내, 상부지지 프레임의 최대 처짐 변형 량이 1.3mm 이내, 배터리 케이스 간섭 부 확인(회피 설계 검증완료)으로 반영하였음.
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