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문제 정의
- 본 연구에서는 500 ns의 고속 A/D변환기가 장착된 디지털스토리지 오실로스코프를 이용하여 측정 및 분석을 자동화한 압축 및 충격 특성 시험장치 (Hong 등, 2005)를 사용하여 감자와 고구마의 외피 및 내부 조직의 기계적 특성을 측정하였으며 압축 속도 및 충격 낙하높이에 따른 압축 및 충격 하중에 대한 기계적 특성을 구명하고자 하였다.
제안 방법
- OS4020의 측정시작 제어신호로 Ext. Trigger 신호를 가하여 시험자료의 측정을 시작하였으며, 측정 결과는 바로 오실로스 코프의 모니터로 확인하였다.
- 충격낙하 높이는 각 조직의 파괴가 발생하는 높이로부터 점차 그 높이를 증가시켜 8 cm에서 24 cm 사이의 낙하 높이에서 감자와 고구마의 충격 특성 변이를 측정하였다. 각 조직의 충격특성시험은 각 낙하 높이에서 10회 반복 측정하였다.
- 감자와 고구마의 압축 및 충격 하중에 대한 표피 및 내부 조 직의 파괴 특성을 시험하기 위하여 극한강도(rupture force), 파 괴에너지(rupture energy) 및 극한변형도(rupture deformation) 를 파괴 요인으로 설정하고 표피조직에는 반경 4 mm 플런저로 내부 조직에는 아크릴 평판으로 압축 및 충격 하중을 가하고 압축시험 장치로 힘- 변형도 곡선과 충격시험 장치로 가속도-시간 곡선을 측정하여 파괴 요인을 분석하였다.
- 감자의 표피조직에 대한 압축 및 충격시험에는 원형의 시료를 사용하였다.고구마의 표피조직에 대한 압축 및 충격시험은 고구마를 길이 방향으로 가운데 부분을 10 cm길이로 절단하고 표피에서 5 cm의 두께로 절단하여 충격 특성을 시험하였다. 내부 조직에 대한 압축 및 충격시험에서 감자는 원통형 시편채취기를 이용하여 측면에서 수직 방향으로 고구마는 길이 방향으로 직경 1.
- 압축시험에 사용한 하중재하 속도는 ASAE Standard(1983) 압축시험 규정속도인 25 mm/min을.기준으로 12.5, 25.0,37.5, 50.0 및 62.5 mm/min의 5 수준의 압축 속도에 따른 압 축특성의 변이를 측정하였다. 극한 강도는 힘-변형도 곡선의 정점으로 정의하였으며, 정점이후에서 힘- 변형도 곡선은 급격히 감소하였다.
- 파괴 변형도는 힘-변형도 곡선에서 준정적 하중 시작점에서 정점까지의 거리로 측정하였다. 압축 특성시 험은 각하중재하속도에서 10회 반복시험 하였다.
- 압축특성 시험장치는 그림 2와 같이 하중변환기, 스트레인 증폭기, 디지털스토리지 오실로스코프, GPIB 인터페이스 및 마이크로컴퓨터로 측정, 수집, 전송 및 분석 장치로 구성되었다. 압축시험에 사용한 하중변환기(LC50KA, Kyowa, Tokyo, Japan)는 490 N 용량이며, 스트레인 증폭기(CO-50ET, Kyowa, Tokyo, Japan)를 사용하였고, 압죽하중에 대한 전기적 신호 의 교정(calibration)은 규정 μ스트레인에 해당하는 출력 전압 으로 결정하였다.
- 압축특성 시험장치는 그림 2와 같이 하중변환기, 스트레인 증폭기, 디지털스토리지 오실로스코프, GPIB 인터페이스 및 마이크로컴퓨터로 측정, 수집, 전송 및 분석 장치로 구성되었다. 압축시험에 사용한 하중변환기(LC50KA, Kyowa, Tokyo, Japan)는 490 N 용량이며, 스트레인 증폭기(CO-50ET, Kyowa, Tokyo, Japan)를 사용하였고, 압죽하중에 대한 전기적 신호 의 교정(calibration)은 규정 μ스트레인에 해당하는 출력 전압 으로 결정하였다.
- 국내 연구로는 김 등(2001)이 배를 하중 변환기에 자유낙하시켜 충격력-시간 특성 곡선을 측정하였으며 낙하 높이에 따른 배의 측정 최고 충격력과 생체항 복점, 생체항복강도 및 멍에 대한 상관관계를 분석하였다. 이상의 연구에서 충격하중에 의한 물리적 특성 분석 방법은 수ms의 짧은 시간 동안 발생되는 충격하중에 의한 손상을 측정하기 위하여 하중 변환기나 가속도계를 사용하여 출력신호를 오실로 그래프나 오실로스코프로 측정하고 고속 카메라로 촬영하여 가속도를 측정하는 방법을 사용하였으나 분석과정 이 수작업으로 수행 되었다.
- 충격낙하 높이는 각 조직의 파괴가 발생하는 높이로부터 점차 그 높이를 증가시켜 8 cm에서 24 cm 사이의 낙하 높이에서 감자와 고구마의 충격 특성 변이를 측정하였다. 각 조직의 충격특성시험은 각 낙하 높이에서 10회 반복 측정하였다.
- 극한 강도는 힘-변형도 곡선의 정점으로 정의하였으며, 정점이후에서 힘- 변형도 곡선은 급격히 감소하였다. 파괴 변형도는 힘-변형도 곡선에서 준정적 하중 시작점에서 정점까지의 거리로 측정하였다. 압축 특성시 험은 각하중재하속도에서 10회 반복시험 하였다.
- 파괴특성인자로 파괴점(rupture point)과 극한강도(ultimate strength)는 압죽 시험장치로 즉정한 힘-변형도 곡선에서 곡선의 파단점에서의 힘으로 결정하였으며, 파괴에너지 Ere 본 연구에서 측정한 힘-변형도 곡선의 적분으로 다음식 (3)으로 결정하였다. 파괴에너지 계산을 위한 적분은 힘- 변형도 곡선의 측정값을 측정자료 샘플링 간격을 이용한 simpson의 수치적분법으로 계산하였다
대상 데이터
- 자료수집 및 저장에 사용한 OS4020에 내장된 AD변환기는 분해능 8bit, 변환시간이 500 nsec이며, 메모리 용량은 4 kbyte이다 OS4020 에 저장된 압축특성 자료는 OS4020 에 부착된 4024 IEEE 488 인터페이스버스(General Purpose Interfac Bus, 이하 GPIB)와 PC에 장착된 GPIB를 이용하여 전송하였다. PC GPIB 인터페이스를 통하여 OS4020의 작동제어, 압축 및 충 격 시험자료의 전송 및 분석에 사용하였다. OS4020의 GPIB 제어, 자료전송 및 분석 프로그램은 BASIC으로 작성하였다.
- 감자의 표피조직에 대한 압축 및 충격시험에는 원형의 시료를 사용하였다.고구마의 표피조직에 대한 압축 및 충격시험은 고구마를 길이 방향으로 가운데 부분을 10 cm길이로 절단하고 표피에서 5 cm의 두께로 절단하여 충격 특성을 시험하였다.
- 시험에 사용한 감자는 강릉에서 수확된 것을 서울 가락동청과물 시장에서 상온 저장된 외견상 손상이 없는 것을 선별하여 50개를 구입하였다.고구마는 수원 농촌진흥청작물과학원에서 시험재배한 것이며 수확 후 50개를 구입하여 저장기간 없이 상온에서 바로 압축 및 충격시험에 사용하였다.
- (그림 1). 낙하물체는 아크릴로 제작하였으며 두께 10 mm, 직경 50 mm의 아크릴 평판이나 길이 20 mm, 직경 8 mm, 곡률 반경 4 mm의 플런저(plunger) 를 장착할 수 있도록 아크릴로 제작되었다. 낙하물체의 무게는 플런저 부착 시 247.
- 고구마의 표피조직에 대한 압축 및 충격시험은 고구마를 길이 방향으로 가운데 부분을 10 cm길이로 절단하고 표피에서 5 cm의 두께로 절단하여 충격 특성을 시험하였다. 내부 조직에 대한 압축 및 충격시험에서 감자는 원통형 시편채취기를 이용하여 측면에서 수직 방향으로 고구마는 길이 방향으로 직경 1.0 cm, 길이 1.5 cm의 원통형 시편을 만 들어 사용하였다 (L/D=1.5).
- 충격 및 압축 실험의 공시재료로서 감자와 고구마의 각 대표적 품종인 수미와 선미를 공시하였다. 시험에 사용한 감자는 강릉에서 수확된 것을 서울 가락동청과물 시장에서 상온 저장된 외견상 손상이 없는 것을 선별하여 50개를 구입하였다.고구마는 수원 농촌진흥청작물과학원에서 시험재배한 것이며 수확 후 50개를 구입하여 저장기간 없이 상온에서 바로 압축 및 충격시험에 사용하였다.
- 시료의 부피는 Archemedes의 원리를 이용하여 시료를 증류수에 잠기게 하여 측정하였으며 시험에 사용된 시료의 물리적 특성은 표 1과 같다. 시험에 사용한 고구마는 크기가 다양하여 일정한 크기의 시편으로 절단하여 사용하였으며, 원형 형상치수는 측정하지 않았다.
- 압축 및 충격 특성 시험자료 수집장치로 디지털오실로스코 프(Gould OS4020, Gould Instrument Systems Inc., Valley View, Ohio, USA, 이하 OS4020)를 사용하였다. 자료수집 및 저장에 사용한 OS4020에 내장된 AD변환기는 분해능 8bit, 변환시간이 500 nsec이며, 메모리 용량은 4 kbyte이다 OS4020 에 저장된 압축특성 자료는 OS4020 에 부착된 4024 IEEE 488 인터페이스버스(General Purpose Interfac Bus, 이하 GPIB)와 PC에 장착된 GPIB를 이용하여 전송하였다.
- , Valley View, Ohio, USA, 이하 OS4020)를 사용하였다. 자료수집 및 저장에 사용한 OS4020에 내장된 AD변환기는 분해능 8bit, 변환시간이 500 nsec이며, 메모리 용량은 4 kbyte이다 OS4020 에 저장된 압축특성 자료는 OS4020 에 부착된 4024 IEEE 488 인터페이스버스(General Purpose Interfac Bus, 이하 GPIB)와 PC에 장착된 GPIB를 이용하여 전송하였다. PC GPIB 인터페이스를 통하여 OS4020의 작동제어, 압축 및 충 격 시험자료의 전송 및 분석에 사용하였다.
- 충격 및 압축 실험의 공시재료로서 감자와 고구마의 각 대표적 품종인 수미와 선미를 공시하였다. 시험에 사용한 감자는 강릉에서 수확된 것을 서울 가락동청과물 시장에서 상온 저장된 외견상 손상이 없는 것을 선별하여 50개를 구입하였다.
이론/모형
- 가속도계의 줄력 신호 처리에 EMI signal condi- tioner(Thom EMI 1050, Thom EMI Datatech Ltd, UK)를 사용하였다. 가속도측정장치의 calibratione 한국표준연구원에서 Bouch Levy Reciprocity calibartion method로 검증 하였다.
- 감자 및 고구마의 압축 및 충격 하중에 대한 기계적 특성을 측정하기 위하여 Hong 등(2005)이 개발한 과실의 압축 및 충격시험장치를 사용하였으며, 그 구성도는 그림 1과 2와 같다. 시료에 충격하중을 가하기 위한 낙하물체는 직경 1 mm 강선 2줄을 따라 수직으로 낙하며 낙하물체의 가속도를 측정하기 위한 가속도계가 부착되어 있다.
- 농산물의 기계적 특성 시험에는 성숙도 등 조직 변화 측정 방법으로 내부 조직 시편의 평판시험과 수확 및 처리과정의 손상에 저항하는 지표 측정 방법으로 외피조직에 대한 원통형 플런저(plunger) 시험이 사용되었다
- 시료의 부피는 Archemedes의 원리를 이용하여 시료를 증류수에 잠기게 하여 측정하였으며 시험에 사용된 시료의 물리적 특성은 표 1과 같다. 시험에 사용한 고구마는 크기가 다양하여 일정한 크기의 시편으로 절단하여 사용하였으며, 원형 형상치수는 측정하지 않았다.
- 이상의 가속도-시간 특성 곡선 a(t)의 1차, 2차적분은 simpson의 수치적 분법으로 계산하였다.
- 파괴특성인자로 파괴점(rupture point)과 극한강도(ultimate strength)는 압죽 시험장치로 즉정한 힘-변형도 곡선에서 곡선의 파단점에서의 힘으로 결정하였으며, 파괴에너지 Ere 본 연구에서 측정한 힘-변형도 곡선의 적분으로 다음식 (3)으로 결정하였다. 파괴에너지 계산을 위한 적분은 힘- 변형도 곡선의 측정값을 측정자료 샘플링 간격을 이용한 simpson의 수치적분법으로 계산하였다
성능/효과
- (1) 감자(수미) 압축 하중에 대한 표피조직의 극한 강도, 파괴에너지, 극한 변형도는 각각 84.1-93.7 N, 0.264-0.277 Nm, 6, 44 - 6.94 mm이었으며, 내부 조직은 각각 60.1 ~ 64.8 N; 0.132-0.173 Nm, 5.08-6.41 mm이었다.
- (2) 감자(수미) 충격 하중에 대한 표피조직의 극한 강도 파괴에너지, 극한 변형도는 각각 66.1-88.2 N, 0.182-0.295 Nm, 5.76-7.33 mm이었으며, 내부 조직은 각각 46.5~ 73.5 N, 0.116-0.190 Nm, 4.64-5.64 mm이었다.
- (3) 고구마(선미) 압축 하중에 대한 표피조직의 극한 강도 파괴에너지, 극한 변형도는 각각 128.9~ 132.2 N, 0.294-0.357 Nm, 5.07-5.72 mm이었으며, 내부 조직은 각각 158.9~ 171.1 N, 0.387-0.558 Nm, 5.32-6.61 mm이었다.
- (4) 고구마(선미) 충격 하중에 대한 표피조직의 극한 강도, 파괴에너지, 극한 변형도는 각각 83.9-109.1 N, 0.068- 0.120 Nm, 1.90-2.51 mm이었으며, 내부 조직은 각각 126.6-142.2 N, 0.102 - 0.141 Nm, 2.05 - 2.67 mm이 었다.
- 61 mm로 압축하중에 의한 것이 극한변형도보다 충격하중에 의한 극한 변형도가 크게 작은 것으로 나타났다. 감자의 표피와 내부조직의 극한변형도는 압축하중에 대하여 각각 6.44~ 6.94, 5.08-6.41 mm, 충격하중에 대하여 각각 5.76~7.33, 4.64~5.64 mm로 표피조직의 경우 충격 하중과 압축하중에 대한 차이는 없는 것으로 나타났으나, 내부 조직의 경우 충격하중에 의한 것보다 압축하중에 의한 것이 큰 것으로 나타났다.
- 충격체의 낙하 높이에 따른 감자와 고구마의 파괴에너지와 극한 변형도의 측정 결과는 그림 7과 8에 나타난 바와 같다.고 구마 표피와 내부 조직의 압축 하중에 대한 극한 강도는 각각 128.9-132.2, 158.9-171.1 N, 충격하중에 의한 극한강도는 각각 83.9-109.1, 126.6-142.2 N으로 표피와 내부 조직 모두 압축하중에 의한 것보다 충격하중에 의한 극한 강도가 작은 것으로 나타났으며, 감자표피와 내부 조직의 경우도 압축 하중에 의한 극한강도가 각각 84.1-93.7, 60.1-64.8 N, 충 격하중에 대한 극한 강도는 각각 66.1 ~88.2, 46.5-73.5 N으 로 충격하중에 의한 극한 강도가 대체적으로 압축하중에 의한 것보다 작은 것으로 나타났다.
- 고구마 표피와 내부조직의 극한변형도는 충격하중에 의한 것이 각각 1.90~2.51, 2.05-2.67 mm, 압축하중에 대한 극 한변형도는 표피조직의 5.07-5.72 mm, 내부 조직이 5.32~ 6.61 mm로 압축하중에 의한 것이 극한변형도보다 충격하중에 의한 극한 변형도가 크게 작은 것으로 나타났다. 감자의 표피와 내부조직의 극한변형도는 압축하중에 대하여 각각 6.
- 그러나 고구마의 표피조직의 경우 낙하 높이 20 cm까지 일정한 극한 강도를 유지하다 24 cm의 낙하높이에서 극한강도가 증가하였다.고구마의 압축특성 시험에서와 같이 내부 조직의 극한 강도가 표피조직의 극한 강도보다 큰 것으로 나타났다. 고구마의 파괴 변형도는 Hong 등(2005)의 사과와 배의 충격시험에서와 같이 낙하 높이의 변화에 관계없이 일정한 것으로 나타났으며, 감자의 경우는 복숭아의 파괴 변형도에서와 같이 낙하 높이의 증가에 따라서 완만히 증가하였다.
- 감자와 고구마의 하중재하 속도에 따른 파괴에너지의 측정 결과는 그림 4와 같다.고구마의 외피조직과 감자의 외피와 내부 조직이 하중재하 속도가 증가함에 따라서 완만히 감소하는 반면에 고구마의 내부 조직의 경우 하중재하 속도의 증가에 따라서 파괴에너지가 현저히 감소하였다. 이는 전체적으로 일정한 극한 강도와 완만히 감소하는 극한 변형도의 관계에서 압축 속도가 증가하면 힘- 변형도 곡선의 높이가 일정하고 밑면이 감소하여 결과적으로 면적이 감소하는 것으로 해석할 수 있다.
- 고구마의 압축특성 시험에서와 같이 내부 조직의 극한 강도가 표피조직의 극한 강도보다 큰 것으로 나타났다. 고구마의 파괴 변형도는 Hong 등(2005)의 사과와 배의 충격시험에서와 같이 낙하 높이의 변화에 관계없이 일정한 것으로 나타났으며, 감자의 경우는 복숭아의 파괴 변형도에서와 같이 낙하 높이의 증가에 따라서 완만히 증가하였다.
- 낙하물체가 시료에 접촉하여 충격력을 가하고 조직의 파괴가 일어나는데 소요되는 시간은 고구마의 경우 1 ~3 ms, 감자는 3~7 ms으로 나타났으며 이 순간에 발생하는 가속도계의 출력 전압은 OS4020에 트리거(trigger) 신호를 발생시키는 장치를 구성하여 측정을 시작하였으며, 측정 결과는 바로 오실로스코프의 모니터로 확인할 수 있었다.
- Nelson과 Mohsenin(1968)은 청과물이 흡수한 에너지와 멍이든 체적과의 상관관계를 구명하였다. 복숭아, 배, 사과 및 감자에서 멍이나 파괴를 발생시키는 충격 에너지는 압축 하중에 의한 것보다 더 큰 것으로 나타났다. 이는 압축 속도가 증가할수록 강철과 같은 공업용 물질이나 고분자 화합물의 강도가 커지는 것과 같은 것으로 해석하였다.
- 감자와 고구마의 하중재하 속도에 따른 파괴 변형도 측정 결과는 그림 5와 같다. 파괴 변형도는 감자의 내부 조직을 제외하고 압축 속도의 증가에 따라서 전체적으로 완만하게 증가하였다. 감자의 외피조직은 내부 조직의 파괴변형도 보다 작게 나타났으며, 이는 Hong 등(2005)의 사과와 배의 압축시험 결과에서 나타난 것과 같다.
- 목재의 경우 섬유질 방향과 섬유질 방 향에 수직으로 하중을 가한 경우 극한 강도가 섬유질 방향으로 더 큰 것과 같은 현상으로 판단된다. 하중재하 속도 12.5- 62.5 mni/min의 범위에서 감자와 고구마의 내부 조직과 고구마의 외피조직의 극한 강도에 대한 하중재하 속도의 영향은 전체적으로 일반적인 경향이나 큰 차이가 없는 것으로 나타났 으나 감자의 외피조직의 경우 극한 강도가 하중재하 속도의 증가에 따라 완만히 증가하다가 37.5 mm/min 이후에 일정하게 나타났다. Wright와 Splinter(1968)는 하중재하 속도 1.
후속연구
- 그러나 고구마의 외피조직의 경우 극한강도 측정 결과에서 나타난 바와 같이 내부 조직보다 파괴 변 형도가 작은 것으로 나타났으며 고구마 조직의 수직 방향과 조직과 평행한 방향의 물성 차이에 의한 것으로 사료된다. 따라서 고구마를 압축 분쇄 가공하는 공정을 설계할 경우, 고구마 섬유조직에 수직한 방향으로 압축하중을 가하는 것이 섬유조직방향으로 가공하는 것보다 더 경제적인 가공공정으로 판단되며 이 기계적 특성자료는 효율적인 분쇄 가공공정의 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 압죽 하중을 가하는 분쇄의 경우 압축 속도에 따른 극한 강도가 일정한 경우, 빠른 압축 속도에서 분쇄를 하면 느린 압축 속도를 사용하는 것보다 가공 생산성 향상뿐만 아니라 적은 에너지로 경제적으로 분쇄를 할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 실험 결과는 감자와 고구마의 가공장치와 기계류의 설계 시 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Wright와 Splinter(1968)는 하중재하 속도 L27~127 mm/min의 범위에서 고구마 3품종 의 파괴에너지는 하중재하 속도의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였으며 외피와 내부 조직이 각각 0.
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