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이산요소법을 활용한 농작업 토양 환경에 따른 몰드보드플라우 견인력 예측 시뮬레이션 연구
배보민 ( Bo Min Bae ),정대위 ( Dae Wi Jung ),류동형 ( Dong Hyung Ryu ),안장현 ( Jang Hyeon An ),최세오 ( Se O Choi ),김연수 ( Yeon Soo Kim ),김용주 ( Yong Joo Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
다양한 농작업 중 몰드보드플라우를 활용한 쟁기 경운 작업은 가장 많은 견인 부하를 발생시켜 농업 기계의 성능을 평가하는 지표로 널리 사용되고 있다. 농작업 시 트랙터의 작업 부하는 토양의 물성, 작업속도, 경운 깊이 등 다양한 요소들의 영향을 받는다. 따라서, 본 연구에서는 토양 물성의 차이에 따른 토양-작업기 상호작용을 계측하고, 가상 환경 기반 토양-몰드보드플라우 상호작용에 따른 견인력 예측 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 토양 물성 계측은 당진 교로리 간척논(이하 필드 A)과 춘천시 신북읍 논(이하 필드 B)에서 Uniformed Grid Sampling Method를 따라 진행하였다. 계측한 물성은 토양의 체적 밀도, 함수율, Atterberg Limits(Plastic Limit, Liquid Limit), 소성 지수, 원추 지수, 전단 강도, 토성이다. 물성 계측 결과, 두 필드 모두 점착성과 압축성을 가지고 있는 점성토의 거동을 보였고 이를 반영하기 위해 토양 모델링 시 EEPA(Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion) 모델을 접촉 모델로 사용하였다. 모델링 된 토양은 안식각 시험 대신 가상 베인 전단 시험을 사용하여 실제 토양과 비교하여 오차율이 0.89% 이내로 보정하였다. 작업 속도와 경운 깊이는 동일하게 하여 물성의 차이만 둔 상태에서 가상 필드 시험을 진행한 결과, 예측된 견인력은 필드 A에서 14.02 kN, 필드 B에서 18.56 kN으로 나타났다. 견인 작업으로 인한 토양의 체적 밀도의 변화의 경우, 필드 A는 평균 1,678.34 kg/㎥에서 1,540.4 kg/㎥으로 감소하였고, 필드 B는 평균 1,945.62 kg/㎥에서 1,706.82 kg/㎥으로 감소하였다. 향후 연구에서 가상 환경에서의 예측된 토양 경운 작업기의 견인력을 실제 필드 테스트를 통해 계측된 견인력과 비교하여 정확도를 입증하고 다양한 비정형 농작업 환경에서 발생하는 설계 부하 예측 모델링 연구를 수행할 계획이다.
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로터리 경운 작업 시 경운 유형 및 작업 속도에 따른 42kW급 농업용 트랙터 작업부하 분석 연구
배보민 ( Bo Min Bae ),정대위 ( Dae Wi Jung ),류동형 ( Dong Hyung Ryu ),안장현 ( Jang Hyeon An ),최세오 ( Se O Choi ),김연수 ( Yeon Soo Kim ),김용주 ( Yong Joo Kim ),이상대 ( Sang Dae Lee ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
토양의 물성은 깊이에 따라 변화하며, 경반층 형성 위치, 토양의 다짐, 수분 함량 등 깊이 분포에 따른 물성 차이가 토양경운작업의 부하에 영향을 미친다. 본 연구에서는 깊이 분포에 따른 토양의 물리적, 기계적 물성을 계측하고 작업 속도가 로타리 작업 중 토양-기계 상호작용에 미치는 영향을 분석하였다. 부하 계측을 위해서 PTO 토크미터, 차축 토크미터, 근접 센서, RTK-GPS가 장착된 부하 계측 시스템을 구성하였다. 부하 계측 결과, 동일한 경운 깊이에서 로터리 경운 작업을 수행했을 때, 경운 유형과 작업 속도의 조합이 트랙터의 작업 부화와 성능, 연료 사용량에 따른 작업 효율에 광범위한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 기어 선택이 동일할 때 2차경에 비해 1차경에서 전체 작업 부하가 최대 14%(엔진), 29.1%(PTO 축)까지 더 높았다. 또한 경운 유형이 동일할 경우 기어 선택에 따라 전체 평균 토크는 P1L4단이 P1L2단에 비해 최대 35.9%(엔진), 33.9%(PTO 축)까지 더 높았다. 연비의 경우, 기어 선택에 따른 작업 속도의 영향이 경운 유형에 따른 영향보다 더 크게 나타났다. 양토(Loam) 필드(함수비: 17~20%, 체적 밀도: 1571~1830 kg/㎥, 원추지수: 801~2065 kPa)에서 작업할 때 P1L4 기어에서 작업 효율(ha/h)이 59%로 가장 높았다. 본 연구의 데이터를 기반으로 향후 이산요소법을 활용한 가상기반 토양-기계 상호작용 예측 연구를 진행할 계획이다.
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