Introduction
최근 우리나라 전체 경지 면적은 지속적으로 감소하고 있으나, 밭 경지 면적이 전체 경지 면적에서 차지하는 비중은 상대적으로 증가하는 것으로 나타났다. 전체 경지 면적은 `10년 1,715천 ha에서 `20년 1,564천 ha로 약 8.8% 감소하는 것으로 나타났다. 논 경지 면적은 `10년 984천 ha에서 `20년 823천 ha로 전체 면적 대비 비중이 57.4%에서 52.7%로 감소하였으며, 반면 밭 경지 면적은 `10년 731천 ha에서 `20년 740천 ha로 전체 면적 대비 비중이 42.6%에서 47.3%로 증가하는 것으로 나타났다(KOSIS, 2020).
이는 밭작물은 다양한 고부가 가치 작물을 포함하고 있으며, 최근 수익성 및 건강에 대한 관심 증대로 인해 수요가 증가하고 있기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 밭농업은 작물의 종류가 다양하여 농업기계를 전용화 시키는데 많은 비용이 발생하기 때문에, 수도작에 비해 기계화율이 현저하게 낮게 나타난다. `20년 국내 수도작 기계화율은 98.6%로 나타나는 반면, 밭농사의 경우 61.9%에 그치는 것으로 나타났다(KAMICO and KSAM, 2020). 이에 따라 밭농업 기계화율을 증가시키기 위한 다양한 정책 및 지원이 추진되고 있다.
특히, 밭작물 수확 작업의 기계화율은 30% 미만으로 나타나며, 상대적으로 경운정지 및 방제 작업에 비해 미흡한 실정이다. 국내 밭작물 수확 작업은 주로 트랙터 후방에 수확 작업기를 부착하여 수행하고 있으며, 대표적으로 양파, 마늘, 감자 등의 땅속작물 수확기에 대한 수요가 증가하고 있다(KAMICO and KSAM, 2020). 땅속작물 수확기는 작물특성 및 지역별 작부체계, 경작규모, 토양 물성 등 다양한 기계적 특성을 요구하기 때문에 지역마다 선호하는 땅속작물 수확기의 종류와 기종이 다른 특징을 갖고 있다(Lee et al., 2020b). 그러나 트랙터 부착형 수확기는 기체 크기, 길이 및 선회반경 등의 문제로 소규모 재배 농가가 많은 국내 수확 작업에 어려움이 있다. 이에 따라, 최근 국내 농업 환경에 맞는 자주식 땅속작물 수확기에 대한 개발이 지속적으로 이뤄지고 있다(Lim et al., 2019).
자주식 땅속작물 수확기 개발을 위해서는 땅속작물 수확 시 발생하는 주요 부품의 소요동력을 분석하는 것이 필요하며, 이는 주요 부품의 제원 선정 및 최적 설계를 위해 활용된다(Jang et al., 2018). 이에 따라, 트랙터 및 농업기계 동력전달 시스템 최적화를 위해 농작업 시 발생하는 소요동력 계측 및 분석에 관한 연구는 지속적으로 수행되고 있으며, 대표적으로 Kim 등(2019)은 트랙터 동력전달시스템 최적 설계를 위해 78 kW급 대형 트랙터를 대상으로 몰드보드 플라우, 디스크 플라우, 로타리, 베일러, 로더 작업 시 소요 동력을 분석하였다. Kim 등(2021)은 계측형 트랙터를 이용하여 정방향 회전 로타베이터와 역방향 회전 로타베이터를 장착하여 회전 방향에 따른 소요 동력을 비교 및 분석하였다. Baek 등(2019)은 트랙터에 부하 계측 시스템을 구성하였으며, 로타리 작업 부하를 이용하여 등가 부하로 계산하고 이를 비교 및 분석하였다. Lee 등(2014)은 70 kW급 트랙터의 농작업 시 발생하는 부하를 계측하고 이를 동력전달 시스템 최적화를 위해 부하 스펙트럼을 개발하고 분석하였다. 기존의 농작업 시 소요동력 분석에 관한 연구는 대표적인 농업기계인 트랙터를 이용하여 주요 농작업인 쟁기, 로타리 및 베일러 작업을 대상으로 수행되었으며, 땅속작물 수확 작업에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서, 본 연구는 자주식 땅속작물 수확기 개발에 대한 기초 연구로써, 대표적인 농업기계인 트랙터를 이용하여 땅속작물 수확 작업을 수행하였다. 수확 작업 시 차축 및 PTO (power take-off) 등 주요 부품에 대해서 토크 및 회전속도를 계측하고 이를 소요 동력으로 계산하였으며, 작업 단수에 따른 소요동력을 비교 및 분석하였다.
Materials and Methods
계측용 트랙터
본 연구에서는 땅속작물 수확 시 발생하는 차축 및 PTO의 부하 데이터 계측을 위해 55 kW급 농업용 트랙터(T623, TYM Co., Ltd., Iksan, Korea)를 사용하였다. 계측용 트랙터의 크기는 3,695 mm (L) × 1,840 mm (W) × 2,560 mm (H)이며, 무게는 2,615 kg이다. 트랙터의 엔진 정격 출력은 2,200 rpm에서 55 kW이며, 기계식 변속기가 탑재되어 있다. 변속기의 전 〮 후진은 동기물림식으로 구성되어 있으며, 주변속 4단, 부변속 3단 및 초저속 모드로 구성되어 총 전진 24단, 후진 24단의 변속 단수를 갖는다. 계측용 트랙터의 세부 제원은 Table 1과 같다. 계측용 트랙터는 Fig. 1과 같이 수확 작업 시 차축 및 PTO의 토크 및 회전속도를 측정하기 위해 차축 토크미터, 데이터 수집장치(data acquisition, DAQ), PTO 토크미터를 설치하였다. 트랙터 차축 토크 및 회전속도 계측을 위해 4개의 차축 각각에 토크미터를 설치하였으며, 전 〮 후륜에 발생하는 토크 값의 차이를 고려하여 최대 토크 6,000 Nm까지 측정이 가능한 전륜 토크 미터(MCRT 27820TU, S. Himmelstein and Company, IL, USA)와 최대토크 15,000 Nm까지 측정이 가능한 후륜 토크 미터(MCRT 27960 TE, S. Himmelstein and Company, IL, USA)를 각각 사용하였다. 토크미터는 차축과 같이 회전체의 계측에 자주 이용되는 텔레메트리 타입을 사용하였으며, 계측된 토크는 토크미터, 회전부 안테나, 고정부 안테나, 수신기, DAQ 순서로 전송하였다. PTO 토크미터(MW B 3 kNm, Manner Sensortelemerie, Spaichingen, Germany)는 트랙터 PTO축과 작업기 사이에 설치되었으며, 토크 및 회전속도 데이터를 측정할 수 있도록 구성하였다. PTO 토크미터 데이터는 차축과 동일한 방식으로 수집하였으며, 토크는 최대 3,000 Nm, 회전속도는 최대 2,000 rpm까지 측정할 수 있다.
계측한 차축 및 PTO 부하는 데이터 수집 장치(Quantum X 840B, HBM, Darmstadt, Germany)를 통해 수집하였으며, 이 때 데이터 샘플링 속도는 100 Hz로 설정하였다. 트랙터 작업 시 발생하는 진동을 고려하여 데이터 수집장치는 트랙터 내부에 지그를 통하여 고정하였다. 데이터 수집장치의 정밀도 오차범위는 5%이며, 채널 수는 8개이고 채널당 샘플 속도 범위는 40 kHz이다.
Table 1. Specification of a 55 kW class agricultural tractor for measurement used in this study.
|
|
L, low; M, middle; H, high. |
포장 시험
포장 시험은 국내 대표적인 땅속작물인 마늘을 대상으로 수확 작업을 수행하였다. Fig. 2는 포장 시험에 사용된 땅속작물 수확기(JK-RH160, HADA Co., Ltd., Iksan, Korea) 사진과 포장 시험 사진을 나타낸다. 땅속작물 수확기는 중앙분리 교차상하진동식으로 PTO축과 연결되어 있으며, 수확작업은 PTO축의 동력을 이용하여 굴취되어 올라오는 수확물의 흙을 털어주고 이송부 롤러를 통해 작업기 뒤쪽으로 작물이 배출되며 진행된다. 땅속작물 수확기의 크기는 1,280 mm (L) × 2,110 mm (W) × 1,080 mm (H), 중량은 300 kg, 작업 넓이는 최대 160 cm2 이다. 진동봉 수는 양쪽 6개씩 총 12개이며, PTO를 이용하여 양쪽의 진동봉을 구동 시킨다. 작업 깊이는 10 - 45 cm까지 가능하며 자세한 제원은 Table 2와 같다.
포장 시험 작업 조건은 실제 땅속작물 수확 작업 시 사용되는 작업 단수 및 주행속도를 고려하여 선정하였다. 수확 작업은 주행 속도가 증가할 경우, 작업 능률은 향상하지만 작물이 손상될 수 있기 때문에 적절한 속도를 작업하는 것이 중요하다. 이에 따라, 작업 시 주행속도는 Table 3과 같이 3수준(1.2, 1.3, 1.4 km·h-1)과 PTO 1단(540 rpm)에서 작업을 수행하였으며, 엔진 정격 회전속도인 2,200 rpm으로 설정하였다. 수확 작업은 Fig. 3과 같이 기존에 생성한 두둑 경로를 따라 수행하였으며, 수확기 수집통에 작물이 가득 차면 표시된 지역에서 수집통의 작물을 비우고 작업을 진행하였다. 작업 시작점 1 m 앞에서 수확기 작업 날이 토양 속으로 관입되도록 설정하였으며, 트랙터가 작업을 하지 않은 평평한 곳과 토양에 관입된 수확기 날 끝부분의 높이 차이를 이용하여 작업 깊이의 기준을 설정하였다.
포장 시험지
포장 시험은 전라북도 익산시 은기길 329-34의 밭에서 수행하였으며, 포장 시험지 크기는 약 2,000 m2 (100 m × 20 m)이다. 농작업 부하는 필드 토양의 특성에 따라 다르게 발생하기 때문에 토양에 대한 특성을 분석하는 것이 중요하다(Baek et al., 2020). 본 연구에서는 선행 연구를 참고하여 Fig. 4와 같이 포장 시험지의 토성(soil texture), 원추지수(cone index, CI), 수분함량(soil moisture content, SMC), 전기전도도(electrical conductivity, EC) 등에 대해서 분석을 수행하였다(Lee et al., 2020a). 토성은 충남대학교 농업과학연구소 토양분석센터에 의뢰하여 미농무성(USDA)법에 따라 분석하였으며, 포장 시험지 내의 균일하게 선정된 임의의 구간에서 채취한 시료를 대상으로 하였다(Kim et al., 2019). 원추지수는 원추관입계(DIK-5530, Daiki Rika Kogyo Co., Ltd., Kounosu, Japan)를 이용하여 0 - 25 cm 범위에서 5 cm 간격으로 측정하였으며, 토양수분센서(WT100B, RF sensor Co., Ltd., Seoul, Korea)를 이용하여 토양 수분 함량 및 전기전도도를 측정하였다. 토양 환경 데이터는 포장 시험지 내 균일하게 구분된 30개의 위치에서 측정된 데이터의 평균값을 사용하였다.
Table 4는 포장 시험지 토양 분석 결과를 나타낸다. 토양 분석 결과, 필드 시험지의 토성은 양질사토(loamy sand)로 나타났으며, 양질사토는 점토(clay)의 함량이 적고 모래(sand)를 많이 포함하고 있어 점착력이 약한 특징을 가지고 있다. 포장 시험지는 국내 토양의 대표적인 토성인 양토 계열로 나타났다(Kim et al., 2020). 원추지수는 관입 깊이에 따라 246 - 4,726 kPa, 수분함량은 13.2%, 전기 전도도는 0.65 dS·m-1로 나타났다.
소요 동력 계산
트랙터 소요 동력은 계측된 4개의 차축 및 PTO 축에 작용하는 토크와 회전속도 데이터를 이용해서 식(1)과 같이 계산하였다.
P =
(1)
소요 동력 데이터는 전〮 〮 후륜 차축 및 PTO에 대해서 계산하였으며, 작업 속도에 따른 소요 동력의 유의성을 분석하기 위해 일원분산분석(One-way ANOVA)을 수행하였으며, 이때 분석에 사용된 소프트웨어는 IBM SPSS Statistics (SPSS 25, SPSS Inc., Chicago, USA)이다.
Results and Discussion
작업속도 1.2 km·h-1
포장 시험 결과, 수확 작업 시 작업 속도 1.2 km·h-1 조건에서 차축 및 PTO 부하 데이터는 Fig. 5와 같이 나타났다. 전륜 차축 토크는 작업구간에서 1,386.3 - 3,542.2 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 6.5 - 7.2 rpm의 범위로 나타났다. 이에 따라, 소요 동력은 1.0 - 2.6 kW의 범위를 보였다. 후륜 차축 토크는 작업구간에서 1,065.6 - 4,790 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 4.1 - 4.8 rpm의 범위로, 소요 동력은 0.5 - 2.2 kW의 범위로 나타났다. PTO 토크는 작업구간에서 11.2 - 52.7 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 582.6 - 600.3 rpm의 범위로, 소요 동력은 0.7 - 3.3 kW의 범위로 나타났다. Table 5는 작업 속도 1.2 km·h-1 조건에서 차축 및 PTO의 토크, 회전속도, 소요 동력의 평균 및 표준 편차를 나타낸다.
작업속도 1.3 km·h-1
Fig. 6은 작업속도 1.3 km·h-1 조건에서 차축 및 PTO의 토크, 회전속도 및 소요 동력을 나타낸다. 전륜 차축 토크는 1,571.9 - 3,495.1 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 6.7 - 7.7 rpm의 범위로 회전속도와 토크의 결과에 따라 소요 동력은 1.2 - 2.7 kW의 범위를 보였다. 후륜 차축 토크는 1,401.9 - 4,015.7 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 3.8 - 5.1 rpm의 범위로, 소요 동력은 0.7 - 2.1 kW의 범위를 보였다. PTO 토크는 14.6 - 44.4 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 630.2 - 634.8 rpm의 범위로, 소요 동력은 1.0 - 4.1 kW의 범위를 보였다. Table 6은 작업 속도 1.3 km·h-1 조건에서 차축 및 PTO의 토크, 회전속도, 소요 동력의 평균 및 표준 편차를 나타낸다.
Table 6. Results of the measured load data during a harvesting operation at 1.3 km·h-1.
|
|
PTO, power take-off. z Average ± standard deviation |
Table 7. Results of the measured load data during a harvesting operation at 1.4 km·h-1.
|
|
PTO, power take-off. z Average ± standard deviation |
작업속도 1.4 km·h-1
Fig. 7은 작업속도 1.4 km·h-1 조건에서 차축 및 PTO의 토크, 회전속도 및 소요 동력을 나타낸다. 전륜 차축의 토크는 1,613.9 - 3,778.7 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 6.4 - 7.3 rpm의 범위로 회전속도와 토크의 결과에 따라 소요 동력은 1.1 - 2.7 kW의 범위를 보였다. 후륜 차축의 토크는 1,642.0 - 4,815.9 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 4.0 - 4.8 rpm의 범위로, 소요 동력은 0.8 - 2.2 kW의 범위를 보였다. PTO 토크는 18.0 - 59.4 Nm의 범위로 나타났으며, 회전속도는 595.5 - 611 rpm의 범위로, 소요 동력은 1.1 - 3.8 kW의 범위를 보였다. Table 7은 작업 속도 1.4 km·h-1 조건에서 차축 및 PTO의 토크, 회전속도, 소요 동력의 평균 및 표준 편차를 나타낸다.
소요 동력 분석
수확 작업 시 모든 작업 조건에서 소요동력은 PTO, 전륜 차축, 후륜 차축 순으로 높게 나타났다. 수확 작업은 PTO를 구동 시켜 땅속에 있는 마늘 바깥쪽으로 흙을 털며 수확하기 때문에, PTO 동력이 가장 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한, 전륜 차축의 소요 후륜 차축보다 높게 나타난 것은 작업기의 날이 관입되어 토양을 파쇄하면서 견인력을 감소시키고, 트랙터 전방에 부착된 로더의 무게에 영향을 받은 것으로 판단된다(Kim et al., 2020).
Fig. 8은 작업 속도에 따른 트랙터 차축 및 PTO 소요 동력에 대한 비교를 나타낸다. 작업 속도가 증가함에 따라 차축 및 PTO 소요 동력이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 속도가 증가할수록 작업에 필요한 토크가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 작업 속도에 따른 차축 및 PTO에서 발생한 전체 소요동력은 각각 4.86 kW (1.2 km·h-1), 5.06 kW (1.3 km·h-1), 5.48 kW (1.4 km·h-1)로 나타났다. 전체 소요동력은 1.2 km·h-1 조건 대비 작업 속도가 0.1 km·h-1 증가함에 따라 각각 0.20 kW (4.1%), 0.42 kW (8.3%) 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 작업 속도에 따른 전체 소요 동력은 엔진 정격 출력 대비 8.8 - 10.0 %를 소모하는 것을 확인하였다.
Table 8은 작업 속도에 따른 소요 동력 분석에 사용된 데이터를 포함한 ANOVA 분석 결과를 나타내며, 작업 속도별 차축 및 PTO 소요 동력의 평균 차이가 있는지 분석하기 위해 ANOVA 분석을 수행하였다. 그 결과, 전륜 차축(F = 12.118, p < 0.001), 후륜 차축(F = 77.744, p < 0.001), 및 PTO (F =13.494, p< 0.001)는 신뢰수준 99%를 기준으로 작업 속도 범위에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다.
Conclusion
본 연구는 자주식 땅속작물 수확기 개발에 대한 기초 연구로써, 트랙터 차축 및 PTO 등 주요 동력원에 부하 계측 시스템을 개발하고 수확 작업 시 발생하는 토크 및 회전속도를 계측하였으며, 소요 동력 계산식을 이용하여 작업 속도에 따른 소요 동력을 계산하고 이를 비교 및 분석하였다. 계측용 트랙터는 55 kW급 트랙터를 이용하였으며, 땅속작물인 마늘을 대상으로 수확 작업을 수행하였다. 차축 및 PTO에 토크 센서를 설치하여 작업 간 토크 및 회전속도를 계측하였다. 포장 시험 결과, 작업속도가 증가함에 따라 차축 및 PTO 소요 동력이 증가하는 것으로 나타남을 확인하였다. 수확 작업 시 전체 소요 동력은 작업 속도에 따라 4.86 - 5.48 kW의 범위로 나타났으며, 이는 엔진 정격 출력 대비 8.8 - 10.0% 범위의 비율을 차지하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 수확 작업 간 계측된 소요 동력을 고려하여 자주식 땅속작물 수확기의 제원 선정 및 설계가 필요할 것으로 판단되며, 수확 작업은 다른 농작업에 비해 상대적으로 낮은 속도에서 수행되기 때문에 초저속 작업에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 땅속작물 중 한 가지 작물을 대상으로 수확 작업을 수행하였으며, 유압 시스템에 대한 소요 동력 계측이 배제되었다. 따라서 향후 연구에서는 수확 작업 시 사용되는 트랙터 주요 동력원에 대해서 계측 시스템을 보완하고 다양한 땅속작물을 대상으로 수확 작업을 수행하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
Authors Information
Seung-Min Baek, https://orcid.org/0000-0002-4627-191X
Wan-Soo Kim, https://orcid.org/0000-0001-9669-4761
Seung-Yun Baek, https://orcid.org/0000-0001-7330-6949
Hyeon-Ho Jeon, https://orcid.org/0000-0003-0998-3819
Jun-Ho Lee, https://orcid.org/0000-0002-4131-9718
Ye-In Song, https://orcid.org/0000-0003-3723-7565
Yong Choi, Rural Development Administration, Research officer
Young-Keun Kim, Rural Development Administration, Research officer
Sang-Hee Lee, Rural Development Administration, Researcher
Yong-Joo Kim, https://orcid.org/0000-0002-1212-9018
