Bouncing과 Sliding에 의한 55 kW급 전기 트랙터의 조향 불안정성 수치해석

김영수(Yeong Su Kim),손진호(Jin Ho Son),한유진(Yu Jin Han),강석호(Seok Ho Kang),박형규(Hyung Gyu Park),김용직(Yong Gik Kim),우승민(Seung Min Woo),하유신(Yu Shin Ha) 유공압건설기계학회 2024 드라이브·컨트롤 Vol.21 No.3

Tractors are used for farming in harsh terrain such as slopes with slippery fields and steep passages. In these potentially dangerous terrain, steering instability caused by bouncing and sliding can lead to tractor rollover accidents. The center of gravity changes as parts such as engines and transmissions used in existing internal combustion engine tractors are replaced by motors and batteries, and the risk of conduction must be newly considered accordingly. The purpose of this study was to derive the center of gravity of a 55 kW class electric tractor using an electric platform from an existing internal combustion engine tractor, and to numerically investigate the tractor steering instability due to bouncing and sliding. The analysis provides a strong analysis by integrating an elaborate combination of a bouncing model and a sliding model based on Coulombs theory of friction. Various parameters such as tractor speed, static coefficient of friction, bump length and radius of rotation are carefully analyzed through a series of detailed designs. In particular, the simulation results show that the cornering force is significantly reduced, resulting in unintended trajectory deviations. By considering such complexity, this study aims to secure optimal performance and safety in the challenging terrain within the agricultural landscape by providing valuable insights to improve tractor safety measures.

로터리 토양 균일 분포를 위한 작업 최적화

강석호 ( Seok Ho Kang ),김용직 ( Yong Gik Kim ),박형규 ( Hyung Gyu Park ),손진호 ( Jin Ho Son ),김영수 ( Yeong Su Kim ),우승민 ( Seung Min Woo ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

밭농업 준비 중 하나인 로터리 작업은 필드를 고르게 해주고 살포했던 퇴비 및 거름과 같은 영양분들을 섞어주는 작업이다. 고르게 분포된 토양 내 유기 화학 성분은 토양 구조의 증대와 함께 작물 수확량에도 직접적인 영향을 미친다고 알려져 있다 (He et al., 2020; Tang et al., 2020; Zhao et al., 2020). 하지만 15 cm 이상 깊이 토양에서의 특성은 잘 알려지지 않고 있으며 (Eilers et al., 2012) 필드마다 깊이별 토양 상태가 상이하여 작물 생장에 어려움을 겪고 있다 (Fierer et al., 2003; Schutz et al., 2010). 본 연구는 DEM 해석을 통한 로터리 작업 시 퇴비의 균일 분포를 토양 깊이별로 확인하고 자 작업 조건별 분포 균일성을 분석해 로터리 작업을 최적화하고자 한다. 사용된 퇴비는 가축분퇴비이며 (돈분: 25%, 계분: 20%, 우분: 20%, 톱밥: 25%, 버섯폐배지: 10%), 토양 깊이를 4 수준으로 (L1: 0~5 cm, L2: 5~10 cm, L3: 10~15 cm, L4: 15~20 cm) 구분하였다. 작업 조건은 전진 속도 3 수준 (0.5, 1.0, 1.5 m/s), 블레이드 회전 속도 3 수준 (300, 1650, 3000 rpm), 작업 깊이 3 수준으로 (23, 24, 25 cm) 구분하였다. 작업 최적화는 RSM(Response Surface Method) 방법을 사용하였으며 BBD (Box-Behnken design) 방법을 이용하여 3 반복 해석 조건을 설계하였다. 토양 내 균일성은 DEM 프로그램 내 단위 부피 큐브 (1.25 x 10-4 cm3) 22개를 생성하여 입자 개수의 비율을 분석하였으며, 설계 조건별 균일성을 비교하였다.

수소연료전지 기반 110kW급 트랙터의 무게중심 이동에 따른 안정성 평가

김영수 ( Yeong Su Kim ),강석호 ( Seok Ho Kang ),김용직 ( Yong Gik Kim ),박형규 ( Hyung Gyu Park ),손진호 ( Jin Ho Son ),강태욱 ( Tae Wook Kang ),우승민 ( Seung Min Woo ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

수소연료전지 기반의 트랙터는 전기모터와 수소연료전지로 구성되어 있으며, 전기모터는 트랙터의 구동력을 제공하고 수소연료전지는 전기모터에 필요한 전력을 공급한다. 리커다인은 트랙터의 무게중심을 설정하고 조절할 수 있는 동역학적 거동 해석 프로그램으로, 트랙터의 무게중심을 앞뒤, 좌우, 상하로 다양하게 변경할 수 있다. 본 연구에서는 수소연료전지 기반의 트랙터 개발에서 안정성 분석을 위해 리커다인을 활용하여 트랙터의 무게중심을 여러가지로 설정하고 전도되는 각도 데이터를 근거로 안정성 연구를 수행하였다. 트랙터의 무게중심을 모듈의 위치를 기반으로 설정하여 분석하였으며, 트랙터의 무게중심이 이동할수록 트랙터의 안정성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 트랙터의 안정성에 영향을 미치는 요인들을 파악하고, 최적의 무게중심 위치와 운전 조건을 제시하였다. 또한, 리커다인의 데이터를 기반으로 트랙터의 동적 모델을 구축하고, 수소연료전지의 성능과 안정성에 관한 시뮬레이션을 수행하였다. 전도되는 각도 데이터는 트랙터가 경사면에서 운전할 때 발생하는 트랙터의 기울어짐 정도를 나타내는 값이다. 전도되는 각도 데이터가 작으면 트랙터의 안정성이 낮아지고, 크면 안정성이 높아진다. 실험 결과, 트랙터의 무게 중심이 앞쪽으로 치우칠수록 전도되는 각도가 작게 나타났으며, 트랙터의 안정성이 가장 낮았다. 반면에, 트랙터의 무게중심이 중앙에 가까운 경우에는 전도되는 각도가 크게 나타났으며, 트랙터의 안정성이 가장 높았다. 본 연구에서는 수소연료전지 기반의 트랙터 개발에서 안정성 분석을 위한 유용한 방법론을 제시하였으며, 리커다인을 활용하여 트랙터의 무게중심을 최적화하는 방안을 제안하였다.

입자 거동 해석을 통한 마늘 수집기 이송부의 요인시험 분석

강석호 ( Seok Ho Kang ),김영수 ( Yeong Su Kim ),박형규 ( Hyung Gyu Park ),김용직 ( Yong Gik Kim ),우승민 ( Seung Min Woo ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

마늘은 일반적으로 수확 후 노지에서 건조과정을 통해 인력이 수집하고 있다. 본 연구는 이러한 수집 작업의 기계화 연구의 일원으로 Rocky DEM 입자 시뮬레이션을 통해 마늘 수집기 이송부의 시험 요인별 작업 조건을 분석하고 수집 작업에 적합한 작업 조건을 제시하고자 한다. 입자 거동 해석에 사용된 마늘의 크기는 국립농산물품질관리원의 구분에 따른 두 가지 규격을 사용하였으며 (2L, M), 시험 요인으로는 수집 속도 3 수준과 (0.1, 0.2, 0.3 m/s) 이송부 각도 3수준으로 (14°, 17°, 20°) 선정하였다. 2 가지 요인의 3 수준에 따른 9가지 (R1 ~ R9) 조건에서 이송부의 입자 거동 해석을 시행하였으며, 그 결과로 시험 요인에 따른 마늘의 수집량과 수집 중 튀는 높이를 분석하였다. 분석 결과, 마늘 규격의 튀어 오른 높이는 R3 (0.1 m/s, 20°)에서 가장 높았으며 (마늘 2L: 8.0 cm; 마늘 M: 7.7 cm), R7 (0.3 m/s, 14°)에서 가장 낮은 것으로 나타났다(2L: 2.3 cm; M: 3.9 cm). 마늘 수집량은 수집 속도가 빨라질수록 증가하는 것으로 나타났고 (마늘 2L: Min 20 ea, Max 57 ea; 마늘 M: Min 17 ea, Max 59 ea) 마늘 크기 규격에 따른 수집량과 튀는 높이에 차이는 없었다. 본 연구에서 제안한 작업 조건을 사용하여 건조 마늘의 수집 작업 기계화를 통한 마늘 작업 전체 노동시간 단축과 인력 대체에 기초 연구로 활용될 수 있으며 추후 수집된 마늘의 손상 여부를 확인할 추가 연구가 요구된다.

한지형 씨 마늘 선별기 설계를 위한 인편 물성 분석

한유진 ( Yu Jin Han ),이주희 ( Ju Hee Lee ),박형규 ( Hyung Gyu Park ),김용직 ( Yong Gik Kim ),김영수 ( Yeong Su Kim ),우승민 ( Seung Min Woo ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

파종작업은 마늘 재배 공정 중 많은 노동력이 소요되는 작업임에 따라 기계화가 요구되는 상황이다. 하지만, 파종기를 사용하면 발생하는 결주로 인해 마늘 파종의 기계화율은 21.0%에 그치고 있다(농촌진흥청, 2021). 마늘 파종기의 결주율을 낮추기 위해서 배종컵과 씨 마늘의 인편 간 규격이 맞아야 하며, 이에 따라 파종작업 전 마늘 선별작업이 요구된다. 선별작업 기계화가 되어있는 난지형 품종과 달리 한지형 품종은 인편의 크기가 작아 수작업으로 이루어지고 있어 인건비와 노동력 절감을 위해 선별작업의 기계화가 요구되고 있다. 따라서, 본 연구는 한지형 마늘 인편의 물리적 특성을 분석하여 선별부 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다. 대표적인 한지형 마늘인 의성 품종 인편을 활용하였으며, 의성군 의성읍에서 직접 채취하여 마늘 인편을 분리하였다. 한지형 마늘 인편의 길이, 폭, 두께, 발아 및 뿌리부 높이를 정의하기 위해 1,200개 인편을 측정하였으며, 밀도 함수와 누적 분포 함수로 정규화시켰다. 버니어 캘리퍼스를 이용하여 크기 항목을 측정하였고, 발아 및 뿌리부 높이 측정 시에는 인편의 발아 및 뿌리부를 위로 향하게 마늘의 가장 넓은 면을 지면에 놓고 정지 상태일 때, 지면과 마늘의 가장 높은 위치를 높이로 측정하였다. 그 결과, 평균 길이, 폭, 두께, 발아부 높이, 뿌리부 높이, 무게 순으로 28.47 mm, 15.42 mm, 15.64 mm, 15.92 mm, 17.35 mm, 3.43 g 으로 나타났다. 이에 따라 한지형 씨마늘 선별부 제원 설계 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.

초분광 카메라 측정을 통한 축산사료의 함수율 비교분석

우승민 ( Seung Min Woo ),강석호 ( Seok Ho Kang ),김용직 ( Yong Gik Kim ),박형규 ( Hyung Gyu Park ),손진호 ( Jin Ho Son ),김영수 ( Yeong Su Kim ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

표준 오븐법을 사용하여 측정된 축산사료의 함수율과 분석기기를 통하여 수집된 HSI 이미지 매칭을 위하여 밀도에 따라 무게(50-100g)가 있는 원형 Petri 접시(90×15mm)에 시료의 표면을 고르게 분포하여 시료를 준비하였다. 샘플의 영상 획득에는 라인 스캔 방식의 단파 적외선 초분광 영상 시스템을 사용하였으며, 초분광 영상 시스템은 카메라(Hyperspect SWR, Headwall Photonics, Fitchburg, MA, USA), 25 mm f/1.4의 C 마운트 렌즈 및 이동 스테이지로 구성하였고. 샘플을 카메라 시야(FOV) 쪽으로 이동하기 위해 컴퓨터 프로그래밍된 모터 구동 샘플 단계를 통합하였다. 894~2504 nm의 스펙트럼 파장 범위와 약 5.85 nm의 스펙트럼 간격을 사용하여 총 275개의 스펙트럼 대역을 카메라 설정으로 사용하였으며, 100W 텅스텐 할로겐 램프(Light Bank, Ushio Inc., Japan)를 조명으로 사용하였다. 샘플이 들어 있는 Petri 접시는 이동식 스테이지에 장착된 샘플 홀더에 배치 하였으며. 샘플에서 카메라 렌즈까지의 거리는 5.3mm/s의 스캔 속도에서 샘플당 600회 수집하였다. 획득된 초분광 영상은 두 개의 공간 차원(x와 y)과 스펙트럼 차원(θ)을 포함하는 3차원 형식으로 수집하였으며. 하나의 영상을 측정하는 데 총 28초가 소요되었다 이미지 처리로 예측한 함수율 모델과 실측 함수율을 비교분석한 결과 모든 방법은 93% 이상의 양호한 예측 정확도(R²)와 5% 미만의 예측 오류(SEP)로 나타나며 다수의 샘플에서 수분 함량에 대한 예측 값은 정확한 것으로 분석된다

국내 콩 주산지의 재배양식 조사를 통한 콩 전용 콤바인의 개량

강태욱 ( Tae Wook Kang ),한유진 ( Yu Jin Han ),박성한 ( Seong Han Park ),김용직 ( Yong Gik Kim ),우승민 ( Seung Min Woo ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

국내 주요 곡물 소비량 중 콩류의 곡물 자급률은 5.9% (농림축산식품부, 2021)로 곡물 전체 자급률 20.9%에 비해 저조하다. 콩류의 생산지 확대와 생산량 증대를 위해 논콩 생산단지를 2021년 44개소 (4,000 ha)에서 2025년까지 200개소(12,000 ha)로 늘리고, 쌀을 재배했던 논에 콩류 등 타작물을 재배할 경우 지원하는 사업도 병행하여 추진되고 있다(농림축산식품부, 2019). 이러한 지원 대책과 연계되어 재배 방식도 논콩 재배의 시작과 밭콩의 재배지 증가에 따라 콩류의 단위 필지당 재배 면적이 증가 되었고 재배 단계별 기계화의 필요성도 높아지고 있는 실정이다. 콩 재배 단계 중 수확 및 탈곡 작업은 콩 재배 총 노동 투하 시간 중 약 33~44% (LEE et al., 2011; Hong et al., 2004)를 차지하며 이전재배 방식인 소규모 필지 분산 재배로 기계화 수준과 재배 규모에 따른 콩 콤바인 개발 및 연구도 저조하다. 현재 콩류의 기계수확은 소형 콩 전용 콤바인 또는 중대형 보통형 콤바인으로 대체하고 있으나 이 또한 일본 제품에 밀려 개발과 판매가 저조한 실정이다. 국산 콩 생산량의 증가와 쌀 농사의 대전환을 위한 정부와 생산자의 지속적인 노력이 이루어지고 있을 때 국산 콩의 대규모 재배를 위한 전용 콤바인의 성능 향상이 필요한 시기이다. 이를 위하여 기존 수입 또는 개발 판매되고 있는 중대형 보통형 콤바인의 제원과 최근 국내 콩 주산지로 조사되고 있는 전라, 충청, 경북 주요 지역의 콩 재배양식을 조사하여 국산 콩 재배 양식에 맞는 중대형 콩 전용 콤바인의 성능 개선을 위한 기준 제원을 제안해 보고자 한다.

로터리 성능 최적화 분석을 위한 토양 물성 분석

강석호 ( Seok Ho Kang ),박형규 ( Hyung Gyu Park ),김용직 ( Yong Gik Kim ),강태욱 ( Tae Wook Kang ),김영수 ( Yeong Su Kim ),우승민 ( Seung Min Woo ),우예다니엘두윰 ( Daniel Dooyum Uyeh ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

로터리 작업은 노지 작물 재배를 위해 수행되는 기초 단계 작업 중 하나로 관리기, 트랙터 부착형 등 여러 형태의 기계로 이루어진다. 작업의 중요성은 로터리 전 제공된 비료 및 거름이 특정 위치에 집중되었거나 얕은 깊이에 분포하여 작물 뿌리가 생장하는데 필요한 영양소를 충분히 받지 못하는 문제로 확인할 수 있다. 영양소가 적절 깊이까지 균일하게 분포하기 위한 성능 분석이 필요하지만, 농업 작업은 작업 적정 시기와 비용 문제로 반복 실증시험이 어려워 computational analysis와 실증시험을 통한 검증으로 성능 개선 및 최적화가 이루어진다. 본 연구는 로터리 작업의 성능 최적화를 위해 DEM (Discrete Element Method) 해석을 위해 parameter 값으로 사용될 토양 물성 검증으로 토양 깊이별 (5, 10, 15, 20 cm)로 지름 4.7 cm, 높이 5 cm의 샘플을 임의의 위치에서 10회 채취하여 bulk density와 cone index를 분석하였으며 DEM 검증을 위한 angle of repose 분석을 3회 반복 시험하였다. 분석 결과, 토양 깊이별 bulk density 9.69±0.47, 11.20±0.69, 11.52±0.90, 14.92±0.97 kg/m3 (5, 10, 15, 20 cm); cone index 457.28±192.36, 716.98±329.29, 988.12±390.38, 1199.56±379.14 kN/m3 (5, 10, 15, 20 cm); angle of repose는 35.86±1.27°로 나타났다. 실측 데이터를 DEM 해석에 사용하기 위한 calibration이 필수적이다. 본 연구에서 분석한 항목 중 cone index와 angle of repose 측정 방법을 DEM 해석 모델에서 구현하여 검증을 준비 중이며 calibration 후 로터리 작업 최적화를 위한 DEM 분석이 요구된다.