Analysis of the Cutting Performance of Baler Chopper

Introduction

세계는 환경오염 문제로 많은 고민을 가지고 있다. 그 중 중국은 대기오염, 수질오염, 토양 오염으로 많은 문제를 겪고 있으며, 특히 대기오염은 현재 중국에 크나큰 고통을 주고 있다. 이 오염에 원인으로는 무분별한 농업 폐기물 소각, 무수히 많은 공장 설립으로 인한 화석 연료 사용에 의해 중국은 세계에서 가장 대기오염이 심한 국가가 되었다(Lee, 2014). 이를 해결하고자 중국은 2016년 들어 대도시에서 10톤이하 석탄보일러의 사용을 금지하는 조치를 내렸다(First Financial, 2019). 중국은 벼, 밀 옥수수 등을 생산하는 대표적인 농업 생산 국가이다(Park, 2004; Ha et al., 2016). 하지만 작물을 생산하고 나오는 폐기물을 처리하는 방법 중 불법적으로 소각하거나 방치하거나 불법적으로 투기하는 일이 많은데 이것이 토양오염과 대기 오염에 큰 원인이 된다. 위의 문제를 해소하기 위해 농업 폐기물을 처리하고 재사용하여 자원 및 연료로 만들어 주는 옥수수대 폐기물 수거용 원형 베일러가 개발 되었다. 자원화 및 연료화의 효율을 높이기 위해선 작물을 최대한 많이 절삭 하는 것이 중요하다. 옥수수대 절삭 길이에 절삭 날과 속도가 많은 영향을 끼친다(Chang et al., 2013).

따라서 본 연구에서는 절삭 날인 쵸퍼의 쵸퍼각도와 쵸퍼의 회전 속도 그리고 트랙터의 주행 속도를 이용하여 어떤 환경에서 작물이 많이 절삭 되는지를 성능 평가 하였다.

Materials and Methods

실험설계

Fig. 1의 기계는 쵸퍼 베일러 장치를 이용하여 버려지는 작물들의 줄기를 베일링하여 재사용함으로써 자원화 및 연료화하기 위해 개발되었다. Fig. 2는 쵸퍼 및 베일러의 작동구상도이다. 뒷부분은 베일러이고 앞부분이 작물을 절삭하는 쵸퍼 장치이다. 우선 실험설계에 앞서 쵸퍼란 회전하는 횡축에 붙어 있는 파쇄 날이 약 30 m/s로 고속 회전하며 작물을 아래에서 위로 때려 잘게 썰어내는 장치이다. 지면의 흙이나 다른 불순물들이 같이 베일링 되었을 경우 자원화 및 연료화의 효율이 떨어지기 때문에 쵸퍼의 절삭 성능 분석을 위해 쵸퍼의 측정 높이는 지면으로부터 3 cm 이상이고 5 cm에 가장 가까운 값을 가졌을 때 최상의 절삭 환경이라 판단하였다. 실험에서 사용된 독립변수는 쵸퍼의 각도 (30°, 45°, 60°), 쵸퍼의 회전속도 (1100, 1750, 2250 rpm) 그리고 이송대의 이동속도 (2.5, 5.0, 7.5 km/h)이고 종속 변수는 작물의 절삭 길이이다. 실험설계는 Table 1에 표기하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of the testing apparatus for chopper cutting performance.

Fig. 2. Shematic diagram of the chopper devices.

Table 1.Experimental condition

실험재료

옥수수는 다른 작물보다 줄기의 길이가 길고, 자원화 및 연료화하는데 효율적이기에 실험재료로 선정하였다(Lee, 2010). 실제 밭의 옥수수를 묘사하기 위해 32 cm로 자른 옥수수를 0.4535 kg 종이컵에 넣고 지점토로 고정시켰으며, 사용한 종이컵 및 지점토는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Experimental material : (right: paper cups, left: clay).

실험방법

Fig. 4의 기계는 (1) 제어 시스템 및 전원, (2) 차폐/가드, (3) 전동모터, (4) 절삭실(로터 및 쵸퍼), (5) 작물 이동용 베드, (6) 전원 전달장치로 나뉘어져 있으며 작물을 절삭하는 기계이다. 작물이 베드를 통해 이동하며 절삭실에 있는 절삭 날에 의해 절삭된다. 제어 및 자동화 시스템에서 베드의 이동 속도와 절삭 날의 회전 속도를 설정할 수 있고, 베드가 끝까지 가면 자동으로 멈추고 차폐/가드가 절삭물의 잔해로부터 작업자를 안전하게 실험할 수 있는 여건을 만들어준다. Fig. 5 는 실험에 사용된 절삭 날에 대한 사진으로 (2) 는 0°로 고정되어 있는 절삭 날이고 (1) 은 30°, 45° 60°의 절삭날 각도로 교체해가며 실험을 진행하였으며, 실험에 사용된 쵸퍼의 회전 속도는 1100, 1750, 2250 rpm로 설정하였다. 쵸퍼의 분당 회전수가 너무 느릴 경우 작물이 절삭되지 않고 너무 빠를 경우 작물이 뽑히거나 파손되기 때문에 절삭이 가능한 1100 rpm과 뽑히거나 파손되지 않는 2250 rpm 그리고 중간 값인 1750 rpm을 사용하였다. Fig. 6 은 고정된 작물을 절삭실로 보내어 절삭을 돕는 작물 이송대이며, 이동 속도는 트랙터의 주행 속도와 같이 포장 작업능률에 많은 영향을 주기 때문에, 적절한 속도로 2.5, 5.0, 7.5 km/h를 실험에 사용하였다. Fig. 7 은 실험에서 절삭 길이를 측정하는 방법으로 지면, 즉 지점토로부터 절삭 지점까지의 높이를 절삭 길이라고 정의하였다.

Fig. 4. Chopper cutting performance test device.

Fig. 5. Chopper blade in the cuting room.

Fig. 6. Crop transfer unit.

Fig. 7. Cutting length measurement.

Results and Discussion

쵸퍼 각도가 30°일 때 결과 값

쵸퍼의 각도가 30°이고 이송대의 이동 속도가 2.5 km/h일 때 2250 rpm, 5 km/h일 때 1750 rpm, 7.5 km/h일 때 2250 rpm에서 가장 짧은 절삭 길이를 보였다. 30°에서 평균적으로 회전 속도 차원에서는 2250 rpm, 이동 속도 차원에서는 2.5 km/h에서 가장 짧은 길이를 보였다.

Fig. 8. The result values when the chopper angle is 30°.

쵸퍼 각도가 45°일 때 결과 값

쵸퍼의 각도가 45°이고 이송대의 이동 속도가 2.5 km/h일 때 1750 rpm, 5 km/h일 때 1100 rpm, 7.5 km/h일 때 2250 rpm에서 가장 짧은 절삭 길이를 보였다. 45°에서 평균적으로 회전 속도 차원에서는 2250 rpm, 이동 속도 차원에서는 5 km/h에서 가장 짧은 길이를 보였다.

Fig. 9. The result values when the chopper angle is 45°.

쵸퍼 각도가 60°일 때 결과 값

쵸퍼의 각도가 60°이고 이송대의 이동 속도가 2.5 km/h일 때 2250 rpm, 5 km/h일 때 2250 rpm, 7.5 km/h일 때 1750 rpm에서 가장 짧은 절삭 길이를 보였다. 60°에서 평균적으로 회전 속도 차원에서는 1100 rpm, 이동 속도 차원에서는 7.5 km/h에서 가장 짧은 길이를 보였다.

Fig. 10. The result values when the chopper angle is 60°.

Conclusion

본 실험은 베일러 쵸퍼의 절삭 성능을 분석하기 위해 수행하였으며, 절삭 성능을 분석하기 위해 지면으로부터 3 cm 이상의 조건에서 5 cm에 가장 가까운 값을 최상의 절삭 환경이라 판단하였다. 쵸퍼의 각도 차원에서는 45˚, 회전 속도 차원에서는 2250 rpm, 이송대의 이동 속도 차원에서는 7.5 km/h일 때 평균적으로 절삭 길이가 짧았다. 따라서 쵸퍼의 각도는 45˚, 쵸퍼의 회전 속도는 2250 rpm, 이송대의 이동 속도는 7.5 km/h일 때 최상의 절삭 환경이라 판단된다.