Concept design for the agricultural byproduct collector in orchard farm

RESEARCH ARTICLE
Seok-Joon Hwang1Jeong-Hoon Kim1Ju-Seok Nam1*

Abstract

In this study, the concept design of the agricultural by-product collector was conducted for orchard farm. Target crop was selected in consideration as the potential generation of agricultural by-product. Also, the agricultural by-product collector was designed in considered as planting space and cultivation environment of the target corp. Agricultural by-product collector is classified by driving part, collecting part, conveying part, and loading part. Each part consist of crank-type collecting device, rotation-type collecting device, connecting pin, conveyor belt, cargo box, track, power source, power transmission device. Through this research, it is expected that increasing of the agricultural mechanization ratio, reducing the labor force and load.

Keyword



Introduction

화석연료의 사용으로 인해 지구온난화 및 대기오염 등의 문제가 가속화되고 있다(Tevini, 1990). 기후변화와 대기오염에 대응하기 위해 온실가스 감축 및 탄소중립화연료 사용 등의 방안이 제시되고 있다(Kim, 2013; Han et al., 2009). 이에 따라, 탄소중립화연료로 분류되는 필렛 등의 고형연료 사용이 증가하고 있다(Lee et al., 2017). 국내의 농업부산물 잠재량은 매년 약 4,018 천TON/년으로 추산된다. 그 중 벼농사를 통해 발생하는 볏짚과 왕겨는 전체 농업부산물 잠재량의 약 65.9%를 차지하며, 퇴비나 가축 사료로 이용되고 있다(Lee and Park, 2016). 그 외에 밭이나 과수지에서 생산되는 농업부산물은 주로 토양으로의 환원 및 직접 연소로 대부분 버려지고 있는 실정이다(Park et al., 2017). 이는 벼농사의 기계화율이 고도화되어 있으므로 집초기 등의 기계를 통해 적은 노동력으로 농업부산물 수집이 가능하지만, 밭이나 과수의 경우 대부분의 농가에서 순수 인력으로 부산물 수집되므로 많은 노동력과 노동부하가 소모되기 때문이다(Kim et al., 2000; NAS, 2015). 농업에서 활용되는 수집기의 작동방식은 대표적으로 측방이송형, 회전바퀴형, 종축회전형 등으로 분류된다. 측방이송형은 굴곡진 지형에서 사용할 수 없으며 기타 수집방식에 비해 부산물에 손상이 많이 발생하는 특징이 있다. 회전바퀴형은 기타 수집방식에 비해 유지관리 비용이 저렴하지만 이물질도 같이 수집되는 단점이 있다. 종축회전형은 초장이 긴 작물에는 적용할 수 없으나 굴곡진 지형에서 사용이 가능하며 내구성이 우수한 장점이 있다(Choe, 2006; Lee and Choe, 2014). 이와 관련된 연구로 Hong et al. (2007)은 회전바퀴형 수집기를 개발하기 위해 볏짚을 대상으로 세절 메커니즘을 규명하고 세절장치를 개발하였으며 시작기의 소요동력 및 작업성능을 시험하였다. Shin and Kim (1998)은 유압모터에 의해 구동되는 볏짚수집기의 제어장치를 개발하기 위해 12V 직류모터와 유량제어벨브를 활용하여 제어 방안을 제시하였다.

현재까지는 전체 농업부산물 발생량의 65.9%를 차지하는 볏짚을 대상으로 수집기 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되었으나 볏짚 대비 발생량이 낮은 전정가지, 고춧대 등의 농업부산물을 대상으로 하는 수집기의 개발연구는 저조한 실정이다. 과수원이나 밭에서 발생하는 농업부산물 발생량은 전체의 34.1%이며 가치는 약 4,059 억원으로 추정된다(Park et al., 2017). 따라서, 과수원에서 발생하는 전정가지 등의 부산물을 수집하는 기계를 개발하고, 이를 통해 버려지는 농업부산물을 수집하여 필렛 등의 탄소중립화연료로 제작한다면, 경제적 파급효과가 클 것으로 판단된다.

본 연구에서는 농업부산물 수집기 개발을 위한 선행연구로써 과수농가에서 발생하는 전정가지를 대상으로 농업부산물 수집기 개념설계에 관한 연구를 수행하였다. 이를 통해 농업기계 기계화율 제고, 노동력 감소, 부가가치 창출 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

Materials and Methods

농업부산물 수집기 설계 방안

농업부산물 수집기의 목적을 감안하였을 때 다음 사항들을 고려하여 구성요소들을 선정해야 한다.

1) 농업부산물 수집기는 과수원을 이동하면서, 지면에 놓인 농업부산물을 수집하고, 수집된 농업부산물을 이송하여 적재할 수 있어야 한다.

2) 대상 작물의 재배환경을 고려하여 수집장치 및 주행장치를 구성해야 한다.

3) 농업부산물 수집기의 범용성을 향상시키기 위해 대상 작물 외에도 다양한 과수작물에 적용할 수 있도록 수집장치를 구성해야 한다.

4) 농업부산물 수집기의 범용성을 향상시키기 위해 대상 작물 외에도 다양한 과수작물에 적용할 수 있도록 수집장치를 구성해야 한다.

Results and Discussion

농업부산물 수집기 컨셉설계 결과

농업부산물 수집기의 대상 작물은 과수원에서 발생하는 부산물 중 잠재발생량 이 전체의 약 25%로 가장 높은 사과나무로 선정하였다(Lee et al., 2017). 따라서, 사과나무의 재식거리와 전정가지의 특성을 고려하여 농업부산물 수집기를 설계하였다. 설계된 수집기의 길이, 너비 및 높이는 각각 3,750 mm, 1,600 mm 및 1,000 mm이며 형상은 Fig. 1에서와 같다. 수집기는 지면에 놓인 전정가지를 수집하는 수집부, 수집된 전정가지를 저장하는 적재부, 수집부에서 적재부까지 전정가지를 운송하는 이송부 및 각 부를 견인하는 주행부로 구성된다. 수집기의 각 부를 구성하는 주요 구성요소는 크랭크형 수집장치, 회전형 수집장치, 연결핀, 컨베이어 벨트, 적재함, 무한궤도, 동력원, 동력전달장치 등이며 특징 및 기능은 다음과 같다(Fig. 2).

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Fig. 1. A view of the agricultural by-product collector.

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Fig. 2. The components of the agricultural by-product collector.

a) 회전형 수집장치(rotation-type collecting device): 회전형 수집장치의 작동방식은 과수원 등의 굴곡진 지형에서도 적용이 가능하며 내구성이 높은 종축회전형으로 선정하였다. 종축회전형은 수집 갈퀴가 부착된 관을 회전하는 종축에 부착한 상태에서 수집기를 견인하여 부산물을 모아주는 방식이다(Choe, 2006). 이때, 회전형 수집장치를 2조식으로 구성하고 회전방향을 조절하여 농업부산물이 수집기의 정중앙에 모이도록 설계하였다. 또한, 수집 갈퀴와 지면 사이에 약 2 ~ 3 cm의 간격을 유지한 상태로 수집작업이 수행되도록 설계하여 굴곡 및 경사진 지형에서도 활용할 수 있도록 하였다.

b) 크랭크형 수집장치(crank-type collecting device): 크랭크형 수집장치는 4절링크장치로서 크랭크, 커플러, 로커, 그라운드로 구성되어 있다. 커플러의 연장선에 갈퀴를 부착하여 회전형 수집장치에 의해 수집기의 정중앙으로 모인 전장가지를 컨베이어로 이동시키는 역할을 한다. 이때, 갈퀴 끝단의 궤적은 Fig. 3과 같다.

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Fig. 3. Trajectory for the ends of collecting rake.

c) 연결핀(connecting pin): 굴곡진 지면과 컨베이어벨트 사이의 간극을 줄여서 전정가지가 원활하게 컨베이어 벨트 위로 올라갈 수 있게 해주는 장치이다.

d) 컨베이어 벨트(conveyor belt): 수집된 전정가지를 적재부로 운송하는 역할을 한다. 이때, 컨베이어 벨트의 양 끝단에는 가이드판을 부착하여 이송되는 전정가지가 바깥으로 유출되는 것을 방지하도록 설계하였다.

e) 적재함(cargo box): 수집된 전정가지를 저장하는 역할을 한다. 하역작업이 용이하고 고중량의 수확물을 적재할 수 있도록 적재함 하단에 유압장치를 장착하여 덤프형 적재구조로 구성하였다.

f) 무한궤도(track): 굴곡지고 경사진 재배환경을 고려하여 지면과의 접촉면이 넓고 주행성능이 우수한 무한궤도를 주행부로 설정하였다.

g) 동력원(power source): 장애물이나 경사진 환경에서 모터 대비 상대적으로 주행성능이 높은 가솔린 엔진을 적용하였다.

5) 동력전달장치(power transmission device): 변속기, 유니버셜 조인트, 체인-스프로켓, 베벨기어 등으로 구성하여 엔진에서 발생하는 동력을 주행부, 이송부 및 수집부에 전달하는 역할을 한다(Fig. 4). 과수농가에서 활용되는 작업기의 작업속도가 3 ~ 4 km/h이므로(Ha et al., 2011) 동력원의 출력축 회전속도 및 동력전달장치의 감속비를 설정하여 해당 농업부산물 수집기의 작업능률이 4 km/h 이상이 되도록 설계하였다.

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Fig. 4. Power transmission path of the agricultural by-product collector.

Conclusion

본 연구에서는 과수농가에서 발생하는 농업부산물을 수집하기 위한 농업부산물 수집기의 개념설계를 수행하였다. 과수원에서 발생하는 농업부산물 중 잠재발생량이 가장 높은 사과나무 전정가지를 수집대상으로 설정하였다. 또한, 재배양식과 재배환경 등을 고려하여 농업부산물을 구성하는 각 부를 설계하였다. 농업부산물 수집기는 크랭크형 수집장치, 회전형 수집장치, 연결핀, 컨베이어 벨트, 적재함, 무한궤도, 동력원, 동력전달장치 등으로 구성된다. 작동방식은 농업부산물 수집기가 이동하는 동안 회전형 수집장치가 회전하며 노면에 놓인 전정가지를 수집기의 정중앙으로 모아준다. 크랭크형 수집장치는 모아진 전정가지를 연결핀 및 컨베이어벨트 위로 올려주는 역할을 한다. 이때, 컨베이어 벨트는 적재부로 전정가지를 이송하며, 가이드판은 전정가지가 이송되는 도중에 컨베이어 벨트 바깥으로 유출되는 것을 방지한다. 이후 컨베이어 벨트를 통해 이송이 완료된 전정가지는 적재함에 저장된다.

향후 연구로써 회전형 및 크랭크형 수집장치의 수집성능을 향상시키기 위해 수집장치의 구성요소 최적화 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농식품기술융합창의인재양성 사업의 지원을 받아 연구되었음(320001-4).

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