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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 단벌기 바이오매스 생산림에 식재되어 있는 이태리포플러를 원형톱날을 이용하여 수확 시 수확기계의 절단 소요 동력 산정과 이에 따른 수확기계의 동력원 선정을 위한 기초자료를 제공하기 위하여 수행되었다.
- 본 연구에서는 단벌기 바이오매스 생산림에 식재되어 있는 속성수인 이태리포플러를 수확 시 수확기계의 절단 소요동력의 산정과 이에 따른 수확기계의 적정 동력원을 선정하기 위해 기초 연구가 수행되었다. 속성수 3년 수확 시 최대 근원경이 50 mm 일 때 바이오매스 추정량은 10.
- 5 ton/ha로 추정되었다. 그러나, 본 연구에서는 바이오매스 생산량을 20~30 ton/ha으로 목표로 하였으며, 이는 목표량에 미치지 못하는 생산량으로 추정되었다. 이에 이태리포플러의 3년 이상 근원경급을 고려하여 바이오매스 생산량을 추정한 결과 70 mm(16.
제안 방법
- 이를 고려하여 원형톱날을 이용한 절단시험에 변수는 회전하는 톱날에 밀려들어가는 밀기속도(Feed rate)를 농업용 트랙터 90마력급 작업기의 주행속도(TYM, T993, Korea)로 고려하여 0.41, 1.25, 2.50 m/s로 선정하였으며, 이는 시간당 작업할 수 있는 면적이 0.3, 1, 2 ha이었다. 원형톱날의 회전에 의한 톱날 절단속도(Sawing speed)는 선정된 무단변속 교류전동기의 정격속도를 고려한 3개 수준, 이태리포플러의 3년 수확 시 바이오매스 생산량은 10.
- 3, 1, 2 ha이었다. 원형톱날의 회전에 의한 톱날 절단속도(Sawing speed)는 선정된 무단변속 교류전동기의 정격속도를 고려한 3개 수준, 이태리포플러의 3년 수확 시 바이오매스 생산량은 10.5 ton/ha로서 본 연구에서 목표로 하는 바이오매스 생산량 20~30 ton/ha에 미치지 못하므로 3년 이후 년생의 이태리포플러 근원경(Root collar diameter)을 고려하여 5수준으로 선정하였다. 각 변수의 실험수준의 내용은 Table 1에 나타냈다.
- 이태리포플러 절단 소요동력 측정 장치의 토크 측정에 필요한 장치는 Figure 2와 같다. 원형톱날(406 mm, Young chang, Korea)의 제원은 Table 2에 나타냈으며, 이를 구동하기 위한 동력은 무단변속 교류전동기(3.7 kW 5 HP, Hyosung, Korea), 톱날의 절단속도는 이 전동기의 회전속도를 조정하여 설정하였다.
- 공시재료를 일정한 속도로 반복적으로 절단하기 위한 장치는 Figure 2에서의 랙과 피니언(Rack and Pinion)을 이용하였다. 랙을 구동하기 위한 피니언은 감속기가 부착된 교류전동기(180 W, SPG, Korea)를 사용하였고, 이 전동기의 회전속도를 조정하여 밀기속도를 원하는 수준으로 바꾸었다. 또한 두 개의 고정 장치(Rack guide, Stem holder)에 의하여 직선 운동하는 랙의 선단 부에는 공시재료를 일정한 위치에 고정시킬 수 있는 고정 장치를 부착시켰으며, 이 두 개의 고정 장치 사이에 두 개의 역전 스위치(Reverse switch)를 눌러주는 푸쉬 로드(Push rod)를 장착하여 푸쉬로드가 양쪽의 역전스위치를 작동시킬 때 마다 교류전동기의 피니언의 회전방향을 바꾸어 랙을 전진 및 후퇴시킴으로써 연속적인 절단실험을 할 수 있도록 구성하였다.
- 랙을 구동하기 위한 피니언은 감속기가 부착된 교류전동기(180 W, SPG, Korea)를 사용하였고, 이 전동기의 회전속도를 조정하여 밀기속도를 원하는 수준으로 바꾸었다. 또한 두 개의 고정 장치(Rack guide, Stem holder)에 의하여 직선 운동하는 랙의 선단 부에는 공시재료를 일정한 위치에 고정시킬 수 있는 고정 장치를 부착시켰으며, 이 두 개의 고정 장치 사이에 두 개의 역전 스위치(Reverse switch)를 눌러주는 푸쉬 로드(Push rod)를 장착하여 푸쉬로드가 양쪽의 역전스위치를 작동시킬 때 마다 교류전동기의 피니언의 회전방향을 바꾸어 랙을 전진 및 후퇴시킴으로써 연속적인 절단실험을 할 수 있도록 구성하였다.
- 구동 토크의 측정은 Figure 2와 같이 무단변속 교류전동기와 토크센서(TRC-100K, DACELL, Korea) 각각의 축 끝단에 축이음(Flexible Coupling)을 이용하여 축이 회전하는 동안에 토크 이외의 외력을 받지 않도록 고려하였다. 또한 토크 측정 데이터는 토크센서와 연결되는 앰프 (DN-230T, DACELL, Korea)의 출력 값을 변환하여 데이터수집장치(Wavebook/516E, IOTECH, USA)와 소프트웨어(Waveview, IOTECH, USA)를 이용하여 기록하였다(Figure 3).
- 구동 토크의 측정은 Figure 2와 같이 무단변속 교류전동기와 토크센서(TRC-100K, DACELL, Korea) 각각의 축 끝단에 축이음(Flexible Coupling)을 이용하여 축이 회전하는 동안에 토크 이외의 외력을 받지 않도록 고려하였다. 또한 토크 측정 데이터는 토크센서와 연결되는 앰프 (DN-230T, DACELL, Korea)의 출력 값을 변환하여 데이터수집장치(Wavebook/516E, IOTECH, USA)와 소프트웨어(Waveview, IOTECH, USA)를 이용하여 기록하였다(Figure 3).
- 본 연구에서는 원형톱날을 이용한 공시재료 절단 시 최대토크와 원형톱날의 회전속도를 측정하였다. 속성수 수확작업에 요구되는 소요 동력은 다음 식 1을 이용하여 산출하였다(Ryu, 2004).
대상 데이터
- 본 연구에서의 공시재료는 경기도 수원시 권선구 오목천동 국립산림과학원 산림유전자원부 구내시험림 내 포지에 식재되어 있는 속성수인 이태리포플러(Populus euramericana) 40년생을 이용하였다. 공시재료 채취 시 재료의 수고는 14 m, 근원경별(Root collar diameter)로 각각 50, 70, 90, 110, 130 mm, 이는 10, 12, 14, 16, 18년생의 수준이었다(Korea Forest Service, 2012).
- 공시재료 채취 시 재료의 수고는 14 m, 근원경별(Root collar diameter)로 각각 50, 70, 90, 110, 130 mm, 이는 10, 12, 14, 16, 18년생의 수준이었다(Korea Forest Service, 2012). 이태리포플러를 절단하여 수확하는데 필요한 최대토크 측정을 위해 40년생 이태리포플러로부터 공시재료를 채취하였으며, 수피를 제거하지 않은 상태 그대로를 사용하였다.
데이터처리
- 공시재료를 원형톱날로 절단하는 데 필요한 실험변수 밀기속도, 절단속도, 근원경 등소요 동력을 분석하기 위하여 SAS(SAS Institute Inc, ver 9.1, USA) 프로그램의 분산분석(ANOVA, Analysis of variable)을 사용하였다.
성능/효과
- 속성수의 수확 시기는 3년 수확의 경우, 식재 후 활착에 1년이 걸리고, 그해 겨울에 대절을 실시하여 맹아지를 유도한 후, 그 다음해부터 3년 후에 수확을 실시한다. 국내 김포 수도권 매립지 간척지에 식재된 이태리포플러 eco28 클론을 3년 후 수확 시 최대직경 51.2~52.09 mm, 수고는 4 m로 나타났으며, 이태리포플러의 수간재적표(Korea Forest Service, 2012)를 이용하여 바이오매스를 추정한 결과 직경이 50 mm 급일 때, 바이오매스 생산량은 약 10.5 ton/ha로 추정되었다. 그러나, 본 연구에서는 바이오매스 생산량을 20~30 ton/ha으로 목표로 하였으며, 이는 목표량에 미치지 못하는 생산량으로 추정되었다.
- 그러나, 본 연구에서는 바이오매스 생산량을 20~30 ton/ha으로 목표로 하였으며, 이는 목표량에 미치지 못하는 생산량으로 추정되었다. 이에 이태리포플러의 3년 이상 근원경급을 고려하여 바이오매스 생산량을 추정한 결과 70 mm(16.5 ton/ha), 90 mm(23.5 ton/ha), 110 mm(32.5 ton/ha), 130 mm(41.5 ton/ha)로 추정되었다. 일반적으로 포플러의 경우 단벌기 집약재배로 20~25 ton/ha를 생산할 수 있으며, 집약관리를 하지 않으면 8~12 ton/ha을 생산할 수 있다고 알려져 있다(Koo and Yeo, 2003).
- 공시재료를 절단 시 소요되는 동력은 Table 3과 같으며, 밀기속도에 따라 공시재료를 절단 시 절단속도와 근원경의 차이는 유의한 것으로 나타났다(Table 4). 절단속도가 800, 1,000, 1,200 rpm, 근원경이 130 mm 일 때, 최대토크는 각각 30.
- 공시재료를 절단 시 소요되는 동력은 Table 3과 같으며, 밀기속도에 따라 공시재료를 절단 시 절단속도와 근원경의 차이는 유의한 것으로 나타났다(Table 4). 절단속도가 800, 1,000, 1,200 rpm, 근원경이 130 mm 일 때, 최대토크는 각각 30.4, 22.9, 19.0 N-m으로 절단속도가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났으며, 근원경 증가에 따라서도 일반적으로 감소하는 경향을 보였다. 또한 소요되는 동력은 각각 194.
- 8 W로 증가하였다(Figure 4). 원형톱날의 절단속도와 근원경별로 절단에 소요되는 동력은 근원경이 증가할수록 큰 동력을 필요로 하는 것으로 나타났으며, 최소 근원경 50 mm를 절단하는데 필요한 최소의 소요 동력은 절단속도가 800 rpm 일 때, 54.4 W, 최대 근원경 130 mm에서는 절단속도가 800 rpm 일 때, 191.4 W로 나타났다. 그러나 목표 바이오매스 생산량(20~30 ton/ha)을 고려하여 근원경급 90, 110 mm 일 때 바이오매스 추정량은 각각 23.
- 5 ton/ha이었다. 따라서 이를 고려하였을 때, 최소 절단속도(800 rpm)에서 소요되는 동력은 각각 128.2, 175.8 W으로 나타났으며, 밀기속도가 0.41 m/s 일 때 작업면적은 1 ha/h 기준으로 하였을 때, 작업능률은 각각 16.5, 22.8 ton/h을 처리할 수 있을 것으로 추정된다.
- 또한 공시재료의 절단 시 절단속도와 근원경에서 유의차를 보였다(Table 6). 절단속도가 800, 1,000, 1,200 rpm, 근원경이 130 mm 일 때, 최대토크는 각각 30.1, 23.5, 19.7 N-m로 절단속도가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났으며, 근원경 증가에 따라서도 일반적으로 감소하는 경향을 보였다. 또한 소요되는 동력은 각각 194.
- 2 W로 증가하였다(Figure 5). 원형톱날의 절단속도와 근원경별로 절단에 소요되는 동력은 근원경이 증가할수록 큰 동력을 필요로 하는 것으로 나타났으며, 최소 근원경인 50 mm를 절단하는데 필요한 최소의 소요 동력은 절단속도가 800 rpm 일 때, 52.7 W, 최대 근원경 130 mm에서는 절단속도가 800 rpm 일 때, 194.9 W로 나타났다. 밀기속도가 0.
- 9 W로 나타났다. 밀기속도가 0.41 m/s와 동일한 조건으로 최소 절단속도에서 소요되는 동력은 각각 113.8, 153.7 W로 나타났으며, 1.25 m/s 일 때 작업면적은 1 ha/h, 작업능률은 각각 23.5, 32.5 ton/h을 처리할 수 있을 것으로 추정된다.
- 이태리포플러 절단 시 소요되는 동력은 Table 7과 같으며, 공시재료의 절단 시 절단속도 와 근원경에서 유의차를 보였다(Table 8). 절단속도가 800, 1,000, 1,200 rpm, 근원경이 130 mm 일 때, 최대토크는 각각 31.9, 25.2, 20.4 N-m으로 절단속도가 밀기속도 0.41, 1.25 m/s와 동일하게 증가할수록 감소하는 것으로 나타났으며, 근원경 증가에 따라서 감소하는 경향을 보였다. 최소 근원경인 50 mm를 절단하는 데 최소의 동력은 최소 절단속도 일 때, 51.
- 4 W로 나타났다(Figure 6). 밀기속도 0.41, 1.25 m/s와 동일한 조건으로 최소 절단속도(800 rpm)에서 소요되는 동력은 각각 119.8, 166.9 W로 나타났으며, 2.5 m/s 일 때 작업면적은 1 ha/h, 작업능률은 각각 47.0, 65.0 ton/h을 처리할 수 있을 것으로 추정된다. 기존 연구 되었던 잣 수확 시 동력원 선정하기 위한 기초연구를 통해 절단속도와 가지의 직경에 따라서 최대토크는 감소, 최소동력은 증가하는 것으로 보고하였다(Kang et al.
- 본 연구에서는 단벌기 바이오매스 생산림에 식재되어 있는 속성수인 이태리포플러를 수확 시 수확기계의 절단 소요동력의 산정과 이에 따른 수확기계의 적정 동력원을 선정하기 위해 기초 연구가 수행되었다. 속성수 3년 수확 시 최대 근원경이 50 mm 일 때 바이오매스 추정량은 10.5 ton/ha 이었으나, 본 연구에서 고려한 바이오매스량 추정량 20~30 ton/ha에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이에 속성수의 근원경을 증가하여 목표로 하는 바이오매스량을 추정하였을 때 근원경 90, 110 mm 일 때가 적정한 것으로 나타났으며, 작업속도와 절단속도에 따라 작업능률 및 생산성에 영향을 미치게 되기 때문에, 이를 고려하여 속성수 수확 시 적정 소요 동력은 작업속도 1.
- 5 ton/ha 이었으나, 본 연구에서 고려한 바이오매스량 추정량 20~30 ton/ha에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이에 속성수의 근원경을 증가하여 목표로 하는 바이오매스량을 추정하였을 때 근원경 90, 110 mm 일 때가 적정한 것으로 나타났으며, 작업속도와 절단속도에 따라 작업능률 및 생산성에 영향을 미치게 되기 때문에, 이를 고려하여 속성수 수확 시 적정 소요 동력은 작업속도 1.25, 2.50 m/s, 최소절단속도 800 rpm 일 때, 각각 113.8~153.7, 119.89~166.9 W 기준으로 수확기계의 동력원을 선정하면 될 것으로 사료된다. 또한 이를 절단 시 절단속도와 근원경이 증가함에 따라 소요동력이 증가하는 것으로 나타났으며, 작업속도가 증가함으로써 수확할 수 있는 바이오매스량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 9 W 기준으로 수확기계의 동력원을 선정하면 될 것으로 사료된다. 또한 이를 절단 시 절단속도와 근원경이 증가함에 따라 소요동력이 증가하는 것으로 나타났으며, 작업속도가 증가함으로써 수확할 수 있는 바이오매스량이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 수확기계의 동력원을 선정하기 위한 기초 연구로 속성수를 절단 시 작업속도와 소요되는 동력을 기준으로 바이오매스량을 추정하였지만, 이를 기준으로 수확기계를 동력원을 선정하여 실제 현장인 단벌기 바이오매스 생산림에 수확기계를 투입하여 추정한 바이오매스량과 실제로 수확하였을 때의 바이오매스 생산량에 대한 비교 시험과 이에 따른 적정 수확기계 동력원을 선정 및 비용을 분석하는 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
후속연구
- , 1993; 1994; 1995). 본 연구를 통하여 수확기계의 동력원을 선정 시 최소 동력으로 공시재료를 절단하는데 문제가 없을 것으로 나타났지만, 실제 현장에 이를 바탕으로 한 데이터를 이용하여 수확기계 동력원의 선정과 개발된 기계를 투입하여 적정성에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
- 또한 이를 절단 시 절단속도와 근원경이 증가함에 따라 소요동력이 증가하는 것으로 나타났으며, 작업속도가 증가함으로써 수확할 수 있는 바이오매스량이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 수확기계의 동력원을 선정하기 위한 기초 연구로 속성수를 절단 시 작업속도와 소요되는 동력을 기준으로 바이오매스량을 추정하였지만, 이를 기준으로 수확기계를 동력원을 선정하여 실제 현장인 단벌기 바이오매스 생산림에 수확기계를 투입하여 추정한 바이오매스량과 실제로 수확하였을 때의 바이오매스 생산량에 대한 비교 시험과 이에 따른 적정 수확기계 동력원을 선정 및 비용을 분석하는 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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