Traction performance of a tractor varies depending on soil conditions. Sinkage and slip of the driving wheel for tractor frequently occur in a reclaimed land. The objective of this study was to develop a tractor suitable for a reclaimed land. Traction performance was evaluated according to soil cond...
Traction performance of a tractor varies depending on soil conditions. Sinkage and slip of the driving wheel for tractor frequently occur in a reclaimed land. The objective of this study was to develop a tractor suitable for a reclaimed land. Traction performance was evaluated according to soil conditions of reclaimed land and paddy field. Field experiments were conducted at two test sites (Fields A: paddy field; and Field B: reclaimed land). The tractor load measurement system was composed of an axle rotation speed sensor, a torque meter, a six-component load cell, GPS, and a DAQ (Data Acquisition System). Soil properties including soil texture, water content, cone index, and electrical conductivity (EC) were measured. Referring to previous researches, the tractor traveling speed was set to B3 (7.05 km/h), which was frequently used in ridge plow tillage. Soil moisture contents were 33.2% and 48.6% in fields A and B, respectively. Cone index was 2.1 times higher in field A than in field B. When working in the reclaimed land, slip ratios were about 10.5% and 33.1% for fields A and B, respectively. The engine load was used almost 100% of all tractors under the two field conditions. Traction powers were 31.9 kW and 24.2 kW for fields A and B, respectively. Tractive efficiencies were 83.3% and 54.4% for fields A and B, respectively. As soil moisture increased by 16.4%, the tractive efficiency was lowered by about 28.9%. Traction performance of tractor was significantly different according to soil conditions of fields A and B. Therefore, it is necessary to improve the traction performance of tractor for smooth operations in all soil conditions including a reclaimed land by reflecting data of this study.
Traction performance of a tractor varies depending on soil conditions. Sinkage and slip of the driving wheel for tractor frequently occur in a reclaimed land. The objective of this study was to develop a tractor suitable for a reclaimed land. Traction performance was evaluated according to soil conditions of reclaimed land and paddy field. Field experiments were conducted at two test sites (Fields A: paddy field; and Field B: reclaimed land). The tractor load measurement system was composed of an axle rotation speed sensor, a torque meter, a six-component load cell, GPS, and a DAQ (Data Acquisition System). Soil properties including soil texture, water content, cone index, and electrical conductivity (EC) were measured. Referring to previous researches, the tractor traveling speed was set to B3 (7.05 km/h), which was frequently used in ridge plow tillage. Soil moisture contents were 33.2% and 48.6% in fields A and B, respectively. Cone index was 2.1 times higher in field A than in field B. When working in the reclaimed land, slip ratios were about 10.5% and 33.1% for fields A and B, respectively. The engine load was used almost 100% of all tractors under the two field conditions. Traction powers were 31.9 kW and 24.2 kW for fields A and B, respectively. Tractive efficiencies were 83.3% and 54.4% for fields A and B, respectively. As soil moisture increased by 16.4%, the tractive efficiency was lowered by about 28.9%. Traction performance of tractor was significantly different according to soil conditions of fields A and B. Therefore, it is necessary to improve the traction performance of tractor for smooth operations in all soil conditions including a reclaimed land by reflecting data of this study.
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문제 정의
5. 본 연구는 토양 조건이 다른 간척지에서 농작업 시 트랙터 견인 성능에 대해 분석 및 평가하였다. 일반 농경지와 간척지 토양조건에서 트랙터의 견인 성능은 크게 차이가 났으며, 본 연구의 데이터를 반영하여 간척지와 같은 열약한 환경에서도 원활한 농작업이 가능하도록 견인 성능을 향상시킬 필요가 있다.
본 연구는 간척지 토양 조건에 적합한 트랙터를 개발하기 위한 기초연구로써, 토양 조건이 다른 일반농경지 및 간척지에서 트랙터 필드 시험을 통해 견인 성능을 분석 및 평가하였으며, 그 주요 결과는 다음과 같다.
가설 설정
9, 10) 국내 간척지의 배수 등급은 약 63%가 ‘약간 불량’ 이며, 33%가 ‘불량’으로 전체 면적의 약 96% 가 불량으로 판정되었다.11) 트랙터는 다양한 토양 조건에서 농작업을 수행하기 때문에 트랙터의 견인 성능은 토양 조건에 크게 영향을 받는다.12) 대부분의 트랙터 견인 성능은 단단한 도로 또는 아스팔트 위에서 평가되었으며, 이는 농지 조건에서 작업하는 트랙터의 견인 성능을 반영하지 않는다.
제안 방법
1. 간척지에서의 견인 성능을 분석하기 위해 토양 조건이 다른 Field A, B를 수급하여 필드 시험을 진행하였다. Field A, B는 수분 함수량이 각각 32.
부하 데이터를 계측했으며, 2) 토질 변화에 따른 트랙터의 견인 성능 변화를 분석 및 평가하였다.
2. 필드 시험의 작업 단수는 문헌 연구를 통해 쟁기 작업 시 사용하는 주요 단수인 B3 (7.05 km/h) 로설정했으며, 견인 성능 분석을 위한 부하 데이터를 계측하기 위해 토크미터, 육분력계, GPS, DAQ 등을 이용하여 부하 계측 시스템을 구축하였다.
3. 견인 효율은 견인 성능의 지표로 사용되고 있으며, 이를 위해 슬립률, 견인 동력을 산출하였다. 슬립률은 Field A에서 10.
15) Park 등(2002)은 트랙터 작업 시 트랙터 견인 성능 및 토양 특성과의 관계 등을 구명하였으며, Park 등(2012)은 트랙터의 견인 성능 예측에 관련된 다양한 경험식 중 가장 적합한 식(Brixius, 1987) 을 선정하여 분석 및 트랙터의 성능을 평가하였다. Brixius 모델은 타이어의 폭, 직경 등 기하학적 매개변수와 원추 지수(Cone Index) 등의 데이터를 이용하여 견인 효율 등 견인 성능에 대해 예측하였으며, 이를 향상시키기 위해 타이어의 접지 면적을 증가시키는 방안을 제시하였다. Damanauskas 등(2015)은 타이어 접지 면적에 따른 트랙터의 견인 성능을 분석하기 위해 단일 타이어와 듀얼 타이어로 각각 플라우 작업을 수행하였으며, 듀얼 타이어에서 견인 성능이 향상되었다고 보고하였다.
GPS (Duro Inertial, swift, USA)는 트랙터의 실제 작업 속도를 계측하기 위해 트랙터 캐빈 위에 장착하였다. 각 센서별로 계측된 데이터는 텔레메트리 또는 유선을 통해 데이터 수집 장치(Quantum X 840B, HBM, Germany) 로 전송되며, 이를 작업중에 실시간으로 확인하기 위해 캐빈 내부에 PC를 설치하여 모니터링 시스템을 구축하였다.
안테나가 받은 데이터는 Amplifier로 전송되며, 동시에 증폭되어 데이터 수집 장치로 전송된다. 근접 센서(RS-025, DACELL, Korea)는 차축에 장착한 100개의 기어 이를 감지하고 펄스를 생성하였으며, 이를 통해 차축 회전 속도를 측정하였다. 육분력계는 6개의 로드셀 (SBA-2K, CAS, Korea)로 구성되어 있으며, 3개의 로드 셀은 수평력을 측정하고 나머지 3개의 로드 셀은 수직력을 측정한다.
부하 데이터 계측은 일반 농경지 및 간척지 필드를 수급하여 수행하였다. Field A는 대전광역시 유성구 어은동 48에 위치한 일반 농경지이며, 크기는 25 m × 100 m이다.
육분력계는 6개의 로드셀 (SBA-2K, CAS, Korea)로 구성되어 있으며, 3개의 로드 셀은 수평력을 측정하고 나머지 3개의 로드 셀은 수직력을 측정한다. 수평력을 측정하는 3개의 로드 셀은 트랙터 농작업 시 트랙터와 작업기 사이에 발생되는 분력을 감지함으로써, 견인력을 측정한다. 육분력계는 트랙터 히치와 작업기의 3-Point 구조 사이에 장착되며, 자세한 제원은 Table 2과 같다.
작업 구간에서의 엔진 토크는 모든 토양 조건에서 100% 사용하고 있다는 것을 알 수 있다. 육분력계로 계측한 견인력 및 실제 작업속도를 이용하여 견인 동력을 계산하였으며, Fig. 6과같이 나타났다. 견인 동력은 슬립률이 갑작스럽게 증가한 구간에서 크게 낮아져 슬립률과는 반비례한 경향이 나타났다.
Department of Agriculture) 토성 분류법을 이용하여 수행하였다. 전기전도도(Electrical conductivity, EC)는 간척지 토양의 특성을 파악하기 위해 EC meter (EC-400L, iSTEK, Korea)를 이용하여 측정하였다.
3 과 같이 측정하여 분석하였다. 토양 관입 저항(Cone Index, CI)은 soil compaction meter (SC900, Spectrum Technology, E Plainfield, USA), 수분 함수율(Moisture Content)은 soil moisture sensor (TDR350, Spectrum Technology, E Plainfield, USA)을 이용하여 시험지 내 임의로 30 곳을 선정하여 측정하였으며, 각 측정 포인트마다 3번씩 측정하였다.22) 토성 분석은 시험지의 임의로 10곳을 선정하여 토양 시료를 채취한 뒤, 비중계법(Hydrometer Method)과 USDA (U.
본 연구에서 수행한 필드 시험 시 쟁기 작업의 경심은 약 17 ~ 20 cm로 나타났다. 토양 관입 저항은 경심이 깊을수록 경도가 크게 변하기 때문에 토양 깊이에 따라 4수준으로 구분하여 분석하였다.26) Field A의 분석 결과를 통해 0 ~ 5 cm에서의 관입 저항은 227 kPa로 나타났으며, 16 ~ 20 cm에서의 관입 저항은 2, 123 kPa로 약 9.
대상 데이터
쟁기 경운 작업은 국내 트랙터 필드 시험 및 데이터를 수집할 때 가장 많이 사용된다.20)본 연구에서 사용한 이랑 쟁기의 크기는 2.800 m × 2.150 m × 1.250 m (length × width × height)이며, 무게는 790 kg이다. 또한, 쟁기 경운 작업 시 트랙터 하중 비중이 뒤쪽으로 이동함에 따라 후방 전도에 대한 위험이 발생할 수 있어 전방에 600 kg 웨이트를 장착함으로써, 트랙터의 균형을 유지하였다.
CAN 통신을 이용하여 엔진 토크 데이터를 수집했으며, Fig. 5와 같이 나타났다. 엔진 퍼센트 토크 (Engine percent torque)는 트랙터 작업 시 엔진에서 사용할 수 있는 토크 중 얼마나 사용하고 있는지 비율을 나타내는 지표이다.
수급하여 수행하였다. Field A는 대전광역시 유성구 어은동 48에 위치한 일반 농경지이며, 크기는 25 m × 100 m이다. Field B는 당진시 석문면 교로리 1755-1에 위치한 당진 간척지에서 수행했으며, 크기는 40 m × 100 m이다.
Field A는 대전광역시 유성구 어은동 48에 위치한 일반 농경지이며, 크기는 25 m × 100 m이다. Field B는 당진시 석문면 교로리 1755-1에 위치한 당진 간척지에서 수행했으며, 크기는 40 m × 100 m이다. 트랙터 작업 단수는 문헌 연구를 참고하여 이랑 쟁기 작업의 주요 사용 단수인 B3 (7.
본 연구는 간척지 및 습지에서의 견인 성능을 평가하기 위해 Fig. 1에 나타낸 67 kW급 농업용 트랙터(LUXEN800, KUKJE CO Ltd, Korea)를 사용하였다. 트랙터의 크기는 4.
본 연구에서 사용된 부하 계측 시스템은 차축 토크, 차축 회전속도, 견인력, 작업 속도 측정을 위한 센서 및 각 센서에서 측정된 데이터를 수집하는 데이터 수집 장치로 구성되어 있으며, Fig. 2와 같다. 본 연구에서 사용한 트랙터는 Tier 4 전자식 엔진을 탑재하고 있어 CAN 통신을 통해 엔진 토크 및 회전속도를 측정하였다.
2와 같다. 본 연구에서 사용한 트랙터는 Tier 4 전자식 엔진을 탑재하고 있어 CAN 통신을 통해 엔진 토크 및 회전속도를 측정하였다. 토크 미터(Fu PCM16; MANNER Sensortelemetrie GmbH, Germany)는 각 차축에 하나씩 장착했으며, 바깥쪽에 설치하지 않고 내부에 축을 가공 후 설치하여 작업 시 외부 요인에 의한 잡음 발생 및 파손을 방지할 수 있도록 하였다.
1에 나타낸 67 kW급 농업용 트랙터(LUXEN800, KUKJE CO Ltd, Korea)를 사용하였다. 트랙터의 크기는 4.020 m × 2.270 m × 2.790 m (length × width × height)이며, 공차 중량은 4, 000 kg 이다. 엔진 회전속도가 2, 200 rpm일 때, 트랙터 엔진의 정격 동력 및 토크는 각각 67 kW, 290 Nm이다.
이론/모형
토양 관입 저항(Cone Index, CI)은 soil compaction meter (SC900, Spectrum Technology, E Plainfield, USA), 수분 함수율(Moisture Content)은 soil moisture sensor (TDR350, Spectrum Technology, E Plainfield, USA)을 이용하여 시험지 내 임의로 30 곳을 선정하여 측정하였으며, 각 측정 포인트마다 3번씩 측정하였다.22) 토성 분석은 시험지의 임의로 10곳을 선정하여 토양 시료를 채취한 뒤, 비중계법(Hydrometer Method)과 USDA (U.S. Department of Agriculture) 토성 분류법을 이용하여 수행하였다. 전기전도도(Electrical conductivity, EC)는 간척지 토양의 특성을 파악하기 위해 EC meter (EC-400L, iSTEK, Korea)를 이용하여 측정하였다.
토크 미터(Fu PCM16; MANNER Sensortelemetrie GmbH, Germany)는 각 차축에 하나씩 장착했으며, 바깥쪽에 설치하지 않고 내부에 축을 가공 후 설치하여 작업 시 외부 요인에 의한 잡음 발생 및 파손을 방지할 수 있도록 하였다. 토크미터를 통해 측정된 데이터는 무선 안테나를 통해 수집되는 텔레메트리(Telemetry) 방식을 사용하였다. 안테나가 받은 데이터는 Amplifier로 전송되며, 동시에 증폭되어 데이터 수집 장치로 전송된다.
성능/효과
간척지는 얕은 바다에 방제를 쌓아 인공적으로 만든 토지로 점토 내 공극이 일반 토양에 비해 매우 작아 배수가 좋지 않으며, 습지인 경우가 대다수이다.9, 10) 국내 간척지의 배수 등급은 약 63%가 ‘약간 불량’ 이며, 33%가 ‘불량’으로 전체 면적의 약 96% 가 불량으로 판정되었다.11) 트랙터는 다양한 토양 조건에서 농작업을 수행하기 때문에 트랙터의 견인 성능은 토양 조건에 크게 영향을 받는다.
11) 트랙터는 다양한 토양 조건에서 농작업을 수행하기 때문에 트랙터의 견인 성능은 토양 조건에 크게 영향을 받는다.12) 대부분의 트랙터 견인 성능은 단단한 도로 또는 아스팔트 위에서 평가되었으며, 이는 농지 조건에서 작업하는 트랙터의 견인 성능을 반영하지 않는다.13) 특히, 대부분이 습지인 간척지에서는 구동륜의 침하 및 슬립이 자주 발생하기 때문에 트랙터의 주행 성능 및 견인성능이 감소해 농작업 시 어려움이 발생한다.
선행 연구에서는 국내 간척지의 배수 등급을 조사하여 토양 수분 함수량의 정도를 예측하였으며, 토양 수분 함수율에 따라 트랙터의 슬립률 및 견인 효율에 대한 관계를 분석하였다.11, 14) 견인 효율은 견인작업의 에너지 효율성을 나타내며, 견인 효율을 구하기 위해서는 견인력, 견인 동력, 슬립률, 차축 동력 등 다양한 데이터를 분석해야 하므로 트랙터의 견인 성능을 나타내는 데 견인 효율은 중요한 지표로 사용된다.15) Park 등(2002)은 트랙터 작업 시 트랙터 견인 성능 및 토양 특성과의 관계 등을 구명하였으며, Park 등(2012)은 트랙터의 견인 성능 예측에 관련된 다양한 경험식 중 가장 적합한 식(Brixius, 1987) 을 선정하여 분석 및 트랙터의 성능을 평가하였다.
토양 관입 저항은 경심이 깊을수록 경도가 크게 변하기 때문에 토양 깊이에 따라 4수준으로 구분하여 분석하였다.26) Field A의 분석 결과를 통해 0 ~ 5 cm에서의 관입 저항은 227 kPa로 나타났으며, 16 ~ 20 cm에서의 관입 저항은 2, 123 kPa로 약 9.3배 증가한 것으로 나타났다. Field B의 분석 결과를 통해 0 ~ 5 cm에서의 관입 저항은 206 kPa로 나타났으며, 16 ~ 20 cm에서의 관입 저항은 990 kPa로 약 4.
1배 이상 높은 것으로 나타났으며, 이는 토양 수분 함수량이 높으면 토양 경도가 낮아진다는 선행 연구와 동일 한결 과를 보여주었다.27) 전기전도도는 Field A, B 각각 0.46, 8.48 dS/m로 나타났다.
4. 슬립률에 따른 견인 효율은 Field A인 경우 슬립률이 0 ~ 45%의 범위에서 평균 약 83.3%로 나타났으며, Field B에서는 슬립률이 20 ~ 75%의 범위에서 평균 약 54.4%로 나타났다. 따라서, 토양 수분이 16.
9% 낮게 나타났다. 동일한 간척지에서도 토양 조건의 차이가 크게 나타나며, 이로 인해 트랙터의 견인 성능은 큰 폭으로 변하는 것을 알 수 있었다.
4%로 나타났다. 따라서, 토양 수분이 16.4% 증가함에 따라 토양 경도는 약 2.1배 낮아졌으며, 이로 인해 견인 효율은 약 28.9% 낮게 나타났다. 동일한 간척지에서도 토양 조건의 차이가 크게 나타나며, 이로 인해 트랙터의 견인 성능은 큰 폭으로 변하는 것을 알 수 있었다.
6%로 나타났다. 본 연구에서 수행한 필드 시험 시 쟁기 작업의 경심은 약 17 ~ 20 cm로 나타났다. 토양 관입 저항은 경심이 깊을수록 경도가 크게 변하기 때문에 토양 깊이에 따라 4수준으로 구분하여 분석하였다.
견인 효율은 견인 성능의 지표로 사용되고 있으며, 이를 위해 슬립률, 견인 동력을 산출하였다. 슬립률은 Field A에서 10.5%, Field B 33.1%로 나타나 22.6% 증가하였으며, 견인 동력은 각각 평균 약 31.9, 24.2 kW로 나타나 동일한 엔진 부하 사용 시 Field A 에서 Field B에 비해 약 7 ~ 8 kW의 더 높은 성능의 출력을 보였다.
7과 같이 나타났다. 작업 구간에서 슬립률에 따른 견인 효율은 비교적 Field A가 Field B에 비해 낮은 슬립률 및 높은 견인 효율의 범위를 가지고 있는 것으로 나타났다. 트랙터가 이랑쟁기 작업 시동 일한 슬립률이 발생했을 때, Field B에서 좀 더 낮은 견인 효율값이 나타났으며, 슬립률 발생 범위가 더 크게 나타나면서 견인 효율은 최소 10%까지 감소하는 경향을 보였다.
엔진 퍼센트 토크 (Engine percent torque)는 트랙터 작업 시 엔진에서 사용할 수 있는 토크 중 얼마나 사용하고 있는지 비율을 나타내는 지표이다. 작업 구간에서의 엔진 토크는 모든 토양 조건에서 100% 사용하고 있다는 것을 알 수 있다. 육분력계로 계측한 견인력 및 실제 작업속도를 이용하여 견인 동력을 계산하였으며, Fig.
4%로 나타났다. 토양 수분이 16.4% 증가함에 따라 토양 경도는 약 2.1배 낮아졌으며, 이로 인해 견인 효율은 약 28.9% 낮게 나타났다. 일반적으로 견인 효율은 견인 성능을 판단하는 지표로 사용하기 때문에 Field B와 같은 토양 조건을 가진 간척지에서 트랙터 작업 시 견인 성능이 떨어진다는 것을 알 수 있었으며, 향후 이러한 열약한 토양 조건에서도 원활한 작업이 가능하도록 견인 성능을 향상시킬 필요가 있다.
트랙터가 이랑쟁기 작업 시동 일한 슬립률이 발생했을 때, Field B에서 좀 더 낮은 견인 효율값이 나타났으며, 슬립률 발생 범위가 더 크게 나타나면서 견인 효율은 최소 10%까지 감소하는 경향을 보였다. 트랙터 쟁기 작업 시 작업 구간에서의 견인 효율은 Field A에서 약 83.3%로 나타났으며, Field B에서는 약 54.4%로 나타났다. 토양 수분이 16.
작업 구간에서 슬립률에 따른 견인 효율은 비교적 Field A가 Field B에 비해 낮은 슬립률 및 높은 견인 효율의 범위를 가지고 있는 것으로 나타났다. 트랙터가 이랑쟁기 작업 시동 일한 슬립률이 발생했을 때, Field B에서 좀 더 낮은 견인 효율값이 나타났으며, 슬립률 발생 범위가 더 크게 나타나면서 견인 효율은 최소 10%까지 감소하는 경향을 보였다. 트랙터 쟁기 작업 시 작업 구간에서의 견인 효율은 Field A에서 약 83.
05 km/h)로 설정하였으며, 21) 쟁기 작업 시 경심은 15 ~ 20 cm로 설정하였다. 필드 시험은 조건별로 3회 이상 반복 수행하여 데이터의 신뢰성을 높였다.
후속연구
본 연구는 토양 조건이 다른 간척지에서 농작업 시 트랙터 견인 성능에 대해 분석 및 평가하였다. 일반 농경지와 간척지 토양조건에서 트랙터의 견인 성능은 크게 차이가 났으며, 본 연구의 데이터를 반영하여 간척지와 같은 열약한 환경에서도 원활한 농작업이 가능하도록 견인 성능을 향상시킬 필요가 있다. 향후에는 간척지에서 작업 시 트랙터의 견인 성능을향상시키기 위해 타이어 타입의 변경, 견인 제어 시스템 등을 개발할 예정이다.
일반 농경지와 간척지 토양조건에서 트랙터의 견인 성능은 크게 차이가 났으며, 본 연구의 데이터를 반영하여 간척지와 같은 열약한 환경에서도 원활한 농작업이 가능하도록 견인 성능을 향상시킬 필요가 있다. 향후에는 간척지에서 작업 시 트랙터의 견인 성능을향상시키기 위해 타이어 타입의 변경, 견인 제어 시스템 등을 개발할 예정이다.
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