임업기계 임산공학 분야 ( 농학관 ) : 밤수집기 개발

박홍제,박문섭,하창섭,송태영,김경욱,김재원,최석원,이창휴 ( Hong Je Park,Mun Sueb Park,Chang Sub Ha,Tae Young Song,Kyung Uk Kim,Jea Won Kim,Suk Won Choi,Chang Hyou Lee ) 한국임학회 1998 한국임학회 학술발표논문집 Vol.1998 No.-

이산요소법을 이용한 옥수수 수확기 탈과 시스템의 탈과 성능 분석

이호섭,김지태,박영준,우제근,하창섭,이동근,심성보 강원대학교 농업생명과학연구원 2023 강원 농업생명환경연구 Vol.35 No.3

This study aimed to develop a discrete element model for edible maize to replace factorial experiments with computer simulations. We also performed factorial experiment simulations for the detach-system using the developed model. When the maize stalk was detached, we measured the physical properties of edible maize and the maximum load from the push-pull gauge test. The variables necessary to develop a discrete model of edible maize were determined through parametric studies, and the developed model was validated by comparing it with the physical and mechanical properties of maize. We also performed a simulation analysis on the detach-system using a dynamic simulation model that can evaluate the detaching rate according to the cylinder angle of the detach part. Our results showed that the detaching rate of maize varies depending on the cylinder angle. Furthermore, simulations identified a cylinder angle of 65° or less as ideal with an excellent detaching rate.

이산요소법을 이용한 식용 옥수수 줄기 모델 개발

이호섭,김지태,우제근,하창섭,박영준 경상국립대학교 농업생명과학연구원 2023 농업생명과학연구 Vol.57 No.2

In the edible maize harvester, the important is the detach system that determines the damage rate of the maize ears during harvesting. In order to develop an detach system, it is necessary to find out the major design variables that affect the damage rate of the detachsystem, and simulation techniques are widely used to analyze the influence of the design variables. The purpose of this study is todevelop a discrete element model for maize stalks that will be used for the simulation analysis of the detach system. In order to considerthe characteristics of edible maize, the physical properties of the maize stalks were measured and analyzed, and the mechanical propertieswere obtained from compression tests and 3-point bending tests using a universal testing machine. In addition, the discrete elementmodel of the maize stalk was implemented using contact models and bonded models, the main parameters of the model were confirmedthrough parameter studies, and the developed model was validated by comparing the test results. The discrete element model developedfrom this study is used for simulation of the detach-system. 식용 옥수수 수확기는 수확 시 옥수수 이삭의 손상율을 결정하는 탈과 시스템이 중요하다. 탈과 시스템을 개발하기 위해서는 탈과 시스템의손상율에 영향을 미치는 주요 설계 변수를 구명해야 하고, 설계 변수의 영향 분석에는 시뮬레이션 기법이 많이 사용되고 있다. 본 연구의 목적은탈과 시스템의 시뮬레이션 해석에 사용할 옥수수 줄기에 대한 이산요소 모델을 개발하는 것이다. 식용 옥수수의 특성을 고려하기 위하여 옥수수줄기의 물리적 특성을 분석하였으며, 만능재료시험기를 이용한 압축 시험과 3점 굽힘 시험을 통하여 역학적 특성을 확인하였다. 또한, 옥수수줄기의 이산요소 모델은 접촉 모델과 결합 모델로 구현하였고, 매개변수 연구를 통해 이산요소 모델의 주요 파라미터를 도출하였으며, 시험 결과와비교하여 개발된 이산요소 모델을 검증하였다. 본 연구로부터 개발된 옥수수 줄기 모델은 탈과 시스템의 시뮬레이션에 활용된다.

실 작업 부하를 이용한 식용 옥수수 수확기의 설계 하중 도출

김지태,이호섭,조승제,우제근,하창섭,박영준 경상국립대학교 농업생명과학연구원 2022 농업생명과학연구 Vol.56 No.1

농업기계는 다양한 환경과 작물을 대상으로 작업을 수행하기 때문에 농업기계의 설계와 개발은 실 작업 부하를 고려하여 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 식용 옥수수 수확기의 실 작업 부하를 계측하기 위해 식용 옥수수 수확 시험을 수행하였다. 또한, 계측된 부하 데이터를이용하여 수확기 내 기어박스 요소들의 강도 및 수명을 평가하기 위한 부하 스펙트럼을 구축하였다. 부하 스펙트럼은 기어박스의 구성요소 중기어와 베어링에 적용 가능한 하중 지속 분포와 기어와 베어링을 제외한 축, 하우징, 캐리어 등에 적용 가능한 부하 스펙트럼으로 나누어 구축하였다. 본 연구를 통해 구축된 하중 지속 분포 및 부하 스펙트럼은 식용 옥수수 수확기의 기어박스 강도 및 수명 평가뿐만 아니라, 기어박스의 설계하중으로도 활용이 가능할 것으로 보인다.

승용형 자주식 대파수확기 개발: 시작기(Ⅰ)

홍성하 ( Sungha Hong ),최규홍 ( Kyu-hong Choi ),김재동 ( Jae-dong Kim ),하창섭 ( Chang-seop Ha ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

대파는 국내에서 대표적인 조미채소류로 35천 농가에서 10,504 ha를 재배하고 있다(농촌경제연구원, 2017). 대파 생산비 중 고용노력비의 비중이 17%이고, 자가노력비를 포함하면 54.5%로 절대적인 노동집약적인 품목이다(2016년 농축산물소득자료집, 농촌진흥청 2017). 경영비 중에서 농기계·시설임차료가 0.1% 수준에 불과하여 기계화 미진행 상태임을 반증하고 있다. 작업단계별 노동투하시간 분석결과, 수확공정에 42.1시간(총 노력시간의 32.8%)이 소요되는 것으로 분석되었다. 즉 수확작업은 대파재배 전체 작업에서 가장 노동 집약적이고 높은 경비를 차지하는 바 수확작업의 기계화가 시급하다. 대파수확기는 트랙터 부착 견인형 수확기와 궤도식 승용 자주식 수확기로 개발되어 왔다. 본 연구팀에서 트랙터 견인형 대파수확기가 개발한 바 있으나, 농촌의 고령자와 부녀자의 운전상 어려움으로 인해 수확기 및 작업체계의 개선이 필요한 것으로 판단된다. 승용 자주식 대파수확기는 동력원, 주행부, 굴취부, 토양분리장치, 이송부, 수집부로 구성하였다. 국내산자탈형 콤바인(4조식)의 엔진(73 ps/ 2,100 rpm), 유압구동장치와 주행부를 이용하고, 예취부와 탈곡·선별부를 제거한 후 주요 수확작업 장치를 탑재한 형식으로 설계 제작하였다. 주행부는 궤도형(폭 450mm)이고, HST 변속기이므로 주행속도를 0∼1.6m/s 조절이 용이하다. 굴취부는 대파의 원활한 수확과 손상이 적도록 두둑을 파쇄해주는 2개의 원판형 쟁기와 경사진 사각형 날을 채택하였고, 토양분리장치는 철재 막대를 활용한 컨베이어형 벨트와 뿌리부의 흙을 털어내는 소형 탈곡통으로 구성하였다. 수확된 대파 줄기를 부드럽게 잡고 수확기 후반부로 이송해주는 이송부는 평벨트에 부드럽고 내구성이 있는 우수한 poly choroprene 고무벨트를 부착하여 제작하였다. 각 부위의 작동과 속도조절은 유압모터와 유량밸브를 이용하였다. 수확기 후방부에 수평이송벨트와 컨테이너상자(1500(W)×1000(L)×1310(H))를 설치하여, 작업자가 이송부 하단부의 수평벨트부에 낙하하는 대파를 모아 수확기 후방의 컨테이너 상자에 담는 작업방식이다. 강원도 평창군 용평면 대파포장에서, 시작기를 이용하여 수확한 결과, 주행속도 1.0∼0.2m/s에서 원활한 수확이 가능함을 확인하였다.

승용형 자주식 대파수확기의 개발

홍성하 ( Sungha Hong ),최규홍 ( Kyu-hong Choi ),김재동 ( Jae-dong Kim ),하창섭 ( Chang-seop Ha ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

승용형 자주식 대파수확기는 동력원, 주행부, 굴취부, 토양분리장치, 이송부, 수집부로 구성하였다. 국내산 자탈형 콤바인(4조식)의 엔진(73 ps/2,100 rpm), 유압구동장치와 주행부를 이용하고, 예취부와 탈곡·선별부를 제거한 후 주요 수확작업 장치를 탑재한 형식으로 설계 제작하였다. 주행부는 궤도형(폭 450mm)이고, 정유압변속기(HST)이므로 주행속도를 0∼1.6m/s 조절이 용이하다. 굴취부는 대파의 원활한 수확과 손상이 적도록 두둑을 파쇄해주는 2개의 원판형 쟁기와 경사진 사각형 날을 채택하였고, 토양분리장치는 철재 막대를 활용한 컨베이어형 벨트와 뿌리부의 흙을 털어내는 소형 탈곡통으로 구성하였다. 수확된 대파 줄기를 부드럽게 잡고 수확기 후반부로 이송해주는 이송부는 평벨트에 부드럽고 내구성이 있는 우수한 poly choroprene 고무벨트를 부착하여 제작하였다. 각 부위의 작동과 속도조절은 유압모터와 유량밸브를 이용하였다. 수확기 후방부에 수평이송벨트와 컨테이너상자(1500(W)×1000(L)×1310(H))를 설치하여, 작업자가 이송부 하단부의 수평벨트부에 낙하하는 대파를 모아 수확기 후방의 컨테이너 상자에 담는 작업방식이다. 대파수확기의 성능시험은 충남 아산시 둔포면 신법리 소재의 두루통상기계에서 조성한 대파 포장에서 2020년 9월 27일 실시하였다. 성능시험은 설정한 시험구간 50m에서 주행속도를 3수준으로 변화시키면서 작업능률, 수확률 및 손상률을 각각 조사·산출하였다. 작업능률은 대파수확기의 1회 작업 폭(조간)과 주행속도로부터 산출하였다. 시험구간과 소요시간으로부터 산출한 주행속도가 각각 7.3 cm/s, 12.3 cm/s, 19.0 cm/s였으며, 이때의 작업능률은 각각 1.8 a/h, 3.1 a/h, 4.9 a/h이었다. 대파 손상률은 주행속도별 각각 2.9%, 3.9%, 4.4%이었고, 주행속도가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 따라서 이번에 개발한 스용형 자주식 대파수확기는 인력으로 수확했을 때 보다 각각 2.2배, 3.7배, 5.7배 능률적이었고, 손상률도 5% 이하를 나타내 실용화가 가능한 것으로 판단되었다.

승용형 자주식 대파수확기의 포장성능시험

홍성하 ( Sungha Hong ),최규홍 ( Kyu-hong Choi ),김재동 ( Jae-dong Kim ),하창섭 ( Chang-seop Ha ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

승용 자주식 대파수확기는 동력원, 주행부, 굴취부, 토양분리장치, 이송부, 수집부로 구성하였다. 국내산 자탈형 콤바인(4조식)의 엔진(73 ps/2,100 rpm), 유압구동장치와 주행부를 이용하고, 예취부와 탈곡·선별부를 제거한 후 주요 수확작업 장치를 탑재한 형식으로 설계 제작하였다. 주행부는 궤도형(폭 450mm)이고, HST 변속기이므로 주행속도를 0∼1.6m/s 조절이 용이하다. 굴취부는 대파의 원활한 수확과 손상이 적도록 두둑을 파쇄해주는 2개의 원판형 쟁기와 경사진 사각형 날을 채택하였고, 토양분리장치는 철재 막대를 활용한 컨베이어형 벨트와 뿌리부의 흙을 털어내는 소형 탈곡통으로 구성하였다. 수확된 대파 줄기를 부드럽게 잡고 수확기 후반부로 이송해주는 이송부는 평벨트에 부드럽고 내구성이 있는 우수한 poly choroprene 고무벨트를 부착하여 제작하였다. 각 부위의 작동과 속도조절은 유압모터와 유량밸브를 이용하였다. 수확기 후방부에 수평이송벨트와 컨테이너상자(1500(W)×1000(L)×1310(H))를 설치하여, 작업자가 이송부 하단부의 수평벨트부에 낙하하는 대파를 모아 수확기 후방의 컨테이너 상자에 담는 작업방식이다. 대파수확기의 성능시험은 충남 아산시 둔포면 신법리 소재의 두루통상기계에서 조성한 대파 포장에서 2020년 9월 27일 실시하였다. 성능시험은 설정한 시험구간 50m에서 주행속도를 3수준으로 변화시키면서 작업능률, 수확률 및 손상률을 각각 조사·산출하였다. 작업능률은 대파수확기의 1회 작업 폭(조간)과 주행속도로부터 산출하였다. 시험구간과 소요시간으로부터 산출한 주행속도가 각각 7.3 cm/s, 12.3 cm/s, 19.0 cm/s였으며, 이때의 작업능률은 각각 1.8 a/h, 3.1 a/h, 4.9 a/h이었다. 대파 손상률은 주행속도별 각각 2.9%, 3.9%, 4.4%이었고, 주행속도가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 따라서 이번에 개발한 스용형 자주식 대파수확기는 인력으로 수확했을 때 보다 각각 2.2배, 3.7배, 5.7배 능률적이었고, 손상률도 5% 이하를 나타내 실용화가 가능한 것으로 판단되었다.

이산 요소법을 이용한 식용 옥수수 줄기 모델 개발

이호섭 ( Ho-seop Lee ),김지태 ( Ji-tae Kim ),우제근 ( Jeakeun Woo ),하창섭 ( Change-sub Ha ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

옥수수는 크게 사료용 옥수수와 식용 옥수수로 구분된다. 사료용 옥수수는 수확과 동시에 알곡을 파쇄하기 때문에 옥수수의 손상을 고려할 필요가 없으나, 식용 옥수수는 수확된 알곡을 상품화해야하기 때문에 옥수수가 최대한 손상되지 않도록 해야 한다. 수확 시 옥수수의 손상률을 최소화하기 위해서는 옥수수와 옥수수 줄기의 특성을 고려한 탈과시스템(detach-system)이 필요하다. 본 연구에서는 최적 탈과시스템을 설계하기 위한 연구의 일환으로 옥수수 줄기의 특성을 고려한 옥수수 줄기 이산요소모델(discrete element model, DEM)을 개발하였다. 이산요소모델을 개발하기 위해 옥수수 줄기의 물리적 특성(길이, 장경, 단경 등)을 측정하였으며, 옥수수 줄기의 역학적 특성을 반영하기 위하여 만능재료시험기(universal testing machine)을 이용하여 압축시험(compression test)과 3점 굽힘시험(3-point bending test)을 수행하였다. 시험 결과, 옥수수 줄기는 길이 방향과 반경 방향의 역학적 특성이 다르게 나타남을 확인하였고, 이러한 특성을 반영하기 위하여 DEM 개발 시 bonded contact을 정의하였다. 결과적으로 옥수수 줄기의 물리적 특성과 역학적 특성이 고려된 옥수수 줄기 이산요소모델을 개발하였으며, 후속 연구를 통해서 옥수수 전체의 거동을 대변할 수 있는 이산요소모델을 개발할 수 있을 것이라 판단된다.

이산 요소법을 이용한 옥수수 모델 개발

이호섭 ( Ho-seop Lee ),김지태 ( Ji-tae Kim ),우제근 ( Jeakeun Woo ),하창섭 ( Change-sub Ha ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

본 연구의 목적은 식용 옥수수 수확기에서 가장 중요한 기능을 하는 탈과 시스템의 시뮬레이션 해석에 사용할 옥수수와 줄기에 대한 이산요소 모델을 개발하는 것이다. 옥수수와 줄기의 이산요소 모델을 생성하기 위하여 옥수수 & 줄기의 물리적/역학적 특성을 시험으로 구현하였다. 물리적 특성 확인을 위하여 옥수수 줄기와 이삭의 무게, 직경 및 길이를 측정하여 분석하였으며, 역학적 특성 확인을 위하여 압축시험, 3점 굽힘 시험 및 이삭 탈과 시험을 수행하였다. 본 연구에서 개발된 옥수수와 줄기의 이산요소 모델은 줄기, 이삭자루 및 이삭으로 구성된다. 옥수수의 비선형 탄성 변형을 고려하기 위하여 작물의 contact model로 많이 사용되는 Hertz-mindlin contact model이 사용되었으며, 접촉해 있는 입자들을 결합시켜 하나의 구조체로 만들기 위해서 bonded model을 사용하였다. 또한, 개발된 이산요소 모델은 시험 결과와 유사한 경향을 보이도록 parameter study를 수행하여 모델을 검증하였다. 본 연구의 결과는 식용 옥수수 수확기 탈과 시스템의 시뮬레이션 해석을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

국내 식용 옥수수의 특성을 고려한 옥수수 수확기의 탈과 시스템 설계

이호섭 ( Ho-seop Lee ),김지태 ( Ji-tae Kim ),우제근 ( Jeakeun Woo ),하창섭 ( Change-sub Ha ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

옥수수 수확기의 탈과 시스템은 줄기로부터 옥수수의 탈과를 수행하며, 탈과된 옥수수를 이송부로 전달하는 임무를 수행한다. 따라서, 탈과 시스템의 성능은 옥수수의 탈과율로 평가할 수 있으며, 탈과 시스템의 탈과율을 향상시키기 위해서는 수확하고자 하는 품종, 작업 환경 등을 고려하여 탈과 시스템을 설계해야 한다. 하지만, 농작물은 제한된 시간 및 환경에서만 수확이 가능하기 때문에, 탈과 시스템의 설계 변수가 탈과율에 미치는 영향을 분석하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 시간과 환경에 구애받지 않도록 시뮬레이션을 이용하여 국내에서 생산되는 식용 옥수수에 적합한 탈과 시스템의 설계를 수행하였다. 신뢰성 있는 시뮬레이션 모델을 개발하기 위하여 국내에서 생산되는 옥수수 및 줄기의 물리적/역학적 특성을 계측 및 분석하였으며, 분석된 결과를 바탕으로 옥수수 및 줄기의 이산요소모델을 개발하였다. 또한, 줄기로부터 옥수수가 탈과될 때 줄기에 발생하는 전단력을 계측 및 분석하였으며, 이를 이용하여 옥수수 및 줄기 이산요소모델의 결합을 수행하였다. 이후, 개발이 완료된 옥수수 및 줄기 이산요소모델과 탈과 시스템 시뮬레이션 모델을 이용하여 탈과 시스템의 설계 변수가 탈과율에 미치는 영향을 분석하였으며, 결과적으로 국내에서 생산되는 식용 옥수수에 적합한 탈과 시스템의 설계 변수를 도출하였다.