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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 경사지, 수로, 농로 또는 도로 주변의 경사지 등 제초작업기가 들어가기 어려운 열악한 지역에서도 효과적으로 제초작업이 가능한 암식의 트랙터 부착형 전자제어유압방식 제초작업기의 전자시스템을 개발하고 성능을 분석하였다.
- 본 연구는 경사지, 수로, 농로 또는 도로 주변의 경사지 등 제초작업기가 들어가기 어려운 곳에서도 제초작업이 가능한 경사지용 전자제어유압식 제초작업기를 개발하기 위해 수행되었으며, 개발 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 경사지용 전자제어 유압식 제초 작업기는 1)전자제어시스템, 2)유압시스템, 3)메인프레임, 4)붐 및 암 메커니즘, 5)제초작업을 수행하는 로터리형 제초작업부 등 크게 5개의 주요 부분으로 구성되었으며, 표준 3점히치 장착형으로 제작되어 일반적인 범용 트랙터의 후부 3점히치에 쉽게 탈, 부착이 가능하도록 개발하였다.
- 개발된 전자제어용 유압식 제초작업기의 트랙터 장착 방식은 표준 3점히치 장착형으로 제작되어 일반적인 범용 트랙터의 후부 3점히치에 쉽게 탈, 부착이 가능하도록 하였다. 제초작업기의 구동 동력원은 트랙터의 자체 유압동력을 사용하지 않고 작업기에 별도의 유압발생장치를 구성하여 충분한 작업능력을 갖도록 하였다.
- 한편, 로터리축은 유압모터에 의해 구동되며, 축의 회전을 고속으로 하고, 작업시 충격 및 이물질의 끼임에 의한 과부하 발생 시 슬립을 주어 작업기를 보호하도록 작업기 측면에 V-벨트 풀리를 이용하였다. 또한 작업부는 암에 부착된 링크 실린더의 조정을 통해 작업면의 각도에 따른 작업부의 미세 조정이 기능하도록 하였으며, 제초높이를 조절할 수 있도록 보조롤러를 설치하였다. 그림 5(a)는 제초작업부 설계도면, 그림 5(b)는 설계된 도면의 3차원 모델링 도면, 그림 5(c)는 제작된 시작기이다.
- 또한 붐은 700 mm 스트로크의 붐 실린더를 통해 90° 이상의 회전각을 갖도록 하여 작업시 붐을 펼쳤을 때 충분한 작업범위를 확보함과 동시에 비작업시 또는 이동시 붐을 완전히 접었을 때에는 작업장치가 트랙터의 차체 폭을 벗어나지 않도록 하였다.
- 메인프레임은 붐과 붐 실린더를 장착함으로서 전자제어식 제초작업기 전체를 지지하고 유압동력원을 발생시키는 유압시스템이 장착되는 부분으로서 트랙터의 3점히치에 직접 연결되도록 하였다(그림 4). 메인프레임에는 트랙터의 PTO축으로부터 동력을 전달받는 기어박스가 설치되고, 유압동력원을 발생시킬 수 있는 유압탱크와 펌프, 유압의 유량 및 방향을 제어하는 유압밸브, 장시간 작업으로 인해 가열된 오일을 냉각시킬 수 있는 오일쿨러 등을 설치하였다.
- 본 연구에서 개발된 경사지용 전자제어 유압방식 제초작업기는 트랙터에 장착되어 수로, 농로 또는 도로 주변의 경사지 등 일반적인 제초작업기의 투입 및 제초작업이 어려운 지역 등에서 암 타입의 링크에 부착된 제초기구부를 붐과 암 링크의 작동을 통해 작업지역에 쉽게 접근시켜 제초작업을 원활히 수행할 수 있도록 설계, 제작하였다. 그림 6은 본 연구에서 개발한 경사지용 전자제어 유압방식 제초작업기를 트랙터에 장착한 모습을 보여주고 있다.
- 본 연구에서 개발한 전자제어용 유압식 제초작업기의 작업상태를 판단하기 위해 잡초상태가매우 열악한 매우 열악한 지역인 도로 옆 30° 이상의 경사지를 선정하여 제초작업시험을 수행하였다.
- 전자제어용 유압식 제초작업기의 주요 작동기구부인 붐, 암, 제초작업부 및 유압장치 등을 구동하기 위하여 전자시스템은 전자 컨트롤러와 조작 기구를 설계하였다. 설계된 전자시스템의 개략도는 그림 2와 같으며, 전자시스템은 본 제어시스템의 검출부의 각종 센서로부터의 신호를 A/D포트, DI포트 등을 통해 읽어 들여 각종 연산처리를 수행한 후, 출력 포트를 통해 제어 신호를 출력하도록 설계되었다.
- 그림 8은 제작된 유압회로 펌프의 입력 유량에 대한 유압장치의 상승 및 하강 밸브 응답성의 실험결과를 보여주고 있다. 유압펌프의 입력유량은 10 l/min, 15 l/min, 20 l/min으로 설정하였고, 유압실린더의 입력유량은 6 l/min, 8 l/min으로 설정하였다.
- 한편, 유압장치의 동력원을 이용하여 붐과 암링크의 승·하강 및 제초작업부 칼날의 회전 등작업기를 원활하게 구동시키기 위해 그림 3의(a)와 (b)같이 유압회로시스템을 설계 및 제작하였다. 유압회로는 기존 트랙터의 PTO 동력을 이용하여, 유압원, 유압 동력을 절환하기 위한 밸브, 유압모터를 유량제어로 조절하기 위한 밸브, 작업기를 실제 구동하기 위한 유압모터, 링크의 암과 붐, 작업기링크를 작동하기 위한 솔레노이드 밸브, 링크를 원활하게 작동하기 위한 유압실린더 등으로 구성하였다. 유압장치의 핵심부품으로서 전기적 신호로 제어되는 솔레노이드 방식의 유압밸브는 비례밸브로 대표되는 아날로그 제어 방식의 유압밸브로 사용하였다.
- 전자제어용 유압식 제초작업기의 주요 작동기구부인 붐, 암, 제초작업부 및 유압장치 등을 구동하기 위하여 전자시스템은 전자 컨트롤러와 조작 기구를 설계하였다. 설계된 전자시스템의 개략도는 그림 2와 같으며, 전자시스템은 본 제어시스템의 검출부의 각종 센서로부터의 신호를 A/D포트, DI포트 등을 통해 읽어 들여 각종 연산처리를 수행한 후, 출력 포트를 통해 제어 신호를 출력하도록 설계되었다.
- 제초작업기를 작동시키는 동력원은 유압동력방식으로서 기존의 트랙터 유압을 사용하지 않고 작업기의 메인프레임에 별도의 유압장치를 구성하였으며 유압장치는 유압탱크, 유압펌프, 오일쿨러 및 유압회로 등으로 구성되었다. 유압장치는 트랙터 PTO축의 회전에 의해 유압펌프가 구동하여 유압탱크내의 오일이 흡입된 후 고압으로 토출되어 유압실린더 및 유압모터를 구동시켜 작업기를 구동시키게 된다[1, 2].
- 개발된 전자제어용 유압식 제초작업기의 트랙터 장착 방식은 표준 3점히치 장착형으로 제작되어 일반적인 범용 트랙터의 후부 3점히치에 쉽게 탈, 부착이 가능하도록 하였다. 제초작업기의 구동 동력원은 트랙터의 자체 유압동력을 사용하지 않고 작업기에 별도의 유압발생장치를 구성하여 충분한 작업능력을 갖도록 하였다.
- 본 연구에서 개발한 경사지용 전자제어 유압식 제초작업기는 작업기의 붐과 암을 트랙터의 횡방향으로 펼쳐 작동되기 때문에 트랙터의 횡전도 문제를 발생시킬 수 있다. 트랙터의 횡전도는 제초작업을 하지 않고 트랙터가 목적지로 저속, 또는 고속으로 단순 주행시와 제초작업을 수행하는 작업시의 두 경우에 대한 트랙터의 횡전도 안전성을 시험하였다.
- 제초작업부는 프레일 칼(flail knife) 타입의 제초날을 고속으로 회전시켜 잡초 및 나뭇가지 등을 절단 제거하는 부분으로서 암의 끝단에 장착되며, 프레일 칼은 고강성의 기계구조용강으로 만든 로터리축에 미제거 작업이 되지 않도록 네방향 지그재그 방식으로 부착하였다. 한편, 로터리축은 유압모터에 의해 구동되며, 축의 회전을 고속으로 하고, 작업시 충격 및 이물질의 끼임에 의한 과부하 발생 시 슬립을 주어 작업기를 보호하도록 작업기 측면에 V-벨트 풀리를 이용하였다. 또한 작업부는 암에 부착된 링크 실린더의 조정을 통해 작업면의 각도에 따른 작업부의 미세 조정이 기능하도록 하였으며, 제초높이를 조절할 수 있도록 보조롤러를 설치하였다.
- 4)제초기 조작 스위치를 작동시키면, 제초기는 정회전 및 역회전 동작을 통해 제초작업을 수행한다. 한편, 작동유의 온도 상승을 예방하기 위하여 온도센서를 장착하여 온도센서의 온도가 40℃ 이상이 되면 냉각모터를 작동시켜 작동유의 유온을 하강시키도록 하였다.
대상 데이터
- 그리고 제초작업기의 링크조작을 통해 원활한 작업을 수행하기 위한 전자제어시스템은 전자제어장치 및 조작기구부 등으로 구성되었으며 각 주요부의 제원은 표 1과 같다. 본 연구에서 사용한 트랙터는 국내 D 사의 80마력 제품(모델명:DX-80)이다.
- 유압회로는 기존 트랙터의 PTO 동력을 이용하여, 유압원, 유압 동력을 절환하기 위한 밸브, 유압모터를 유량제어로 조절하기 위한 밸브, 작업기를 실제 구동하기 위한 유압모터, 링크의 암과 붐, 작업기링크를 작동하기 위한 솔레노이드 밸브, 링크를 원활하게 작동하기 위한 유압실린더 등으로 구성하였다. 유압장치의 핵심부품으로서 전기적 신호로 제어되는 솔레노이드 방식의 유압밸브는 비례밸브로 대표되는 아날로그 제어 방식의 유압밸브로 사용하였다.
성능/효과
- (2) 전자제어용 유압식 제초작업기의 최대 작업범위는 수평 횡방향과 상방향에 대해 각각 대략 4,000 mm까지 가능하고, 제초작업 각도는 수평면에 대해 위 방향으로 90°, 아래 방향으로 -45°까지 가능하여 대부분의 경사지에서 작업이 가능하였다.
- (3) 전자제어용 유압장치에서 전자솔레노이드 상승 및 하강 응답성은 상승 및 하강 동작에 관계없이 밸브 열림 시간의 경우 40～50 msec, 닫힘 시간의 경우 15～20 msec의 범위 내에 있었고, 안전하게 작동하는 것을 알 수가 있었다.
- (4) 경사지에서 제초작업을 수행한 결과 제초작업은 원활하게 수행되었고, 작업자의 안전에 문제가 발생되는 경우는 전혀 없다는 것을 알 수 있었다.
- 전자유압식 제초작업기의 제어 알고리즘은 1)붐 조작을 위하여 조이스틱을 작동시키면, 붐은 상승 및 하강 동작을 한다. 2)암 조작을 위하여 조이스틱을 작동시키면, 암은 상승 및 하강 동작을 한다. 3)제초작업기의 링크 조작을 위하여 조이스틱을 작동시키면, 제초작업기 링크는 상승 및 하강 동작을 한다.
- 2)암 조작을 위하여 조이스틱을 작동시키면, 암은 상승 및 하강 동작을 한다. 3)제초작업기의 링크 조작을 위하여 조이스틱을 작동시키면, 제초작업기 링크는 상승 및 하강 동작을 한다. 4)제초기 조작 스위치를 작동시키면, 제초기는 정회전 및 역회전 동작을 통해 제초작업을 수행한다.
- 본 연구에서 수행한 경사지에서의 작업상태에서의 전자솔레노이드 상승 및 하강 밸브의 응답성은 상승 및 하강 동작에 관계없이 밸브 열림 시간의 경우 40～50 msec, 닫힘 시간의 경우 15～20 msec의 범위 내에 있었다. 그러므로 무부하 동작상태에서 실험한 결과와 비슷한 경향인 밸브 닫힘 시간이 열림 시간 보다 빠르다는 것을 알 수가 있었고, 열림 및 닫힘 시간도 최대 50 msec 이내로 동작함을 알 수가 있었다.
- 제초작업시에는 전자제어용 유압식 제초작업부를 작업 위치로 이동시킬 때, 제초작업기의 붐과 암을 트랙터의 횡방향으로 최대로 펼쳤을 경우에 트랙터의 횡전도가 발생할 가능성이 클 것으로 판단되나, 작업시에는 제초작업부가 지면을 지지하기 때문에 횡전도의 위험이 전혀 없는 것으로 나타났다. 또한 제초작업장치를 장착한 트랙터의 횡전도 실험은 작업기를 트랙터의 횡방향으로 최대로 펼쳤을 때의 트랙터의 자세에 대한 실험을 반복적으로 수행하였고, 실험 결과 트랙터의 횡전도가 가능할 정도의 치우침이나 자세의 변화가 거의 나타나지 않아 횡전도의 위험은 없는 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서 개발한 경사지용 전자제어 유압식 제초작업기는 작업기의 붐과 암을 트랙터의 횡방향으로 펼쳐 작동되기 때문에 트랙터의 횡전도 문제를 발생시킬 수 있다.
- 무부하 동작상태에서의 전자유압장치의 전자솔레노이드 밸브의 동작특성은 밸브 열림 시간 보다 밸브 닫힘 시간이 적다는 것을 알 수 있었고, 열림 및 닫힘 시간은 대부분 50 msec 이내로 동작하였다[2]. 본 연구에서 수행한 경사지에서의 작업상태에서의 전자솔레노이드 상승 및 하강 밸브의 응답성은 상승 및 하강 동작에 관계없이 밸브 열림 시간의 경우 40～50 msec, 닫힘 시간의 경우 15～20 msec의 범위 내에 있었다. 그러므로 무부하 동작상태에서 실험한 결과와 비슷한 경향인 밸브 닫힘 시간이 열림 시간 보다 빠르다는 것을 알 수가 있었고, 열림 및 닫힘 시간도 최대 50 msec 이내로 동작함을 알 수가 있었다.
- 제초작업시에는 전자제어용 유압식 제초작업부를 작업 위치로 이동시킬 때, 제초작업기의 붐과 암을 트랙터의 횡방향으로 최대로 펼쳤을 경우에 트랙터의 횡전도가 발생할 가능성이 클 것으로 판단되나, 작업시에는 제초작업부가 지면을 지지하기 때문에 횡전도의 위험이 전혀 없는 것으로 나타났다. 또한 제초작업장치를 장착한 트랙터의 횡전도 실험은 작업기를 트랙터의 횡방향으로 최대로 펼쳤을 때의 트랙터의 자세에 대한 실험을 반복적으로 수행하였고, 실험 결과 트랙터의 횡전도가 가능할 정도의 치우침이나 자세의 변화가 거의 나타나지 않아 횡전도의 위험은 없는 것으로 판단되었다.
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