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문제 정의
- 국내에서는 기둥 상승장치에 대한 연구가 진행되지 않아 유리온실의 리모델링은 외국 업체에 의존하고 있으며, 플라스틱 온실의 경우 수동자키 또는 크레인을 이용한 방법으로 온실을 인상 시킬 수 있으나 노동력이 많이 소요되며, 유리온실에는 유리의 파손 및 전도 등으로 적용이 어려운 실정이다. 따라서 본 연구는 공압식 격막실린더를 이용한 상승장치를 설계하여 노동력 감소와 안정성을 높이는 유리온실 및 플라스틱온실의 기둥상승장치의 개발을 목적으로 하였다.
- 본 연구에서는 플라스틱 온실 및 유리 온실의 기둥을 안정적으로 인상시키기 위해 격막형실린더를 활용한 온실 기둥상승장치를 설계 및 제작하였다. 온실 기둥상승장치는 수직부재, 상부, 하부 멈춤장치 및 공압실린더등으로 구성된다.
제안 방법
- 1차 시험을 철골(스테인리스스틸, SS400)만 설치하고 2차 시험은 지붕유리(규격 977mm × 2,124mm × 4mm × 8장)도 설치하여 인상속도 및 인상 높이를 확인하였다.
- 또한, 상승 동작 시 기둥을 연속적으로 인상시키는 것이 아닌 인접한 기둥과 50mm 이상의 높이차이가 없도록 인상해야 하며, 같은 열에 있는 기둥의 경우 인상작업 후의 높이가 일정하게 유지되어야한다. 1회인상에서 약간의 오차로 인한 기둥 간의 높이차이가 발생하게 되면 다음 단계의 상승동작에서 공압 구동기에 공압 공급이 중단되며, 온실 자중에 의해 발생된 오차만큼 기둥상승장치가 하강하여 멈춤장치에 정렬하도록 설계하여 오차누적이 발생하지 않도록 설계하였다.
- 9MPa의 공기압에 대한 인상력을 5회 시험하였다. 공기압은 최초 0.5Mpa에서 0.1 Mpa 단위로 증가시켜 30초 간격으로 인상력을 측정하였다. 온실 기둥상승장치의 부하 설계는 식(3)을 이용하였으며, 0.
- 격막형 실린더의 경우 산업용 공압실린더에 비해 제어하기 쉬우며 기존의 온실의 측고를 안전하고 경제적으로 상승시킬 수 있다. 공압 실린더는 공압실린더 단면적에 단위 면적당 작용압력을 곱하여 구동기의 작용력을 계산하고 안전계수 1.5를고려하여 공압실린더 직경을 160mm, 행정길이 50mm로설계하였다. 온실 리모델링을 위한 온실기둥을 1,500mm인상시키기 위해서는 온실기둥 1개당 30번의 반복 상승동작이 필요하다.
- 또한, 상승장치의 수직상승부재의 길이를 2,300mm로 제작하여 하우스 기둥을 최대 1,750mm까지 상승시킬 수 있도록 제작하였다. 구동기는 보강대에 Fig. 2와 같이 공압 구동기를 설치하여 구동하는 방법으로 제작하였다.
- 온실 기둥상승장치는 수직부재, 상부, 하부 멈춤장치 및 공압실린더등으로 구성된다. 기둥상승장치는 1행정당 50mm씩 상승하며, 1회 인상작업속도를 30초 내외로 하기 위해 소요되는 공기량을 계산하였다. 계산결과 1행정당 공기 소요량은 21.
- 기둥상승장치는 Fig. 1과 같이 보강대를SS400 □75×75×3.0 각재를 사용하여 상승장치를 부착하고 수직상승부는 SS400 □60×60×3.0 각재를 사용하여 제작하였다.
- 온실 기둥 상승장치를 상승시킬 기둥에 설치하고 하단부를 절단하였으며, 인상장치와 분리되는 문제를 방지하고자 밴드를 활용하여 장치 상하부에 고정하였다. 다음으로 온실의 붕괴 및 파괴를 방지하기 위하여 전도방지장치를 설치하였으며, 공압 배관을 통하여 온실 기둥상승장치에 공압을 공급하였다. 공기의 압력은 별도의 컨트롤러 없이 설계 제작한 에어노즐 0.
- 유리온실의 기둥간 높이 차이가70mm 이상일 경우, 부재의 비틀림 및 파손 등의 위험성이 있다. 따라서 1회 인상높이는 안정성을 고려하여50mm로 설계하였다.
- 그러나 유압시스템은 인상장치의 로드높이에 따라 최대 인상 높이가 제한되는 단점이 있으며, 온실에 적용할 경우 유압 오일의 누수가 발생하여 작물재배에 지장을 초래할 위험 요소가 있다. 따라서 본 연구에서는 온실의 기둥을 안전하게 인상시키기 위해 공압방식인 격막형 실린더를 적용하였다. 격막형 실린더의 경우 산업용 공압실린더에 비해 제어하기 쉬우며 기존의 온실의 측고를 안전하고 경제적으로 상승시킬 수 있다.
- 실증 시험에 앞서 기둥상승장치를 모형온실에서 하중시험을 하였으며, 실험결과 각 기둥전체에 대하여 1회 50mm씩 인상하여 3회에 걸쳐 150mm를 인상하였다. 또한, 모형유리온실 시험에서는 1차, 2차로 시험을 나누어서 시험하였으며, 1차 인상 시험 후, 2차 시험에 앞서 모형온실의 높이 확인 및 전체의 수평, 수직상태를 점검하였으며 최종적으로 1,500mm 인상하였다. 실증 시험은 총 면적 1ha 플라스틱온실에서 시험을 하였으며 인상 높이는 1,800mm 이고, 인상 완료 후 온실의 뒤라인부터 순차적으로 온실 기둥상승장치와 기둥을 분리하였다.
- 수직상승장치의 구멍 가공부는 6mm 판재를 구멍 가공하여 덧붙이는 방법으로 용접하여 제작하였다. 또한, 상승장치의 수직상승부재의 길이를 2,300mm로 제작하여 하우스 기둥을 최대 1,750mm까지 상승시킬 수 있도록 제작하였다. 구동기는 보강대에 Fig.
- 설계 제작한 인상장치의 작동 여부를 확인하기 위해 실험용 온실모형을 제작하였다. 모형의 넓이는 48m2( 폭 4m × 길이 12m), 높이 2.
- 5m로 제작하였다. 설치한모형의 기둥에 6개의 인상 장치를 설치하고 구동기에 공압 공급장치를 연결하여 실험하였다. 첫 실험에서는 인상장치와 공압 유닛의 작동 여부 및 문제점 발생 등을 점검하기 위하여 하중을 가하지 않고 실시하였으며, 인상장치의 정상 작동 여부를 확인한 후, 하중을2,943N(300kgf), 4,905N(500kgf), 6,867N(700kgf)을 가하여 실험하였다.
- 온실 기둥상승장치를 현장시험에 적용하기에 앞서 안정성을 확인하기 위해 압축시기(환경 챔버 부착형5ton급 압축 시험기, KIMM, Korea)를 이용하여 온실기둥상승장치에 대한 안정성을 시험하였다. 시험 방법은 온실 기둥상승장치를 지그에 고정시킨 후, 0.1mm/sec 속도로 압축하여 파괴 또는 하중이 44,145N이 초과하게 되면 시험을 종료하도록 하였고, 압축시험은 5회 실시하였다.
- 국내 유리온실의 각 기둥의 최대하중은 10,000N 이내로 온실 리모델링시 온실기둥 상승장치에 적용 가능한 것으로 판단되었다. 실증 시험에 앞서 기둥상승장치를 모형온실에서 하중시험을 하였으며, 실험결과 각 기둥전체에 대하여 1회 50mm씩 인상하여 3회에 걸쳐 150mm를 인상하였다. 또한, 모형유리온실 시험에서는 1차, 2차로 시험을 나누어서 시험하였으며, 1차 인상 시험 후, 2차 시험에 앞서 모형온실의 높이 확인 및 전체의 수평, 수직상태를 점검하였으며 최종적으로 1,500mm 인상하였다.
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3. 인상력 실험
실증시험에 앞서 인상력 시험을 하기 위해 압축시험기(한국기계연구원)를 이용하여 0.5 ~ 0.9MPa의 공기압에 대한 인상력을 5회 시험하였다. 공기압은 최초 0.
- 3 규격의 농업용강관(SPVH)를 연결하였다. 연결된 부위에서 틈이 발생하지 않도록 압착 및 피스로 고정 작업을 실시하였다.
- 5ha)으로 3구역으로 분리하여 상승장치를 플라스틱온실 외측과 내측 기둥에는 각각 4,000mm, 8,000mm간격으로 1번 온실에는 119개 2번 온실에는 79개 3번온실에는 111개를 각각 설치하였다. 온실 기둥 상승장치를 상승시킬 기둥에 설치하고 하단부를 절단하였으며, 인상장치와 분리되는 문제를 방지하고자 밴드를 활용하여 장치 상하부에 고정하였다. 다음으로 온실의 붕괴 및 파괴를 방지하기 위하여 전도방지장치를 설치하였으며, 공압 배관을 통하여 온실 기둥상승장치에 공압을 공급하였다.
- 온실 기둥상승장치를 현장시험에 적용하기에 앞서 안정성을 확인하기 위해 압축시기(환경 챔버 부착형5ton급 압축 시험기, KIMM, Korea)를 이용하여 온실기둥상승장치에 대한 안정성을 시험하였다. 시험 방법은 온실 기둥상승장치를 지그에 고정시킨 후, 0.
- 온실 기둥상승장치의 상승시간을 제어하기 위해 공압실린더에 공급하는 공기량을 노즐을 이용하여 제어하도록 설계하였다. 구동장치인 공압실린더에 사용되는 공기유량은 공기유량식인(PISCO 2014), 식(1)로 구하였으며, 공기분출량은 (HAEDUKENG 2010) 식(2)를 활용하여 산출하였다.
- 온실 기둥상승장치의 정상작동 여부 확인 후, 유리온실(벤로형)과 동일한 크기의(폭 4m, 측고 4m), 2지붕(2.5m × 4m) 유리온실 모형을 경기도 농업기술원(경기도 수원시 영통구 반정로 215) 부지에 설치한 후, 온실 기둥상승장치를 적용하여 시험을 실시하였다.
- 하부 멈춤장치의 경우 상승장치가 상승하면 다음 단계의 구멍 가공부로 같이 상승하여, 온실의 하중에 의해 고정된다. 인상 작업 중의 상승 오차로 인한 문제 발생시 작업자가 하부 멈춤장치를 제어할 수 있도록 레버를 추가하여 설계하였다. 유리온실의 기둥간 높이 차이가70mm 이상일 경우, 부재의 비틀림 및 파손 등의 위험성이 있다.
- 설치한모형의 기둥에 6개의 인상 장치를 설치하고 구동기에 공압 공급장치를 연결하여 실험하였다. 첫 실험에서는 인상장치와 공압 유닛의 작동 여부 및 문제점 발생 등을 점검하기 위하여 하중을 가하지 않고 실시하였으며, 인상장치의 정상 작동 여부를 확인한 후, 하중을2,943N(300kgf), 4,905N(500kgf), 6,867N(700kgf)을 가하여 실험하였다.
대상 데이터
- 온실 기둥상승 장치는 멈춤장치, 공압 실린더 및 수직 부재 등으로 구성된다. 공압 실린더는 안전계수 1.5를 고려하여 직경160mm와 행정길이 50mm로 설계하였으며, 노즐을 통하여 공기의 압력을 제어하였다. 1행정 시간을 30초 내외로 설계하기 위해서는 21.
- 모형의 넓이는 48m2( 폭 4m × 길이 12m), 높이 2.5m로 제작하였다.
- 또한, 모형유리온실 시험에서는 1차, 2차로 시험을 나누어서 시험하였으며, 1차 인상 시험 후, 2차 시험에 앞서 모형온실의 높이 확인 및 전체의 수평, 수직상태를 점검하였으며 최종적으로 1,500mm 인상하였다. 실증 시험은 총 면적 1ha 플라스틱온실에서 시험을 하였으며 인상 높이는 1,800mm 이고, 인상 완료 후 온실의 뒤라인부터 순차적으로 온실 기둥상승장치와 기둥을 분리하였다. Fig.
- 전남 장흥군에 위치한 1-2W형 플라스틱온실(직경 48.1mm × 2.3t 농업용파이프 SPVH, 1ha)에서 2014년 7월부터 9월까지 실시하였으며, 실증시험 온실을 4연동(1번 온실/0.25ha), 4연동(2번 온실/0.25ha), 8연동(3번 온실/0.5ha)으로 3구역으로 분리하여 상승장치를 플라스틱온실 외측과 내측 기둥에는 각각 4,000mm, 8,000mm간격으로 1번 온실에는 119개 2번 온실에는 79개 3번온실에는 111개를 각각 설치하였다.
이론/모형
- 온실 기둥상승장치의 상승시간을 제어하기 위해 공압실린더에 공급하는 공기량을 노즐을 이용하여 제어하도록 설계하였다. 구동장치인 공압실린더에 사용되는 공기유량은 공기유량식인(PISCO 2014), 식(1)로 구하였으며, 공기분출량은 (HAEDUKENG 2010) 식(2)를 활용하여 산출하였다.
성능/효과
- 계산결과 1행정당 공기 소요량은 21.5L·min-1로 나타났으며, 공기분출량을 고려할때, 노즐의 직경은 0.5mm가 적당한 것으로 나타났다.
- 2014년 8월 4일 기준 최대 풍속 24m/s의 강풍에 온실피해가 없었으며, 이를 통하여 구조적 안정성을 확인할 수 있었다. 따라서 개발된 온실기둥 상승장치는 유리온실 및 플라스틱 온실의 리모델링에 적용 가능한 것으로 판단되었다.
- 9MPa일 때, 평균 인상력은 13,805N으로 나타나 계산 값15,612N과 1,807N의 차이가 있는 것으로 나타났다. 이결과 공기압이 0.9MPa 일 때의 인상율은 안전계수 1.5를 고려하여 9,203N으로 판단되었다. 인상력 시험결과는Table 2와 같다.
- 7 이하로 선정한다(Metal Network Korea Company, 2011). 이를 활용하여 안전계수 1.5를 적용하여 설계하였으며, 인상하중은 인상력과 안전계수 1.5로부터 10,408N으로 나타났다. 공기압 0.
- 9 MPa일 때 평균 인상력은 13,805N으로계산된 값 15,612N에 근접하였다. 현장 시험결과 같은 열의 기둥과 오차가 발생하지 않았으며, 실제 유리 및 플라스틱 온실에 적용 가능한 것으로 판단되었다.
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