트랙터의 포장작업에 따른 소요동력 분석

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고효율 트랙터 개발을 위한 기초연구로써 트랙터 동력 계측 시스템을 개발하고 포장작업에 따른 소요동력을 측정 및 분석하였다. 사용자 실태 조사를 실시하여 트랙터의 주요 작업을 선정하였으며, 트랙터 동력 계측 시스템을 개발하고, 주요 작업에 따른 트랙터 주요 구성요소의 소요동력을 측정 및 분석하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 사용자 실태 조사 결과, 국내 중형(45∼75 kW) 범용(utility) 트랙터의 연간 이용 시간은 평균 342시간으로 나타났으며 작업별 트랙터 평균 이용 시간은 로타리 경운 102시간 (30%), 플라우 경운 86시간 (25%), 베일러 작업 55시간 (16%), 랩핑 작업 41시간 (12%), 로더 작업 24시간 (7%), 트레일러 작업 17시간 (5%), 기타 작업 17시간 (5%)의 순서로 나타났다. 트랙터 사용 비율 결과를 근거로 본 연구에서는 트랙터 소요동력 분석 대상으로 로타리 경운, 플라우 경운, 베일러 작업, 랩핑 작업을 선정하였다.

2) 트랙터 동력 계측 시스템은 75 kW 4륜구동 범용 트랙터에 장착되었으며, 주요 동력원인 변속기 입력축, PTO 입력축, 차축, 주 및 보조 유압펌프의 소요동력, 연료소비량, 트랙터 작업속도, 연료 온도, 변속기 온도, 외기 온도의 측정이 가능하도록 개발하였다. 변속기 입력축, PTO 입력축, 차축의 소요동력은 토크와 회전수를 측정하여 산출되었다. 변속기 및 PTO 입력축의 토크는 스트레인 게이지와 텔레메트리 시스템을, 엔진 속도계(tachometer)를 이용하여 측정하였다. 차축의 토크는 스트레인 게이지와 슬립링을, 회전수는 엔코더를 장착하여 측정하였다. 압력센서를 장착하여 유압펌프의 토출 압력을 측정하고 유량, 체적 효율을 이용하여 유압펌프의 소요동력을 결정하였다.

3) 포장작업에 따른 소요동력 분석 결과, 플라우 경운, 로타리 경운, 베일러 작업, 랩핑 작업의 엔진 소요동력은 각각 평균 35.4, 48.5, 46.3, 20.7 kW로 로타리 경운 작업이 가장 높게 나타났으며, 연료 소비율은 각각 0.59, 0.40, 0.65, 0.43 ℓ/h·kW로 베일러 작업에서 가장 높게 나타났다. 정격출력 대비 엔진 소요동력은 최대 소요동력의 경우 베일러 작업에서 177%로 가장 높게 나타났으며, 평균 소요동력의 경우 로타리 경운 작업에서 65%로 작업 중 동력 소모가 가장 높게 나타났다. 작업 구간 중 정격출력 이상 동력이 사용된 구간은 전체의 0∼9%로 다소 작게 나타났다.

4) 주요 구성요소의 소요동력은 연간 포장작업 비율을 이용하여 분석하였으며, 작업 전체에 대한 트랙터 엔진의 평균 소요동력은 33.3 kW로 정격출력의 약 47%가 사용되었음을 알 수 있다. 트랙터 주요 구성요소의 평균 동력 사용율은 PTO 입력축 14.8 kW (45%), 변속기 입력축 10.9 kW (33%), 주 유압펌프 4.7 kW (14%), 보조 유압펌프 2.9 kW (8%)의 순서로 PTO 입력축이 가장 높은 비중을 차지하였다. 따라서 현재의 트랙터는 에너지 효율 개선을 통해 작업 성능 향상이 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study was to analyze power requirements of an agricultural tractor for major field operations. A survey was conducted to get annual usage ratio of agricultural tractor in the field. A power measurement system was developed and field experimental tests were conducted to analyze power requirements of the major parts of the tractor. The results were as follows.

1) The results of the survey showed that the annual usage of agricultural tractor was 342 hours. The averaged time of the tractor used at the field were 102 hours (30%) for rotary tillage, 86 hours (25%) for plowing, 55 hours (16%) for baler operation, 41 hours (12%) for wrapping operation, 24 hours (7%) for loader operation, 17 hours (5%) for trailer operation, and 17 hours (5%) for other operation. Plowing, rotary tillage, baler operation, and wrapping operation were selected as major field operations of the agricultural tractor.

2) A power measurement system was developed and installed at the 75 kW utility tractor. The strain-gages with telemetry system were used to measure torques of transmission input shaft and PTO input shaft. The engine tachometers were used to measure rotational speed of transmission input shaft and PTO input shaft. Strain-gages with slip ring were used to measure torques of driving axles, and encoders were used to measure rotational speeds of driving axles. The measurement system also included pressure sensors to measure pressure of hydraulic pumps, flow meter to measure fuel consumption, radar sensor to measure traveling speed of tractor, thermocouples to measure temperature (fuel, transmission oil, outdoor), an I/O interface to acquire the sensor signals, and an embedded system to determine power requirements.

3) The power requirements of the tractor for plowing, rotary tillage, baler operation, and wrapping operation were 35.4, 48.5, 46.3, and 20.7 kW, respectively. The results showed that rotary tillage required the greatest tractor power among the operations. Fuel consumption ratios for plowing, rotary tillage, baler operation, and wrapping operation were 0.59, 0.40, 0.65, and 0.43 ℓ/h·kW, respectively. Maximum engine power requirement was the greatest during the baler operation (177%), and averaged engine power requirements was the greatest during the rotary tillage (65%). Only 0∼9% of field operations required the tractor powers more than rated power.

4) Power requirements of tractor major parts were analyzed based on the annual usage ratio of the tractor. Averaged engine power requirement at field was about 47% (33.3 kW) of the rated tractor power. The power requirements of the PTO input shaft, the transmission input shaft, the main hydraulic pump, and the auxiliary hydraulic pump were 14.8 kW (45%), 10.9 kW (33%), 4.7 kW (14%), and 2.9 kW (8%), respectively. The results showed that the PTO input shaft required the greater power than the other components.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1-1. 연구배경 1
• 1-2. 연구목적 2
• 제2장 문헌 연구 3
• 제3장 이론적 배경 7
• 3-1. 동력 측정 센서 7
• 3-1-1. 스트레인 게이지(strain gage) 7
• 3-1-2. 회전 속도 측정 센서 9
• 3-2. 센서 인터페이스 13
• 3-2-1. 접촉식 13
• 3-2-2. 비접촉식 14
• 제4장 재료 및 방법 16
• 4-1. 사용자 실태 조사 16
• 4-2. 트랙터 동력 계측 시스템 17
• 4-2-1. 트랙터 제원 18
• 4-2-2. 동력 계측 센서 20
• 가. 변속기 입력축 20
• 나. PTO 입력축 21
• 다. 차축 23
• 라. 유압펌프 24
• 마. 연료 소비량 24
• 바. 작업속도 25
• 사. 온도(연료, 변속기 오일, 외기) 26
• 4-2-3. 통합 계측 시스템 26
• 4-3. 실험 방법 28
• 4-3-1. 센서 교정(calibration) 28
• 4-3-2. 포장실험 29
• 가. 시험 포장 29
• 나. 소요동력 측정 29
• 다. 소요동력 분석 31
• 제5장 결과 및 고찰 33
• 5-1. 센서 교정 33
• 5-2. 소요동력 측정 36
• 5-2-1. 플라우 경운 작업 36
• 5-2-2. 로타리 경운 작업 38
• 5-2-3. 베일러 작업 40
• 5-2-4. 랩핑 작업 42
• 5-3. 소요동력 분석 44
• 5-3-1. 포장작업에 따른 분석 44
• 5-3-2. 주요 구성요소에 따른 분석 48
• 제6장 요약 및 결론 49
• 참고문헌 52
• ABSTRACT 55