[논문]비례밸브를 이용한 트랙터 3점 히치 제어 시스템 개발

이상식; 박원엽

doi:10.5307/jbe.2011.36.2.89

비례밸브를 이용한 트랙터 3점 히치 제어 시스템 개발
Development of Tractor Three-point Hitch Control System using Proportional Valve 원문보기

바이오시스템공학 = Journal of biosystems engineering, v.36 no.2, 2011년, pp.89 - 95

이상식 (Dept. of Biomedical Engineering, Kwandong University) , 박원엽 (Dept. of Mechanical Engineering(Nano & bio-technology application research center), Hankyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Tractor implements are mainly utilized for the tillage operation. The proposed hydraulic system control was implemented to experimental apparatus. An implement control system for tractor using proportional valve was fabricated to improve the working efficiency. Hydraulic circuit included the proportional solenoid valve and on/off solenoid valve and so on. This paper shows results of a specification and design of an implement control system for tractor using proportional valve for automation. It was conducted to evaluate response characteristics of the designed implement control system under experimental conditions of various input flow rates. The results of experiments showd that the response characteristics was sufficient to be used as the implement control system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구는 작업조건 및 트랙터의 대형화 추세 등 한국의 농업환경을 충분히 고려하여, 쟁기와 로타리 작업기에 적합하고 유량제어를 기본으로 하는 고정도 및 고효율 작동성능을 갖춘 비례밸브를 이용한 트랙터 작업기 유압시스템을 개발하는데 그 목적이 있다.
또한 작업기의 종류에 따른 작업조건 및 방법이 다르며, 요구되는 제어기능도 지역에 따라 다르다. 따라서 본 연구에서는 국내뿐만 아니라 수출을 위한 대형 트랙터용 작업기 제어시스템의 개발을 목적으로 다양한 작업조건 및 방법에 적용이 가능한 비례밸브에 의한 유량제어방식의 시스템의 설계에 주력 하였다.
본 연구에서는 다양한 작업이 가능해야 하는 한국의 농업환경과 사용 트랙터의 대형화 추세를 고려하여, 유량제어를 기본으로 하는 고정도, 고효율 및 보다 소프트한 작업기 작동 성능을 갖춘 비례밸브를 이용한 트랙터 작업기 유압시스템을 개발하였고, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 적용 가능성을 검토하였으며 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

이며 도식화된 모델링은 그림 2와 같다. 또한 유압시스템은 1) 유압 밸브 및 라인의 관성은 무시한다, 2) 유압 밸브 및 라인의 저항은 무시한다, 3) 유압 라인의 압축성에 의한 체적 변화를 고려한다는 가정 하에 시뮬레이션 하였다.
이며 도식화된 모델링은 그림 2와 같다. 또한 유압시스템은 1) 유압 밸브 및 라인의 관성은 무시한다, 2) 유압 밸브 및 라인의 저항은 무시한다, 3) 유압 라인의 압축성에 의한 체적 변화를 고려한다는 가정 하에 시뮬레이션 하였다.
이며 도식화된 모델링은 그림 2와 같다. 또한 유압시스템은 1) 유압 밸브 및 라인의 관성은 무시한다, 2) 유압 밸브 및 라인의 저항은 무시한다, 3) 유압 라인의 압축성에 의한 체적 변화를 고려한다는 가정 하에 시뮬레이션 하였다.

제안 방법

그리고 상승일 때는 유압실린더 입력유량을 11 l/min, 16 l/min, 21 l/min 및 26 l/min으로 설정하고, 제어각도는 10o, 20o 및 30o로 하여 각각의 응답 반응을 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
설계한 유압실린더의 최대 입력 유량은 26 l/min 이지만 본 실험은 특성분석을 위하여 기존 트랙터의 펌프토출 유량을 고려하여 실험하였다. 본 실험의 펌프토출유량은 5종류(15 l/min, 20 l/min, 25 l/min, 30 l/min, 35 l/min)로 하였다. 특성 분석을 반드시 수행하여야 하는 항목은 비례제어밸브 증폭 전압과 유량사이의 관계, 펌프토출유량과 중립시 압력손실사이의 관계 및 작업부하에 대한 증폭 전압과 작업기 작동유압사이의 관계를 파악하여 적용 가능성 여부를 판단할 수가 있다.
유압회로는 유압펌프로 부터 공급된 오일을 유압회로와 연결되어 있는 유압실린더에 공급함으로서 리프트암을 통해 유압실린더와 직접 연결되어 있는 3점링크 및 제어대상인 작업기를 상승 및 하강시키기 위한 제어시스템을 구성하고 있는 하나의 요소이다. 본 연구에서 개발한 유압회로(이 등, 2006)는 그림 6과 같고, 유압회로는 내부에 유로가 형성되어 있는 유압매니폴더, 방향 절환을 위한 상･하강용 솔레노이드밸브, 배출유량의 조절을 위한 비례제어밸브 등으로 구성되어 있다. 작업기 상승을 위한 유압 실린더의 최대 입력 유량은 26 l/min이고, 자유 낙하 시 최대 하강 유량은 41 l/min이다.
본 연구에서 설계된 유압회로는 유량비례제어밸브에 의해 유압실린더로의 공급 유량이 제어되도록 설계되어 있다. 비례제어밸브에 의한 공급유량은 밸브제어용 전용 전자장치에 가해진 전압에 비례하여 증가한다.
설계된 유압회로는 회로내의 비례제어밸브에 의해 유압실린더에의 공급 유량인 A포트 유량이 제어되며, 비례제어밸브에 의한 유량은 밸브제어용 전용 전자장치에 가해진 전압에 비례하여 증가한다. 비례제어밸브의 인가전압에 대한 유압실린더 입력유량을 알아보기 위하여 5회 실험하여 측정하였다. 그림 9는 실험결과를 평균한 결과이고 전자장치에 의해 가해진 전압에 비례하여 선형적으로 변화(y=6.
비례제어밸브의 제어를 위해서 기본적인 특성 분석을 수행하였다. 설계한 유압실린더의 최대 입력 유량은 26 l/min 이지만 본 실험은 특성분석을 위하여 기존 트랙터의 펌프토출 유량을 고려하여 실험하였다.
비례제어밸브의 제어를 위해서 기본적인 특성 분석을 수행하였다. 설계한 유압실린더의 최대 입력 유량은 26 l/min 이지만 본 실험은 특성분석을 위하여 기존 트랙터의 펌프토출 유량을 고려하여 실험하였다. 본 실험의 펌프토출유량은 5종류(15 l/min, 20 l/min, 25 l/min, 30 l/min, 35 l/min)로 하였다.
유압시스템의 계단응답특성 검증을 위한 작업기 상승 작동 시뮬레이션 및 실험은 유압실린더 입력유량에서 밸브 열림 동작을 알아보기 위한 응답시간과 시정수 및 정정시간을 알아보고, 하강 작동 실험은 하강유량조절밸브를 최대로 연 상태인 유압 실린더의 최대 출력유량일 때의 밸브 열림 응답시간과 시정수 및 정정시간을 알아보았다.
유압시스템의 응답성을 알아보기 위하여 하강일 때는 단동식 실린더이므로 자유낙하를 하게 되고, 유량은 하강유량조절밸브를 최대로 연 상태인 41 l/min에서 제어 각도 10o, 20o 및 30o일 때의 응답반응을 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
유압시스템의 주파수 영역에서의 응답특성을 규명하기 위해 시뮬레이션 및 실험에서의 주파수 응답특성을 알아보았다. 그럼 14는 주파수 영역에서 제어시스템의 특성을 나타내는 대표적인 지표인 이득 및 위상차 선도이고, 유압 실린더 입력 유량이 클수록 추종성이 떨어지므로 유압 시스템의 검증을 위하여 최대 입력 유량 26 l/min의 경우를 보여주었다.
유압시스템의 추종성을 알아보기 위하여 유압 실린더의 입력유량을 11 l/min, 16 l/min, 21 l/min 및 26 l/min으로 설정하고, 입력 주파수를 0.1 Hz, 0.2 Hz, 0.3 Hz, 0.4 Hz, 0.5 Hz, 0.6 Hz, 0.7 Hz, 0.8 Hz, 0.9 Hz, 1.0 Hz 및 2 Hz로 하고, 제어각도는 ±30o로 하여 각각의 응답 반응에 대한 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
그리고 상승일 때는 유압실린더 입력유량을 11 l/min, 16 l/min, 21 l/min 및 26 l/min으로 설정하고, 제어각도는 10^o, 20^o 및 30^o로 하여 각각의 응답 반응을 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 유압시스템의 편차를 알아보기 위하여 작업기의 전체 작동 범위가 75^o이므로 하강시 지면에 닫지 않는 것을 고려하여 하강 55^o로 작동하였다.

대상 데이터

비례제어밸브에 의한 공급유량은 밸브제어용 전용 전자장치에 가해진 전압에 비례하여 증가한다. 따라서 설계된 유압회로와 관련하여 비례제어밸브 제어용 전자장치의 공급전압과 유량사이의 관계 등 제어시스템의 설계에 필요한 기초 데이터를 확보하였다. 그림 7은 실험에 사용된 유압밸브블록 등의 조작을 위한 유압벤치와 유압 공급을 위한 파워 유닛을 보여 주고 있으며, 그림 8은 3점 링크에 로타리 작업기가 장착되어 있는 모형 3점 링크 장치와 데이터 측정용 컴퓨터를 보여주고 있다.
본 연구에서 개발한 유압회로를 적용할 트랙터 본체 유압 시스템의 압력이 16 Mpa이므로, 이를 기준으로 사용 가능한 지를 비교할 수가 있다. 또한 국내에서 주로 사용하고 있는 하중 4,000 N 로타리 작업기를 사용하였다. 펌프토출유량에 따라 큰 차이가 발생하지 않았으며, 펌프토출유량이 최대인 35 l/min에서의 상승 및 하강을 위해 필요한 A포트 압력 결과는 그림 11과 같다.
작업기 유압시스템의 제어시스템은 센서부, 전자제어부, 구동드라이버, 유압부로 구성하였고, 블록선도는 그림 1과 같다. 유압장치의 핵심부품으로서 전기적 신호로 제어되는 솔레노이드 방식의 유압밸브는 비례밸브로 대표되는 아날로그 제어 방식의 유압밸브로 사용하였다.

이론/모형

따라서 트랙터 작업기 제어시스템에 대한 시뮬레이션을 위해 본 연구에서는 미국 Mathworks사의 MATLAB/Simulink 프로그램을 이용하였다. 설계된 작업기 제어시스템에 대한 Simulink 프로그램은 그림 5와 같으며, Simulink 프로그램의 각각 기능별 불록들로 이루어져 이 기능 블록들이 신호 선으로 연결되어 시뮬레이션 모형을 이루게 된다.

성능/효과

(1) 비례제어밸브에 의한 유량은 밸브제어용 전용 전자장치에 가해진 전압에 비례하여 증가한다. 전압별 유량은 2.
(2) 비례제어밸브의 특성 실험에서 펌프토출유량 35 l/min에서의 압력손실이 최대 1.88 Mpa로 기존의 수동밸브(1.2 Mpa)보다 약간 높게 나타났다. 하지만 국내에서 주로 사용하고 있는 하중 4,000 N 로타리 작업기 작동에서의 최대 압력은 0.
(3) 유압시스템에서 작업기를 55° 하강 제어시킬 때, 엔진 속도에 관계없이 편차는 시뮬레이션에서는 0.7°이였고 실험결과 평균은 최대 약 0.8°로 나타났다.
(4) 주파수 응답특성의 위상선도에서는 시뮬레이션 및 실험결과가 0.4 Hz까지는 비슷한 경향을 보였지만, 0.4 Hz 이상의 실험결과에서는 추종성이 급격히 하락함을 알 수 있었다. 게인선도에서는 시뮬레이션 및 실험결과가 0.
그림 14(a)의 위상선도에서 보는바와 같이 시뮬레이션 및 실험결과가 0.4 Hz까지는 비슷한 경향을 보였지만, 0.4 Hz 이상의 실험결과에서는 추종성이 급격히 하락함을 알 수 있었다. 그리고 0.
4 Hz 이상의 실험결과에서는 추종성이 급격히 하락함을 알 수 있었다. 게인선도에서는 시뮬레이션 및 실험결과가 0.6 Hz까지는 비슷한 경향을 보였지만, 0.6 Hz 이상의 실험결과에서는 추종성이 급격히 하락함을 알 수 있었다. 그러므로 토양 롤링의 지면 주파수가 0.
최대 유량인 35 l/min일 때 가장 큰 압력손실이 발생하였고, 그림 10에 최대 유량인 35 l/min일 때 비례제어밸브의 입력유량에 대한 유압회로 중립시의 P 포트와 T 포트 사이의 압력손실을 나타내었다. 실험결과로부터 압력손실은 펌프토출유량에 비례하여 0.95 Mpa에서 1.88 Mpa까지 증가하는 경향으로 나타났다. 입력 유량 35 l/min에서의 압력손실이 1.
유압제어시스템에서 작업기를 55° 하강 제어시킬 때, 엔진 속도에 관계없이 편차는 시뮬레이션에서는 0.7°이였고 실험 결과 평균은 최대 약 0.8°로 나타났다.
88 Mpa까지 증가하는 경향으로 나타났다. 입력 유량 35 l/min에서의 압력손실이 1.88 Mpa로 기존의 수동밸브(1.2 Mpa)보다 약간 높으나, 적용할 트랙터 본체의 유압 시스템의 압력이 16 Mpa이므로 사용할 수 있다는 것을 알 수가 있다.
2 Mpa)보다 약간 높게 나타났다. 하지만 국내에서 주로 사용하고 있는 하중 4,000 N 로타리 작업기 작동에서의 최대 압력은 0.686 Mpa이고, 적용할 트랙터 본체의 유압시스템의 압력이 16 Mpa이므로 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트랙터의 작업기 장착 링크는 왜 개발되었는가?	작업제어시스템의 기본인 트랙터의 작업기 장착 링크는 1920년대 초 쟁기를 장착하기 위한 장치의 하나로 개발되기 시작하여 현재의 3점 링크의 원형이 되는 것은 1935년에 Harry Ferguson에 의해 개발되었다. 트랙터의 3점 링크와 관련한 작업기 제어에 관한 연구는 학계, 산업계 및 연구 관련 단체에서 이루어지고 있다.
	설계된 유압회로와 관련하여 비례제어밸브 제어용 전자장치의 공급전압과 유량사이의 관계 등 제어시스템의 설계에 필요한 기초 데이터를 확보한 이유는?	본 연구에서 설계된 유압회로는 유량비례제어밸브에 의해 유압실린더로의 공급 유량이 제어되도록 설계되어 있다. 비례제어밸브에 의한 공급유량은 밸브제어용 전용 전자장치에 가해진 전압에 비례하여 증가한다. 따라서 설계된 유압회로와 관련하여 비례제어밸브 제어용 전자장치의 공급전압과 유량사이의 관계 등 제어시스템의 설계에 필요한 기초 데이터를 확보하였다.
	작업기 제어 시스템의 제어방식이 전자기술의 진보를 통한 전자유압방식으로 전환되고 있는 이유는?	트랙터의 3점 링크와 관련한 작업기 제어에 관한 연구는 학계, 산업계 및 연구 관련 단체에서 이루어지고 있다. 작업기 제어시스템의 제어방식은 전자기술의 진보를 통해 기계유압방식이 갖고 있는 한계를 극복하기 위하여 전자기술의 진보를 통한 전자유압방식으로 전환되고 있는 실정이다. 또한 이들 연구의 주된 내용은 작업 조건 및 제어어시스템을 구성하고 있는 유압시스템의 성능향상과 개량에 관한 것이 주를 이루고 있다.

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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