Safety Analysis by Design Factor of Weeding Cultivator

RESEARCH ARTICLE
Junhee Kim1Haesung Jung1,3Yeongsu Kim1Donghyuck Hong2*

Abstract

The purpose of this study is to analyze the safety of the main driving parts for the development of the small weeding cultivator. The field test was conducted by attaching a strain gauge to the rotating shaft for safety analysis of the driving components. Using the measured torque values, the gear and rotation shaft were simulated using a RecerDyn software and the blade was simulated using an Ansys software. The test results showed that the thickness of the gear exceeds the allowable stress of the material if the thickness of the gear is less than 6 mm, diameter of the rotation shaft is less than 10 mm, and the thickness of the blade is less than 1.5 mm.

Keyword



Introduction

잡초는 논 · 밭 등 경작지에서 작물의 양분 흡수를 방해하여 성장에 영향을 미치고 수확량을 감소시키는 요인 중 하나이다(Ock and Pyon, 2011). 잡초를 제거하기 위해서는 화학적 제초방법과 물리적 제초방법이 있다. 화학적 제초방법에는 제초제가 사용되고 있는데, 최근 친환경 식품을 많이 찾고 있어 세계 유기농 시장규모는 2016년 897억달러에서 2017년 970억달러로 증가하고 있으며(KREI, 2019), 제초제를 사용함으로써 생기는 환경오염의 피해가 심각하다(Kim et al., 2014). 또한, 제초제 살포가 잡초 제거 및 작물 수확량 증가의 효과를 주지만 제초제 사용에 따른 중독으로 인한 사망사고가 2000년 924명, 2005년 2,160명으로 제초제 중독사고 예방이 필요하다(Jeong et al., 2008). 위와 같이 제초제가 작물 및 사람에게 큰 피해를 줄 수 있기 때문에 화학적 제초방법보다 물리적 제초방법을 이용하여야 한다. 물리적 제초방법에는 예초기, 트랙터용 제초기 등을 이용하는 방법이 있지만, 이를 이용하는 농촌인력의 감소, 고령화 및 여성화에 따른 많은 힘을 요구하는 작업, 불편한 작업 자세 등 물리적 제초 작업의 어려움이 있어 고령 여성 농업인의 사용 편의성을 높일 수 있는 장비가 필요하다(Lee et al., 2010). 또한, 인구의 고령화 추세는 농업 분야에는 더 큰 문제로 65세 이상의 고령 인구 비율은 2013년 12.2%에서 2017년 14.21%, 2019년 15.5%로 증가하고 있으며(KOSIS, 2019), 2015년 기준 남성 농업인은 471,850명, 여성 농업인은 515,351명으로 여성의 비율이 높다(KOSIS, 2015). 이에 따라, 고령 여성 농업인의 신체 치수를 반영하고 클러치 없이 조작이 가능한 고령 여성 소형 중경제초기 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 소형 중경제초기 개발을 위하여 주요 구동 부품의 설계 인자별 안전성 분석을 진행하였다.

Materials and Methods

실험장치 구성

밭농업용 기계는 작업 시 신속하고 효과적으로 작업할 수 있지만, 반복되는 작업이 진행될 시 작업 시간의 증가를 가져와 사용수명이 떨어지는 단점이 있다(Han et al., 2018). 최근 많은 연구자들이 구동중인 부품의 부하를 측정하는 기법으로 스트레인게이지를 활용하고 있다(Choi, 2015). 본 연구에서는 시작품의 시뮬레이션 입력 변수값 산정을 위해 후단 제초날의 축에 축 방향으로 스트레인게이지(062TV, Micro measurements, USA)를 부착하였으며, 부착한 스트레인게이지를 캘리브레이션을 진행한 후 토크를 측정하였다(Fig. 1).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F1.png

Fig. 1.Image of strain gauge attachment and calibration

스트레인게이지의 유선 작업 시 제초날에 선이 걸리기 때문에 무선으로 데이터를 수집하여야 한다. 이를 위해 제초날에 구멍을 뚫어 무선 송신 장치(WS-TAS1-STG, WS-ENG, Rep. Korea)에 연결하였으며(Fig. 2), 소형 중경제초기에 부착하였다(Fig. 3). 시작기로 제작된 밭고랑 제초기의 토크 계측 방법으로는 시뮬레이션의 검증을 위한 공회전일 때와 잡초가 있는 구역과 없는 구역을 나누어 각각 최대 작업속도로 20 m를 3번 반복 주행하며 측정하였으며, 데이터 수집은 DAQ(Q.bloxx, Gantner, Austria)를 이용하여 1초당 400개의 데이터를 실시간으로 저장하였다(Fig. 4).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F2.png

Fig. 2.Method of connecting wireless transmitter to weed blade

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F3.png

Fig. 3.Image of attachment of wireless transmitter on weed blade

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F4.png

Fig. 4.Image of data acquisition device

기어 안전성 분석

검증이 완료된 밭고랑 제초기 모델을 이용하여 토크 시험에서 측정된 최대 토크인 51.35 N·m의 값을 동역학 시뮬레이션에 적용하였고 기어의 두께에 따른 기어가 받는 응력을 분석하였다. 기어의 두께는 5 mm, 6 mm, 7 mm로 설정하였다(Fig. 5).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F5.png

Fig. 5.Modeling of gear mesh of furrow weeding cultivator

회전축 안전성 분석

토크 부하시험에서 측정된 최대 토크인 51.35 N·m의 값을 축의 중심으로부터 제초날 끝까지의 반지름인 0.095 m로 나눈 540.53 N을 제초날에 적용하여 회전축의 외경을 10 mm, 15 mm, 20 mm로 변경하며 회전축이 받는 응력을 분석하였다(Fig. 6).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F6.png

Fig. 6.Modeling of shaft mesh of furrow weeding cultivator

제초날 안전성 분석

제초날의 두께를 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm로 변경하며 토크 부하시험에서 측정된 최대 토크인 51.35 N·m의 값을 축의 중심으로부터 제초날 끝까지의 반지름인 0.095 m로 나눈 540.53 N을 제초날이 회전하는 방향에 적용하여 제초날이 받는 응력을 분석하였다(Fig. 7).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F7.png

Fig. 7.ANSYS simulation of blade of furrow weeding cultivator

Results and Discussion

토크 측정 결과

스트레인게이지를 제초날의 회전축에 부착하여 공회전과 최대 작업속도일 때 토크를 측정하였다. 시험결과 공회전시에는 최대 0.94 N·m(Fig. 8), 미잡초 구역에서는 최대 51.35 N·m(Fig. 9), 평균 31.55 N·m, 잡초 구역에서는 최대 42.27 N·m(Fig. 10), 평균 31.58 N·m의 토크가 발생되는 것으로 분석되었다. 또한, 미잡초 구역과 잡초 구역의 평균 토크 값은 동일한 것으로 분석되었지만, 전체 시험결과의 최대 토크인 51.35 N·m는 미잡초 구역에서 분석된 결과로 나타났다. 이는 밭농업의 특성상 돌이나 기타 이물질 등에 의한 것으로 판단되며, 측정된 토크 결과를 입력 변수값으로 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다.

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F8.png

Fig. 8.Torque test (idling) of furrow weeding cultivator

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F9.png

Fig. 9.Torque test (weed-free area) of furrow weeding cultivator

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F10.png

Fig. 10.Torque test (weed area) of furrow weeding cultivator

기어 안전성 분석 결과

토크 측정시험에서 측정된 최대 토크인 51.35 N·m의 값을 적용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 기어의 두께가 5 mm일 때 658.80 MPa, 6 mm일 때 508.41 MPa, 7 mm일 때 221.65 MPa로 분석되어 SM45C의 허용응력인 343 MPa을 초과하지 않는 기어의 두께를 7 mm 이상으로 설계되어야 하는 것으로 분석되었다(Fig. 11, Table 1).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F11.png

Fig. 11.Stress area (highlighted) of gear of a furrow weeding cultivator

Table 1. ANSYS analysis by gear thickness of furrow weeding cultivator http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Table_PASTJ_20-045_T1.png

회전축 안전성 분석 결과

제초날에 540.53 N을 적용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 회전축의 외경이 10 mm일 때 253.61 MPa, 15 mm일 때 102.87 MPa, 20 mm일 때 50.86 MPa로 분석되어 SS400의 허용응력인 235 MPa을 초과하지 않는 회전축의 외경을 15 mm 이상으로 설계되어야 하는 것으로 분석되었다(Fig. 12, Table 2).

제초날 안전성 분석 결과

토크 부하시험에서 측정된 최대 토크인 51.35 N·m을 회전축과 제초날 끝까지의 반지름으로 나눈 540.53 N을 제초날에 적용한 결과 제초날의 두께가 1.5 mm일 때 241.63 MPa, 2 mm일 때 167.22 MPa, 2.5 mm일 때 124.77 MPa로 분석되어 SS400의 허용응력인 235 MPa을 초과하지 않는 제초날의 두께를 2 mm 이상으로 설계되어야 하는 것으로 분석되었다(Fig. 13, Table 3).

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F12.png

Fig. 12.Stress area (highlighted) of shaft of a furrow weeding cultivator

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Figure_PASTJ_20-045_F13.png

Fig. 13.Stress area (highlighted) of blade of a furrow weeding cultivator

Table 2. ANSYS analysis by driving shaft diameter of furrow weeding cultivator http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Table_PASTJ_20-045_T2.png
Table 3. ANSYS analysis by blade thickness of furrow weeding cultivator http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-045_image/Table_PASTJ_20-045_T3.png

Conclusion

본 연구에서는 소형 중경 제초기의 개발을 위하여 구동 부품의 안전성 확보를 위한 실증시험 및 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과는 다음과 같다

제작된 시작기의 측정된 제초날 회전축에 부하되는 토크는 공회전시 평균 0.94 N·m, 잡초가 없는 구역에서는 평균 31.55 N·m, 잡초가 있는 구역에서는 평균 31.58 N·m로 미잡초 구역과 잡초 구역의 평균 토크 값은 동일한 것으로 분석되었다. 전체 시험결과의 최대 토크는 잡초가 없는 구역에서 51.35 N·m으로 측정되었지만, 이는 밭농업의 특성상 돌이나 기타 이물질 등에 의한 것으로 판단된다.

RecurDyn을 이용한 시뮬레이션 검증 및 분석을 위해 시작기와 동일한 회전속도 및 기어비를 설정하였으며, 그 결과 제초날 회전축의 공회전 시뮬레이션 측정 결과 0.95 N·m로 현장시험 결과인 0.94 N·m와의 오차율은 1.06%로 나타났다.

시작기의 측정된 최대 토크 값을 시뮬레이션에 적용하여 분석결과 기어의 두께는 7 mm이상, 회전축의 외경은 15 mm이상, 제초날의 두께는 2 mm이상으로 설계되어야 각 부품의 허용응력을 초과하지 않는 것으로 분석되었다.

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(119001-02-2-WT011).

References

1  Choi J. H. 2015. A study on analysis method of fatigue behavior using straingauge & S-N curve in car-manufacturing system. Master dissertation, Pusan National Univ., Korea. [in Korean] 

2  Han JW, Kim EJ, Jung HH, Park YJ. 2018. Study on working load analysis of composite working implements for agricultural machines. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers-A 42(4):371-378. [in Korean] 

3  Jeong M, Kim JH, Park KH, Lee HD, You AS, Kim BS, Choi JH, Kwon OK. 2008. Examination of pesticide poisoning deaths statistics in korea and precautionary measures against pesticide-poisoning. The Korean Journal of Pesticide Science 12(2):134-140. [in Korean] 

4  Kim GH, Kim SC, Hong YK. 2014. Traveling performance of a robot platform for unmanned weeding in a dry field. Journal of the Korean Society for Precision Engineering 31(1):43-50. [in Korean] 

5  KOSIS(KOrean Statistical Information Service). 2015. Age and gender farming households/gender ratio. [in Korean] 

6  KOSIS(KOrean Statistical Information Service). 2019. Elderly population ratio. [in Korean] 

7  KREI(Korea Rural Economic Institute). 2019. Domestic and overseas eco-agricultural product production and consumption actual conditions and future issues. [in Korean] 

8  Lee KS, Kim HC, Chae HS, Kim KR, Lee SJ, Lim DS. 2010. A study on agricultural safety technology for ergonomic intervention in farm‐work. Journal of the Ergonomics Society of Korea 29(2):225-239. [in Korean] 

9  Ock HS, Pyon JY. 2011. Trend and perspective of weed control techniques in organic farming. The Korean Society of Weed Science 31(1):8-23. [in Korean]