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문제 정의
- 본 연구에서는 과수용 방제기의 전도사고 사례 및 운전석의 구조 등에 대한 조사 분석을 기준으로 보호구조물을 제작하여 운전자 보호를 위한 개선방안을 제시하고자 하였다.
- 불연속 전도 실험은 1, 1.5 경사면에서 기계가 옆으로 넘어졌을 경우 트랙터의 불연속 전도를 실험하여 운전자 보호를 위한 구조물의 타당성을 확인하기 위한 실험이다. 불연속 전도가 일어나지 않는다는 증거는 ASAE S547 DEC02의 규정 7.
제안 방법
- 자체 중량은 1,204 kg, 크기는 3,360×1,290×1,270 mm로서 액탱크는 500 L용량으로 과수용 방제기 약액탱크의 충만량을 0 L, 250 L, 500 L 로 변화시켜 그림 1에 나타낸 바와 같이 횡전도각 및 무게중심 변화를 분석하였다.
- 본 연구의 운전자를 보호하기 위한 보호구조물의 필요성을 분석하기 위하여 경찰서의 사고기록을 중심으로 전도사고가 발생한 장소를 방문하여 사고사례를 근거로, 사고목격자 또는 피해자 가족 등과 대면 조사하여 사고원인 및 사고 장소의 특성, 인명피해 정도와 원인 등을 분석하였다.
- 2에서 나타난 방법에 부합하여 제공될 수 있다. 불연속 전도의 검증을 위한 방법으로는 전도실험에 의한 불연속 전도의 검증과 계산에 의한 불연속 전도의 검증으로 나눌 수 있고, 전자의 전도실험에 의한 불연속 전도의 검증은 설비구조의 제작과정에 어려움이 있어 후자의 계산에 의한 불연속 전도 검증 방법을 이용하였다.
- 계산에 의한 불연속 전도의 검증을 위해서는 과수용 방제기의 관성모멘트가 필요하기 때문에 물체가 자신의 회전운동을 유지하려는 정도를 나타내는 물리량인 관성모멘트를 측정하였다. 그림 2는 과수용 방제기의 관성모멘트를 측정중인 모습이다.
- 안전강도 실험시 부하조건으로서는 전방 2.380 kJ(1.36×mt), 측방 2.975 kJ(1.7×mt), 후방 2.596 kJ(0.34×mt)과 적용중량(mt)은 본체중량(1,204 kg), 약액완충(500 kg), 부가중량(75 kg)을 합산한 조건에서 한계충격량, 본체 프레임 비틀림 등을 분석하였다.
- 2 m이다. 관성모멘트는 관성모멘트 측정시스템(파크테크, 한국)을 사용하였고, 관성모멘트 측정기를 가지고 관성모멘트와 진동주기를 측정하였다. 측정방법은 과수용 방제기의 관성모멘트 측정시 판이 요동쳐야 하므로 지면에서 떨어져 있어야 하며 이를 위해 지게차로 판형의 요동축 위에 과수용 방제기를 올려놓았다.
- 관성모멘트는 관성모멘트 측정시스템(파크테크, 한국)을 사용하였고, 관성모멘트 측정기를 가지고 관성모멘트와 진동주기를 측정하였다. 측정방법은 과수용 방제기의 관성모멘트 측정시 판이 요동쳐야 하므로 지면에서 떨어져 있어야 하며 이를 위해 지게차로 판형의 요동축 위에 과수용 방제기를 올려놓았다. 이때 판에 올려진 과수용 방제기의 중심을 잡기 위해 판에 무게중심 위치를 설정한 후 설정된 위치에 정확히 과수용 방제기를 올려놓았다.
- 측정방법은 과수용 방제기의 관성모멘트 측정시 판이 요동쳐야 하므로 지면에서 떨어져 있어야 하며 이를 위해 지게차로 판형의 요동축 위에 과수용 방제기를 올려놓았다. 이때 판에 올려진 과수용 방제기의 중심을 잡기 위해 판에 무게중심 위치를 설정한 후 설정된 위치에 정확히 과수용 방제기를 올려놓았다. 30초 동안 좌우로 밀어 고점에서 12번 진동을 주었고, 저점에서는 11번의 진동을 주었다.
- 037 m로 하였다. 여러 개의 데이터를 얻기 위해 30초 동안 나온 1회진자운동 주기의 평균값을 사용하였고, 진자의 길이를 도심 점을 알고자 0.2 m의 요동반경차를 두고 실시하여 관성 모멘트 값을 측정 하였다. 관성 모멘트 분석은 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
- 전도사고시 운전자 보호구조물은 과수용 방제기의 보호구조물의 설계 기준은 ASAE S547 DEC02의 규정을 적용하여 설계하였다. 과수용 방제기의 보호구조물의 설계는 부하실험시 구조물의 변형에 의해 안전영역을 침범하지 않도록 하였다.
- 10의 설계기준에 따라 설계한 운전자 보호구조물의 형상을 나타낸 것이다. 설계의 주안점은 전도사고시 운전자 보호와 동시에 과수원에서 작업시 나뭇가지가 구조물에 걸릴 경우 운전자가 손으로 나뭇가지를 제거할 수 있도록 2주식의 곡선형과, 최근의 재배형식인 왜성재배 과수원의 경우 나뭇가지가 늘러지지 않으므로 구조가 간단한 직선형의 2종류로 설계하였다. 곡선형은 곡선 부분이 충격변형에 취약하므로 직선형(40×40)보다 50×50로 크게 설계하였다.
- 본 연구에서는 과수용 방제기의 전도사고 사례 및 운전석의 구조 등을 조사 분석하였으며, 보호구조물을 설계 제작하여 한계충격량, 본체 프레임 비틀림 등 보호구조물의 운전자 보호구조물 안전강도 실험을 ROPS규정에 따라 실시하였다. 그 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 국내에서 주로 사용하고 있는 과수용 방제기는 궤도형과 바퀴형이 보급되고 있으며, 주행성능이 우수하여 가장 많이 사용되고 있는 바퀴형 과수용 방제기(A사. 500L)를 공시기로 사용하였다. 자체 중량은 1,204 kg, 크기는 3,360×1,290×1,270 mm로서 액탱크는 500 L용량으로 과수용 방제기 약액탱크의 충만량을 0 L, 250 L, 500 L 로 변화시켜 그림 1에 나타낸 바와 같이 횡전도각 및 무게중심 변화를 분석하였다.
- 실험에 사용된 과수용 방제기의 질량은 1204 kg, 요동축반경오차는 0.2 m이다. 관성모멘트는 관성모멘트 측정시스템(파크테크, 한국)을 사용하였고, 관성모멘트 측정기를 가지고 관성모멘트와 진동주기를 측정하였다.
- 기계가 옆으로 눕게 되고, 땅에 부딪히게 된 이후 운전자 보호구조물에 의해 선회하므로 표면으로부터 들릴 수 있도록 한다. 운전자 보호구조물 형상은 2주식 직선형과 유선형의 2종으로 제작하였다.
이론/모형
- 과수용 방제기의 운전자 보호구조물은 ROPS(roll-over protective structure)의 규정인 ASAE S547 DEC02 규정을 실험 기준으로 설계하였다. 운전자 보호구조물이란 어떤 뚜껑(cap) 또는 프레임으로서 운전자가 옆쪽으로 뒤집어짐으로 유발되는 심각한 충돌 부상의 가능성을 최소화 하므로 운전자를 보호하고자 디자인된 것을 말한다.
- 그림 3은 운전자 보호구조물 안전강도 실험 장치(파크테크, 한국)를 나타낸 것이다. 그림 4에서 보는바와 같이 운전자 보호구조물 안전강도 실험은 ROPS의 규정인 ASAE S547 DEC02 규정을 적용하였다. 안전강도 실험시 부하조건으로서는 전방 2.
- 전도사고시 운전자 보호구조물은 과수용 방제기의 보호구조물의 설계 기준은 ASAE S547 DEC02의 규정을 적용하여 설계하였다. 과수용 방제기의 보호구조물의 설계는 부하실험시 구조물의 변형에 의해 안전영역을 침범하지 않도록 하였다.
- 운전자 보호구조물 안전강도 실험은 실험방법은 ROPS 규정에 따라 ASAE S547 DEC02 규정을 적용하였고, 보호구조물 실험 장치를 이용하여 한계충격량, 본체 프레임 비틀림 등을 분석하였다. 어떤 물체에 특정한 시간동안 가해진 힘의 양을 충격량 이라고 하고.
성능/효과
- 본 연구의 운전자를 보호하기 위한 보호구조물의 필요성을 분석하기 위하여 전도사고가 발생한 장소를 방문하여 사고사례를 분석한 결과, 과수용 방제기 작업 중 전도사고사례는 다른 농업기계의 사고와 달리 쌍방사고가 아니고 주로 운전자 단독사고가 대부분 이었다. 사고유형 1은 충남 당진 복숭아 과수원에서 발생한 사고로서 그림 4의 (a)에서와 같이 잘 정비된 포장의 선회부에서 사고 전일에 강우로 약해진 지반을 운전자가 고려하지 않고 선회 중, 바깥쪽 바퀴부분의 지반이 침하하면서 전복되었고, 운전자가 본체에 깔려서 사망한 사고이다.
- 표 1은 약액탱크의 충만량에 따른 과수용 방제기의 횡전도각 및 무게중심 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 표 2에서 나타낸 바와 같이 과수용 방제기의 횡전도각은 약액탱크의 충만량이 증가할수록 작아지는 것으로 나타났고, 무게 중심의 경우 후방으로 쏠리는 경향을 보였다.
- 이 결과 값을 전방에 보호 구조물이 장착된 협궤 차륜형 트랙터의 측방 연속 전도 또는 불연속 전도를 결정하기 위해 불연속 전도 판단 프로그램(’09, 농촌진흥청, OECD 농림업용 트랙터시험코드, pp. 228~237)에 실행시켜본 결과 그림 6과 같이 rolling stop 이라는 결과가 도출되었다.
- 따라서 ROPS 규정의 보호 구조물 이용시 경사면 45°에서 과수용 방제기가 전도되었을 경우 구르지 않고 구조물에 의해 지지되어 미끄러질 것으로 판단되었다.
- 부하조건으로서 전방 2.380 kJ(1.36×mt), 측방 2.975 kJ(1.7×mt), 후방 2.596 kJ(0.34×mt)에 대한 최대 부하는 직선형의 경우 각각 8.4, 11.2, 7.9 kN이었고, 이에 따른 최대 변형률은 329, 381, 119 mm 로서 측방의 부하요구에너지와 변형률이 가장 높은 것으로 나타났다.
- (2) 전방에 운전자 보호구조물이 장착된 과수용 방제기의 측방 불연속 전도 실험의 분석 결과 보호구조물이 있을 경우 경사면 45°에서 구르지 않고 구조물에 의해 지지되어 운전자안전을 확보할 수 있었다.
- (5) 운전자 보호구조물 안전강도 실험의 경우 부하조건인 전방 2.380 kJ (1.36×mt), 측방 2.975 kJ (1.7×mt), 후방 2.596 kJ (0.34×mt)에서 부하요구에너지와 변형률은 곡선형이 8.4, 11.2, 7.9 kN으로 최대 변형률은 329, 381, 119 mm, 곡선형의 경우 최대 부하는 각각 16.3, 15.1, 7.3 kN으로 최대 변형률은 195, 305, 121 mm 로서 측방의 부하요구에너지와 변형률이 가장 높았다.
- (4) 불연속 전도 실험 결과, 과수용 방제기의 관성 모멘트의 값이 145.36 kg∙m2으로 산출되었고, 이 값을 전방에 보호 구조물이 장착된 협궤 차륜형 트랙터의 측방 연속 전도 또는 불연속 전도를 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램에 실행시켜본 결과 rolling stop 이라는 결과가 도출되어 ROPS 규정의 운전자 보호구조물 이용시 경사면 45°에서 과수용 방제기가 전도되었을 경우 구르지 않고 구조물에 의해 지지되어 미끄러질 것으로 나타났다.
- 그림 10의 화살표로 표시한 각각의 3지점에서 측정한 변형률을 표 4에 비교하여 나타내었다. 표 4에서 보는 바와 같이 직선형의 운전자 보호구조물의 전후, 좌우, 상하에서의 안전강도 실험 후 구조물의 변형률은 좌측과 우측에서 각각 42, 122, 35 mm와 65, 120, 30 mm 정도 변형된 것으로 나타났다. 곡선형 운전자 보호구조물의 경우에는 전후, 좌우, 상하의 좌측과 우측에서 각각 248, 231, -6 mm와 86, 247, -10 mm로 나타나 곡선형 보호 구조물이 직선형 보호구조물 보다 변형이 좀 더 많았으나 안전에는 이상이 없는 정도였다.
- 운전자 보호구조물 안전강도 실험결과 과수용 방제기의 운전자 보호구조물은 ROPS 규정에 따른 안전영역 침범여부를 분석한 결과 직선형 및 곡선형모두 안전영역을 침범하지 않아서 본 운전자 보호구조물을 장착하고 횡전도 사고가 발생할 경우 운전자를 보호할 수 있을 것으로 판단되었다. 그림 11은 운전자에 대한 안전 영역의 실험의 사진이다.
- (1) 과수용 방제기 에는 전복 될 경우 운전자를 보호할 수 있는 보호물이 없어 인명사고로 이어져 운전자를 보호하기 위한 보호구조물이 반드시 필요한 것으로 나타났다.
- (3) 약액탱크의 충만량에 따른 과수용 방제기의 횡전도각 및 무게중심 변화를 측정한 결과, 과수용 방제기의 횡전도각은 약액탱크의 충만량이 증가할수록 작아지는 것으로 나타났고, 무게 중심의 경우 후방으로 쏠리는 경향을 보였다.
- (6) 안전영역 침범여부를 분석한 결과 직선형 및 곡선형 모두 안전영역을 침범하지 않아서 본 운전자 보호구조물을 장착하고 횡전도 사고가 발생할 경우 운전자를 보호할 수 있을 것으로 판단되었다.
후속연구
- 이러한 어려운 여건에서도 국내 농산물 중 국제 경쟁력이 충분히 있다고 보는 농산물 가운데 하나가 사과와 배이다. 사과와 배는 현재의 국내 여건을 개선하고 국제적으로 가격 및 품질 경쟁력을 갖추게 되면 상호교역으로 농산물 시장의 충격을 줄일 수 있을 것이다.
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