Introduction
농업 기계는 작업기의 승하강 조작 및 자동제어, 작업기의 원격조작, 견인 또는 부속 작업기의 유압 구동 및 제어 등 다양한 작업을 수행하는 유압 시스템으로 구성되어 있다. 유압 시스템은 높은 동력 밀도 및 동력 전달 용이성, 에너지 밀도가 높다는 장점을 가지고 있다(Lee, 2018). 유압 펌프는 트랙터 등의 농업기계에서 엔진의 기계적 동력을 유압 에너지로 전환하는 중요한 역할을 수행한다. 또한 유압 펌프는 트랙터의 작업기 승하강, 조향 그리고 윤활에 사용되는 등 중요한 동력원으로 작용한다. 그러므로, 유압 펌프의 내구성에 문제가 생길 경우, 트랙터의 단순 조작뿐만 아니라 동력전달장치, 조향 등의 전체적인 구동에 영향을 미치게 된다. 유압 펌프의 내구성에 관한 연구는 등가 부하를 이용한 가속수명시험과 사용 조건을 모사하여 수명 시험을 진행한다. 일반 기계 분야에서는 다음과 같은 연구가 진행되었다. Park and Jung(2012)은 자동변속기의 윤활용 기어 펌프의 가속수명시험의 설계를 위해 기어 펌프의 파손 또는 고장 위치 및 원인 분석을 통해 부하 사이클을 측정하였으며 이를 레인플로 변환과 부하 수준을 분석하였다. 또한 선형 누적 손상 이론을 이용하여 등가 손상 영향 평가를 통해 가속 수명 시험 설계 방법을 제안하였다. Choi et al(2018)은 폴리우레탄 발포기용 정량 펌프에 대한 고장 위치 및 요인을 분석하고 현장 조건과 동일한 고장 메카니즘을 재현하는 수명 시험 장치를 개발하였다. 개발한 수명 시험 장치를 통해 가속수명시험을 통해 폴리우레탄 발포기용 정량 펌프의 수명 시험을 실시하였다. 한편, 농기계 분야에서는 아직까지 유압 펌프의 내구성 보다는 대부분 동력전달장치 혹은 변속기에 대한 연구가 집중되고 있다. 그러나 다양한 농작업기의 개발에 따라 유압 동력의 사용빈도가 증가하고 있어 유압 동력을 생성하는 유압 펌프의 내구성에 관한 연구가 필요한 실정이다. 유압 펌프의 내구성 분석을 위해서는 트랙터 농작업에 따른 유압 펌프의 등가 부하 분석이 필요하다. 건설 기계 분야에서는 다음과 같은 연구가 진행되었다. Yu et al(2019)는 사용 환경 및 작업 조건에 따라 부하가 변하는 건설기계 부품의 신뢰성을 보증하기 위하여 콘크리트 이송관의 가속수명시험을 진행하였다. 또한 설계된 가속 수명 시험과 실사용 조건 부하 데이터의 등가 부하를 이용하여 가속수명시험의 유효성을 검증하였다. 그러나 농기계 분야에서 실제 농작업 부하 데이터를 통해 등가 부하를 계산하고 이를 내구성 분석 시 반영하는 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 트랙터 유압 펌프의 내구성 분석을 위한 기초 연구로써 트랙터의 농작업에 따른 유압 펌프에 미치는 부하를 계측하고 등가 부하를 분석하였다.
Materials and Methods
본 연구에서 Fig. 1의 105마력급 트랙터(S07, TYM, Korea)를 사용하였다. 트랙터의 크기는 4,225(L)×2,140(W)×2,830(H) mm 이며, 총 중량은 3,985 kg이다. 시험용 트랙터는 주변속 4단 및 파워 시프트 2단, 부변속 4단으로 전후진 각각 32단의 단수를 가지고 있다. 일반적으로 농업용 트랙터에는 작업기 승하강 및 후방에 별도의 유압 포트를 통해 작업기에 압력을 공급하는 주 유압 펌프와 트랙터의 조향 및 윤활에 사용되는 보조 유압 펌프가 사용된다.(Kim et al., 2011). 본 연구에 사용된 트랙터의 주 유압 펌프와 보조 유압 펌프의 배제 용적은 각각 24, 12 cc/rev이다. 경운 작업 시 실제 유압 펌프에서 발생하는 압력은 Fig. 2와 같이 유압 펌프의 출력부에 압력 센서(PR 130, HYDROTECHNIK, Germany)를 설치하여 측정하였다. 트랙터가 주로 사용되는 농작업 중 경운 작업인 쟁기, 로타리 경운 작업을 실시하였다. 본 연구에서 작업기는 8련 이랑 쟁기(WJSP-8, Woongjin Machinery Co. Ltd., Korea) 와 로타리(E260, CELLI Co. Ltd., Korea)를 사용하였다. 쟁기 경운 작업 단수는 M2 High (5.99 km/h), m3 Low (7.05 km/h)으로 선정하였으며, 로타리 경운 작업 단수는 L3 Low (2.37 km/h) PTO 1단 (540 rpm), L3 High (2.82 km/h) PTO 1단, L3 High PTO 2단 (750 rpm)으로 수행하였다. 트랙터 농작업 등가 부하는 계측한 쟁기 및 로타리 경운 부하데이터를 이용하여 다음과 같이 누적손상법인 Palmgren-Miner식으로 계산하였다. 일반적인 압력, 하중에 의한 스트레스 모델은 역승 모델을 사용하였으며, 유압 펌프는 습동부를 갖는 회전체로 역승 모델의 지수는 8을 사용하였다(Nelson, 1990).
where,Pe : Equivalent load, bar
fi : Ratio (Number of cycle at the ith load level/Total number of cycle)
λ : Fatigue damage exponent
Pi: Load of each range, bar
where, ne : Equivalent rotational speed, rpm
ni : Rotational speed at the ith load level, rpm
hi : Ratio(Time at the ith load level/Total time)
본 연구에서는 두 가지 작업기를 대상으로 각기 다른 단수에서 부하 데이터를 측정하였다. 따라서 유압 펌프의 통합 등가 부하는 작업 및 단수별 사용 비율을 적용하여 산출해야 한다. 쟁기 작업 및 로타리 경운 작업에 대한 비율은 선행연구(Lee, 2011)를 통해서 얻은 자료를 기반으로 쟁기 45.7%(86시간), 로타리 54.3%(102시간)를 적용하였다.Results and Discussion
트랙터 쟁기 경운 및 로타리 경운 작업에 따른 각 작업 단수별 주 유압 펌프와 보조 유압 펌프의 부하 분석 결과는 Table 1과 같다. 쟁기 작업 시 M2 High 조건에서 주 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 113.4, 5.9, 17.3 bar로 나타났으며, 보조 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 166.8, 16.1, 38.6 bar로 나타났다. m3 Low 조건에서 주 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 120.9, 3.6, 15.1 bar로 나타났으며, 보조 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 169.7, 13.9, 32.2 bar로 나타났다. 로타리 작업 시 L3 High PTO 1단 조건에서 주 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 141.5, 5.0, 20.7 bar로 나타났으며, 보조 유압 압력은 각각 166.8, 9.9, 35.6 bar로 나타났다. L3 High PTO 2단 조건에서 주 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 132.6, 6.6, 17.9 bar로 나타났으며, 보조 유압 압력은 각각 165.3, 8.9, 33.7 bar로 나타났다. L3 Low PTO 1단 조건에서 주 유압 압력의 최대, 최소, 평균은 각각 83.0, 6.5, 19.9 bar로 나타났으며 보조 유압 압력은 각각 168.4, 9.9, 35.7 bar로 나타났다.
농작업별 등가 부하 계산을 위해서는 트랙터에 대한 전체 등가 부하로 환산이 필요하다. 본 연구에서는 트랙터의 작업별 사용 시간(Lee, 2011)과 계산된 각각의 등가 부하를 이용하여 트랙터의 유압시스템에 대한 전체 등가 부하를 Table 2와 같이 계산하였다. 트랙터 작업별 연간 작업 시간을 고려하여 산출한 통합 등가 부하는 Table 3과 같이 나타났다. 주 유압 펌프의 통합 등가 부하는 61.44 bar, 통합 등가 회전속도는 2,169.81 rpm으로 계산되었으며 보조 유압 펌프의 통합 등가 부하는 100.51 bar, 통합 등가 회전속도는 2,159.57 rpm으로 계산되었다. 그러므로 농작업 시 발생하는 트랙터 유압 펌프의 등가 압력은 주 유압 펌프와 보조 유압 펌프에서 최대 1.75배 이상 차이 나는 것으로 계산되어 보조 유압 펌프에 더 많은 부하가 작용하는 것을 알 수 있다.
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Table 1. Result of measured load data of hydraulic pump according to plow tillage and rotary tillage 
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Conclusion
본 연구는 트랙터용 유압 펌프의 내구성 시험 평가 기준 개발을 위해 트랙터 농작업시 발생하는 유압 부하를 계측하여 등가 부하를 계산하였다. 주 유압시험은 쟁기와 로타리 작업을 대상으로 실시하였으며, 각각 사용자 설문조사를 통하여 가장 사용 빈도가 높은 작업 단수를 선정하여 수행하였다. 등가 부하를 계산한 결과, 쟁기 작업 시에는 주 유압에서 작업 단수 M2 High와 m3 Low에서 각각 17.3 15.1 bar의 등가 부하가 계산되었으며, 보조 유압에서는 작업 단수 M2 High와 m3 Low에서 각각 38.6 32.2 bar의 등가 부하가 계산되었다.
로타리 작업 시에는 주 유압에서 작업 단수 L3 Low PTO 1단, L3 High PTO 1단, L3 High PTO 2단에서 각각 19.9, 20.7, 17.9 bar로 계산되었으며, 보조 유압에서는 작업 단수 L3 Low PTO 1단, L3 High PTO 1단, L3 High PTO 2단에서 각각 35.7, 35.6, 19.9 bar로 계산되었다. 또한, 쟁기 작업과 로타리 작업의 작업별 사용빈도를 고려하여 등가 부하를 계산한 결과, 주 유압과 보조 유압은 각각 61.44, 100.61 bar로 계산되었으며 보조 유압 펌프에 더 많은 부하가 작용하는 것을 알 수 있었다. 이는 유압을 많이 사용하지 않는 쟁기와 로타리 경운작업으로 작업기의 작동보다는 조향으로 유압이 사용된 것으로 판단된다.
