Introduction
최근 고소득 작물에 대한 관심이 높아지면서 기능성 소과류 열매 재배량이 증가하고 있다(Kim et al., 2013, Lim et al., 2019). 특히, 대추는 소비량이 매년 증가함에 따라, 재배면적이 점진적으로 증가하는 추세이다(Kim and Seok, 2017). 대추 등의 소과류 열매 수확작업은 농민들의 순수 인력을 통해 열매를 수확하거나 진동형 열매수확기를 사용하여 낙하된 열매를 농민들이 직접 수거하는 방식으로 수행된다. 이러한 수집작업은 많은 노동력이 소모되며, 농민들은 반복 작업에 따른 근골격계 질환에 노출될 수 있다(Kim et al., 2009). 이를 해결하기 위해 소과류 열매 수집작업에 대한 기계화율 제고가 필요하지만, 2019년 기준 국내 밭작물 수확작업에 대한 기계화율은 31.6%로 논작물 수확작업에 대한 기계화율인 99.8% 보다 상대적으로 낮다(RDA, 2019). 최근 밭작물 수집 및 수확작업에 사용되는 농작업기계에 대한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 소과류 열매를 대상으로 한 농작업기계의 연구는 미비한 실정이다.
일반적으로 대추 재배농가에서 사용되는 대추 수집기는 대추나무를 중심으로 수집봉과 수집망을 펼친 후 대추를 낙하시켜, 수집망의 중앙으로 대추를 모으는 방식으로 활용된다. 기존 대추 수집기는 특정 지역의 재배양식을 기준으로 제작되어, 재식거리가 다른 농가에서 사용하기 어려운 특징이 있다. 또한, 기존 대추 수집기는 이동의 편리성을 위해 수집봉을 접어 대추 수집기의 부피를 최소화할 수 있도록 설계되었지만, 작업자는 여러 개의 수집봉을 하나씩 접어야 하기 때문에 필요 이상의 노동력을 소모하는 문제점이 있다.
본 연구에서는 국내 대추 농가의 재배환경을 조사하여 대추나무의 재식거리를 조사하였으며, 이를 고려하여 수집봉의 적정 길이를 도출하였다. 또한, 대추를 활용한 수집봉 최소 결속각도 도출 실험 및 수집봉 시뮬레이션 분석을 통해 수집봉의 적정 결속각도를 선정하여 한번에 모든 수집봉을 접을 수 있는 개선설계를 수행하였다. 본 연구의 결과로, 대추 수집작업의 편의성을 높여 노동부하를 줄이고, 작업시간을 단축하여 작업능률을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Materials and Methods
기존 대추 수집기 상세
대추 재배농가에서 일반적으로 사용되고 있는 대추 수집기의 모습은 Fig.1과 같다. 대추 수집기의 전체 중량은 150 kg이며, 수집봉을 완전히 펼쳤을 때 수집직경은 3 m이다. 대추 수집기의 특징 및 기능은 아래와 같으며, 제원은 Table 1과 같다.
수집봉: 낙하하는 대추를 수집하기 위해 수집망을 고정시키는 역할을 하며, 길이 및 본체와의 결속각도는 각각 1,300 mm 및 28°이다. 좌/우에 각각 4개씩, 총 8개의 수집봉이 본체에 결속되어 있다. 수집봉을 접고 펼칠 수 있어 이동 시 대추 수집기의 부피를 최소화할 수 있다.
a) 수집망: 8개의 수집봉에 부착하여 낙하하는 대추를 접촉부 중앙으로 모아주는 가이드 역할을 한다.
b) 접촉부: 디귿자형상으로 대추나무와 접촉하는 역할을 하며, 낙하된 대추가 모이는 공간이다.
c) 주행바퀴: 우레탄 소재의 고무바퀴이며, 주행바퀴축은 고정식으로 좌우조향이 불가능하여 직진 주행만 가능하다.
e) 보조바퀴: 우레탄 소재의 고무바퀴이며 보조바퀴축은 회전이 가능하여 좌우로 조향이 가능하다.
f) 본체: 수집봉, 접촉부, 주행/보조바퀴 등을 지지하는 역할을 한다.
대추 수집기의 작동방식은 접촉부에 대추나무의 기둥을 접촉시킨 후, 8개의 수집봉을 모두 펼쳐 수집망이 대추나무를 360 °로 감싸도록 위치시킨다. 그 후, 순수 인력 및 진동형 열매수확기를 통해 대추나무로부터 대추를 낙하시킨다. 낙하된 대추는 8개의 수집봉에 부착된 수집망에 떨어지고 대추 수집기의 접촉부 중앙으로 모여 수집된다.
수집봉 개선설계 방안
문헌조사를 통해 도출한 토양환경에 따른 대추나무의 수관폭 및 재식거리는 Table 2과 같다(Lee et al., 2006, Park et al., 2016). 기존 대추 수집기의 수집폭은 3 m로 수관폭이 4 m인 재배지에서는 수집효율이 낮은 단점이 있다. 따라서, 대추 수집기의 범용성을 높이기 위해 수집봉의 길이를 조절할 수 있는 가변형 수집봉으로 개선설계를 수행하였다. 또한, 본체와 수집봉 사이의 결속각도가 낮을수록 대추를 수집할 수 있는 면적은 넓어지지만, 결속각도가 적정값 이하로 낮아지면, 낙하된 대추가 접촉부로 모아지지 않고 수집망에 그대로 남아있는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 수집 대상인 대추가 과수에서 낙하될 때, 수집망의 경사면을 따라 접촉부 중앙으로 굴러갈 수 있는 수집봉의 적정 결속각도를 도출하고 이를 수집봉의 개선설계에 적용하였다.
수집봉 최소 결속각도 도출 시험
과수로부터 낙하된 대추가 수집망의 경사면을 따라 접촉부 중앙으로 모일 수 있는 수집봉의 최소 결속각도를 도출하기 위한 시험장치를 제작하였으며, 모습은 Fig.2와 같다.
시험장치는 고정판, 경사판 및 전자수평계로 구성된다. 경사판은 실제 대추 수집기에 사용되는 수집망으로 포장하였다. 고정판으로 시험장치를 지면에 고정시킨 후에 경사판의 각도를 변화시켜 낙하된 대추가 고정판으로 굴러 떨어지는 각도를 도출하였다. 이때, 임의로 선정한 6개의 대추를 사용하여 총 6회의 실험을 수행하였으며, 경사판의 각도는 전자 수평계를 통해 계측하였다.
수집봉 시뮬레이션 분석
기존 대추 수집기는 이동작업 시 부피를 최소화하기 위해 본체 좌우에 각각 4개씩 위치한 수집봉을 접을 수 있다. 이때, 작업자는 모든 수집봉을 각각 접어야 하며, 필요 이상의 노동력을 소모한다. 이를 해결하기 위해, 우측 또는 좌측에 위치한 4개의 수집봉이 서로 접촉하도록 개선설계를 수행하여, 좌/우에 위치한 4개의 수집봉이 각각 한번에 접힐 수 있도록 개선설계를 수행하였다. 대추 수집기 수집봉 개선설계를 위한 조건은 다음과 같다.
1) 수집봉을 접을 때 수집봉 간의 접촉이 발생하여야 한다.
2) 수집봉 간의 접촉이 발생하기 위해 대추 수집기의 후면부와 가까운 수집봉 일수록 본체와의 결속각도가 커져야 한다.
3) 대추 수집기의 전면부와 가장 가까운 수집봉의 결속각도는 최소값이어야 한다.
수집봉이 펼치거나 접힐 때, 수집봉 간의 접촉 여부를 판단하고 개선설계의 요구조건을 만족시키기 위하여 상용 시뮬레이션 프로그램(SOLIDWORKS 2020, Dassault Systemes SolidWorks Corps, USA)를 이용하여 수집봉 간의 충돌검사를 진행하였다. 충돌검사를 위해 대추 수집기의 실제 치수 및 물성치를 고려하여 3D모델을 제작하였다(Fig. 3). 이때, 가변형 수집봉의 길이는 1,300 ~ 1,800 mm까지 100 mm 단위로 증가하여 수집봉 간의 접촉이 발생하는 적정 결속각도를 도출하였다.
Results and Discussion
수집봉 최소 결속각도 도출 시험 결과
시험 결과, 과수로부터 낙하된 대추가 수집망의 경사면을 따라 접촉부 중앙으로 모일 수 있는 수집봉의 결속각도는 Table 3와 같다. 총 6회 수행된 시험에서 경사판의 결속각도의 범위는 9 ~ 12°로 나타났다.
실제 대추 수집기를 활용한 수집작업에서 수집망이 팽팽하지 않거나 특이 형상을 가진 대추가 낙하할 때, 수집기의 접촉부 중앙으로 모아지지 않고 수집망에 걸려 멈추는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 도출된 수집봉 결속각도에 보정계수 1.5를 고려하여 수집봉의 최소 결속각도를 도출하였다(Table 4). 따라서, 대추 수집기 전면부에 위치한 수집봉-1의 결속각도는 가장 보수적인 조건인 18°로 설정하였다.
Table 4. Results of minimum angle between collecting rod and main body considering of compensating
factor
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수집봉 시뮬레이션 결과
수집봉 시뮬레이션 분석 결과, 수집봉 길이에 따라 수집봉 간에 접촉이 발생하는 각 수집봉의 적정 결속각도는 Table 5와 같다. 시뮬레이션 분석 결과를 통해 도출된 각 수집봉의 결속각도 이상의 조건에서는 모두 수집봉 간의 접촉이 발생하는 것으로 나타났다. 개선설계의 요구조건을 충족하기 위해 수집봉-1의 결속각도를 18°로 고정하였으며, 수집봉-2, 3, 4로 갈수록 각 수집봉의 결속각도는 증가하였다. 대추 수집기의 수집폭이 최소인 경우는 수집봉의 길이가 1,300 mm인 조건에서 나타났으며, 이때의 대추 수집기의 수집폭은 약 3,000 mm이다. 또한, 대추 수집기의 수집폭이 최대인 경우는 수집봉의 길이가 1,800 mm인 조건에서 나타났으며, 이때의 대추 수집기의 수집폭은 약 4,000 mm이다.
Table 5. Appropriate installation angle between collecting rod and main body according to length of
collecting angles (unit: degree)
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대추 수집기 수집부 개선 설계 수행
기존 중공형 수집봉 내부에 길이조절이 가능한 추가 수집봉을 적용하였다. 추가된 수집봉과 기존 중공형 수집봉에 각각 동일한 간격의 체결구멍을 뚫었으며, 볼트 및 너트를 통해 수집봉의 길이를 조절할 수 있도록 제작하였다. 따라서, 가변형 수집봉의 길이는 최소 1,300 mm에서 최대 1,800 mm까지이며 100 mm 간격으로 조절할 수 있다(Fig. 4).
또한, 수집봉 1 ~ 4의 적정 결속각도는 가장 보수적인 조건인 18°, 21°, 25°, 29°로 설정하였다. 가변형 수집봉을 대추 수집기에 적용하면 가변형 수집봉의 길이 조절에 따라, 수집직경을 최소 3,000 mm에서 최대 4,000 mm까지 조절할 수 있다. 따라서, 개선설계된 대추 수집기는 국내 대추나무의 수관폭을 모두 만족하는 것으로 판단된다. 개선설계된 대추 수집기의 형상은 Fig. 5과 같다.
Conclusion
본 연구에서는 대추 수집기의 수집부를 구성하는 수집봉의 길이 및 결속각도를 조절하여 국내 대추나무 수관폭을 만족하는 개선설계를 수행하였다. 문헌조사를 통하여 대추나무의 재식거리 및 수관폭을 조사하였다. 수집봉의 최소 결속각도 도출 시험 장치를 제작하여 시험을 진행하였으며, 보정계수를 고려하여 도출한 수집봉 최소 결속각도는 18°로 나타났다. 또한, 대추 수집기의 수집직경을 조절하기 위해 수집봉의 길이를 1,300 ~ 1,800 mm까지 조절이 가능한 가변형 수집봉으로 개선 설계하였다. 또한, 시뮬레이션을 통해 수집봉 간의 충돌시험을 수행하여 수집봉 길이 및 결속각도에 따른 각 수집봉 간의 접촉 여부를 확인하였다. 시뮬레이션 분석을 통해 도출한 수집봉-1, 2, 3, 4의 적정 결속각도는 각각 18°, 21°, 25°, 29°로 나타났다. 수집봉 최소 결속각도 도출 시험 결과 및 수집봉 시뮬레이션 분석 결과를 고려하여 대추 수집기의 수집부 개선설계를 수행한 결과, 수집직경은 3,000 ~ 4,000 mm로 나타났다. 따라서, 본 연구결과를 기존 대추 수집기에 적용하면 국내 대추나무 재배농가에 모두 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
