농작업에 따른 농업용 트랙터의 캐빈 거동 측정 및 분석

전현호 ( Seung-min Baek ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

농업용 트랙터의 캐빈에는 작업자에게 필요한 편의기구 및 조작기구들이 설치되어 있으며, 이를 통해 운전자에게 안락한 작업공간을 제공한다. 캐빈 내에서 환경을 계속하기 위한 연구들은 지속되어 수행되고 있다. 그러나 농업기계는 주로 비정형 환경에서 작업을 수행하기 때문에 작업 간 캐빈의 자세는 지속적으로 변화하여 작업자의 피로감을 증대시킬 수 있다. 이를 해결하기 위해 최근 해외 선진사에서는 ECS (Electro Controlled Suspensionㄱ) 시스템이 탑재된 농업기계를 상용화시키고 있다. 본 연구에서는 트랙터의 자세 제어 장치를 개발하기 위한 기초연구를 수행하였으며, 농작업 간 캐빈의 거동을 측정하고 분석하였다. 캐빈의 거동을 측정하기 위해서 무게중심점에 IMU (Inertia Measurement Unit)을 설치하였다. 농작업 조건은 트랙터 작업 중 가장 많은 비중을 차지하는 플라우 및 로타리 작업으로 선정하였다. 작업속도는 쟁기 및 로타리 작업에서 가장 많이 사용하고 있는 작업 단수로 설정하였다. 데이터 분석은 최대, 최소, 평균 및 표준 편차에 대한 비교 및 분석을 수행하였으며, 박스 그래프를 이용하여 작업 간 캐빈의 자세 분포 정도에 대한 분석을 수행하였다. 플라우 작업 시 Roll 및 Pitch 각은 각각 평균 -0.7°, 0.4°로 나타났으며, 로타리 작업 시 Roll 및 Pitch 각은 각각 평균 -0.8° 및 -0.1° 로 나타났다. 작업속도가 증가함에 따라 Roll 및 Pich 각은 더 크게 나타났으며, 최대 2° 범위 내에서 변화를 보이며 작업을 수행하는 것으로 나타났다. 본 연구는 농작업 간 캐빈의 거동에 대한 분석을 수행하였으며, 차후 연구에서는 본 연구에서 분석한 데이터를 이용하여 자세 제어 시스템 개발을 수행할 예정이다.

67 kW급 농업용 트랙터의 엔진 부하율 분석

백승윤(Seung-Yun Baek),김완수(Wan-Soo Kim),백승민(Seung-Min Baek),전현호(Hyeon-Ho Jeon),박수한(Su-Han Park),김진식(Jin-Sik Kim),유철(Chul Yoo),김용주(Yong-Joo Kim) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.3

본 연구는 국가 배출량 산정을 위한 기초연구로써 67 kW급 농업용 트랙터의 엔진 부하율을 분석하기 위하여 수행되었다. 엔진 출력은 부하 계측 시스템을 통해 계측한 엔진 CAN(controller area network) 데이터를 통해 계산하였다. 주요 농작업은 주로 중형 마력급 트랙터로 수행되는 플라우 경운, 로터리 경운, 필드 및 도로 주행 작업으로 선정하였으며, 필드시험은 작업 단수 및 초기 엔진 회전속도를 주요 변수로 고려하여 수행하였다. 부하율은 작업 중 발생하는 엔진 출력과 엔진 정격 출력의 비로 계산하였으며, 사용 비율에 따른 가중치(플라우 경운: 35.1%, 로터리 경운: 39.8%, 필드 및 도로 주행: 25.1%)를 적용하였다. 엔진 부하율은 플라우 경운 작업, 로터리 경운 작업, 필드 및 도로 주행 작업 조건에서 각각 평균 0.85, 0.93, 0.32로 나타났으며, 통합 엔진 부하율은 가중치를 적용하여 0.75로 계산되었다. 이는 현행 적용되고 있는 부하율인 0.48 대비 약 1.56배 더 높은 것으로 나타났다. This study aims to analyze the engine load factor of a 67 kW agricultural tractor to calculate national emission. Engine power was calculated using engine CAN data measured by the load measurement system. Plow tillage, rotary tillage and driving (field and road) operations were selected as major agricultural operations, and the field test was conducted considering the gear stage and initial engine rotational speed as major variables. The engine load factor was calculated as the ratio of the engine power during operations and the engine rated power, and a weight factor according to the usage ratio (plow tillage: 35.1%, rotary tillage: 39.8%, driving operation: 25.1%) was applied. The engine load factor was 0.85, 0.93, and 0.32 on average in plow tillage, rotary tillage, and driving operations. The integrated engine load factor was calculated as 0.75. This was found to be about 1.56 times higher than the conventional engine load factor of 0.48.

트랙터 부착형 땅속작물 수확기의 소요 동력 분석

박민종 ( Min-jong Park ),전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),백승민 ( Seung-min Baek ),백승윤 ( Seung-yun Baek ),이준호 ( Jun-ho Lee ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

감자수확 작업의 경우 아직도 대부분이 수작업으로 수행되고 있다. 그러나 농촌 노동가능 인구도 지속적으로 감소하고 있어 감자수확의 기계화가 필요한 실정이다. 본 연구는 자주식 땅속 작물 수확기 개발을 위해 수행되었으며, 트랙터 부착형 땅속 작물 수확기를 이용하여 부하계측 시스템을 개발하고 감자수확 작업 시 소요동력을 계측하고 분석하였다. 부하 계측은 55 kW급 농업용 트랙터(TX76, TYM Co., Ltd, Iksan, Korea) 및 땅속 작물 수확기(HD-PC900, Hyundae agricultural machinery Co., Ltd, Iksan, Korea)를 이용하여 수행하였다. 땅속작물 수확기는 트랙터 PTO (Power Take-Off)에 부착되어 구동된다. 땅속작물 수확기의 부하들은 수확기 구동부에 유압센서들을 설치하여 측정 하였으며, 계측된 부하는 PTO에서 소용되는 부하로 설정하였다. 트랙터의 부하는 CAN (Controller Area Network) 통신을 이용하여 수집하였으며, 각각 회전속도 및 토크를 계측하였다. 트랙터 구동에 필요한 구동 출력은 엔진 출력 중 PTO에서 소요되는 출력을 배제하여 게산하여 데이터 수집을 하였다. 부하 계측은 실제 감자 수확 작업 간 수행하였으며, 수확기 작업 속도를 고려하여 1km/로 설정하여 수행하였다. 계측 결과 작업 간 엔진속도, 토크, 출력은 각각 825~1,423 rpm, 95~228 Nm, 9~31 kW로 나타났다. 구동 출력은 9~28 kW로 나타났으며, 해당 출력은 차량 구동에 필요한 최소 동력으로 판단하였다. 해당 부하를 측정하면서 차량이 개발되기 위해서는 최소 40 kW 이상의 엔진이 사용되야 되는 것으로 판단되었다.

사일리지 형성을 위한 140 kW 자주식 일관 베일 작업기 소요동력 분석

박민재(Min-Jae Park),양철우(Cheol-Woo Yang),백승민(Seung-Min Baek),백승윤(Seung-Yun Baek),전현호(Hyeon-Ho Jeon),이준호(Jun-Ho Lee),김용주(Yong-Joo Kim) 유공압건설기계학회 2022 유공압건설기계학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.12

트랙터 후륜 타이어 접촉 면적에 따른 농작업 부하 데이터 분석

백승민(Seung-Min Baek),백승윤(Seung-Yun Baek),전현호(Hyeon-Ho Jeon),김완수(Wan-Soo Kim),임류갑(Ryu Gap Lim),김용주(Yong-Joo Kim) 유공압건설기계학회 2022 유공압건설기계학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.12

본 연구는 타이어 접촉 면적에 따른 트랙터 농작업 부하 데이터 비교 및 분석을 위해 수행되었다. 67 kW급 트랙터를 이용하여 쟁기 작업을 대상으로 엔진, 차축, 견인력 등에 대한 데이터를 계측하였다. 트랙터 타이어 조건은 접촉 면적에 따라 총 4가지로 설정하였으며, 싱글과 듀얼 타입에 대해서 각각 2조건으로 분류하여 수행하였다. 필드 테스트 결과, 엔진 토크는 타이어 접촉 면적이 클수록 높게 나타나는 것을 확인하였으며, 타이어 접촉 면적이 가장 큰 듀얼 타이어 조건인 Case Ⅳ 조건에서 엔진 토크가 가장 높게 나타났다. 엔진의 최대 출력 토크가 380 Nm인 것을 고려할 때 Case Ⅳ 조건에서 엔진의 최대 토크 대비 약 81~93%의 토크를 사용한 것으로 나타났다.견인력은 타이어 접촉 면적이 클수록 높게 나타나는 것을 확인하였으며, Case Ⅳ 조건에서 가장 높게 나타났다. 이에 따라 견인동력, 견인 효율, 견인계수 모두 Case Ⅳ 조건에서 높게 나타났으며, Case Ⅳ 조건에서 견인동력은 30.3~45.3 kW, 견인효율은 0.49~0.93, 견인계수는 0.37~0.60으로 나타났다. Case Ⅳ의 타이어 접촉 면적이 Case Ⅰ 대비 약 2배 증가함에 따라 견인 성능 지표는 약 1.94~2.22 배로 증가하는 것으로 나타났으며, 견인 성능 중견인 효율이 가장 크게 증가한 것으로 나타났다. 이에 따라 적절하게 타이어 접촉 면적을 설정함에 따라 트랙터의 중요 성능 지표인 견인력이 증가하는 것을 확인하였으며, 이에 대한 트랙터 부하 데이터를 확보하였다. 해당 데이터는 간척지 트랙터 개발 및 성능 최적화에 대한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

자주식 일관 베일러의 소요동력 분석

박민재 ( Min-jae Park ),양철우 ( Cheol-woo Yang ),전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),백승윤 ( Seung-yun Baek ),백승민 ( Seung-min Baek ),이준호 ( Jun-ho Lee ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

베일 작업은 수확, 주행, 베일링, 랩핑작업을 개별적으로 수행하며, 작업기 디스크 모아, 집초기, 베일러, 랩핑기로 구성되어 있다. 베일 작업은 많은 작업기를 개별적으로 사용해야 하며, 이에 많은 노동력과 경제적으로 비효율적이다. 이에 본 연구는 개별적으로 이루어지는 베일러의 일관 작업기 가능한 작업기 개발에 대한 기초 연구로서, 자주식 통합 베일러 부하 계측 시스템을 개발하고 주행시 소요되는 소요동력을 분석하였다. 자주식 일관작업기는 140 kW급 Tier-3 엔진을 탑재하였으며, 주행부는 궤도형으로 구성되어 있다. 소요동력 분석은 최적 설계 및 정확한 부하측정을 위해 실제 작업환경에서 진행되었다. 부하 데이터 측정을 위한 장비는 PTO (Power take off)축 스트레인 게이지, PTO 토크미터 및 증폭기, 주행부 및 랩핑부 유압 센서, DAQ (Data acquisition)로 구성되어 있다. 소요동력을 산출하기 위한 데이터는 데이터 측정 장비를 통해 수집하였으며, 소요 동력 계산식을 통해 작업시 주행에 대한 유압장치의 소요 동력을 계산하였다. 분석 결과, 소요 동력은 6 km/h 및 베일 2단 압력 조건에서 가장 높게 나타났으며, 수확기(49.8 kW), 베일러(5.1 kW), 주행부(8.8 kW), 랩핑부(4.0 kW) 순으로 나타났다. 향후 연구에서는 본 연구의 결과 데이터를 활용하여 자주식 일관 베일러의 동력전달 시뮬레이션 모델 개발 및 최적화 설계를 수행할 예정이다.

다목적 플랫폼의 유압 동력 전달 시스템 시뮬레이션 모델 개발

서종빈 ( Jong-bin Seo ),전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),백승민 ( Seung-min Baek ),백승윤 ( Seung-yun Baek ),서종빈 ( Jong-bin Seo ),전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),백승민 ( Seung-min Baek ),백승윤 ( Seung-yun Baek ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

국내 밭 면적은 국토 농지 면적의 44.8%이며, 경사지 및 소규모 경작지의 비율이 높아 기존의 농작업 플랫폼을 이용하여 밭 작업을 수행하기에는 많은 어려움이 있다. 밭 작업의 기계화율 및 작업 효율성을 높이기 위해서는 밭 작업 환경에 적합한 플랫폼 개발이 필요한 실정이다. 본 연구는 밭 작업 환경에 적합한 궤도 타입의 주행플랫폼을 개발하기 위한 기초연구로써 수행되었으며, 궤도 플랫폼 유압 동력전달 시스템의 시뮬레이션 모델 개발 및 검증을 수행하였다. 본 연구에서는 AMESIM(19.2, 독일 SIMENSE)을 이용하여 궤도 플랫폼 유압 동력전달시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 모델의 입력값은 주행 시험 중 계측한 구동부 스프라켓의 부하로 설정하였으며, 모델의 검증값은 부하에 따른 유압펌프에서 발생하는 유압으로 선정하였다. 시뮬레이션 모델은 계측에 사용된 플랫폼의 제원을 이용하여 구성하였다. 입력값 및 검증값을 계측하기 위해 계측 시스템을 개발하였다. 입력값 계측은 궤도의 구동부스프라켓을 가공 및 교정하여 센서 화를 통해 데이터를 받을 수 있도록 구성하였으며, 검증 값은 유압펌프에 유압 센서를 설치하여 수행하였다. 시뮬레이션 및 계측 시험은 같은 조건으로 설정하여 수행하였으며, 노지 주행 시 엔진 회전속도 2,600 rpm 및 주행속도 1.5 km/h로 설정하여 수행하였다. 시뮬레이션 모델 검증은 계측 값과 시뮬레이션 결과 값의 평균값 오차 분석을 통하여 수행하였다. 분석결과, 시뮬레이션 결과 값과 계측 값의 평균값의 오차는 약 10%인 것으로 나타났다. 차후 연구에서는 개발한 시뮬레이션 모델을 이용하여 Co-simulation을 진행할 예정이며, 주행조건에 따른 부하 예측 및 성능평가 등에 관한 연구를 수행할 예정이다.

농작업에 따른 농업용 트랙터의 캐빈 거동 측정 및 분석

전현호(Hyeon-Ho Jeon),백승윤(Seung-Yun Baek),백승민(Seung-Min Baek),이준호(Jun-Ho Lee),김용주(Yong-Joo Kim) 한국자동차공학회 2022 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2022 No.6

플라우 경운 작업 시 농업용 트랙터 캐빈의 거동 분석

전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),백승민 ( Seung-min Baek ),백승윤 ( Seung-yun Baek ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

농업기계는 비정형 포장에서 작업을 수행하며, 작업 시 캐빈의 자세는 지속해서 변화된다. 지속적인 캐빈의 자세 변화는 운전자의 피로도를 증가시키기 때문에, 이를 해결하기 위해 최근 관련 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 연구에서는 플라우 경운 작업 시 농업용 트랙터 캐빈의 자세를 계측하고 거동에 대한 분석을 수행하였다. 본 연구에 사용된 트랙터의 중량 및 크기는 각각 4,000 kg 그리고, 4,020 × 2,270 × 2,790 mm(length × width × height)이다. 트랙터의 자세 측정을 위해서 IMU (Inertia Measurement Unit)가 내장된 Ellipse Series (Ellipse2-D, SBG SYSTEMS, France) INS (Inertial Navigation System)를 캐빈의 무게중심에 부착하였다. 계측 장비의 데이터 계측 속도는 센서의 성능을 고려하여 200 Hz로 설정하였으며, Roll 및 Pitch 데이터를 계측할 수 있게 설정하였다. 계측시험은 충남 당진(36°55‘49.8" N, 126°37' 57.3"E)에 위치한 필드에서 수행하였다. 작업은 가장 많은 부하가 발생하여 캐빈의 거동에 많은 영향을 끼치는 플라우 경운 작업으로 선정하여 수행하였다. 작업 단수는 플라우 경운 작업 간 가장 많이 사용하는 B2(5.1 km/h)단과 B3(7.6 km/h)로 설정하여 수행하였다. 계측결과, B2단에서 작업수행 시 Roll은 최대 1.2°, 최소 -0.3°, 평균 0.4°, 표준편차는 0.3°로 나타났으며, Pitch는 최대 1.1°, 최소 -0.1°, 평균 0.5°, 분산은 0.2°로 나타났다. B3단에서 작업수행 시 Roll은 최대 0.6°, 최소 -2.5°, 평균 -1.1°, 분산은 0.7°로 나타났으며, Pitch는 최대 0.7°, 최소 -2.6°, 평균 0.7°, 분산은 -1.1°로 나타났다. 작업속도가 증가하면, 트랙터 캐빈의 롤 및 피치 등 자세 변화가 더욱 크게 나타나는 것으로 판단된다. 차후 연구에서는 본 연구에서 계측된 데이터들을 이용하여 캐빈의 자세제어 시스템 개발을 위한 연구를 수행할 예정이다.

트랙터 부착형 땅속작물 수확기의 소요동력 분석

오현준 ( Hyun-jun Oh ),전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),백승민 ( Seung-min Baek ),백승윤 ( Seung-yun Baek ),이준호 ( Hun-ho Lee ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

국내 농업에 노동력 부족 문제가 대두되고 있다. 하지만 대표 땅속 밭작물인 감자와 양파 수확작업의 기계 화율은 26.8% 으로 대부분 인력에 의존되고 있으며, 수확 및 수집 작업은 인력을 통해서만 가능한 실정이다. 노동력 부족 문제를 해결하기 위해서는 수확 및 수집이 가능한 자주식 농작업 기계의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구는 자주식 수확기를 개발하기 위해 수행되었으며, 최적화 설계를 위해 트랙터 부착형 땅속 작물 수확기의 작업 시 발생하는 소요동력을 분석하였다. 데이터 수집장치(QuantumX 840B, HBM, Germany)를 이용하여 트랙터의 출력과 수확기의 소요동력을 측정하였다. 농작업 간 엔진 부하를 측정하기 위해 트랙터 ECU (Engine Control Unit)에서 CAN 데이터 통신으로 회전 속도 및 토크 데이터를신 수집하여 측정하였다. 수확기의 소요동력은 굴취부 유압모터, 이송부 유압모터, 적재 실린더 제어밸브에 유압센서를 설치하여 측정하였다. 구동부의 소요동력은 엔진 출력에서 수확부 소요동력, 트랙터 유얍펌프의 소요 동력을 제외하여 계산하였다. 필드 시험은 감자 수확 작업 간 수행하였으며, 실제 작업 조건을 고려하여 작업 속도는 1 km/h로 설정하여 수행하였다. 필드 시험 결과 감자 수확 작업에서 엔진 출력의 최대, 최소, 평균은 각각 31, 9, 20kW로 나타났으며, PTO에 부착된 유압 펌프의 최대, 최소, 평균 출력은 각각 2.8, 0.3, 2.8 kW로 나타났다. 엔진 출력에서 구동부 소요동력을 제외한 소요 동력은 수확기를 움직이기 위한 최소한의 견인동력으로 판단하였으며, 견인동력의 최대, 최소, 평균은 각각 28.2, 8.7, 17.2 kW로 분석되었다. 차후 연구에서는 계측된 데이터를 활용하여 자주식 땅속 작물 수확기의 동력 전달 시스템 설계를 수행할 예정이다.