Introduction
베일러는 수확된 조사료를 처리, 운반, 저장하기 위해서 조사료를 압축하여 베일로 만드는 작업기로써, 일반적으로 직육면체로 묶는 사각 베일러와 원통형으로 묶는 원형 베일러로 구분된다. 원형 베일러는 약 100평의 논에서 1개의 원형 베일을 성형할 수 있어 동일한 면적에서 다수의 사각 베일을 성형하는 사각 베일러에 비해 작업 시간 및 노동력을 절감할 수 있으며, 이러한 이유로 국내에는 사각 베일러 대신 원형 베일러의 수요가 점차 증가되고 있다(Kim and Kim, 2000). 원형 베일러는 사각 베일러보다 많은 양의 조사료를 수용할 수 있어 더 많은 동력을 필요로 하며, 베일 압력 수준에 따라 필요 동력은 더욱 증가하게 된다. 일반적으로 베일러는 트랙터 뒤에 부착되어 동력취출장치(Power Take Off, PTO)를 통해 동력을 전달받기 때문에 PTO축에 부하가 크게 발생한다(Kim et al, 2011a). 트랙터는 농작업에 따라 불규칙한 변동 부하가 발생하며, 베일러 작업 시 PTO 축에서 가장 큰 변동 부하가 발생한다(Kim et al, 2019). 고효율 트랙터 개발을 위해서는 변속기 등 동력전달 계통에 대한 최적 설계가 중요하며, 이를 위해서는 실제 농작업에 따라 발생하는 부하를 분석하는 것이 필요하다(Kim et al, 2011b). 하지만, 트랙터의 최적 설계에 관한 연구로는 주로 변속기, 차축 등에 연구가 대부분이며, PTO축에 대한 연구는 부족한 실정이다(Baek et al, 2020).
트랙터 베일러 작업 시 PTO에 발생되는 변동 부하는 등가 부하로 계산하는 것이 필요하며, 이는 농업기계분야에서 트랙터 가속 수명시험 코드 개발 및 성능 평가 등 최적 설계에 주로 등가 부하가 사용되기 때문이다(Baek et al, 2019). Jung et al(2011)은 트랙터 농작업 시 발생된 부하를 이용하여 등가 부하 및 손상합 데이터를 산출했으며, 부하 데이터 및 작업 사이클, 환경적 요인 등을 고려하여 가속 수명 시험 인자를 밝혀냈다. Baek et al(2019)은 트랙터의 로타리 경운 작업 시 발생하는 엔진 토크를 CAN 통신을 이용하여 수집하고 등가 토크를 분석하였으며, 이를 이용하여 트랙터 변속기의 성능 평가 및 최적 설계에 대한 방안을 제시하였다. Lee et al(2015)은 로터리 경운 작업 및 베일러 작업 시 PTO의 가혹도를 분석하기 위해 피로 수명 테스트를 통해 S-N 선도를 분석하고, 등가 부하를 산출하여 손상합 데이터를 분석하였다.
본 연구는 베일러 작업 시 78 kW급 트랙터 PTO의 성능평가 및 최적 설계를 위한 기초 연구로써, 구체적인 목표는 베일러 작업 시 정확한 베일 압력을 설정하기 위한 베일 압력 계측 시스템 및 78 kW급 트랙터 엔진 동력의 주요 소모 요소부인 PTO의 부하 계측 시스템을 개발하고, 베일러 작업 시 베일 압력에 따른 PTO 토크를 수집 및 등가 토크로 산출하여 분석하였다.
Materials and Methods
계측용 트랙터 및 작업기
베일러 작업 시 발생되는 베일 압력 및 PTO 부하를 계측하기 위해 78 kW급 트랙터(S07, TYM, Gongju, Republic of Korea)를 사용하였다. 계측용 트랙터의 중량은 3,985 kg이며, 크기는 4.225 m × 2.410 m × 2.830 m (length × width × height)이다. 트랙터 변속기는 유압기계식 변속기가 탑재되어 있으며, 전·후진은 파워셔틀(power shuttle)로 구성되어 있다. 주변속은 4단의 동기물림기어식과 파워시프트로(High, Low) 구성되어 있으며, 부변속은 상시물림식의 4단으로 전·후진 각각 32단의 변속 단수를 갖는다. 계측용 트랙터의 자세한 제원은 Table 1과 같다. 베일 작업을 위해 사용된 작업기는 67 kW급 이상인 트랙터에서 사용 가능한 대형 원형 베일러(L325, Livemac, Kimje, Republic of Korea)이다. 베일러의 중량은 3,180 kg이며, 크기는 3.49 m × 2.43 m × 2.40 m (length × width × height)이다. 사용한 베일러를 통해 나오는 베일의 크기는 1.25 m × 1.20 m (diameter × height)이며, 자세한 제원은 Table 2와 같다. Fig. 1은 베일러를 부착한 계측용 트랙터 사진을 나타낸다.
부하 계측 시스템 개발
본 연구에서는 베일 압력에 따른 PTO 부하를 분석하기 위해 베일 압력 계측 방법을 개발하고 PTO 토크미터(MW B 5 kNm, Manner, Germany), 데이터 수집장치(CRONOS compact CRC-400-11, IMC, Germany)를 이용하여 부하 계측 시스템을 개발하였다. 베일 압력을 계측하기 위해 Fig. 2와 같이 베일러의 후방 챔버 개폐 후크에 로드셀(LCB500, FUTEK, USA)을 설치하였다. 또한, 베일의 압력 수준을 조절하기 위해 개폐 후크에 근접 센서를 2개 설치하였다. 베일 압력이 상승하게 되면 개폐 후크가 당겨지면서 디스크 스프링이 압축되며, 동시에 플레이트도 같은 방향으로 움직인다. 2개의 근접 센서 중 하나는 플레이트에 고정되어 있어 플레이트가 이동하면 동시에 근접 센서도 같이 움직이면서 나머지 근접 센서에 가까워진다. 이후 계속 베일이 커지면서 근접 센서가 맞닿게 되면 신호가 발생되어 베일이 배출될 수 있도록 구성하였다. 플레이트에 고정되어 있는 근접 센서는 거리를 조절할 수 있어 거리를 길게하면 베일 압력이 커지고, 거리를 짧게하면 베일 압력이 작아질 수 있도록 설치하였다. 베일이 형성됨에 따라 베일 압력이 상승하며, 베일의 크기가 최대가 되어 배출될 때 작용하던 압력이 사라지기 때문에 배출 직전의 받는 압력을 베일의 압력으로 판단하였다. PTO 토크미터는 PTO축의 토크 및 회전수를 측정할 수 있으며, 토크는 0~3,000 Nm, 회전 속도는 0~2,000 rpm까지 측정 가능하다. PTO 토크미터는 작업기와의 동력취출축 연결 또는 농작업 시 외부 요인에 의한 파손을 방지할 수 있도록 외부 케이스를 설치하였다. PTO 토크에서 측정된 데이터는 Amplifier에 연결되며, Fig. 3과 같이 베일 압력 계측 시스템과 PTO Amplifier에서 데이터 수집 장치로 데이터가 전송하도록 구성하였다.
필드테스트
필드테스트는 전라북도 전주시 덕진구 도도동 401-4에서 수행하였으며, 포장 시험지의 크기는 약 730평이다. 베일러 작업은 크게 작물을 끌어올려(pick-up) 칼날을 이용하여 절삭(chopper)하는 베일 형성 구간(Baling), 베일러 내에 작물이 가득 차게 되면 네트를 이용하여 결속하는 베일 결속 구간(tying), 결속이 마무리되면 베일을 배출하는 배출 구간(discharging)으로 구분된다. 베일러 작업은 작업자에 따라 부하 패턴이 다르게 나타나기 때문에 수집된 데이터의 신뢰성 향상을 위하여 ㈜라이브맥의 숙련된 전문가에 의해 진행되었다. 베일러 작업 속도는 실제 농민들이 가장 많이 수행하는 M1 High (4.5 km/h)에서 실시했으며, PTO 속도는 베일러 사양에 따라 1단(540 rpm)으로 진행하였다. 또한 베일 압력 수준을 다르게 하기 위해 근접 센서의 거리를 5, 10 mm로 설정하였으며, 각 조건에서 3회 반복하였다. 시험 작물은 벼(rice)이며, 임의로 시료를 선정하여 오븐건조법을 이용해 함수율을 측정한 결과 평균 31.8%로 나타났다.
등가 토크
트랙터 농작업 부하는 크기와 방향이 일정하지 않는 변동 부하의 특성을 가지고 있다. 계측한 토크가 일정하지 않고 크기와 방향이 다르게 연속해서 작용하는 경우 일정한 토크가 작용하는 것과 동일한 영향을 미치도록 하기 위하여 하나의 크기와 방향을 가진 토크를 구해야 한다. 이때의 토크를 등가 토크라고 한다. 등가 토크는 누적손상법 이론에 근거한 Palmgren-Miner 식을 이용하여 계산했으며, 식 (1)과 같다(Baek et al, 2005). 계측한 전체 데이터 범위를 임의로 i개의 동일한 간격으로 나누고 각 범위 안에 있는 데이터의 수를 작용 시간비 hi로 설정한다. 각 범위 안에 있는 토크의 평균을 Ti라 하고 회전 속도와 작용 시간비를 곱한 값을 Li로 설정하였다. 각 범위의 Li를 구한 뒤, 전체 Lt에서 각각의 Li의 비율을 fi라 설정하였다. 각 범위의 Tiλ와 fi의 모두 합한 값을 제곱 하여 등가 토크를 계산하였다. λ는 피로 손상 지수로 하중 및 환경 요인에 따라 영향을 받으며, 부품, 장치, 기계 등에 따라 값을 달리한다. 본 연구에서는 λ는 기어 열처리 침탄 굽힘 피로 손상 지수 기준 값인 8.738로 설정하였다(ISO 6336-1, 2014).
Te = 
(1)
Results and Discussion
베일 압력 결과
베일러 작업 시 작업 조건에 따른 베일 압력 분석 결과는 Fig. 4와 같이 나타났다. 근접 센서의 거리가 5 mm일 때 베일 압력 분석 결과, 베일 형성 시 20 sec에서 압력이 급격히 증가하기 시작했으며, 32 sec에서 최대 13.7 gf/cm2까지 증가했다. 이후 베일 결속 구간에서 압력이 감소하기 시작했으며, 42 sec에서 챔버 개방으로 인해 베일이 배출되면서 압력이 급격히 감소되었다. 따라서, 베일 배출 직전인 약 7.01 gf/cm2가 5 mm일때의 베일 압력으로 나타났다. 근접 센서의 거리가 10 mm일 때 베일 압력 분석 결과, 베일 형성 시 20 sec에서 압력이 급격히 증가하기 시작했으며, 50 sec에서 최대 24.6 gf/cm2까지 증가했다. 이후 베일 결속 구간에서 압력이 감소하기 시작했으며, 60 sec에서 챔버 개방으로 인한 베일이 배출되면서 압력이 급격히 감소되었다. 따라서, 베일 배출 직전인 약 16.78 gf/cm2가 10 mm일때의 베일 압력으로 나타났으며, 5 mm일 때 보다 약 55% 증가했음을 알 수 있다.
베일 압력에 따른 PTO 등가 토크 분석
베일러 작업 시 작업 조건에 따른 베일 압력 분석 결과는 Fig. 5와 같이 나타났다. 근접 센서의 거리가 5 mm일 때 PTO 토크는 베일 형성 구간에서 최대 824.02 Nm, 평균 374.26 Nm, 표준편차 135.58 Nm로 나타났으며, 근접 센서의 거리가 10 mm일 때 PTO 토크는 베일 형성 구간에서 최대 1387.11 Nm, 평균 582.38 Nm, 표준편차 224.78 Nm로 나타났다. 계측한 데이터는 식 (1)을 이용하여 등가 토크로 산출하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다. 근접 센서의 거리가 5 mm일 때 등가 토크는 357.15 Nm로 나타났으며, 10 mm일 때는 538.48 Nm로 나타나, 베일 압력이 증가함에 따라 PTO 등가 토크는 약 33% 증가했음을 알 수 있다. 베일러 작업 시 베일 압력에 따라 PTO 등가 토크를 계산한 후, PTO 최대 토크와 비교 분석하였다. 근접 센서의 거리가 5 mm일 때, 베일러 작업 구간의 등가 토크는 PTO 최대 토크에 비해 약 45% 낮게 나타났으며, 10 mm인 경우, 약 17% 낮게 나타났다.
Conclusion
본 연구는 베일러 작업 시 정확한 베일 압력을 설정하기 위해 베일 압력 계측 시스템을 개발했다. 또한, 트랙터 PTO의 성능평가 및 최적 설계를 위한 기초 연구로써, 베일러 작업 시 베일 압력에 따라 PTO 부하를 측정하고 등가 토크로 계산하여 분석하였으며, 그 주요 결과는 다음과 같다.
1. 78 kW급 트랙터의 베일러 작업 시 정확한 베일 압력을 설정하기 위해 베일 압력 계측 방법을 개발하고 PTO 토크미터 및 데이터 수집 장치를 이용한 부하계측시스템을 개발하여 베일 압력에 따른 PTO 부하를 계측하였다.
2. 근접 센서 거리에 따른 베일 압력 분석 결과, 5 mm일 때 베일 압력은 7.01 gf/cm2, 10 mm일 때 베일 압력은 16.78 gf/cm2로 나타나, 약 58%의 압력이 증가했음을 알 수 있다.
3. 계측한 PTO 부하는 Palmgren-Miner 식을 이용하여 등가 토크로 산출하였다. 그 결과 베일러 작업 시 근접 센서 거리가 5, 10 mm 인 경우 각각 357.15, 538.48 Nm로 나타났으며, 베일 압력이 증가함에 따라 PTO 토크는 약 33% 증가했음을 알 수 있다.
4. 베일러 작업 구간에서의 PTO 등가 토크 및 트랙터 PTO 최대 토크를 비교 분석한 결과, 근접 센서의 거리가 5 mm일 때, 베일러 작업 구간의 등가 토크는 PTO 최대 토크에 비해 약 45% 낮게 나타났으며, 10 mm인 경우, 약 17% 낮게 나타났다.
5. 베일러 작업 시 PTO 등가 토크는 트랙터 PTO 최대 토크보다 낮게 나타났지만 베일 압력이 증가할수록 등가 토크도 증가했기 때문에 이에 따른 PTO에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다. 따라서 실제 베일 작업 시 베일 압력에 따라 발생하는 등가 토크를 고려하여 PTO 성능평가 및 최적 설계를 수행할 필요가 있다.
