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문제 정의
- 따라서 본연구의 목적은 탈곡 능률을 유지하면서 탈곡 급 치에 의한 콩의 충격력을 완화시켜 콩의 탈곡손상을 줄일 수 있는 탈곡통을 장착한 탈곡기를 개발하는 것이다.
- 본 연구에서는 콩의 탈곡손상을 줄이기 위해 새로운 개념의 탈곡통과 급치를 부착하는 탈곡기를 설계 제작하였다. 콩의 탈곡손상을 줄이기 위해 탈곡통의 지름은 콩대의 투입구로 배출구로의 이동방향에 따라 작게 설계를 하여 배출구의 탈곡급치의 원주 속도를 낮추었으며, 탈곡급치는 원형판을 4등분한 형태로 콩에 대한 탈곡급치의 타격력을 줄였다.
- 풍구 및 스크류 콘베이어는 탈곡 급통 축과 V벨트로 연결되어 동력전달 되고 있다. 본 연구에서는 탈곡부 급통의 콩 손상요인만을 판단하기 위하여 급통 축과풍구동력전달 축이 연결된 고무벨트를 풀어 동력을 차단시켰다. 따라서, 급통과 수망을 거쳐 탈곡된 콩알과 검불은 급실로 떨어지게 되며, 이를 수집하기 위하여 급실 내부에 5 mm 의 두께의 함석철판으로 가이드 박스를 설치하여 탈곡된 콩을 수집할 수 있도록 하였다.
- 탈곡통 출구 측의 직경을 입구측보다 20% 작게 하여 탈곡후기로 갈수록 급치의 원주 속도를 줄일 있도록 설계하여 탈곡 말기의 원주 속도를 초기 원주 속도보다 20% 줄일 수 있도록 하였다. 탈곡 각 급치의 운동 에너지는 탈곡 급치가 위치하는 회전부의 직경의 제곱에 비례하므로 입구측의 운동에너지보다 탈곡 말기의 운동 에너지를 약 40% 줄여 탈곡손실을 방지하고자 하였다.(그림 3)
제안 방법
- 1) 탈곡통 : 좌우의 직경이 서로 다른 원추대형으로 설계하여 탈곡 초기와 탈곡 후기의 원주 속도를 서로 다르게 하였다. 탈곡통 출구 측의 직경을 입구측보다 20% 작게 하여 탈곡후기로 갈수록 급치의 원주 속도를 줄일 있도록 설계하여 탈곡 말기의 원주 속도를 초기 원주 속도보다 20% 줄일 수 있도록 하였다.
- 2) 탈곡 급치 : 1/4 원판 형태로 설계하여 콩 탈곡 시 타격력을 줄일 수 있도록 하였다. 원판 두께는 6 mm로, 반지름은 60 mm로 하였다.
- 기존 탈곡기와 성능 비교 시험을 수행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 탈곡부 급통의 콩 손상요인만을 판단하기 위하여 급통 축과풍구동력전달 축이 연결된 고무벨트를 풀어 동력을 차단시켰다. 따라서, 급통과 수망을 거쳐 탈곡된 콩알과 검불은 급실로 떨어지게 되며, 이를 수집하기 위하여 급실 내부에 5 mm 의 두께의 함석철판으로 가이드 박스를 설치하여 탈곡된 콩을 수집할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서 시작기의 성능평가 요인으로는 탈곡 손상율과 미탈곡율로 하였다. 콩의 손상율(The ratio of damaged bean) 및 미탈곡율(The ratio of unthreshed bean)은 다음과 같이 정의하였다(Oh etc.
- (Hoki and Pickett, 1973) 실험은 신뢰성 확보를 위하여 수준별 3반복으로 수행하였다. 실험은 콩 1단을 투입하여 수행하였으며 탈곡 시간은 30초로 동일하게 하였다.
- (1) 라인에 설치된 급치의 수는 12개, (2)는 10개, (3)은 8개, (4)는 6개, (5)에는 4개였다. 이송 배출용 급 치는 각 라인마다 90도 간격으로 4개씩 배열된 형태로 위의 급치 배열에 추가시켰다.
- 원판 두께는 6 mm로, 반지름은 60 mm로 하였다. 이송 배출용 급치는 봉형 형태로 설계하였다. 봉의 두께는 6 mm로, 나사선을 제외한 길이는 60 mm로 하였다.
- 콩대 20주를 묶어서 콩 1단이라 명칭하며, 콩대 중간을 기준으로 콩 1단의 지름을 측정한 부위를 콩 1단의 평균직경으로 하였다. 실험에 사용된 콩 15단을 평균 측정한 결과 콩 1단의 평균직경은 약 80 mm로 결속되어 있었으며, 탈곡당시 콩 1단의 평균 무게는 선유콩의 경우 약 2.
- 콩의 탈곡 손상을 줄이기 위해서 본 연구에서는 탈곡통 및 탈곡 급치의 형태, 탈곡통에서의 탈곡 급치 배열 등을 기존의 탈곡기와 차별화 하여 설계하였다. 이 외의 부분은 기존의 콩 탈곡기를 그대로 이용하였다.
- 본 연구에서는 콩의 탈곡손상을 줄이기 위해 새로운 개념의 탈곡통과 급치를 부착하는 탈곡기를 설계 제작하였다. 콩의 탈곡손상을 줄이기 위해 탈곡통의 지름은 콩대의 투입구로 배출구로의 이동방향에 따라 작게 설계를 하여 배출구의 탈곡급치의 원주 속도를 낮추었으며, 탈곡급치는 원형판을 4등분한 형태로 콩에 대한 탈곡급치의 타격력을 줄였다.
- 탈곡부 커버와 수망은 탈곡 초기부부터 말기부까지, 탈곡통(실린더)의 형태에 맞춰서 이 실린더를 감싸는 형태로 제작되었다. 탈곡 급치와 탈곡부 커버 및 수망과의 간격은 급치 끝부분과 평균 유격을 기존의 탈곡기와 같은 50 mm으로 제작되었다. 실린더의 수망의 형태 및 절단칼은 기존 탈곡기와 동일한 제품을 사용하였으며, 재질은 3.
- 두 품종은 각 2000년 2004년에 농작물 직무육성신품종선정위원회에서 새로운 장려품종으로 결정되어 농가에 보급되여 현재 국내에서 많이 생산되고 있는 품종이다. 포장에서 예취 후 관행의 방법으로 묶어서 단을 만들고 비가림 건조대를 이용하여 천일건조 하였다. 선유콩의 100립 중은 29.
대상 데이터
- 공시 탈곡기의 선별부는 풍구, 회전 배진 장치, 수망으로 구성되어 있으며, 이송부는 스크류 콘베이어와 버킷 엘리베이터로 구성되어 있다. 풍구 및 스크류 콘베이어는 탈곡 급통 축과 V벨트로 연결되어 동력전달 되고 있다.
- 시작기의 성능실험에 사용된 공시재료의 품종은 장류콩(흰 콩)의 품종중 하나인 선유콩과 밥밑콩(검정콩)의 품종중 하나인 청자콩이다. 두 품종은 각 2000년 2004년에 농작물 직무육성신품종선정위원회에서 새로운 장려품종으로 결정되어 농가에 보급되여 현재 국내에서 많이 생산되고 있는 품종이다.
- 탈곡 급치와 탈곡부 커버 및 수망과의 간격은 급치 끝부분과 평균 유격을 기존의 탈곡기와 같은 50 mm으로 제작되었다. 실린더의 수망의 형태 및 절단칼은 기존 탈곡기와 동일한 제품을 사용하였으며, 재질은 3.5 mm 두께의 강판으로 제작되었다. 그림 4는 설계된 시작기의 개략도를 보여 주고 있다.
- 2) 탈곡 급치 : 1/4 원판 형태로 설계하여 콩 탈곡 시 타격력을 줄일 수 있도록 하였다. 원판 두께는 6 mm로, 반지름은 60 mm로 하였다. 이송 배출용 급치는 봉형 형태로 설계하였다.
- 탈곡기 성능평가 실험 시 포장에 천막을 넓게 펴서 탈곡된 콩의 이탈을 방지하였다. 탈곡기의 동력원으로는 존 디어사의 JD5320 트랙터 모델이 사용되었으며 출력은 62마력이다.
- 탈곡기의 성능시험에는 설계 제작된 시작기와 B회사 제품의 기존 탈곡기가 이용되었다. 공시 탈곡기는 탈곡부, 선별부, 이송부 3개의 부분으로 구성되어 있다.
- 공시 탈곡기는 탈곡부, 선별부, 이송부 3개의 부분으로 구성되어 있다. 탈곡부는 탈곡통, 탈곡 급치, 탈곡실로 구성되어 있고, 선별부는 풍구, 회전 배진 장치, 수망으로 구성되어 있으며, 이송부는 스크류 콘베이어와 버킷 엘리베이터로 구성되어 있다. 두 탈곡기의 차이점은 탈곡통 및 탈곡 급치의 형태 그리고 탈곡 급치의 배열 만 다르며 그 외 탈곡기 전체의 치수 및 소요마럭 등은 동일하다.
- 탈곡성능실험은 경기도 파주시 적성면 객현2리에서 수행되었으며 2010년도 11월 6일에는 선유콩을 그리고 13일는 청자콩에 대한 탈곡 실험을 수행하였다.
이론/모형
- 성능실험시의 콩의 함수율 측정은 103℃도에서 72시간동안 건조하는 드라이오븐법 (ASAE standards S352.2, 2008)을 사용하였다. 측정된 선유콩과 청자콩의 함수율은 표 2와 같다.
성능/효과
- (1) 선유콩에 대한 시작기의 탈곡 손상율은 탈곡통의 회전수가 증가함에 따라 증가하였으며, 일반적으로 탈곡기 회사에서 권장하는 탈곡기의 상용회전수는 범위인 330-350 rpm의 범위에서 2-3%대의 탈곡 손상율을 나타내었다. 기존 탈곡기의 경우에는 3-4%로 시작기에 비해 약 1% 정도 높게 나타났다.
- (2) 청자콩에 대한 시작기의 탈곡 손상율은 240-300 rpm범위에서는 약 1.3-1.4%, 330 rpm에서는 3.7% 그리고 360 rpm에서는 4.7%이었다. 기존 탈곡기의 경우 240-270 rpm 범위에서의 탈곡 손상율은 약 2.
- (3) 선유콩의 미탈곡율은 시작기의 경우 탈곡회전수가 240 rpm에서는 2.1% 이었으나 탈곡회전수가 증가함에 따라 급격히 감소하여 탈곡적정 회전수인 360 rpm에서는 0.43%로 감소하여 선유콩에 대한 시작기의 미탈곡율 관련 성능은 상당히 우수한 것으로 판단되었다. 기존 탈곡기의 경우에는 탈곡통의 회전수가 240 rpm에서 360 rpm으로 증가함에 따라 1.
- (4) 청자 콩의 경우 시작기의 탈곡통 회전수가 240 rpm에서 360 rpm으로 증가함에 따라 미탈곡율은 8.41%에서 크게 감소하여 2.46%가 되었다. 청자콩의 미탈곡율이선유콩에 비해 높은 것은 탈곡 시 청자콩의 껍질 수분함량이 29.
- 3) 급치 배열 : 탈곡 시 콩의 타격회수를 조절하기 위해 탈곡 투입부의 탈곡 급치 배열은 좀 조밀하게 하였으며 후반부로 갈수록 탈곡 급치의 개수를 줄였다. (그림 3-(A)) 축 방향을 기준으로 급치간의 간격은 200 mm로 기존 탈곡기의 탈곡 급치 간격과 동일하다.
- 41%로 비교적 높은 편임을 감안할 때 선유콩에 대한 시작기의 미탈곡율 관련 성능은 상당히 우수한 것으로 판단된다. 기존 탈곡기의 경우에는 탈곡통의 회전수가 240 rpm에서 360 rpm으로 증가함에 따라 1.67%에서 0.8% 감소하여 0.87%가 되었으며, 시작기에 비해 완만하게 감소하는 것으로 나타났다. 탈곡통 회전수 240-330 rpm의 범위에서는 기존 탈곡기의 미탈곡율이 시작기에 비해 낮은 것으로 나타났으나, 일반적으로 농민들이 많이 사용하고 있고 탈곡기 제작회사에서 권유하고 있는 탈곡통의 회전수인 360 rpm에서는 시작기의 미탈곡율이 약간 낮은 것으로 나타났다.
- 2%가 되었다. 두 탈곡기의 탈곡 손상율을 비교하여 보면 탈곡통의 회전수가 240 rpm과 270 rpm의 경우에는 기존 탈곡기가 시작기에 비해 약 1.3% 정도 많았으며, 300 rpm의 경우에는 약 5%, 그리고 330 rpm과 360 rpm에서는 약 3-4% 많았다.
- 청자콩은 선유콩에 비하여 탈곡손상이 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 탈곡기 회사에서 권하는 탈곡기의 상용회전수도 선유콩에 비해 50 rpm 정도 낮은 250-300 rpm이며, 일반 적으로 농민들의 콩 탈곡 시 사용하는 회전수도 250-300 rpm 정도임을 감안 할 때 시작기를 사용할 경우 탈곡 손상율을 2-5% 이상 줄일 수 있는 것으로 판단된다. 탈곡기의 작업능률을 중요시 하는 농민들의 경우에는 탈곡통의 회전수를 300 rpm 정도로 유지하는 경우가 많다.
- 7%가 되었다. 비교 군인 기존 탈곡기의 경우에는 탈곡통의 회전수가 240 rpm에서 270 rpm으로 증가하는 동안 탈곡 손상율은 약 2.7% 로 거의 변동이 없었으며, 탈곡통의 회전수가 300 rpm으로 증가하면서 탈곡 손상율은 급격히 증가하여 6.6%가 되었으며, 그리고 360 rpm에서는 탈곡 손상율은 완만하게 증가하여 8.2%가 되었다. 두 탈곡기의 탈곡 손상율을 비교하여 보면 탈곡통의 회전수가 240 rpm과 270 rpm의 경우에는 기존 탈곡기가 시작기에 비해 약 1.
- 선유콩 껍질은 50개를 대상으로 측정한 결과 평균값은 가로×세로×높이가 각각 43.3×10.7×6.2 mm이며, 껍질 1개 내의 콩 평균 과립수는 3개였다.
- 선유콩 낱알의 크기는 50개를 대상으로 측정한 결과 평균값은 가로×세로×높이가 각각 9.0×8.1×7.1 mm이며, 청자콩의 경우 9.4×7.7×6.8 mm이었다.
- 탈곡통의 회전수는 콩 품종에 따라 다르기는 하나 탈곡기 제작회사에서 추천하고 있는 회전수를 기준으로 선정하였다. 선정된 탈곡통의 회전수는 240 rpm에서 360 rpm까지 30 rpm간격으로 증가시킨 5수준이었으며, 이에 따른 탈곡 급치의 원주 속도는 6.8, 7.6, 8.5, 9.3, 10,2 m/s의 5수준으로 일반적으로 추천되고 있는 원주 속도의 범위이었다.(Hoki and Pickett, 1973) 실험은 신뢰성 확보를 위하여 수준별 3반복으로 수행하였다.
- 실험당시 청자콩 껍질의 수분함량이 29.11% (d.b.)로서 콩 탈곡 시 적정 수분함량(15∼18%)보다 상당히 높은 것을 고려하면 기존 탈곡기의 미탈곡율 관련 성능도 상당히 좋은 것으로 나타났다.
- 콩대 20주를 묶어서 콩 1단이라 명칭하며, 콩대 중간을 기준으로 콩 1단의 지름을 측정한 부위를 콩 1단의 평균직경으로 하였다. 실험에 사용된 콩 15단을 평균 측정한 결과 콩 1단의 평균직경은 약 80 mm로 결속되어 있었으며, 탈곡당시 콩 1단의 평균 무게는 선유콩의 경우 약 2.5 kg, 청자콩의 경우 약 3 kg이었다. 선유콩 껍질은 50개를 대상으로 측정한 결과 평균값은 가로×세로×높이가 각각 43.
- 5% 이하로 줄일 수 있어, 시작기는 탈곡율을 어느 정도 유지하면서도 탈곡 손상율을 크게 줄일 수 있는 것으로 판단된다. 위의 분석 결과를 종합적으로 살펴보면 청자콩을 시작기로 탈곡했을 경우 탈곡손상을 2%이하로 줄이기 위해서는 시작기의 경우에는 330 rpm 이하, 기존 탈곡기의 경우에는 240 rpm 이하로 작업하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 그러나 기존 탈곡기의 경우 240 rpm으로 탈곡 작업을 할 경우 작업능률이 현저히 떨어질 뿐 아니라 미탈곡율을 높이는 결과를 초래할 것으로 판단되어 탈곡손상을 줄이기 위해 탈곡통의 회전수를 크게 줄이는 것은 불가능 하다고 판단된다.
- 2%이었다. 청자콩은 탈곡 시 선유콩에 비해 탈곡손상이 높은 것으로 알려져 있어 탈곡기 회사에서 권장하는 탈곡회전수가 선유콩에 비해 50 rpm 정도 낮은 250-300 rpm 임을 감안할 때 시작기를 사용할 경우 기존 탈곡기에 비해 탈곡 손상율을 대략 1.5-5% 정도 줄일 수 있는 것으로 판단되었다.
- 43%로 감소하였다. 콩 탈곡성능실험시의 콩껍질 및 콩알의 수분함량이 각각 24.07%과 21.41%로 비교적 높은 편임을 감안할 때 선유콩에 대한 시작기의 미탈곡율 관련 성능은 상당히 우수한 것으로 판단된다. 기존 탈곡기의 경우에는 탈곡통의 회전수가 240 rpm에서 360 rpm으로 증가함에 따라 1.
- 1) 탈곡통 : 좌우의 직경이 서로 다른 원추대형으로 설계하여 탈곡 초기와 탈곡 후기의 원주 속도를 서로 다르게 하였다. 탈곡통 출구 측의 직경을 입구측보다 20% 작게 하여 탈곡후기로 갈수록 급치의 원주 속도를 줄일 있도록 설계하여 탈곡 말기의 원주 속도를 초기 원주 속도보다 20% 줄일 수 있도록 하였다. 탈곡 각 급치의 운동 에너지는 탈곡 급치가 위치하는 회전부의 직경의 제곱에 비례하므로 입구측의 운동에너지보다 탈곡 말기의 운동 에너지를 약 40% 줄여 탈곡손실을 방지하고자 하였다.
- 87%가 되었으며, 시작기에 비해 완만하게 감소하는 것으로 나타났다. 탈곡통 회전수 240-330 rpm의 범위에서는 기존 탈곡기의 미탈곡율이 시작기에 비해 낮은 것으로 나타났으나, 일반적으로 농민들이 많이 사용하고 있고 탈곡기 제작회사에서 권유하고 있는 탈곡통의 회전수인 360 rpm에서는 시작기의 미탈곡율이 약간 낮은 것으로 나타났다.
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