Introduction
국내 농촌은 주로 영세소농 구조로 이루어져 있으며 국내 농가인구는 2010년 306만 3,000명에서 2021년 221만 5,000명으로 지속적으로 감소하고 있다(Woo et al., 2023). 국내 농경지는 2000년 1.888 백만 ha에서 2019년 1.580 백만 ha로 약 16% 감소하였으며(Lee et al., 2020a), 그 중 논 경지면적은 2019년 82만 9,800 ha, 2020년 82만 3,900 ha, 2021년 78만 400 ha로 감소하였다(KOSIS, 2022). 이와 같은 상황은 세계 인구의 증가로 인한 식량 생산량 증대의 필요성과 맞물려 국내 식량 안보에 위협이 되며(Siddique et al., 2020), 이러한 문제를 해결하기 위해 곡물 생산량 확보를 위한 대형 및 고효율 농작업 기계의 수요가 증가하고 있다(Jeong and Shin, 2022).
하지만, 현재까지 국내 농기계 제조사들은 대형 및 고효율 농기계 기술 개발을 진행 중에 있으며, 6조 이상의 대형 콤바인은 대부분 해외 제조사가 시장을 선점하고 있다. 이와 같은 상황을 극복하고 국내 제조사들이 경쟁력을 확보하기 위해서는 고효율 작업이 가능한 고속 작업 콤바인의 개발이 필요하다.
콤바인의 경우 작업속도가 증가함에 따라 예취부와 탈곡부의 작업속도가 증가한다. 탈곡부의 경우 탈곡 속도에 따라 쌀알이 파쇄되거나, 볏짚이 밀리는 문제가 발생한다. 이에 따라, 벼를 절단하는 예취부, 절단된 벼로부터 낱알을 분리하는 탈곡부 등의 재설계가 필요하다. Liu 등(2022)은 콤바인 탈곡성능 향상을 위해 중공 유압 실린더에 의해 직경을 조절할 수 있는 가변형 직경 탈곡통 콤바인을 개발하여 탈곡성능 향상을 위한 모니터링 방법 개발에 대한 연구를 수행하였다. Lee 등(2020b)은 탈곡통 시뮬레이터를 이용하여 탈곡통 회전속도 변화에 따른 탈곡 효율을 분석하였으며, Seo 등(2006)은 과도한 곡물이 탈곡부에 공급되어 발생하는 탈곡성능 저하 및 곡물 손실 문제를 해결하기 위해 탈곡통의 길이와 탈곡물의 공급률 증가에 따른 탈곡성능을 분석하여 설계요인을 구명하였다.
연구 방법으로는 수식적 방법과 실험적 방법이 있으며 주로 두 가지 방법 모두를 사용한다. Choudhary 등(2021)은 4가지 쟁기 작업기를 이용하여 쟁기 작업 모드를 개발하였으며, 쟁기 작업 간 각 모드의 소요동력을 계측하고 작업 지수를 평가하였다. Saha 등(2021)은 고효율의 경운식 이륜 제초기를 개발하였으며, 4가지 방법을 선정하여 각 방법에 따른 제초 작업 간 제초 효율을 분석하고 비교하였다. Shafaei 등(2021)은 동력전달 효율에 영향을 미치는 주요 인자인 주행모드와 주행속도에 따라 트랙터의 동력전달 효율을 수식적으로 분석하였다. Kim 등(2019)은 트랙터 변속기 설계를 최적화하기 위해 쟁기 작업 간 부하를 계측하였으며, 등가 토크를 계산하여 주변속 기어의 강도를 예측하였다. 하지만 위와 같은 방법들은 환경 및 기타 요인에 영향을 많이 받기 때문에 최근에는 주로 시뮬레이션을 이용하여 연구를 수행하고 있다.
기존 콤바인의 설계 변형 후에는 성능평가가 필수적이다. 하지만 콤바인의 작업 특성에 따라 수확철에만 작업이 가능하기 때문에 기술 개발 및 개선에 어려움이 존재한다. 이러한 문제들을 극복하기 위해 최근에는 시뮬레이션을 통해 수확작업을 구현하고자 하는 움직임이 있다. Liu 등(2021)은 단일 탈곡 간격과 다중 탈곡 간격의 탈곡 성능을 비교하기 위해 이산 요소법을 사용하여 쌀 혼합물의 이동과정에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. Su 등(2020)은 이산요소법(discrete element method)을 통해 동심 및 비동심 탈곡 모델을 구성하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 탈곡 간격이 탈곡기의 성능에 미치는 영향을 분석했다.
본 연구는 콤바인의 고속 수확작업 기술 개발에 대한 기초 연구로써, 고속 수확작업의 효율을 확보하기 위해 벼 모델을 개발하고 탈곡통의 동역학 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 탈곡 성능은 벼의 물성뿐만 아니라 탈곡통의 급치 배열, 급치 형상, 회전속도와 같은 물리적 특성에 영향을 받기 때문에 실차 모델을 제작하여 시험을 수행하는 데는 물리적 한계가 따른다. 따라서, 상용 소프트웨어를 활용하여 탈곡통을 모델링하였으며 탈곡통의 회전속도에 따른 벼 입자 탈곡 시뮬레이션을 수행하였다. 탈곡통의 구간별 탈곡량을 분석하여 탈곡 성능을 평가하였다.
Materials and Methods
자탈형 콤바인
콤바인은 벼를 수확하기 위해 사용되는 기계이며, 벼를 절단하는 예취부, 절단된 벼로부터 낱알을 분리하는 탈곡부, 분리된 낱알을 저장탱크로 이송하는 이송부로 구성된다. 콤바인의 종류에는 크게 보통형 콤바인과 자탈형 콤바인 두 가지가 있다. 자탈형 콤바인은 포장을 이동하며 작물을 예취한 후, 줄기를 붙잡아 운반하면서 이삭부분만을 탈곡장치로 이동시켜 탈곡, 선별 작업을 수행하는 자주식 곡물 수확기이다. 국내에서는 주로 자탈형 콤바인이 개발되어 시판되고 있다.
본 연구에서는 Fig. 1의 대동공업 6조 콤바인(DXM110G, Daedong Industrial Co., Ltd., Korea)을 사용하였다. 콤바인의 크기는 4,980 mm (L) × 2,345 mm (W) × 2,720 mm (H) 이며, 하중은 4,520 kg이다. 엔진(854F-E34TAN, Perkins, UK)은 직립형 수냉 4기통 행정 디젤기관을 사용하였으며, 최대 출력은 2,500 rpm에서 75.6 kW이고 그 구체적인 제원은 Table 1과 같다.
벼 줄기 물성 측정
벼 모델링을 위해서는 줄기의 굵기에 따른 물성이 필요하다. 물성 중 영률은 재료에 따라 크게 변하기 때문에 정확한 모델링을 위해 시험을 통해 해당 계수를 도출하였다. 이외의 물성으로는 줄기의 포아송비, 전단력, 항복응력, 변형률, 벼 낱알의 분리력이 있으며, 포아송비와 낱알분리력은 선행연구를 참고하여 각각 0.25 (Zhang et al., 2020), 13.9 MPa (Wang et al., 2020)로 설정하였다.
영률은 전단시험을 통해 계산할 수 있으며, 벼의 전단시험을 수행하기 위해 선행연구를 분석하였다. Galedar 등(2008)은 6 mm 간격으로 고정된 전단 상자에 종방향으로 줄기를 고정하였으며, 벼를 절단시키는 하강 판의 속도를 10 mm/min으로 설정하여 로드셀에 가해진 힘을 측정하였다. 이를 통해 시험 시작 후 줄기가 파괴되기 까지의 시간을 고려하여 줄기의 전단시험을 수행하였다.
본 연구에서는 Fig. 2a의 재료물성 시험기를 이용하여 Fig. 2b와 같이 전단력을 계측하였으며, 재료물성 시험기(ST-1002, SALT Co., Ltd., Korea)의 제원은 Table 2와 같다. 작물은 지그를 이용하여 고정하였다. 줄기의 굵기는 지면으로부터의 높이에 따라 다르다. 따라서, Fig. 3과 같이 벼 줄기 마디를 기준으로 지면으로부터 높이에 따라 S1, S2, S3으로 분류하였으며(Esgici et al., 2019), 동일 시험 조건에서 3회 반복하여 시험하였다. 선행 연구 조사 결과, 밀 1.52 mm (Kushwaha et al., 1983), 알팔파 3.55 mm (Galedar et al., 2008), 쌀 5.4 mm (Wang et al., 2020), 해바라기 19 mm (İnce et al., 2005) 순으로 줄기가 굵었으며, 칼날의 속도는 재료의 굵기에 따라 달랐다. 선행 연구에 따라, 본 연구에서는 벼 절단 날의 속도를 1 mm/s로 선정하였다.
전단력은 재료물성 시험기를 이용하여 벼 줄기에 칼날로 압력을 주어 줄기가 끊어지기 전까지 로드셀을 이용하여 측정하였다. 칼날의 두께는 칼날에서 0.39 mm이며, 칼등에서 1.95 mm이다. 지그 간격은 줄기 굵기에 따른 영률을 계산하기 위해 Fig. 4와 같이 20, 40, 60 mm로 분류하였다. 영률을 계산할 때 삼각함수를 이용하였으며, 시뮬레이션이 벼 샘플의 특성을 반영하도록 지그 간격을 변화시켰다. 이를 통해 지그 간격 변화에 따른 영률의 평균을 구하였다.
전단 항복응력은 전단력-변위 그래프에서 선형관계성을 잃는 전단력을 추출하여, 해당 값을 시편의 단면적으로 나누어 계산하였다. 변형률 ε은 Fig. 5과 같이 지그 사이의 거리와 항복응력 시 변위의 삼각함수를 통하여 식(1)을 이용하여 계산하였다.
벼 낱알 물성 측정
벼 낱알의 크기는 탈곡된 벼 낱알 50개를 무작위로 선별하여 전자식 버니어 캘리퍼스(K23687574, 35C, Korea)로 계측하였다. 벼 낱알을 기준으로, 넓적한 면의 폭, 좁은 면의 폭 그리고 길이를 각각 계측하였으며 등가 반지름은 좁은 면의 폭과 길이를 이용하여 식(2)와 같이 계산하였다.
여기서, DA = width of wide side of rice grain (mm)
DB = width of narrow side of rice grain (mm)
DR = equivalent diameter of rice grain (mm)
벼 단품 모델링
벼 단품 모델은 선행연구를 참고하여 이산 요소 프로그램인 EDEM (EDEM 2021, Altair Engineering Ltd., USA)을 이용하여 개발하였다(Wang et al., 2020). 이산 요소법은 각 입자들을 강체로 취급하여 동역학적 거동을 해석하는 방법이며, 일부 유연체적인 요소를 고려하여 해석을 수행한다. 또한, 각 벼 입자들에 연결 조건을 부여하여 각 소성한계에 다다르면 입자들의 파괴를 구현할 수 있기 때문에 해당 기법을 벼 모델링 및 시뮬레이션 모델 개발에 사용하였다.
이산 요소법을 사용하기 위해서는 벼의 물성 값이 필요하며, 물성으로는 포아송비, 영률, 크기(길이, 폭, 높이), 밀도 등이 있다. 포아송비는 재료가 인장력을 받아 작용 방향으로 늘어날 때, 가로 방향 변형도와 세로 방향 변형도 사이의 비율을 나타내는 값이며, 영률은 선형 탄성 재료의 응력과 변형률 사이의 관계를 정의하는 탄성계수이다.
탈곡 시뮬레이션 시간을 감소시키기 위해 벼의 전체 길이를 고려하지 않고, 실제 탈곡부에 투입되는 부분만 고려하여 모델을 구성하였다. 전체 줄기는 약 450 mm까지 구성하였고, 벼 입자 부분은 약 300 mm로 구성하여 해석에 사용되는 입자수를 최소화하여 시뮬레이션 시간을 감소시켰다. 벼 모델의 낱알 개수는 벼 1개에 구성되어 있는 낱알의 무게를 계측하여 선정하였다. 낱알 1개 당 무게는 0.07 g이고 총 낱알 개수는 150개로 구성하여 10 g으로 Fig. 6과 같이 벼 모델을 개발하였다.
벼 모델은 낱알과 줄기로 구성하였으며, 줄기 간의 결합, 낱알과 줄기의 결합, 낱알 입자로 구성되어 있다. 줄기 간의 결합은 줄기 입자 간의 가상 결합으로 구성하였으며, 낱알과 줄기의 결합은 낱알 입자와 줄기 입자 간의 가상 결합으로 구성되어 있다. 각 가상 결합은 결합력과 결합 토크로 구성되어 있으며, 식(3) 및 식(4)와 같이 각 가상 결합을 구성하는 입자에 결합의 최대 정상응력 및 전단응력이 작용할 시 결합이 파괴되도록 구성하였다.
여기서, σmax = critial normal stress (MPa)
τmax = critical shear stress (MPa)
Fn = normal force (N)
Ft = tangential force (N)
Tt = tangential torque (N∙m)
A = cross secional area (mm2)
J = polar area moment of inertia (kg∙mm2)
D = outer diameter (mm)
각 가상 결합의 최대 정상응력 및 전단응력은 선행연구를 분석하여 선정하였다. 줄기 간의 가상 결합은 43 MPa의 최대 정상응력 및 12.6 MPa의 최대 전단응력으로 선정하였다. 낱알과 줄기의 가상 결합은 13.9 MPa의 최대 정상응력 및 4.6 MPa의 최대 전단응력으로 선정하였다(Wang et al., 2020). 벼 탈곡 모델은 Fig. 7과 같이 벼 모델을 병렬로 배치하여 탈곡 시뮬레이션을 구성하였다. 벼 탈곡 모델의 길이는 예취된 벼가 탈곡통으로 들어가는 벼의 길이가 약 250 ~ 350 mm 정도인 점을 고려하여 300 mm로 설정하였다.
탈곡부 시뮬레이션
탈곡통 동역학 모델은 동역학 소프트웨어(Recurdyn V9R4, Functionbay Co., Ltd., Korea)를 이용하여 Fig. 8과 같이 구성하였다. 탈곡통의 크기는 지름 550 mm, 길이 1,100 mm이다. 탈곡통 모델에 회전 구속 조건을 부여하였으며 탈곡통 회전속도는 정격 회전속도와 가까운 500 rpm에서부터 10 rpm씩 증가시켜 500, 510, 520, 530, 540 rpm을 시뮬레이션 회전속도 조건으로 설정하였다. 탈곡탱크는 탈곡통 모델 하부를 Fig. 9와 같이 5구간으로 나누어 구성하였으며, 탈곡된 입자가 하부 탈곡탱크로 수집되어 탈곡 위치를 파악할 수 있도록 구성하였다. 1 - 4구간은 탈곡 구간으로 간주하였으며, 5구간은 미탈립 구간 즉, 손실로 간주하였다. 탈곡량은 각 구간에 수집된 탈곡 입자들의 무게를 이용하여 탈곡통 회전 속도에 따라 도출하였다.
Results and Discussion
벼 줄기 직경
벼 줄기의 직경 측정 데이터는 Table 3과 같이 나타났다. 지그 간격 20 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 직경은 각각 2.14, 3.11, 4.12 mm로 나타났다. 지그 간격 40 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 직경은 각각 2.29, 3.42, 4.21 mm로 나타났다. 지그 간격 60 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 직경은 각각 2.27, 3.16, 4.06 mm로 나타났다.
벼 줄기 직경
벼 줄기의 항복응력 데이터는 Table 4와 같이 나타났다. 지그 간격 20 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 항복응력은 각각 1.32, 0.47, 0.2 MPa로 나타났다. 지그 간격 40 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 항복응력은 각각 1.69, 0.54, 0.27 MPa로 나타났다. 지그 간격 60 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 항복응력은 각각 0.88, 0.46, 0.2 MPa로 나타났다.
벼 줄기 변형률
벼 줄기의 변형률 데이터는 Table 5와 같이 나타났다. 지그 간격 20 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 변형률은 각각 0.0686, 0.0619, 0.0031으로 나타났다. 지그 간격 40 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 변형률은 각각 0.1248, 0.0436, 0.0439로 나타났다. 지그 간격 60 mm의 조건에서 S1, S2, S3의 평균 변형률은 각각 0.0048, 0.0076, 0.0008로 나타났다.
시뮬레이션 모델 결과
탈곡통 동역학 시뮬레이션 결과는 Table 6과 같이 나타났다. 탈곡통 회전속도 500 rpm에서 탈곡량은 구간 1, 구간 2, 구간 3, 구간 4, 구간 5에서 각각 430, 630, 380, 162, 18 g으로 나타났다. 탈곡통 회전속도 510 rpm에서 탈곡량은 구간 1, 구간 2, 구간 3, 구간 4, 구간 5에서 각각 445, 645, 384, 163, 13 g으로 나타났다. 탈곡통 회전속도 520 rpm에서 탈곡량은 구간 1, 구간 2, 구간 3, 구간 4, 구간 5에서 각각 468, 620, 399, 163, 14 g으로 나타났다. 탈곡통 회전속도 530 rpm에서 탈곡량은 구간 1, 구간 2, 구간 3, 구간 4, 구간 5에서 각각 512, 635, 401, 163, 13 g으로 나타났다. 탈곡통 회전속도 540 rpm에서 탈곡량은 구간 1, 구간 2, 구간 3, 구간 4, 구간 5에서 각각 504, 650, 402, 163, 13 g으로 나타났다.
탈곡통 회전속도에 따른 탈곡량 데이터를 이용하여 구간별 평균 탈곡량을 산출하였다. 구간별 평균 탈곡량은 구간 1에서 28.09%, 구간 2에서 37.92%, 구간 3에서 23.44%, 구간 4에서 9.71%로 나타났으며, 미탈립인 구간 5에서 약 0.85%로 나타났다. 구간별 탈곡량은 쌀이 구간 1과 2를 지나며 탈곡이 진행되기 때문에 구간 3과 4는 상대적으로 적은 탈곡량을 나타내는 것으로 분석된다. 또한, 회전속도별 탈곡률은 500, 510, 520, 530, 540 rpm에서 각각 98.89, 99.21, 99.16, 99.25, 99.25%로 나타났으며, 탈곡률은 회전속도에 비례하게 나타나는 것으로 분석된다.
Conclusion
본 연구는 국내 농업 환경에 적합한 고속주행 콤바인 개발을 위한 기초 연구로써, 기존의 콤바인 모델을 참고하여 탈곡통 시뮬레이션 모델을 구성하고, 선행연구를 분석하여 벼 모델을 개발하였다. 콤바인 탈곡통의 회전속도는 정격 회전속도인 507 rpm의 근처인 500 rpm을 기준으로 하여 10 rpm씩 증가시켜 시뮬레이션을 수행하였으며, 탈곡통 하부에 5구간의 탈곡탱크를 구성하여 각 구간에 수집된 탈곡 입자들의 무게를 이용하여 탈곡량을 분석하였다.
탈곡 시뮬레이션 결과, 탈곡 초반부인 구간 1, 구간 2에서 탈곡률이 높게 나타났으며 탈곡 후반부인 구간 3, 구간 4에서는 상대적으로 탈곡률이 낮게 나타났다. 미탈립 비율은 탈곡 속도가 빠를수록 낮게 나타났으며, 구간별 탈곡률은 구간 2, 구간 1, 구간 3, 구간 4 순으로 높게 나타났다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 탈곡량을 분석하였으며, 실차 제품과의 비교를 통한 시뮬레이션 모델 검증은 수행하지 않았다. 추후 연구에서는 본 연구에서 제작한 시뮬레이션 모델과 실차 모델과의 구간별 탈곡량 비교를 통해 시뮬레이션 모델 검증을 수행할 예정이다.
Authors Information
Min-Jong Park, https://orcid.org/0000-0003-2840-339X
Hyeon-Ho Jeon, https://orcid.org/0000-0003-0998-3819
Seung-Yun Baek, https://orcid.org/0000-0001-7330-6949
Seung-Min Baek, https://orcid.org/0000-0002-4627-191X
Su-Young Yoon, https://orcid.org/0009-0008-2008-1115
Jang-Young Choi, Department of Electrical Engineering, Chungnam National University, Professor
Ryu-Gap Lim, https://orcid.org/0000-0001-7825-7293
Yong-Joo Kim, https://orcid.org/0000-0002-1212-9018
