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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 수확작업 시 콤바인 주요 부위인 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도를 감지할 수 있는 계측 시스템을 개발하여 예취부 작업속인기러그의 상태, 칼날부의 상태가 각각의 주요 부위에 미치는 영향을 구명하는데 있다.
- 본 연구는 수확작업 시 예취부의 작업조건이 칼날의 평균 절단 속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도에 미치는 영향을 구명하기 위하여 계측 시스템을 개발하고 각각의 작업 조건을 인자로 하는 일원 분산분석 및 최소 유의차 방법으로 그룹 간의 차이를 분석하였다.
제안 방법
- 콤바인 예취부의 고장요인에 따른 주요 부위의 계측 시스템을 개발하기 위하여 작업 폭이 1.2 m인 3조식 콤바인(KC300, 국제종합기계, Korea)을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 콤바인은 국내에서 보편적으로 사용되는 기종으로 최대 작업속도 1.
- 이때, 칼날의 행정(S)은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있으며 편심 거리(e)는 편심 크랭크 연결봉의 길이에 비하여 상당히 작으므로(enO) 칼날의 평균 절단속도는 식 (2)와 같이 계산할 수 있다(정, 1997). 그러므로 칼날의 평균 절단 속도는 크랭크축의 회전속도를 이용하여 측정하는 것이 일반적이나 실제 수확작업 시 고속의 칼날 작업 및 장애물 등의 영향으로 인하여 센서의 장착이 불가능 하므로 본 연구에서는 그림 2와 같이 예취 크랭크축과 동일한 회전 속도비(1:1)를 갖는 예취 구동부에 엔코더(E40S, Autonics, Korea)를 장착하여 칼날의 평균 절단속도를 측정하였다.
- 반송 두께는 그림 3(Left)과 같이 예취되어 탈곡부로 반송되는 부분의 두께를 측정해야하나 수확작업 시에는 벼의 압축 상태, 함수율 등에 따라 정확한 측정이 불가능하므로 그림3(Right)과 같이 탈곡부 입구에 길이 변화 측정이 가능한 포텐시오미터(L08, Autonics, Korea)를 장착하여 탈곡부 투입두께를 측정하였다. 탈곡부 투입 두께는 벼를 탈곡 체인에 따라 이동시키기 위해 탈곡 체인에 물리는 두께로 수확작업 시 탈곡 부에 입력되는 벼의 반송 두께에 따라 스프링으로 자동조절되므로 이때의 길이 변화를 측정하여 반송 두께를 예측할 수 있다.
- 탈곡부 투입 두께와 반송 두께는 그림 4와 같이 작물의 함수율 차이에 따른 측정 오차를 줄이기 위하여 오전(31.0%, w.b)과 오후(18.5%, w.b)로 나누어 실험하였으며, 수확 작업을 정지하여 버니어캘리퍼스로 벼의 반송 두께를 측정한 후, 재가동하여 포텐시오미터로 탈곡부 투입 두께를 측정하는 방법으로 상관관계를 계산하였다. 탈곡부 투입 두께는 반송된 벼가 탈곡 체인에 의해 물려 들어가면서 압축되므로 실제 반송 두께 보다 작게 측정되었으며, 상관계수는 0.
- 탈곡통의 회전속도는 엔코더(E40S, Autonics, Korea)를 이용하였으며, 탈곡되어 나오는 작물 및 장애물 등에 의하여 탈곡 통 구동축에 직접적인 부착이 불가능하므로 그림 5와 같이 탈곡 통 구동축과의 속도비(2.75:1)를 이용하여 탈곡부 입력축에서 측정하였다.
- 포텐시오미터와 엔코더의 신호 측정 및 분석을 위한 장치는 표 1과 같은 I/O 인터페이스(SCXI, National Instruments, USA) 모듈과 제어부로 임베디드 모듈(PXI, National Instru ments, USA)을 이용하였다. 포텐시오미터의 신호는 자체적으로 0.
- USA)을 이용하였다. 포텐시오미터의 신호는 자체적으로 0.15 mA의 전류 공급원을 가지고 있어 길이 변화에 따른 저항 변화의 측정이 용이한 모듈(SCXI-1121)로 측정하였고 최대 80 MHz의 고속 펄스 신호를 측정할 수 있는 모듈 (PXI-6602)을 이용하여 엔코더의 회전속도를 측정하였다. 포텐시오미터와 엔코더의 데이터 수집을 위한 샘플링 주파수는 고속의 칼날 절단속도를 고려하여 50 Hz로 설정하였으며, 각각의 인터페이스 모듈로 입력된 센서 신호는 임베디드 모듈에서 이동 평균법(Moving average)으로 집음을 제거한 후, 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도를 분석하였다 이때, 신호 측정 및 분석을 위한 계측 프로그램은 Labview(version 8.
- 실험에 사용된 벼는 경기도 수원시 성균관대학교 시험 포장에서 재배된 일반계의 추청벼로 도복에 따른 영향을 알아보기 위하여 표 2와 같이 입모각의 크기에 따라 3회 반복 측정하였다. 측정된 벼의 입모각은 도복된 정도에 따라 65.
- 인기러그의 비작용 시간 증가에 따른 칼날의 평균 절단 속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도를 측정하기 위하여 인기 러그의 상태는 그림 6과 같이 동일한 열의 러그를 차례로 파손하는 방법으로 정상 상태, 1개 파손, 2개 파손, 3개 파손으로 구성하였다.
- 콤바인 수확작업 시 작업속도 인기러그의 상태, 칼날 부의 상태가 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도에 미치는 영향을 구명하기 위하여 2006년 10월에서 11월 사이에 성균관대학교 논 포장에서 수확작업을 수행하였다. 각각의 작업 조건에 따른 실험을 하기에 앞서 수확작업 시 계측시스템의 사용 가능성을 알아보기 위하여 엔진 회전속도와 탈곡 통 회전속도를 3조식 콤바인의 적정 속도인 2800 rpm, 520 rpm (국제 콤바인 취급 설명서, 1998)으로 설정하고 0.
- 각각의 작업 조건에 따른 실험을 하기에 앞서 수확작업 시 계측시스템의 사용 가능성을 알아보기 위하여 엔진 회전속도와 탈곡 통 회전속도를 3조식 콤바인의 적정 속도인 2800 rpm, 520 rpm (국제 콤바인 취급 설명서, 1998)으로 설정하고 0.84 m/s 의 작업속도로 각각의 센서 신호를 3회 반복 측정하였으며, 45초 동안 총 10 회에 걸쳐 작업 중인 콤바인을 정지시켜 실제 반송 두께를 측정하고 이때의 탈곡부 투입 두께를 이용하여 계산된 반송 두께와 비교하였다.
- 콤바인의 작업조건이 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡 통의 회전속도에 미치는 영향을 구명하기 위하여 각각의 포장 조건에 대해 그림 8과 같이 작업속도 3 수준(1단 : 0.60 m/s, 3단 : 0.85 m/s, 5단 : 1.13 m/s), 인기러그의 상태 4 수주 정상, 1개 파손, 2개 파손, 3개 파손), 칼날부의 상태 3 수준(정상 칼날, 이격 칼날, 파손 칼날)으로 변화시키면서 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도에 미치는 여향을측정하였다.
- 콤바인 수확작업 시 작업속도 인기러그의 상태, 칼날 부의 상태가 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도에 미치는 영향을 구명하기 위하여 입모각에 따른 각각의 시험 포장에 대해 표 4와 같이 측정하였다.
- (1) 칼날의 평균 절단속도와 탈곡통의 회전속도는 각각 예취부 구동축(1:1)과 탈곡통 입력축(2.75:1)의 속도비를 이용하여 측정하였으며, 반송 두께는 탈곡부 투입 두께와의 상관관계를 계산하여 수확작업 중 콤바인의 절단, 반송, 탈곡 상태 예측이 가능한 계측 시스템을 개발하였다.
- 수확작업 시 계측 시스템의 측정 가능성을 알아보기 위하여 표 3과 같이 칼날의 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도를 반복하여 측정하였다. 칼날의 평균 절단속도는 0.
데이터처리
- 15 mA의 전류 공급원을 가지고 있어 길이 변화에 따른 저항 변화의 측정이 용이한 모듈(SCXI-1121)로 측정하였고 최대 80 MHz의 고속 펄스 신호를 측정할 수 있는 모듈 (PXI-6602)을 이용하여 엔코더의 회전속도를 측정하였다. 포텐시오미터와 엔코더의 데이터 수집을 위한 샘플링 주파수는 고속의 칼날 절단속도를 고려하여 50 Hz로 설정하였으며, 각각의 인터페이스 모듈로 입력된 센서 신호는 임베디드 모듈에서 이동 평균법(Moving average)으로 집음을 제거한 후, 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도를 분석하였다 이때, 신호 측정 및 분석을 위한 계측 프로그램은 Labview(version 8.2, National Instrument, USA)를 이용하여 개발하였다.
- 수집된 계측 시스템의 센서 신호는 각각의 작업조건을 인자로 하는 일원분산분석(One-way ANOVA)을 수행하였으며, 그룹 간의 평균 차이에 의한 검증 방법인 최소 유의차 방법 (Least Significant Difference : LSD)을 이용하여 고장요인이 콤바인 주요 부위에 미치는 영향을 분석하였다. 이때, 통계분석은 SAS(version 9.
- 주요 부위에 미치는 영향을 분석하였다. 이때, 통계분석은 SAS(version 9.1, SAS Institute, USA)를 사용하여 유의수준 1%로 그룹 간의 차이를 검증하였다. 일원 분산분석은 상호 독립적인 요인에 따른 집단 간의 차이를 구분하는데 용이하며(Guiard 등, 2000), 최소 유의차 방법을 이용한 검증은 콤바인 신호와 같이 외란 등에 인하여 자료의 오차가 큰 집단 간의 민감한 평균 차이를 판별하는데 적합한 장점이 있다(Chen 과 Dominik, 2004).
- 콤바인 작업조건이 각각의 콤바인 주요 부위에 미치는 영향을 분석하기 위하여 각각의 포장 조건에 대한 측정값을 평균 내어 표 5와 같이 최소 유의차 방법으로 검증하였다. 콤바인의 작업속도를 0.
성능/효과
- b)로 나누어 실험하였으며, 수확 작업을 정지하여 버니어캘리퍼스로 벼의 반송 두께를 측정한 후, 재가동하여 포텐시오미터로 탈곡부 투입 두께를 측정하는 방법으로 상관관계를 계산하였다. 탈곡부 투입 두께는 반송된 벼가 탈곡 체인에 의해 물려 들어가면서 압축되므로 실제 반송 두께 보다 작게 측정되었으며, 상관계수는 0.76으로 탈곡 부 투입 두께를 이용하여 실시간 반송 두께의 예측이 가능함을 알 수 있다
- 반복하여 측정하였다. 칼날의 평균 절단속도는 0.81- 0.85 m/s의 범위를 보이고 있으며, 평균 0.84 m/s, 표준편차 0.03 m/s로 측정되어 수확작업 중 칼날의 평균 절단 속도의 측정이 가능함을 알 수 있다. 반송 두께는 4.
- 작업속도가 증가함에 따라 칼날의 평균 절단속도는 0.57 m/s, 0.84 m/s, 1.12 m/s로 작업속도와 유사한 비율로 증가하였고 반송 두께는 5.13 cm, 5.12 cm, 5.11 cm로 일정한 범위를 유지하고 있으며, 탈곡통의 회전속도는 515 rpm, 509 rpm, 473 rpm으로 작업속도에 따라 감소하였다. 또한 작업속도에 따른 칼날의 평균 절단속도 반송 두께, 탈곡통의 회전속도는 포장조건에 관계없이 유사한 범위의 평균값 및 표준편차를 보이고있다.
- 인기러그의 파손이 증가함에 따라 칼날의 평균 절단 속도는 약 0.84 m/s로 측정되었고 포장조건에 관계없이 유사한 범위의 평균값 및 표준편차를 보이고 있다. 반송 두께는 그림 10 과 같이 입모각이 큰 경우에는 인기러그의 파손에 관계없이 유사한 범위를 보이고 있으나 인기러그의 파손이 증가하고 입모각이 작아질수록 반송 두께는 감소하고 표준편차에 의한 변동계수(Coefficient of variance)는 증가하여 인기 러그는 도복된 벼의 수확작업 시 반송부로 입력되는 벼의 양에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 13 .m/s으로 증속하며 평균 절단속도를 측정한 결과, 작업속도의 증가에 따라 평균 절단 속도는 각각 0.57 m/s, 0.84 m/s, 1.12 m/s로 증가하여 유의 수준 1% 이내에서 구분이 가능하였다. 이것은 콤바인이 예취부 및 반송부의 막힘을 방지하기 위하여 변속 수준에 따라 작업속도와 예취부의 속도가 비례적으로 변하도록 설계되었기 때문이다 또한 작업속도와 예취부 및 반송부의 속도가 비례하므로 반송 두께는 작업속도 변화에 상관없이 일정하게 나타났다.
- 인기러그의 파손에 따라 평균 절단속도, 반송 두께, 탈곡통의 회전속도를 측정한 결과, 평균 절단속도는 인기러그의 파손에 관계없이 일정하게 나타나 인기러그의 파손에 따른 벼의 자세 불량은 칼날의 평균 절단속도에 영향을 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 반송 두께는 정상인 경우 5.
- 65 m/s로 감소하여 칼날의 이격 시 절단속도 감소에 따른 구분이 가능함을 보여주고 있으며, 이것은 구동날과 고정날 사이의 간격 증가로 인하여 칼날의 왕복 운동에 따른 벼와의 마찰력이 증가하였기 때문으로 판단된다. 반송 두께는 유의 수준 1% 이내에서 정상 칼날과 이격 칼날의 경우 각각 5.12 cm, 5.12 cm로 나타나 구분이 어려웠으며, 파손 칼날을 사용하면 벼를 절단하지 못함에 따라 미예취 벼가 증가하므로 반송 두께가 3.54 cm로 크게 감소하여 다른 칼날과의 구분이 가능하였다. 또한 탈곡통의 회전속도는 반송 두께 감소에 따라 탈곡 통에 작용하는 부하가 상대적으로 줄어들었기 때문에 파손 칼날의 구분이 가능하였다.
- (2) 작업속도가 콤바인 수확작업에 미치는 영향을 분석한 결과 콤바인 변속 장치 설계에 따라 칼날의 평균 절단 속도는 작업속도와 비례하여 변하였으며, 단위 시간당 반송 두께는 작업속도에 관계없이 일정하게 나타났다. 탈곡통의 회전속도는 작업속도의 증가에 따라 탈곡 부에 벼가 상대적으로 빠르게 입력되어 탈곡통의 부하가 증가하여 실험 시 설정된 탈곡통의 회전속도인 520 ipm 를 기준으로 각각 515 rpm, 509 rpm, 473 rpm으로 순차적으로 감소하였다.
- (4) 칼날의 상태가 콤바인 수확작업에 미치는 영향을 분석한 결과 평균 절단속도는 정상 칼날과 파손 칼날 모두 0.84 m/s로 측정되었고 이격 칼날은 0.65 m/s로 감소하여 다른 칼날과의 구분이 가능하였다. 파손 칼날은 벼를 절단하지 못함에 따라 미예취 벼가 증가하;므로 반송 두께가 크게 감소하여 다른 칼날과의 구분이 가능하였으며, 이에 따라 탈곡통에 작용하는 부하는 상대적으로 줄어들어 파손 칼날의 사용 시 탈곡통의 회전속도는 감소하였다.
- 65 m/s로 감소하여 다른 칼날과의 구분이 가능하였다. 파손 칼날은 벼를 절단하지 못함에 따라 미예취 벼가 증가하;므로 반송 두께가 크게 감소하여 다른 칼날과의 구분이 가능하였으며, 이에 따라 탈곡통에 작용하는 부하는 상대적으로 줄어들어 파손 칼날의 사용 시 탈곡통의 회전속도는 감소하였다.
- (3) 인기러그의 상태가 콤바인 수확작업에 미치는 영향을 분석한 결과 반송 두께는 입모각이 큰 경우에는 인기 러그의 파손에 따른 구분이 어려웠으나 입모각이 작아질수록 감소하여 인기러그는 도복된 벼의 수확작업 시 반송부로 입력되는 벼의 양에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 탈곡통의 회전 속도는 반송 두께의 감소에 따라 탈곡 통에 작용하는 부하가 상대적으로 줄어들었기 때문에 인기러그의 파손에 따라 510 rpm, 510 rpm, 515 rpm, 520 rpm으로 증가하여 구분이 가능하였다.
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