중형 고추 수확기 개발을 위한 기초연구(2) - 탈실부 성능 시험-

신서용 ( Seo Yong Shin ),김규봉 ( Kyu Bong Kim ),조용진 ( Yong Jin Cho ),김명호 ( Myoung Ho Kim ),김수빈 ( Su Bin Kim ),양은영 ( Eun Young Yang ),채수영 ( Soo Young Chae ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

국내의 노지 고추 재배 면적은 2010년 44,584ha에서 2019년 31,644ha로 29% 감소하였다, 전체 고추 재배 포장지의 66.3%가 1 ha 이하이며, 전체 고추재배 농가 중 67.6%가 1 ha이하이다. 기존 연구된 대형 고추 수확기는 대규모 재배면적에 적합하여 중·소 규모가 대부분인 국내 고추농가에 적합하지 않다. 본 연구는 국내 중·소 규모의 고추농가에 적합한 중형 고추 수확기계의 개발을 위하여 소형화된 탈실부의 성능을 확인하기 위하여 수행하였다. 중형 고추 수확기의 제원은 4,380 × 1,780 × 1,650 (W x L x H, mm)이다. 탈실부 Helix의 회전속도 650rpm, 작업속도 0.2m/s에서 시판 품종인 매운탄과 에코스타 2수준에서 각 10주씩 3반복 시험하였다. 시험은 고추 탈실효율, 줄기부착과율, 미 탈실율, 손실율, 손상과율, 이물질비율에 대하여 분석하였다. 시험 결과 탈실효율은 매운탄과 에코스타에서 각각 평균 92.8%, 90.5%로 나타났고, 줄기 부착과율은 27.9%, 17.3%로 나타났다. 미 탈실율은 5.5%, 7.7%로 나타났으며, 손실율은 1.7%, 1.8%로 차이가 없었다. 탈실에 의한 손상과율은 13.5%, 6.4%로 나타났으며, 이물질 혼입율은 23.1%, 21.1%로 나타났다. 중형 고추수확기의 탈실부 성능시험 결과 품종간의 탈실율, 미 탈실율, 손실율, 이물질 혼입율에서의 편차는 0.1 ~ 2.3%로 미미하였고, 손상율과 줄기부착과율에서 편차는 7.1 ~ 10.6%로 품종간의 차이가 나타났다. 탈실율 90%이상 조건에서 손상과율과 줄기부착과율에 대한 개선 연구 후 추후 다양한 품종에서의 추가 실험을 수행하여 중형 고추 수확기의 성능 검토가 필요 할 것으로 보인다.

고추 수확기 풍구의 요인 시험

신서용 ( Seo Yong Shin ),김규봉 ( Kyu Bong Kim ),조용진 ( Yong Jin Cho ),김명호 ( Myoung Ho Kim ),강영선 ( Young Sun Kang ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

고추의 국내 노지재배 면적은 2000년 74,471ha에서 2019년 31,644ha로 57.5%로 감소하였고, 연간 고추 생산비는 10a당 2000년 1,126천원에서 2019년 3,490천원으로 3배 이상 상승 되었다. 고추 재배의 생산비 절감을 위해서 수확 작업의 기계화가 연구되고 있으나 정선 시스템의 어려움으로 수확 후 2차 이물질 선별이 필요한 실정이다. 현재 개발 중인 자주식 고추수확기계로 고추를 수확 시 수집탱크에 줄기, 잎 등의 이물질 등이 유입되어 기계 수확 후 추가 노동력이 발생되고 있다. 본 연구에서는 선별부 풍구에 대한 요인 실험을 통해 적절한 작동 조건을 결정하기 위하여 수행하였다. 풍구는 2개의 임펠러가 장착되어 있고, 임펠러는 지름 330mm, 폭 137mm로 12개의 날개로 이루어져 있다. 고추 이물질 선별 요인 설정으로는 회전속도 1600, 1800, 2000 rpm(3수준) 과 풍구의 경사각 34°, 41°, 48° (3수준), 풍구의 출구가이드는 기본 가이드, 3개 가이드(2수준) 로 설정 하였다. 고추 시료는 국립 원예특작과학원에서 2019년 11월 20일 정식하여 2020년 3월 20일에 채취하였으며 기계수확 데이터를 기초로 고추, 줄기, 잎의 무게비율로 계산하여 요인시험에 사용 하였다. 요인시험 결과 풍구의 경사각도 및 회전속도에서 출구 가이드여부에 대하여 고추 수집률과 이물질 선별률을 분석 하였다. 경사각 34도에서 기본 가이드는 1800, 2000 rpm에서 고추 손실이 2.9 ~ 6.9% 나타났다. 3개 가이드에서는 고추 손실이 없었다. 경사각 41도와 48도는 기본가이드가 3개 가이드 보다 풍구 회전 속도가 증가하면 고추 수집률이 27.1 ~ 367.8 % 낮게 나타났다. 풍구의 이물질 선별률은 경사각 34도에서 1600, 1800 rpm에서는 기본 가이드가 19.5 %, 4.1 % 높았으나 2000 rpm에서는 3개 가이드가 6.7 % 높게 나타났다. 41도에서 기본 가이드는 회전속도 별 편차가 3 % 미만이었고, 기본 가이드가 29.9 % 높은 이물질 선별률이 나타났다. 48도 경사각에서는 기본 가이드와 3개 가이드의 이물질 최대 편차가 2.1 % 미만으로 유사하게 나타났다. 이에 풍구 요인 시험 결과 고추 수집률 95% 이상과 이물질 선별률 95% 이상 조건으로 분석결과 회전속도 2000 rpm, 경사각도 34도, 출구 가이드 3개 일 때 최적의 작동 조건으로 판단하였다. 추후 다양한 경사각 및 회전속도 등에서의 추가 실험을 수행하여 선별 성능 검토가 필요 할 것으로 보인다.

고추 수확기 줄기분리 드럼 선별장치의 성능시험

신서용 ( Seo Yong Shin ),조용진 ( Yongjin Cho ),김명호 ( Myoung Ho Kim ),홍이수 ( Yi Su Hong ),양은영 ( Eun Young Yang ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

국내 건고추 생산비는 노동비, 종자, 농약, 자재 가격 상승으로 2012년 321만원에서 2019년 348만원으로 연평균 1%씩 상승하였고, 경영비 역시 2012년 109만원에서 2019년 122만원으로 연 2%씩 상승하는 추세이며, 고령화 확대로 2019년 70세 이상 재배가구 수가 50%를 차지하고 있다. 농가에 보급하고자 개발한 중형고추수확기는 수확 후 탈실이 덜 된 줄기고추의 비율이 10% 이상이 발생하고 있다. 본 연구는 이런 탈실이 덜 된 줄기고추의 분리 및 선별장치를 개선하고자 하였다. 중형 고추수확기에서 줄기고추를 분리하도록 고안된 3축과 4축 드럼선별장치의 탈실 선별 성능시험을 실시하였다. 드럼 선별 장치는 지름 220mm, 길이 680mm로 급치는 브러쉬를 30mm 간격으로 장착하였으며, 3축 드럼선별장치는 각 축별로 278, 793, 370rpm 드럼 회전속도로, 4축 드럼선별장치는 각 축별로 278, 793, 370, 793 rpm 의 드럼 회전속도로 분리 및 선별성능 시험을 실시하였다. 시험은 AR칼라박사 품종의 10개의 고추가 달린 줄기 고추를 1회 시험에 5줄기를 투입하여 각 드럼 별로 3반복 시험하였다. 성능평가는 정상 분리과율, 줄기부착과율, 손상율을 조사하여 비교하였다. 시험 결과 정상적으로 분리되는 고추 과율은 3축과 4축 드럼에서 각각 52.3%, 44%로 나타났고, 줄기부착과율은 각각 37.8%, 45.5%로 나타났으며, 고추의 손상율은 각각 10%, 10.5%로 나타났다. AR칼라박사 품종 성능시험에서는 3축 드럼 선별장치가 4축 드럼 선별장치보다 고추 분리과율이 8.3% 높았으며, 줄기부착과율은 7.7% 낮고, 손상율도 0.5% 낮게 나타나 3축 드럼 선별장치가 성능이 높은 것으로 나타났다. 다양한 품종에 대하여 추가적인 필드 시험을 수행하고 이로부터 성능 검토할 필요성이 있다.

고추 기계 수확 효율 향상을 위한 염수 처리효과

채수영(Soo Young Chae),양은영(Eun Young Yang),정효봉(Hyo Bong Jung),조명철(Myeong Cheoul Cho),남춘우(Chun Woo Nam),홍이수(Yi Su Hong),신서용(Seo-Yong Shin),김대철(Dae-Cheol Kim) 한국원예학회 2020 한국원예학회 학술발표요지 Vol.2020 No.11

다물체 동역학 시뮬레이션을 이용한 이송 배추의 충격 특성 분석

신주원 ( Ju Won Shin ),한준영 ( June Young Han ),주현식 ( Hyun Sik Joo ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김혁주 ( Hyuck Joo Kim ),손형일 ( Hyoung Il Son ),신서용 ( Seo Young Shin ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

국내에서 생산하는 엽채류 중 배추는 재배면적 및 생산량의 비중이 높은 작물이다. 배추는 운송 및 적재에서 외부의 물리적 충격등에 의하여 물성 상태의 변형 및 상품성 가치의 손실을 초래할 수 있다. 배추 수확, 포장, 운송 및 적재 작업인 수확 전 과정이 모두 인력으로 소요되며, 이런 작업과정을 기계화하기 위해 수집형 자주식 배추수확기 개발하고 있다. 기계화된 수집형 자주식 배추 수확기 운용 과정에서 배추 눌림 및 낙하가 발생 될 수 있다. 이로 인하여 배추 물성 변형 및 파괴 등으로 배추의 상품적 가치의 손실이 발생 될 수 있다. 따라서 배추의 물성 변형을 최소화할 수 있는 요인들이 배추수확기 설계에 반영이 되어야 할 필요성이 있다. 본 연구의 목적은 다물체 동역학 시뮬레이션을 이용한 배추 충격 분석을 하고 물성 변형을 최소화할 수 있는 설계 기준안을 제시하는데에 있다. 국내 배추 물성 특성을 조사하고 이 특성들을 반영하여 배추 이송 및 낙하 3D모델링을 실시하였다. 다물체동역학 시뮬레이션을 활용하여 배추 낙하 높이와 이송 속도별로 배추의 하중 및 충격량 변화 분석을 실시하였다. 시뮬레이션 결과, 높이와 이송 속도에 따라 배추의 하중 및 충격량 변화특성들을 예측할 수 있었다. 이를 배추의 상품성 향상을 위하여 배추수확기의 설계 및 제어에 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

마늘 수확기 이송부 경사에 따른 요인 시험

김규봉 ( Kyu Bong Kim ),신서용 ( Seo Yong Shin ),조용진 ( Yong Jin Cho ),김영근 ( Young Keun Kim ),최일수 ( Il Su Choi ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

국내 대부분의 마늘 농가에는 단순 굴취식 마늘 수확기가 보급되어 있으며, 보급된 마늘 수확기 사용 시, 표토에 남겨진 마늘을 수거하기 위하여 추가적인 인력을 사용한다. 추가 인력을 줄이기 위하여 수집이 가능한 수확기를 개발 중에 있다. 개발 중인 마늘 수확기는 굴취부, 이송부, 수집부로 되어 있다. 개발중인 수확기 중 수집부를 제외한 크기는 1675 x 1275 x 1185(L x W x H)mm로 크기가 크다. 마늘수확기의 크기를 줄이기 위하여 대부분 차지하고 있는 이송부의 경사를 높여 전장을 단축시키려고 한다. 이송부의 경사별 마늘 이송율을 파악하기 위하여 시험을 수행하였다. 이송율을 보기 위하여 전남농원 기술원 마늘필드의 토양, 의성 마늘을 사용하였다. 시료 토양과 마늘 10개로 8kg의 무게를 만들었다. 요인은 이송부의 경사 3수준(40°,45°,50°), 회전속도 3수준(200 RPM, 300 RPM, 400 RPM)으로 3반복 하였다. 이송부의 경사 40°의 경우 회전속도 상관없이 80%이상의 높은 이송율을 보였으며, 45°의 경우 이송부 회전속도 200, 300, 400 RPM에 따라 35%, 78%, 80%이다. 경사 50°의 경우 이송부 회전속도 200, 300, 400 RPM에 따라 30%, 53%, 37%로 나타났다. 즉, 이송부 경사각을 크게 하면 기체의 길이를 줄일 수 있는 장점은 있지만, 대신 이송율이 낮아지는 것으로 실험 결과 나타났다. 따라서, 이송부 경사각은 45°이내, 가능하면 40°정도로 설정하는 것이 좋을 것으로 판단된다.

배추 포장부 요인 시험

김규봉 ( Kyu Bong Kim ),신서용 ( Seo Young Shin ),이승훈 ( Seung Hun Lee ),주현식 ( Hyun Sik Joo ),신주원 ( Joo Won Shin ),한용호 ( Youg Ho Han ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),조용진 ( Youngjin Cho ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

배추의 무게는 2~4kg/개로 타 작물에 비해 무겁고 부피가 크다. 배추 포장시 한 망당 3개의 배추를 포장하므로 망배추는 10kg 이상의 중량을 갖게 되어 배추 수확 작업자의 신체에 부담을 주게된다. 작업자의 신체 부담을 줄이기 위하여 배추 망포장 시스템 공정을 구축하였다. 구축한 공정을 바탕으로 요인 시험장치를 제작 후 요인 성능 시험을 실시하였다. 배추 망포장 요인시험은 요인시험장치(1430 x 550 x 620mm (L x W x H))와, 시료는 시중에 판매 중인 배추(품종 : 청원, 폭 250mm, 높이 400mm, 무게 3.31kg)와 배추망(크기 ‘대’, 너비 550mm, 길이 620mm)를 사용하였다. 성능 검증은 배추망 자동 공급, 공급된 배추망 일정한 위치 확보 여부, 배추망 투입구 확장 여부, 배추망 고정 여부를 확인하였다. 배추망은 스토리지 형태로 연속적으로 공급할 수 있도록 만들었다. 배추망을 확장하고 배추를 투입하는 과정중에, 배추망이 망걸이에 결속되지 않고 슬립되어 망걸이로부터 분리되는 현상이 발생되었다. 또한 배추의 자중을 견디지 못하고 배추망이 망걸이로부터 낙하되는 경우도 발생되었다. 이와 같은 배추망 포장작업의 불량률을 감소시키기 위해서는 배추망 스토리지 위치고정 가이드, 망걸이 확장부 유도 가이드 추가 설계가 필요하며, 배추의 자중을 지지할 수 있도록 배추 망걸이를 최대로 확장시킬 수 있도록 시스템 보완 설계가 필요하다.

배추 수확기용 견인형 수집부 보완설계

주현식 ( Hyun Sik Joo ),신서용 ( Seo Young Shin ),신주원 ( Joo Won Shin ),김영길 ( Young Gil Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김혁주 ( Hyuck Joo Kim ),손형일 ( Hyoung Il Son ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

부착형 수집부를 사용한 배추 수확기의 주행 및 작업 안정성을 개선을 위한 견인형 수집부를 설계 제작하였다. 하지만 제작된 견인형 수집부 시작기에서 주행 안정성에서 문제점이 발생되고 있으며 이를 해결하기 위한 보완설계가 필요하다. 또한 수집부의 배추 적재 작업시 배추 손실과 배추 적재로 인한 무게중심 변화등 발생되는 문제점을 개선할 방안이 필요하다. 첫째로 배추 수확기 수집부의 주행 안정성을 개선하기 위하여 다음과 같은 사항을 수정 보완하였다. 수확기 주행부와 견인형 수집부 간 주행 및 회전 시 서로 간섭하는 현상이 발생하였다. 이를 보완하기 위해 지면으로부터 배추 수확기 본체의 최소높이와 최대높이에 대응하도록 견인고리의 높이를 120 mm로 연장하여 힌지핀 내에서 상하로 움직일 수 있게 하였다. 견인고리 옆면의 가이드판으로 회전 각도 범위를 90도에서 15도로 최소화하여 수확기 주행부와 견인형 수집부 간의 간섭을 줄여 주행 안정성을 개선하였다. 둘째로 배추 수확기의 작업 안정성을 개선하기 위하여 다음과 같은 사항을 수정 보완하였다. 개선전 견인형 수집부의 주행바퀴는 2개를 사용하였으며 이는 배추 적재로 인한 수집부의 무게중심이 변화하여 앞 혹은 뒤쪽으로 기울여지는 현상이 발생하였다. 이를 해결하고자 수집부의 주행바퀴 2개를 추가하여 배추 적재시 수집부의 무게중심 변화에 대응하도록 하였다. 또한 주행시 변화하는 배추 이송 거리(배추 이송부에서 배추 수집부간 이송 거리)로 배추가 적재함으로 이송 불량이 발생되었다. 이를 보완하기 위해서 이송부 끝부분에 배추 이송 가이드라인을 설치하여 변화하는 배추 이송에 대응하여 배추가 적재함으로 이송될 수 있도록 설계하였다. 추가적인 필드 시험을 실시하여 본 연구에서 실시한 보완설계에 대한 검토가 필요하다.

배추 수확기용 견인형 수집부 설계

주현식 ( Hyun Sik Joo ),신서용 ( Seo Young Shin ),신주원 ( Joo Won Shin ),김영길 ( Young Gil Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김혁주 ( Hyuck Joo Kim ),손형일 ( Hyoung Il Son ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

부착형 수집부를 사용한 자주식 배추수확기는 앞/뒤쪽의 다른 무게 배분과 길어진 전장으로 인하여 주행 및 작업 안정성에 미흡함을 보이고 있다. 본 연구는 자주식 배추수확기의 주행 및 작업 안정성을 높이고자 견인형 수집부 설계를 실시하였다. 부착형이었던 배추수확기용 수집부를 견인형으로 바꾸기 위해 PRO-E를 이용하여 설계하였다. 첫 번째로 수집부 하단 양 사이드쪽에 브라켓을 위치시키고 각 브라켓마다 베어링 축설계를 하였다. 브라켓 형상은 ‘ㄷ’으로 하여 외부충격으로부터 타이어를 보호하고 구동 시 흙 돌 등의 이물질 배출이 가능하도록 하였다. 수집부의 프레임 하중과 배추 80포기 적재하중인 총 400 kg 의 하중을 견디도록 각 타이어는 직경 300 mm, 폭 110mm, 허용하중 200 kg 으로 선정하였다. 두 번째는 배추수확기 주행부와 견인형 수집부를 연결하고자 힌지핀 타입형 견인고리를 설계하였다. 배추 수확기의 주행부의 궤도와 견인형 수집부 주행부의 높이는 동일 선상에 있도록 배치하였다. 또한 견인형 수집부와 주행부 연결 높이 조절부를 설계하여 경사지 필드 작업환경에서도 작업이 가능하도록 하였다. 배추수확기용 수집부를 기존 부착형에서 견인형으로 구조를 변경하여 배추수확기 작업시 주행 및 작업 안정성을 높일 수 있다.

중형 고추 수확기 풍구의 성능개선

이명희 ( Myung Hee Lee ),신서용 ( Seo Yong Shin ),강영선 ( Young Sun Kang ),김수빈 ( Su Bin Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

고추 재배면적은 28,824ha로 국내 조미채소 재배 면적 중 가장 많은 면적을 차지한다. 국내 고추 재배지의 66.3%가 1.0ha 이하인 소규모 농가가 대부분을 차지하고 있어, T사는 중, 소규모 농가가 대부분을 차지하고 있는 국내 실정에 맞춰 중형의 고추 수확기를 개발 중에 있다. 현재 개발 중인 수확기계로 수확 시 수집함에 다량의 협잡물이 유입되어 수확 후 추가 노동력이 발생되는 상황이다. 이에 이전 연구에선 선별부 성능 개선을 위해 임펠러가 없는 간단한 형상으로 유동해석을 실시하였다. 본 연구에서는 임펠러를 부착한 모델링을 사용하여 유체의 유동을 분석하였고, 그 결과 풍구에서 풍향이 일정하게 나오지 않는 것을 확인하였다. 이에 선별부 풍구의 성능 개선을 위해 풍향 가이드를 추가 모델링하고 그 유동을 비교하였다. 중형 고추 수확기 3차원 설계는 Pro-E Program을 사용하여 현 풍구와 출구에 2개와 4개의 풍향 가이드를 추가한 3가지 모델의 풍구를 설계하였다. 해석은 Ansys Fluent를 이용하였고, 해석 시 외부 유동장을 설정하여 유체는 공기, 유체의 흐름은 난류 모델인 k-epsilon 모델을 사용하였다. 풍구 출구의 풍향을 확인하기 위해서 풍구 출구를 좌측, 중앙, 우측 3부분으로 나누고 출구에서 15cm 떨어진 각 부분의 풍속을 확인하였다. 현 풍구에선 좌측, 중앙, 우측 각각 1.7, 3.4, 3.2 m/s로 측정되어 중앙과 우측의 부분보다 좌측의 풍속이 낮은 것으로 나타났다. 2개의 풍향 가이드를 추가하여 해석한 결과 좌측, 중앙, 우측 각각 1.4, 2.8, 3.0 m/s로 해석되었고, 4개의 풍향 가이드를 추가하여 해석한 결과는 좌측, 중앙, 우측 각각 2.3, 3.3, 2.7m/s로 해석되었다. 2개의 풍향 가이드를 추가하였을 때와 추가하지 않았을 때의 풍향은 같은 경향을 보였지만, 4개의 풍향 가이드를 추가하여 해석하였을 때는 풍구 출구에서 이전보다 고르게 유동이 분포되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 풍구 출구에 4개의 풍향 가이드를 추가하여 선별작업을 한다면 작업능력을 향상시킬 수 있을 것이라고 판단했다. 차후에는 본 해석을 통하여 유동 해석의 타당성을 확인할 필요가 있으며, 풍향 가이드의 길이 및 각도를 조정한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.