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생태계 교란식물 사멸을 위한 QRD Microwave 장치 탑제용 작업기 개발(1)
김진현 ( J. H. Kim ),김기동 ( K. D. Kim ),홍선희 ( S. H. Hong ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2
생태계를 교란하는 외래종 식물은 가시박, 돼지풀, 단풍잎 돼지물, 미국쑥부쟁이, 도깨비가지, 가시상추 등이 있으며 우리나라의 전역에 서식되어 토종 식물을 위협하고 있는 실정이다. 외래종 식물은 씨앗으로 번식하는 일년초와 뿌리로 번식하는 다년초로 구별된다. 본 연구에서는 씨앗으로 번식하는 일련초의 경우 씨앗을 사멸하는 물리적인 방법이 가장 좋으나 아직 실용적으로 사용되는 방법은 미약한 실정이다. 본 연구에서는 QRD(Quadratic Residue Diffusor) Microwave 장치를 이용하여 일년생 외래종 씨앗을 사멸할 때, 장치를 탑제하고 동시에 장치 내부로 토양을 이송하는 자주형 사멸기를 개발하고자 하였다. 사멸기의 프레임의 구조는 궤도륜 외폭을 1392mm, 내부 휠 간격은 1032mm, 귀도륜 길이 1780mm, 높이 1350mm로 설계, 제작하였다. 엔진은 34ps의 수냉식 디젤엔진(자연흡기 DV12V)을 사용하였고, 구동에 사용될 동력을 17ps, 작업부에 사용할 동력을 17ps으로 배분하였다. 엔진의 컨트롤은 디젤 전용 엔진 컨트롤러와 엔진회전계(RPM Meter), Temp., 예열 및 시동장치 부착하였다. 유압 시스템은 유압펌프(2 Set, 11cc/rev)와 유압밸브(DC 12V Solenoid valve 2 Set/ 비상용 매뉴얼 레버혼용), 유압유 탱크(80 리터용 2 Set) Suction filter, Return filter, 유압전용 Radiator(엔진 전면 부착 방식)을 적용하였다. 사멸기의 토양 이송능력은 1차 실험결과 사멸기 주행속도를 0.35m/sec(14m/40sec), 토양의 파쇄기의 깊이와 회전수는 각각 100∼120mm, 700∼800rpm, 토양의 굴취 깊이는 100mm, 회전수는 700∼800rpm로 설정하였을 때, 이송용량은 2800㎤/s로 나타났다. 이송용량의 산출은 폭(cm)×깊이(cm)×속도(cm/s)×효율(0.5)×밀도률(0.3)=100×10×35×0.4×0.2=2800㎤/s이었다. 이때 이송용량의 결정은 궁극적으로 QRD Microwave 장치의 사멸성능에 좌우되므로 현재 상태에서는 많은 량을 이송할 수 있도록 설계하고자 하였다. 이송용량은 사멸기의 주행속도에 따라 달라지므로 2차 실험에서는 주행속도를 0.2/sec(14m/70sec)로 수정하였다. 파쇄기 회전수 및 깊이는 350∼400rpm(경운기 180rpm, 트랙터 350rpm), 토양 깊이는 100∼120mm로 하여 파쇄기의 회전수를 약 50% 줄임에 따라 이송용량이 5600㎤/s까지 높였다. 이송용량의 산출은 폭(cm)×깊이(cm)×속도(cm/s)×효율(0.7)×밀도률(0.4)=100×10×20×0.7×0.4=5600㎤/s이었다. 이송벨트의 이송 속도는 1차와 2차 모두 10cm/sec로 고정하였다. 외래종 씨앗이 번식되는 현장은 토양이 지형에 따라 불균일하거나 자갈 등이 있을 수도 있어 일률적이지 않다. 그러나 씨앗이 대체로 표토인 100mm 이내에 대부분 생존하고 있어 토양을 파쇄하고 이송벨트로 이송하기 위해 중간에 굴취부분을 사용하였다. 1차 실험의 결과에서는 파쇄부와 굴취부의 의 회전속도와 주행부의 속도를 높인 결과 이송용량을 2800㎤/s로 나타났다. 그러나 QRD Microwave의 사멸 능력에 따라 토양의 량을 높일 필요가 있어 2차 실험에서는 주행속도와 파쇄부의 회전속도, 굴취부의 회전속도를 조절하여 최대 5600㎤/s까지 높일 수 있었다. 향후 연구에서는 토양의 흩어짐을 줄일 수 있는 작업기의 보조 장치 및 이송능력의 안정화를 위해 장치의 수정과 개선이 요구되었다. 1. 限部淳一郞. 振動切削. 基礎と應用. 實敎. 1979. (In Japan) 2. Hong J. P. 2018. 기계설계 이론과 실제. 교보문고. (In Korean) 2. Kim K. W., K. D. Kim, Y. M. Koo and K. J. Park. 2009. 농업기계설계. 문운당. (In Korean) 3. Jang D. I. 2010. 농업기계설계Ⅱ. 도서출판 씨아이알. (In Korean)
김진현 ( J. H. Kim ),김기동 ( K. D. Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1
모터와 스크류를 이용한 경량 식혈기를 처음으로 개발함에 따라 실제 산림의 식재 시험에서 발생될 수 있는 것은 감속기와 스크류의 연결부분의 파괴이다. 이 감속기 축의 파괴는 토양내부의 큰 자갈로 인해 스크류가 낄 경우 식재봉을 좌우로 흔들게 되면 가장 취약한 부분인 스크류와 감속기의 연결부위에 가장 강한 모멘트가 걸리게 된다. 물론 작업자의 부주위가 원인이기도 하지만 감속기(K6G30C. Korea)의 축 지름이 8mm이므로 식재봉을 좌우로 흔들면 굽힘파괴가 일어날 가능성이 높다. 감속기의 축이 파괴가 되지 않게 하는 방법은 재료의 강도가 높은 새로운 감속기를 찾은 일과 기존 감속기의 축을 굽힘응력에 안전하게 대응할 수 있게 설계를 하는 방법이 있다. 본 연구에서는 전자에 대한 조사와 동시에 후자에 대한 설계와 제작을 수행하여 기 제작된 경량식혈기와 비교 분석하였다. 스크류 축의 굽힘응력에 대한 대응 방법으로 감속기 축의 보강방법은 감속기 축에 식재봉으로 부터 굽힘응력이 직접 전달되지 않게 하기 위해 모터 하우징의 하부 위치에 감속기 축을 감싸는 Radial Bearing을 결합하였다. 그리고 스크류의 축은 상단의 지름을 크게 키운 상태로 감속기의 축에 연결하는 방법으로 설계하였다. 이때 식혈봉으로 부터 걸리는 모멘트는 스크류의 상단 지름에 걸리게 되는데 상단부는 모터 하우징의 하단과 단단하게 결합함으로써 감속기축을 보호하게 되고 또한 감속기 축의 길이에서 Bearing과 스크류 상단부 큰 지름이 각각 반반씩 보호하는 형태로 설계하였다. 이와 같이 감속기의 축을 보강한 경우 종전의 식혈기보다 무게가 무거워지게 된다. 즉, 1차 식혈기 무게는 3.38kgf, 2차 시작기는 3.28kgf, 축 강도가 보강된 3차 시작기는 무게가 3.87kgf로 증가되었다. 따라서 종전보가 약 600g 증가되어 다소 무거운 느낌이 들었다. 여기서 리듐 폴리머 배터리와 가방의 무게 3.23kgf를 부가하면 1차, 2차, 3차 시작기의 무게는 각각 6.61kgf, 6.51kgf, 7.1kgf로 나타났다. 따라서 굽힘응력에 대한 보강의 방안으로 설계된 무게 과다가 현장 시험에서 작업자의 피로도 증가와 작업의 비효율성이 예상되어 포트묘의 현장 식재시에 이에 대한 평가를 수행하여 비교 분석할 예정이다.