Study on the Overturning Angle of a Self-Propelled Pulling-Type Radish Harvester

Research
Taek-Jin Kim1Li-Jung Lee2Hee-Jong Jung2*

Abstract

In this study, a simulation model of the self-propelled radish harvester was developed using Recurdyn to analyze and prevent its overturning. Ground and contact conditions were set and rotated the driving direction by 360°. Results of the overturning simulation of the radish harvester was found that the maximum overturning angle was 63.3° when the driving direction was 45°, and the minimum overturning angle was 28.6° when the driving direction was 180°. The overturning angle was less than 30° between 165° and 195° in the driving direction. This is judged to be asymmetric because the harvesting section of the radish harvester is installed in the left front of the radish harvester. Accordingly, it is necessary to improve the overturning angle in order to operate the harvester in the real field. Furthermore, it is necessary to execute an overturning test using the actual harvester.

Keyword



Introduction

국내 무 생산은 노지 재배와 시설 재배를 통한 무의 재배 면적과 생산량이 무의 가격에 따라 변하는 특성이 있으나 연도별 추이에 따르면 지속적으로 감소하는 추세이다. 무는 경운 정지, 비닐피복, 방제의 경우 대부분 기계화가 되었으나 파종 및 수확 작업은 인력에 의존하고 있으며, 노동력 투입이 많이 필요하다. 특히, 무의 수확 및 운반 작업은 무 재배 작업 중 노동시간 및 노동 비율이 가장 높아 수확 후 운반 일관 작업이 가능한 농업기계 연구 개발이 필요한 실정이다(Kim et al., 2013). RDA (2011)의 ‘농업기계 농작업 사고실태 조사연구’ 보고서에 따르면 농작업 사고 유형에서 전도가 33.3%로 나타났으며, 전도 사고시 작동 상태가 운반·이동 중에 63.1%로 나타났다. 이와 같이 차량의 전도와 관련된 안전 사고를 방지하기 위하여 많은 연구가 이루지고 있다. Chen and Peng(1999)은 Time-To-Rollover(TTR) metric을 이용한 다중 연결 차량의 전도 위험을 분석하였다. TTR metric을 이용하여 다양한 운전 패턴에서 정확한 전도 위험을 나타내고자 하였다. Souh and Lee(2010)는 틸팅 차량의 준 정적 상태 전복 안전성과 탈선 안전성에 관하여 연구하였다. 무게중심 이동을 고려한 링크형 틸팅 차량의 전복안전도와 탈선안전도를 구하는 방법을 제시하였고, 그 결과는 전복안전도를 만족하면 탈선에 대하여 안전한 것으로 판단하여 틸팅 차량의 설계 방향을 제시하고자 하였다. Shim et al. (2007)은 측면 적재형 소형 임내 작업 차량의 횡전도 시뮬레이션을 수행하였다. 횡전도 시뮬레이션 모델을 개발하여 적재목의 유무, 지면 경사도, 장애물의 강도, 주행 방향에 따른 소형 임내 작업 차량의 안정 주행 영역을 제시하였다. 또한, Jo et al. (2016)은 과수원용 고소작업차의 안정성을 분석하였다. 적재하중이 없는 경우와 작업대에 최대 적재하중이 부과 되었을 때 고소작업차의 높이에 따른 안정성을 분석하였다.

무 재배 농가의 수요에 따라 자주식 무 수확기가 개발이 되었으나 아직 개발 초기 단계이며, 주행 및 작업에 대한 안정성 연구가 부족한 실정이다. 이에 따라 개발된 자주식 무 수확기의 횡전도 분석이 필요하다. 따라서 본 연구는 자주식 무 수확기 개발을 위한 기초 연구로서, 자주식 무 수확기의 작업 안정성 분석을 위하여 횡전도 분석을 수행하였다.

Materials and Methods

횡전도

횡전도각은 차량을 등고선 방향으로 향하여 정적 상태에서 경사각을 서서히 크게 할 경우에 기체의 횡전도가 시작하는 지면 경사각을 말한다. 횡전도는 1차 횡전도랑 2차 횡전도로 나누어지며, 1차 횡전도란 지면 경사각을 서서히 높일 때 농업기계 중량의 합력의 작용선이 앞차축 피봇점과 후륜 접지점을 연결하는 선을 지나는 순간 후륜이 지면에서 떠서 회전하기 시작한 때를 말한다. 2차 횡전도는 1차 횡전도가 시작 된 후 전륜이 떠서 회전하기 시작한 때를 말한다. 농업기계가 횡전도하는 원인은 농업기계 자체의 내적 요인과 운동 조건과 지면의 상태인 외적요인으로 크게 2가지로 나눌 수 있으며, 횡전도의 내적 요인인 중량 배분, 중심의 위치관계, 타이어 강성 등을 조합하여 횡전도를 구할 수 있다. 농업기계 보급 확대와 발전으로 인해 농업기계 관련 사고발생이 증가하고 있으며 사망사고 중 농업 기계의 횡전도로 인한 사고가 큰 비율을 차지하고 있다. 농업기계 전도는 횡전도와 후방전도가 있는데 후방전도의 경우는 사고율이 거의 없지만 횡전도 사고는 사고율이 높게 나타났으며, 농업기계의 전도 문제는 경사지의 기계화 추진뿐만 아니라 작업 안전의 관점에서도 중요하다. Fig. 1은 농업기계가 횡전도되는 모습을 보여주고 있으며, θ는 지면 경사각이고, φmax는 전차축의 최대 좌우 회전각이고, G는 무게중심을 나타낸다.

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The state of lateral overturing

시뮬레이션

무 수확기의 횡전도 시뮬레이션은 RecurDyn (RecurDyn V9R1, FunctionBay, Korea)을 이용하여 시뮬레이션 모델링 수행을 하였다. 무 수확기의 3D 모델은 주행부, 인발 수확부, 운송부로 구분하고 모델링을 수행하였다. 주행부는 4개의 차륜과 차체로 구성하였고, 인발 수확부는 풀리와 모터 및 프레임으로 구성하였다. 또한, 운송부는 컨테이너와 벨트로 구성하였으며, 각 모델은 설계 도면을 이용하여 Fig. 2와 같이 무 수확기의 횡전도 시뮬레이션 모델을 작성하였다. 기준 좌표계는 Fig. 3과 같이 주행부 아래쪽 바닥에 앞 차축에서 Z방향으로 -400 mm, 앞 차축의 중간에 위치하며, Z방향은 차체의 전진 방향과 동일하다. 무 수확기의 무게와 무게 중심 그리고 각 축에 대한 질량관성모멘트는 Table 1과 같다. 무게 및 무게 중심은 농업기계 검정을 수행하고 있는 실용화재단의 기준으로 직접 측정하였으며, 질량관성모멘트는 3D CAD설계 소프트웨어인 CATIA(CATIA V5, Dassault system, France)를 통해 얻어진 값으로 시뮬레이션을 수행하였다. 주행 방향에 따라 변하는 회전도의 안전 영역을 도출하기 위하여 입력 조건에서 지면 경사도는 0°부터 70°까지 1°씩 증가시켰다. 주행 방향은 Fig. 4와 같이 Z방향을 기준으로 하여 반시계 방향으로 15°씩 360°까지 변화시켰다. 접촉 조건은 무 수확기의 휠과 지면의 역할을 하는 테스트 지그와의 접촉면으로 설정하였으며, 테스트 지그가 일정한 속도로 회전하여 무 수확기의 횡전도를 확인하였다. 또한, 전도 시 무 수확기가 미끄러져 바닥 아래로 떨어지지 않도록 테스트 지그에 미끄럼 방지턱을 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 동적마찰(dynamic friction) 계수는 아스팔트 기준으 0.8을 입력하였고, 강성(stiffness) 계수는 105, 감쇠(damping) 계수는 10으로 입력하였다. 시뮬레이션 조건에서 end time은 70초, step은 1,000으로 설정 하였으며, 전도되는 시점은 휠과 테스트 지그의 접촉면에서 발생하는 하중이 0 N 일 때를 기준으로 하였다.

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Fig. 2. The center of gravity for self-propelled pulling-type radish harvester.

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Fig. 3. The overturning angle simulation model of self-propelled pulling-type radish harvester.

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Fig. 4. Input conditions of the overturning angle simulation

Table 1. Information of weight, center of gravity and moment of inertia about radish harvester

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Results and Discussion

횡전도각 분석

무 수확기의 최대 횡전도각은 Fig. 5과 같이 나타났다. 전방 좌측 바퀴의 접지력은 8,000 N에서 1차 전도까지 감소하였고, 전방 우측 바퀴의 접지력은 20°까지 상승하다가 4,000 N으로 급격히 감소하였으며, 약 37°까지 상승하다가 2차 전도까지 감소하였다. 이때, 1차 횡전도각은 48~50°로 나타났으며, 2차 횡전도각은 61~64°로 나타났다.

무 수확기의 최소 횡전도각은 Fig. 6과 같이 나타났다. 전방 우측 바퀴와 후방 우측 바퀴의 접지력은 100~4,500 N의 범위를 보이다가 1차, 2차 전도까지 감소하였다. 이때, 1차 횡전도각은 26~28°로 나타났으며, 2차 횡전도각은 1차 횡전도각과 유사하게 26~28°로 나타났다.

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Fig. 5. The results of the maximum overturning angle

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Fig. 6. The results of the minimum overturning angle

주행 방향에 따른 횡전도 분석

주행 방향에 따른 전체 횡전도각은 Fig. 7과 같이 나타났다. 국내 농기계의 횡전도각 기준은 농업기술실용화 재단에서 시험 시 좌·우 횡전도각 30°이상을 기준으로 안전하다고 명시되어 있다. 시뮬레이션 결과는 Table 2와 같이 주행 방향이 45°일 때 최대 63. 3°이며, 주행 방향이 180°일 때 28.6°로 나타났다. 주행 방향 0° < θ < 150°와 210° < θ < 360°에서 횡전도각 30°이상으로 안전 범위 내에 있으나, 150° < θ < 210°에서는 최소 28.6°로 기준 범위에서 벗어났다. 이는 자주식 무 수확기의 형태가 좌·우 대칭형이 아닌 인발 수확부의 비대칭 구조에 의해서 발생한다고 판단된다.

Table 2. The simulation results of the overturning angle according to the driving angle

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Conclusion

본 연구는 자주식 무 수확기의 전도 사고 예방을 위하여 횡전도 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 무 수확기 횡전도 시뮬레이션 모델은 Recurdyn을 이용하여 지면 조건과 접촉 조건 등을 입력하고 주행 방향을 360°회전시키며 회전도 시뮬레이션을 하였다. 주행 방향 0° < θ < 150°와 210° < θ < 360°에서 전도각 30°이상으로 안전 범위 내에 있으나, 150° < θ < 210°에서는 최소 28.6°로 기준 범위에서 벗어났다. 이는 무 수확기의 형태가 좌·우 대칭이 아닌 인발 수확부가 무 수확기의 좌측 전방에 설치되어 비대칭임으로 판단된다. 또한, 무 수확기의 횡전도각 개선 방안으로는 우측에 농업기계 전방 무게 추를 설치하여 무게 중심을 자체 중앙 쪽으로 옮길 수 있게 하거나, 인발 수확부 위치를 변화시켜 차체 중앙 쪽으로 움직일 수 있게 설계 반영을 해야 한다고 판단된다. 추후 무 수확기의 주행 및 작업을 위해서는 횡전도각의 개선에 대한 연구가 필요하며, 이를 검증하기 위하여 향후 횡전도 실차 시험이 필요하다고 판단된다.

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(과제번호: 316019-3).

References

1  Chen BC, Peng H. 1999. Rollover Warning of Articulated Vehicles Based on a Time-to-Rollover Metric. In: Proceedings of the 1999 ASME International Congress and Exposition pp. 247-254.  

2  Jo YJ, Kim TS, Kwon GB. 2016. Analysis of Safety of Orchard Aerial Lift. Journal of Agriculture Science Research Chungbuk Nat’l Univ. 32(1): 80-87.  

3  Kim BG, Shin SY, Kim HK, Kim YY. 2013. A Survey on the Using State of Agricultural Machinery and Mechanized Rate. In:Proceedings of the KSAM 2013 Spring Conference . pp. 137-138.  

4  RDA (Rural Development Administration). 2011. A Study on the Farm Accidents of Agricultural Machinery. pp. 438.  

5  Shim SB, Park YJ, Kim KU, Kim JW, Park MS, Song TY. 2007. Computer Simulation of Sideways Overturning of Side-Loaded Mini-Forwarder. Journal of Biosystems Engineering 32(2): 69-76.  

6  Souh BY, Lee BH. 2010. A Study on the Quasi-static Overturning and Derailment Safety of Tilting Train. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering 20(6): 537-545.