[논문]농업용 트랙터의 프론트 로더 충격 저감을 위한 유압 회로의 설계 개선

조봉진; 안성욱; 이창주; 윤영환; 이수성; 김학진

doi:10.7839/ksfc.2016.13.2.010

Abstract ▼ AI-Helper

A front-end loader (FEL) mounted on an agricultural tractor is one of the most commonly used implements to mechanize routine agricultural tasks. When the FEL is used with a loaded bucket, careful operation is required to maintain safety and avoid spillage when the tractor passes a bump because a cha...

A front-end loader (FEL) mounted on an agricultural tractor is one of the most commonly used implements to mechanize routine agricultural tasks. When the FEL is used with a loaded bucket, careful operation is required to maintain safety and avoid spillage when the tractor passes a bump because a change in the gravity center of the tractor due to varied loadings can affect the stability of the tractor. Use of a boom suspension system consisting of accumulators and orifice dampers can be instrumental in reducing pitching vibrations while increasing the handling performance of the FEL-mounted tractor. The objective of this research was to reduce bump shocks by adding an orifice and a flow control valve to the original hydraulic circuit composed solely of accumulators. A simulation study was performed using the SimulationX program to investigate the effects of an accumulator and an orifice-throttle damper on bump shocks. Results showed that the peak pressure on a boom cylinder and the vertical acceleration of a bucket were significantly affected by use of both an accumulator and an orifice damper. In a field test conducted with a 75-kW tractor, the peak pressure of the boom cylinder, and the root mean square (RMS) vertical acceleration of the bucket and seat were reduced by on average, 23.0, 42.2, and 44.9% respectively, as compared to those measured with the original accumulator system, showing that an improved design for the accumulator hydraulic circuit can reduce bump shocks. Further studies are needed to design a tractor suspension system that includes the effects of cabin suspension and tires as well as dynamic analysis.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 농용트랙터에 장착되는 프론트 로더의 요철충격을 저감하고자 어큐뮬레이터 유압 회로를 설계 변경하였으며 그 효과를 시뮬레이션과 실험적 방법을 이용 검증하였다. 이를 위해 기존 휠로더 시스템 분석을 근거로 SimulationX 프로그램을 이용 기존 유압회로에 우회 회로를 포함하여 주행 중에도 어큐뮬레이터가 정상적으로 작동할 수 있게 만들었으며 체크 밸브, 오리피스 등의 유압 요소를 추가하여서 회로의 감쇠 기능을 향상 시켰다.

제안 방법

본 연구는 농용트랙터에 프론트 로더를 이용하여 적재물을 운반할 때 요철충격에 의해 발생하는 프론트로더 시스템의 피치 진동을 저감하기 위한 개선 설계연구의 일환으로 수행하였다. 이를 위해 본 연구에서는 유압시뮬레이션을 통하여 설계한 붐 서스펜션의 충격 감쇠 효과를 이론적으로 분석하였으며, 시뮬레이션 결과를 기반으로 기존 프론트 로더의 유압 회로 시스템을 설계․변경하여 붐 서스펜션 시작기를 구성한 후, 실차 실험을 통하여 충격 저감 효과를 검증하였다.
본 연구에서는 농용트랙터에 장착되는 프론트 로더의 요철충격을 저감하고자 어큐뮬레이터 유압 회로를 설계 변경하였으며 그 효과를 시뮬레이션과 실험적 방법을 이용 검증하였다. 이를 위해 기존 휠로더 시스템 분석을 근거로 SimulationX 프로그램을 이용 기존 유압회로에 우회 회로를 포함하여 주행 중에도 어큐뮬레이터가 정상적으로 작동할 수 있게 만들었으며 체크 밸브, 오리피스 등의 유압 요소를 추가하여서 회로의 감쇠 기능을 향상 시켰다. 시뮬레이션을 통해 어큐뮬레이터의 용량이 클수록 충격이 감소하였고 유량제어밸브의 설치가 감쇠효과를 나타내는 것을 확인하였다.

대상 데이터

개선 설계한 붐 서스펜션 회로의 진동저감 효용성을 알아보기 위해 트랙터에 회로를 장착하여 요철 충격 실험을 실시하였다. 사용한 트랙터와 프 프론트로더는 75㎾급을 사용하였으며 주행 시 충격을 주기 위해 Fig. 10과 같은 형상을 가진 요철을 지나가게 하였다. 사용한 어큐뮬레이터(HPC, HSN 0.

데이터처리

7%로 조절하면서 충격 저감 특성을 분석하였다. 각 실험은 3회 반복으로 진행하였으며 수집된 데이터의 분석은 SAS 통계 프로그램을 이용하여 ANOVA 분석과 다중 비교법을 이용하여 처리의 유의성 분석을 수행하였다.

이론/모형

개선된 회로의 감쇠 특성은 SimulationX 프로그램을 이용하여 얻어진 감쇠력과 스트로크를 나타내는 F-S 선도와 감쇠력과 속도를 나타내는 F-V 선도를 통해 분석하였다. Fig.

성능/효과

이를 위해 기존 휠로더 시스템 분석을 근거로 SimulationX 프로그램을 이용 기존 유압회로에 우회 회로를 포함하여 주행 중에도 어큐뮬레이터가 정상적으로 작동할 수 있게 만들었으며 체크 밸브, 오리피스 등의 유압 요소를 추가하여서 회로의 감쇠 기능을 향상 시켰다. 시뮬레이션을 통해 어큐뮬레이터의 용량이 클수록 충격이 감소하였고 유량제어밸브의 설치가 감쇠효과를 나타내는 것을 확인하였다. 시뮬레이션으로 검증된 회로를 바탕으로 밸브 블록을 만들어서 실차에 적용하여 이를 실험해본 결과, 기존의 어큐뮬레이터만 단독으로 장착했을 때보다 붐 실린더의 피크 압력이 23.
시뮬레이션을 통해 어큐뮬레이터의 용량이 클수록 충격이 감소하였고 유량제어밸브의 설치가 감쇠효과를 나타내는 것을 확인하였다. 시뮬레이션으로 검증된 회로를 바탕으로 밸브 블록을 만들어서 실차에 적용하여 이를 실험해본 결과, 기존의 어큐뮬레이터만 단독으로 장착했을 때보다 붐 실린더의 피크 압력이 23.0% 감소하였고 버켓과 시트의 RMS 수직 가속도는 각각 42.2%, 44.9% 감소함을 확인하였다. 추후 로더의 링크의 동역학적인 특성을 보완하고 캐빈 서스펜션과 타이어 등의 특성들을 포함하여 붐 서스펜션 회로의 설계변수를 최적화할 예정이다.

후속연구

9% 감소함을 확인하였다. 추후 로더의 링크의 동역학적인 특성을 보완하고 캐빈 서스펜션과 타이어 등의 특성들을 포함하여 붐 서스펜션 회로의 설계변수를 최적화할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	농용트랙터는 무엇을 확보하는가?	농작업에 사용되는 트랙터는 불규칙한 노면조건에서 대부분 사용되며, 또한 로더, 쟁기, 파종기 등의 다양한 농작업 부속기를 장착하면서 주행과 작업이 이루어지기 때문에 운전자는 외부 충격과 진동에 쉽게 노출된다. 이를 위해 농용트랙터는 자동차와 같이 스프링, 댐퍼로 구성된 현가장치(서스펜션, suspension)를 좌석, 캐빈(cabin), 차축에 적용하여 농작업의 안전성과 작업자의 운전 용이성을 확보하고 있다. 최근에는 외부 충격을 감지하여 댐퍼와 기구부 등의 변위를 자동으로 변경하는 반능동형, 능동 서스펜션 시스템을 적용하는 기술이 보급되고 있다.
	트랙터의 운전자가 외부 충격과 진동에 쉽게 노출되는 이유는?	농작업에 사용되는 트랙터는 불규칙한 노면조건에서 대부분 사용되며, 또한 로더, 쟁기, 파종기 등의 다양한 농작업 부속기를 장착하면서 주행과 작업이 이루어지기 때문에 운전자는 외부 충격과 진동에 쉽게 노출된다. 이를 위해 농용트랙터는 자동차와 같이 스프링, 댐퍼로 구성된 현가장치(서스펜션, suspension)를 좌석, 캐빈(cabin), 차축에 적용하여 농작업의 안전성과 작업자의 운전 용이성을 확보하고 있다.
	농작업의 안전성과 작업자의 운전 용이성을 확보하기 위해 최근 보급되고 있는 기술에는 무엇이 있는가?	이를 위해 농용트랙터는 자동차와 같이 스프링, 댐퍼로 구성된 현가장치(서스펜션, suspension)를 좌석, 캐빈(cabin), 차축에 적용하여 농작업의 안전성과 작업자의 운전 용이성을 확보하고 있다. 최근에는 외부 충격을 감지하여 댐퍼와 기구부 등의 변위를 자동으로 변경하는 반능동형, 능동 서스펜션 시스템을 적용하는 기술이 보급되고 있다. Fig.

참고문헌 (7)

P. A. Hansson, "Working Space Requirement for an Agricultural Tractor Axle Suspension", Biosystems Engineering, Vol. 81, No. 1, pp. 57-71, 2002.

상세보기
W. Bauer, "Hydropneumatic Suspension Systems", Springer Science and Business Media, pp. 19-66, 2010.
S. W. Ahn, H. J. Kim, S. S. Lee, D. S. Choi, "Study on Driving Shock Reduction of a Front End Loader by Accumulator", Korean Society for Agricultural Machinery, Vol. 19, No. 1, pp. 91-92, 2014.
C. L. Giliomee, and P. S. Els, "Semi-active Hydropneumatic Spring and Damper System", Jouranl of Terramechanics, Vol. 35, No. 2, pp. 109-117, 1998.

상세보기
S. Sarami, "Development and Evaluation of a Semi-active Suspension System for Full Suspension Tractors", Diss, Technical University of Berlin, 2009.
L. B. Janis, P. Vilnis, K. Eriks, M. R. Aivars, and M. Maris. "Hydropneumatic Suspension for Tractor Implement", Proceeding of International Scientific Conference, Engineering for Rural Development, pp. 372-376, 2012.
S. Yanhua, Z. Junfeng, Y. Jue, H. Xiaxu 2011, "Research on Test and Simulation of Hydro-pneumatic Suspension", IEEE Int. Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks(CECNet), pp. 678-681, 2011.

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