Introduction
농업용 트랙터의 roll over protective structure (ROPS)는 1950년 스웨덴에서 처음으로 개발되어 안전 구조물로서 사용되고 있다(Moberg, 1964). ROPS의 성능시험 요구조건에 대한 국가 표준이 처음으로 채택된 것은 스칸디나비아였고, 이후 Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) code, European Economic Community (EEC)/European Community (EC) 규정 및 International Organization for Standardization (ISO) 표준이 국제적으로 제정되었다(Karpat et al., 2018). 표준으로 제정된 트랙터 ROPS의 시험방법은 트랙터의 제원, 보호구조물 부착 위치에 따라 분류 되어있다. OECD code는 무역의 편의성과 국제적으로 비교 가능한 정보를 제공하기 위해 트랙터를 수입하는 국가에서 다른 국가의 시험 결과를 신뢰하도록 운영되고 있는 국제표준 시험방법이다(Song et al., 2019). 국내에서는 90년대 초 트랙터 전도 시 최소한의 운전자 안전성을 확보하고 인명사고 가능성을 감소시킬 목적으로 검정제도를 도입하였다. 2017년 농업기계 관련 농업인 상해실태 조사 결과에 의하면 농업용 트랙터 사고는 경운기에 이어 16.1%로 두 번째를 차지하고 있으며, 관련 사고유형은 전도와 추락이 43.3%로 가장 높게 나타났다(NAS, 2019). Golbasi (2002)의 터키 트랙터 사고 조사 연구에 따르면 746건의 트랙터 사고에서 81.6%가 ROPS를 장착하고 있지 않거나 인증을 받지 않은 ROPS를 장착하였으며 인증을 받은 ROPS는 18.4%에 불과하였다. 또한, ROPS를 장착하고 있지 않았을 때 사고로 인한 사망률이 약 3배 증가하였다(Golbasi, 2002). 이러한 인명사고와 직결된 트랙터의 안전성 확보를 위해 국내와 세계 각국에서 트랙터 전도 사고로부터 운전자를 보호하기 위하여 인증 받은 ROPS를 필수적으로 장착하도록 요구하고 있다.
ROPS의 형태는 Fig. 1과 같이 캡과 프레임 두 가지 유형으로 구분되며 소음, 먼지 등 나쁜 실외 조건으로부터 운전자를 보호하고 트랙터가 전도되는 경우 운전자를 손상으로부터 보호하는 역할의 캡 또는 프레임 구조물을 통칭해서 ROPS라고 정의한다. 트랙터가 전도되는 경우 ROPS는 압착 저항 및 변형이 발생하게 되는데 이때 운전자의 안전영역을 보호하는지 확인하기 위해 실제 트랙터에 장착된 ROPS에 정적부하를 가해 평가하는 방법이 ROPS 시험이다(OECD, 2021). ROPS 시험은 부하의 위치, 부하 속도, 부하량 등 시험 조건에 맞지 않게 수행한 경우 신규 ROPS를 제작하여 트랙터에 장착하고 모든 절차를 다시 반복해야 한다고 규정하고 있다. 따라서, 신규 ROPS와 트랙터를 준비해야 하기 때문에 많은 부대비용 발생과 시간이 소모되게 된다. 또한, 한 번의 인증으로 추후 생산되는 구조물에 대해서도 모두 소급 적용되기 때문에 높은 정확도가 요구된다. 한편, 농업용 트랙터의 정확도 관련 연구를 살펴보면 Jeon 등(2021)은 농업용 트랙터 운전자의 편의성 향상과 밀접한 관계를 가지는 주행 변속을 위한 전류 제어시스템의 정확도와 부하 측정을 통한 제어기의 제어 안정성을 평가하였다(Jeon et al., 2021). 본 연구에서는 ROPS 시험에 필요한 소요 비용과 시간을 절약할 수 있도록 트랙터를 대체하여 간소화한 ROPS 모델의 사용가능성을 검토하고자 한다. 이를 위해 Fig. 2와 같이 OECD code 4 규정에 따라 트랙터에 장착된 상태의 ROPS 부하 요구에너지를 계산하였으며, 계산된 트랙터의 요구에너지를 트랙터 ROPS와 간소화 ROPS 모델에 각각 적용하여 후방, 측방, 전방 부하 시험을 수행하였다. 이때, 간소화 ROPS 모델의 성능평가를 위하여 부하 시험에서 측정된 작용 힘과 변형의 시험 정밀도를 분석하였으며, 트랙터 ROPS 시험 결과와의 차이를 분석하여 간소화 ROPS 모델의 사용 가능성을 평가하였다.
Materials and Methods
ROPS 요구에너지 계산
국내에서 제작되는 농업용트랙터에 장착되는 프레임 형태 ROPS를 대상으로 OCED code 4 규정에 따라 요구에너지를 계산하였다(OECD, 2021). 요구에너지는 트랙터의 기준 질량 등의 제원을 기반으로 각 부하방향에서 만족해야 하는 에너지를 OCED code 4 규정을 준용하여 식(1), (2) 및 (3)을 활용하였다. 여기서, 37 kW급 트랙터에 ROPS를 장착한 완제품 상태의 농업용트랙터 기준 질량 M을 1,650 kg으로 설정하여 부하 에너지를 계산하였을 때 ROPS의 후방부하 요구에너지는 2.310 kJ, 측방부하 2.888 kJ, 전방부하 0.578 kJ이었다.
(1)
(2)
(3)
where, E = required energy of each loading test (J)
M = tractor reference mass (kg)
ROPS 시험장비
본 연구를 위해 실제 대상 트랙터 ROPS는 2013 - 2019년까지 OECD 인증 받은 ROPS 모델 조사를 참조해 중간 크기의 30 - 37 kW급 트랙터에 장착하는 프레임 형태의 ROPS를 선정하였다(Lim, 2022). 프레임 형태의 ROPS는 대부분 트랙터 후륜 차축 케이스에 볼트 체결된 구조로 성능에서 펜더, 트랙터 부대품 등의 영향을 받지 않으며, 1차적으로 ROPS 부재가 에너지를 흡수하고 최종적으로 볼트 조립 부분에서 반력이 작용한다. 이와 같은 특성을 고려하여 프레임 형태의 ROPS가 장착된 37 kW급 농업용트랙터를 대체하여 Fig. 3a와 같이 ROPS를 장착할 수 있는 간소화 모델을 고안하고 볼트 탭의 위치와 크기를 실제 트랙터에 ROPS가 장착되는 방법과 동일하게 제작하였다. Fig. 3b와 같이 프레임 형태의 ROPS와 트랙터 후륜 차축케이스에 직결되는 점을 착안하여 간소화 장치를 고안하였다. 간소화 장치는 ROPS를 장착할 수 있는 부분과 트랙터 차축 높이에 따라 높이를 조절할 수 있는 부분과 트랙터 차축을 대신하여 테스트 베드와 부착하는 부분으로 구성 되어있다. ROPS Fig. 3c는 농업용트랙터 ROPS와 간소화 ROPS 모델에 실제 장착한 사진을 나타내고 있다. 본 연구에서 활용한 트랙터 및 ROPS 제원은 Table 1과 같다. 트랙터를 대체한 간소화 ROPS 모델은 서로 다른 형상과 크기로 구성된 여러 ROPS를 하나의 구조물에 장착할 수 있는 장점이 있고 ROPS 성능시험을 위해 다양한 크기의 트랙터를 준비하지 않고도 해당 성능시험을 용이하게 실시할 수 있으며, 트랙터와 유사한 구조로 구현해 줌에 따라 트랙터에 직접 장착하지 않고도 성능시험이 가능할 수 있을 것이다. 반복 시험 대상인 간소화 ROPS 모델의 제원, 볼트 규격 및 형상을 트랙터 제조사에서 유통되는 사양과 동일하게 제작하였다.
Table 1. Specifications of tractor with ROPS used in this study.
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ROPS, roll over protective structure; L, length; W, width; T, thickness. |
ROPS 부하시험
ROPS의 부하시험 순서는 후방, 측방, 전방 순으로 이루어져야 하며, ROPS의 후방 및 전방 부하의 작용 방향은 Fig. 4a, b와 같이 트랙터를 기준으로 각 방향에 작용시켰다. OECD code 4의 규정에 따라 부하의 작용 위치는 후방 및 전방 전도 사고시 지면과 최초로 접촉하게 되는 ROPS 부재에 작용시켰으며, Fig. 4a, c와 같이 프레임 외측 폭에서부터 안쪽으로 프레임 상단 폭의 1/6지점에 위치시켰다. 측방 부하의 작용 위치는 Fig. 4b와 같이 측방으로 전도 사고 시 지면과 최초로 접촉하게 되는 ROPS 부재에 작용시켰으며, 후방부하 시험에서의 위치와 반대인 곳에 작용시켰다. 즉, 후방 시험을 ROPS 기준 우측에서 작용시켰으면 측방 시험은 좌측에서 작용시켜야 한다.
농업용트랙터에 장착한 상태의 ROPS 성능 확인을 위한 부하시험을 수행한 후 동일한 ROPS를 트랙터 간소화 모델에 장착하여 3반복으로 부하시험을 수행하였다. 부하 시험장치는 Fig. 5와 같이 유압 실린더와 1,000 mm까지 변형을 측정할 수 있는 LVDT (IK4, GeFRAN corp., Provaglio d'lseo, Italy) 및 10톤 용량의 로드셀(Ls-10B, CAS corp., Seongnam, Korea)로 구성되어 있으며, mV로 측정된 힘 값은 로드셀 전용 엠프를 통해 신호를 증폭시켜 PLC (XGQ-TR4A, LS ELECTRIC Co., Ltd., Cheonan, Korea)에 송신한 후 RJ45 통신을 통해 데이터를 컴퓨터에 표시 및 저장하도록 구성 되어있다. 에너지는 실시간으로 측정된 힘과 변형 값을 기반으로 식(4)와 같이 계산되며, Fig. 6과 같은 그래프가 표현되도록 구성 되어있다. 유압 실린더의 부하 작용 속도는 모든 시험에서 1 mm·s-1로 설정하였으며, 시험장치에 입력한 요구에너지까지 실린더가 전진하여 부하가 작용된 후 에너지가 만족하는 시점에 부하는 중지되고 실린더는 후진하도록 설정 되어있다.
(4)
where, F1 = First measured force value (N)
F2 = Second measured force value (N)
Δ1 = First measured deflection value (mm)
Δ2 = Second measured deflection value (mm)
간소화 ROPS 모델 평가 방법
트랙터 간소화 ROPS 모델을 이용한 반복시험 자체에 대한 정밀도는 각각의 부하 방향에서 측정된 힘과 최대변형 값을 이용하여 측정치들의 평균치와 각 측정치 사이의 차이로 나타냈으며, 시험 값의 정밀성을 표현하는 척도인 상대표준편차를 식(5)와 같이 계산하였다. 본 연구에서는 정확도 분석을 위해 측정 값들의 평균값이 기준 값에서 벗어나 있는 편의(bias)를 측정하는 편의 분석 방법을 이용하였다(Lee et al., 2007). 편의 성분에는 반복성과 재현성 성분이 있으며, 반복성 편차 성분은 동일 측정자가 동일 장비를 가지고 동일한 부분을 반복 측정하였을 때 발생하는 편차를 나타내고 반복성에 의한 편차 요소는 측정 과정에서 발생되는 오차 요인과 측정 장비 자체의 오차 요인이 있다. ROPS 성능시험은 방법을 충분히 숙지하고 숙련자를 필요로 하는 특성과 시험 대상인 ROPS의 높은 제작비용으로 인해 시험자 간의 재현성 시험은 진행할 수 없어 본 논문에서는 반복성 편차 성분만 분석하였다. 반복시험에 대한 정확도는 트랙터 ROPS 시험의 결과 값을 기준으로 반복시험에서 측정된 힘의 평균상대오차는 식(6)을 이용하였으며, 최대변형의 평균값에 대한 평균상대오차는 식(7)을 이용하여 계산하였다. 트랙터 ROPS와 간소화 ROPS 모델 부하시험 간 정확도 분석은 실제 측정과 절대 측정 간의 일치 수준을 나타내며 결과가 표준 값과 얼마나 가깝게 일치하는지 판단하는 척도로 사용되는 평균상대오차를 적용하여 계산하였다. 통계적인 분석은 그래프를 구성하는 측정값 중 트랙터 ROPS 및 간소화 ROPS 모델 반복시험 간 최대 작용 힘까지의 평균으로 데이터를 처리하였으며, 신뢰수준 95 %로 설정하여 two sample t-test (SPSS statistics, Armonk, USA)를 수행하였다.
(5)
where, RSD = Relative standard deviation (%)
Mean = Mean for measured value of force and deformation in repeat test
STD = Standard deviation for measured value of force and deformation in repeat test
(6)
where, MRE = Mean relative error (%)
ROPSt = Measured value of force in tractor ROPS test
ROPSs = Measured value of force in simplified ROPS repeat test
(7)
where, MRE = Mean relative error (%)
ROPSt = Measured value of deformation in tractor ROPS test
ROPSs = Measured value of deformation in simplified ROPS repeat test
Results and Discussion
ROPS 부하시험 결과
트랙터 ROPS의 시험결과 후방 부하는 2.283, 측방 부하 2.721, 전방 부하 0.564 kJ의 에너지가 계산되었으며, 이때 최대 힘은 각각 13.445, 16.269, 6.070 kN으로 에너지와 힘이 OECD code 4에서 규정하는 형태의 그래프로 나타났다. 트랙터 ROPS 시험과 간소화 ROPS 모델 반복시험 간 힘-변형 곡선의 비교는 Fig. 7a - c와 같으며, 전방 부하의 반복시험 평균과 트랙터 ROPS 시험 결과를 비교했을 때 Fig. 6a 그래프와 같이 최대 힘은 0.39 kN, 최대변형은 44 mm로 트랙터 ROPS 시험 결과와 다소 차이를 보였다. 이는 전방 부하에서는 후방, 측방 부하와 다르게 ROPS 폴딩 부분의 간격에 의해 ROPS가 반력을 일으키기 전까지는 힘이 크게 작용하지 않았으며, 반복시험에서는 ROPS 폴딩 부분의 볼트 조임을 최대 힘으로 조립했으나 트랙터 ROPS 시험에서는 제출된 시험품 제작 상태 그대로 진행하여 나타난 차이 때문으로 판단된다. 반면에 반복 시험의 후방, 측방 부하에서는 트랙터 ROPS 시험과 유사한 형태의 그래프로 나타났다. 트랙터 ROPS 시험의 후방 그래프를 보면 ROPS는 반력과 변형을 일으켜 최대변형 271.0 mm에서 부하가 중지되었으며, 영구변형은 131.4 mm로 Fig. 7b와 같은 그래프로 나타났다. 측방 시험은 최대변형 255.5 mm, 영구변형 122.4 mm, 전방 시험은 최대변형 214.2 mm, 영구변형은 77.2 mm로 측정되었으며, Fig. 7a와 같은 형태의 그래프로 나타났다. ROPS 부하시험과 반복시험 결과 OECD code 4에 따른 각각의 부하방향 요구에너지에 만족하였으며 시험 중 ROPS의 균열, 연결부의 이탈, 과도한 변형 등은 나타나지 않았다. 이는 트랙터 차체의 크기 및 중량과 전도되었을 시 하중을 고려한 ROPS의 설계가 적절하게 이루진 것으로 사료된다.
Table 2. Result of mean value for simplified roll over protective structure (ROPS) repeat test.
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* Mean ± standard deviation. |
정밀도 평가결과
Table 2는 트랙터를 대체하여 ROPS를 장착할 수 있는 간소화 모델을 활용하여 반복 부하시험에서 측정된 각각의 힘, 최대변형 결과를 평균과 표준편차로 나타냈다. ROPS의 표준편차는 전방부하 힘 0.159 kN, 최대변형 5.2 mm, 후방부하 0.276 kN, 9.4 mm, 측방부하 0.033 kN, 6.1 mm로 나타났으며, 상대표준편차는 Fig. 8과 같이 힘 2.5, 2.0, 0.5% 최대변형 3.1, 3.3, 2.3%로 계산되었다. 반복 부하시험에서 전체적으로 3.3% 미만의 상대표준편차가 나타났으며, 요구부하가 가장 큰 측방부하에서 높은 정밀도를 보였다. 이를 통해 본 연구에서 고안한 트랙터 간소화 ROPS 모델을 이용하여 트랙터 실제 트랙터 ROPS 시험의 대체가 가능함을 알 수 있다.
정확도 평가결과
전방, 후방, 측방 부하시험 각각에서 측정된 힘, 최대변형의 평균과 인증시험 간의 평균상대오차를 구하여 Fig. 9와 같이 그래프로 나타냈다. 트랙터 간소화 ROPS 모델의 힘은 전방 6.4%, 후방 1.8%, 측방 0.5%, 최대변형은 전방 20.5%, 후방 5.5%, 측방 5.4%의 평균상대오차를 나타냈으며, 전방부하에서 힘과 최대변형 모두 오차가 가장 많이 발생하였다. 전체적으로 전방부하에서 오차가 크게 발생했으며, Fig. 7a의 그래프와 같이 부하가 시작되면서 ROPS 폴딩 부분의 구조적 간격으로 인해 작용 힘이 선형적으로 증가하지 않으면서 최대변형의 차이가 크게 나타난 것으로 판단된다. 실제 트랙터 ROPS 시험과 간소화 ROPS 모델 반복시험에서 측정된 힘에 대한 t-test 결과는 Table 3과 같다. 측방, 후방부하에서는 모델 간 차이가 없는 것으로 나타났으나, 전방부하에서 p-value의 값이 0.05보다 작아 트랙터 ROPS 시험과 간소화 ROPS 모델 반복시험 간 차이가 있는 것으로 나타났다.
Table 3. Independent two-sample t-test of ROPS load test (α = 0.05, two-tailed).
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ROPS, roll over protective structure; N, number; SD, standard deviation; SE, standard error. * α = 0.05, p value < α. |
동일한 방법과 절차에 따라 실시된 트랙터 ROPS 시험과 간소화 ROPS 모델 반복시험 간 후방, 측방부하 힘의 오차는 3.6% 이하, 최대변형 5.5% 이하로 나타났다. 그러나 전방부하에서 오차가 크게 나타났는데 이는 ROPS가 폴딩되는 부분의 볼트 조임 문제로 판단된다. 따라서, ROPS의 볼트 조임 등을 고려하여 본 연구에서 고안한 간소화 ROPS 모델을 이용할 경우 다양한 크기의 트랙터를 준비하는데 소모되는 비용과 설치에 따른 시간을 절약할 수 있을 것으로 판단된다.
Conclusion
트랙터를 이용한 ROPS 시험은 부하의 위치, 부하량 등 시험 조건에 맞지 않게 수행한 경우 ROPS를 신규로 제작하여 트랙터에 장착하고 모든 절차를 다시 반복하는 파괴시험으로 트랙터의 파손, 준비 등에 많은 비용과 시간이 소모된다. 이에 본 연구에서는 트랙터를 대체하여 ROPS를 장착할 수 있도록 고안한 트랙터 간소화 ROPS 모델에 대한 사용가능성을 확인하였으며, 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 트랙터 ROPS 시험 및 간소화 ROPS 모델 반복시험 간 힘-변형 값에 따른 그래프 형태를 비교하였을 때 후방, 측방 부하에서는 유사한 형태로 나타났다. 그러나 전방 부하에서는 일정구간 동안 힘이 증가하지 않으며 그래프 개형의 차이가 나타났다.
2. 트랙터 간소화 ROPS 모델을 이용한 반복 부하시험에서 전방부하는 힘 0.159 kN, 최대변형 5.2 mm, 후방부하 0.276 kN, 9.4 mm, 측방부하 0.033 kN, 6.1 mm로 표준편차가 나타났으며, 상대표준편차는 전체적으로 힘 2.5% 최대변형 3.3% 이하로 나타났고 측방부하에서 가장 높은 정밀도를 보였다.
3. 트랙터 ROPS 시험 결과 값을 기준으로 간소화 ROPS 모델 3반복 시험에서 측정된 힘, 최대변형 값의 정확도를 분석하기 위해 평균상대오차를 계산하였다. 그 결과, 전방부하시험에서 최대변형의 평균상대오차는 20.5%로 정확도가 낮게 나타났으며, 측방 부하에서 측정된 힘 값의 평균상대오차가 0.5%로 가장 높은 정확도를 나타냈다.
실제 트랙터에 장착하여 인증을 목적으로 한 시험과 트랙터를 대체하여 ROPS를 장착할 수 있는 트랙터 간소화 ROPS 모델의 반복시험을 통해 후방, 측방 부하에서 측정된 힘과 최대변형은 유사하였으나 전방 부하에서 차이가 나타났다. 이는 ROPS가 폴딩되는 부분의 연결부 간격으로 인해 시험 초기에 힘이 발생되지 않았으며, 성능시험 전 연결부의 볼트 조립 방법과 조임 토크 등 명확한 기준을 설정 후 구조물을 활용해야 할 것으로 판단된다. 또한, 명확한 기준이 없는 ROPS 연결부의 볼트 체결 강도 등을 변경하여 실험을 수행한다면 후방, 측방 부하에서도 결과는 상이하게 나타날 수 있어 간소화 ROPS 모델을 이용한 볼트 체결 강도에 변수를 둔 추가 실험이 필요할 것으로 사료된다. 그러나 반복시험에서는 높은 수준의 정밀도를 나타냈으며 트랙터를 대체한 간소화 ROPS 모델을 시험에 적용 가능함을 제시하였다.
