[논문]농업용 전기운반차의 주행성능 향상을 위한 구조해석에 관한 연구

조재현; 이상식

doi:10.17661/jkiiect.2020.13.6.556

농업용 전기운반차의 주행성능 향상을 위한 구조해석에 관한 연구
A Study on Structural Analysis for Improving Driving Performance of Agricultural Electric Car 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.13 no.6, 2020년, pp.556 - 561

조재현 (Department of Biomedical Engineering, Catholic Kwandong University) , 이상식 (Department of Biomedical Engineering, Catholic Kwandong University)

초록
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현대 사회의 농업 인구의 고령화 및 감소로 농업 환경 개선이 필요한 실정이고 대표적인 문제 중 하나이다. 그리고 대부분의 작업체계에서 항상 운반 작업이 필요하기 때문에 운반 작업에 사용되는 시간과 노동력의 비율이 매우 높다. 이에 따라 많은 종류의 운반차들이 개발되고 판매되고 있으며, 초기에는 대부분 화석연료를 사용하는 동력운반차가 주종을 이루고 있다. 그러나 최근에는 지구온난화와 기후변화협약 등 국제 환경규제의 강화 및 화석연료의 고갈로 인한 수소, 연료전지, 태양광, 바이오 등 차세대 친환경에너지를 주목하고 있다. 그래서 본 연구에서는 화석연료를 대체하는 친환경적이며 누구나 쉽게 조작이 가능하고 안전한 농업용 전기운반차를 개발하는 것을 최종목표로 한다. 농업용 전기운반차의 광범위한 차속 조절 및 안정성 확보에 초점을 두고 설계하였으며, 성능 및 디자인을 고려하여 프레임, 주행부, 조향부, 컨트롤러 시스템 등으로 구성되어 각 부분별 검토하였다. 본 연구의 농업용 전기운반차가 젊은 인력이 부족한 농경사회에서 고령노동자나 여성들이 쉽고 편하게 작업을 할 수 있고 높은 효율성을 통해서 농경사회에 도움이 될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aging and declining agricultural population in the modern society requires improvement of the agricultural environment and is one of the representative problems. And since most of the work systems always require a transport work, the ratio of labor consumed in the transport work is very high. Accordingly, many types of transport vehicles are being developed and sold, and in the early days, most of them are powered transport vehicles using fossil fuels. However, it is paying attention to next-generation eco-friendly energy such as hydrogen, fuel cells, solar power, and bio due to the strengthening of international environmental regulations such as global warming and the Convention on Climate Change and the depletion of fossil fuels. Therefore, in this study, the ultimate goal is to develop an eco-friendly, easy-to-operate, safe agricultural electric vehicle that replaces fossil fuels. It was designed with a focus on controlling a wide range of vehicle speeds and securing stability of electric agricultural vehicles. Considering the performance and design, it is composed of a frame, a driving part, a steering part, and a controller system, and we are going to review and manufacture each part. It is believed that the manufactured electric vehicle for agriculture can be easily and conveniently operated in an agricultural society where young manpower is scarce, and can be helpful to the agricultural society through high efficiency.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 전기운반차의 등반 성능 분석 Fig. 1. Analysis of climbing performance of electric vehicle
그림 그림 2. 전기운반차 3D 모델링 Fig. 2. Electric vehicle 3D modeling
표 표 1. 주행장치의 주요 사양 Table 1. Main specifications of the driving device
그림 그림 3. 전동차 3D 조립도 Fig. 3. Electric vehicle 3D assembly drawing
그림 그림 4. 모델링 단순화 Fig. 4. Simplify modeling
그림 그림 5. Mesh 생성 Fig. 5. Mesh generation
표 표 2. 구조강의 물성치 Table 2. Properties of structural steel
표 표 3. 노드 및 요소 Table 3. Nodes and elements
그림 그림 6. 하중, 자중 및 경계조건 설정 2 Fig. 6. Load, self-weight and boundary condition setting 2
그림 그림 7. 하중 해석 결과2 – 응력 (Max Point) Fig. 7. Load Analysis Result 2-Stress (Max Point)
그림 그림 8. 하중 해석 결과2 – 변형량 (Max Point) Fig. 8. Load Analysis Result 2-Deformation (Max Point)
표 표 4. 하중 해석 결과 2 (배터리 무게 + 사람 무게) Table 4. Load analysis result 2 (battery weight + human weight)
표 표 5. 하중 해석 결과 고찰 Table 5. Consideration of load analysis results

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 최근에는 지구온난화와 기후변화협약 등 국제 환경규제의 강화 및 화석연료의 고갈로 인한 수소, 연료전지, 태양광, 바이오 등 차세대 친환경에너지를 주목하고 있다[3]. 본 연구는 이러한 문제점들을 인식하여 전기에너지를 이용하는 친환경적이고 안전한 전기운반차 개발하고자 한다.
설계한 전기운반차의 시뮬레이션용 모델을 통하여 농업용 전기운반차의 운행 시 안전성과 효율성을 확인하였다. 본 연구를 통해 젊은 농업인력이 사라진 농경사회에서 고령의 작업자 와 여성들도 쉽고 간편하게 작업을 할 수 있는 고효율 농업용 전기운반차 개발로 농경사회에 이바지하고자 한다.
본 연구에서는 화석연료를 대체하는 친환경적이며 누구나 쉽게 조작이 가능하고 안전한 농업용 전기 운반차를 개발하는 것이 최종목표로 하여, 농업용 전기운반차의 광범위한 차속 조절 및 안정성 확보에 초점을 두고 설계하였다. 성능 및 디자인을 고려하여 프레임, 주행 부, 조향부, 컨트롤러 시스템 등으로 구성되어 각 부분별로 검토하였다.

제안 방법

바퀴부는 구동축 끝단에 바퀴를 대신하여 구속조건을 부여하기 때문에 도면에서는 삭제를 하였다. 3D 모델링 작업 및 Assembly 간 Unit의 간섭 및 치수오차 보정을 실시하였으며, Contact 조건을 고려하여 일부 구간의 추가 Modeling 개선을 하였다.
연구 결과를 바탕으로 여러 문제점을 수정 및 보완작업을 하였다. 3D 프로그램에 의한 설계를 바탕으로 최종 3D 모델링 작업에 의한 검증, 구조해석을 진행하였다.
광범위한 차속 조절 및 안정성 확보에 초점을 두고 설계하였고 성능 및 디자인을 고려한 프레임, 주행부, 조향부, 컨트롤러 시스템 등으로 구성하였다. 연구 결과를 바탕으로 여러 문제점을 수정 및 보완작업을 하였다.
우선이 되어야 한다. 그래서 농업용 전기 운반차설계에 따라 구조적 안전성 분석 및 검토를 위해 ANSYS를 이용하여 유한요소 해석을 실시하였으며, 주요 검토 항목으로는 사람이 탑승하는 인원수 및 적재중량에 따른 하중에 의한 프레임 변형 및 취약부 분석, 진동 해석을 수행하였다.
위의 결과를 토대로 본 연구에서는 운반기계에 3, 000 rpm의 kW모터 두 개를 사용하는 것으로 결정하였다. 그래서 본 연구에서는 고소 작업 기계의 모터와 구동스프로켓까지의 총 감속비를 8.3:1로 하였고, 타이어의 직경을 450mm로 하였다. 이때 전기운반 농기계의 최고속도는 다음과 같다.
험로 주행이 많다. 그래서 선회반경을 좁게 하고 정밀한 제어를 위해 DC모터와 다르게 브러시가 없어서 효율과 유지비가 좋은 AC모터를 적용하였다. 원활한 구동 및 제어를 위해 농업용 전기운반차에서는 DC72V, 6kW AC모터를 단독으로 적용하고 트랜스미션을 이용해 속도를 조절할 수 있도록 설계하였다.
먼저 제품을 제작하기 위한 3D Assembly Modeling을 바탕으로 유한요소해석의 원할한 진행을 위해 주요 검토 부분을 기반으로 단순화 작업을 실시하였으며, Main Frame 등 주요 검토 대상이 될 Unit 은 최대한 기존 형상으로 구축하였다. 바퀴부는 구동축 끝단에 바퀴를 대신하여 구속조건을 부여하기 때문에 도면에서는 삭제를 하였다.
성능 및 디자인을 고려하여 프레임, 주행 부, 조향부, 컨트롤러 시스템 등으로 구성되어 각 부분별로 검토하였다. 최초 설계의 구조해석 및 기존 선행연구를 바탕으로 수정 및 보완작업을 진행하고 현장에서 제작된 전기운반차를 통하여 시뮬레이션을 하였고 발생한 문제점들을 파악하고 수정을 진행하여 최적의 설계 및 제작을 진행하였다.
식 (7)으로부터 결정된 총구동력 kgf로서 이 값은 앞에 나온 10% 경사율에서의 등반저항 kgf에 비해 크므로 10% 경사각을 충분히 등반할 수 있는 구동력을 확인하였고 변속장치를 추가하여 효율적인 주행이 가능하도록 하였다.
연구 결과를 바탕으로 여러 문제점을 수정 및 보완작업을 하였다. 3D 프로그램에 의한 설계를 바탕으로 최종 3D 모델링 작업에 의한 검증, 구조해석을 진행하였다.
그래서 선회반경을 좁게 하고 정밀한 제어를 위해 DC모터와 다르게 브러시가 없어서 효율과 유지비가 좋은 AC모터를 적용하였다. 원활한 구동 및 제어를 위해 농업용 전기운반차에서는 DC72V, 6kW AC모터를 단독으로 적용하고 트랜스미션을 이용해 속도를 조절할 수 있도록 설계하였다.
따라서 농업용 전기운반 농기계는 최소한 kW 이상의 모터를 사용해야 한다. 위의 결과를 토대로 본 연구에서는 운반기계에 3, 000 rpm의 kW모터 두 개를 사용하는 것으로 결정하였다. 그래서 본 연구에서는 고소 작업 기계의 모터와 구동스프로켓까지의 총 감속비를 8.
전기운반 농기계에 사람이 2명 탑승하였을 경우를 고려하여, 추가로 좌석 부근에 총 2,000N의 추가 하중을 적용하였다. 경계조건 및 자중의 조건은 기존과 같다.
성능 및 디자인을 고려하여 프레임, 주행 부, 조향부, 컨트롤러 시스템 등으로 구성되어 각 부분별로 검토하였다. 최초 설계의 구조해석 및 기존 선행연구를 바탕으로 수정 및 보완작업을 진행하고 현장에서 제작된 전기운반차를 통하여 시뮬레이션을 하였고 발생한 문제점들을 파악하고 수정을 진행하여 최적의 설계 및 제작을 진행하였다. 설계한 전기운반차의 시뮬레이션용 모델을 통하여 농업용 전기운반차의 운행 시 안전성과 효율성을 확인하였다.

대상 데이터

Main Frame을 비롯한 부품은 구조강의 소재를 적용하였다. 구조강의 주요 물성치는 아래의 표 2과 같다.

성능/효과

사람이 탑승하는 조건으로 추가 하중 2000N을 부여하여 해석한 결과 최대 응력 값은 동일 위치에 290.72 Mpa, 최대 변형량은 0.94416 mm 증가하였다. 해석결과 인원 탑승 조건에도 응력과 변형량의 차이가 거의 없게 나왔다.
최초 설계의 구조해석 및 기존 선행연구를 바탕으로 수정 및 보완작업을 진행하고 현장에서 제작된 전기운반차를 통하여 시뮬레이션을 하였고 발생한 문제점들을 파악하고 수정을 진행하여 최적의 설계 및 제작을 진행하였다. 설계한 전기운반차의 시뮬레이션용 모델을 통하여 농업용 전기운반차의 운행 시 안전성과 효율성을 확인하였다. 본 연구를 통해 젊은 농업인력이 사라진 농경사회에서 고령의 작업자 와 여성들도 쉽고 간편하게 작업을 할 수 있는 고효율 농업용 전기운반차 개발로 농경사회에 이바지하고자 한다.
해석 결과를 살펴볼 때 사람이 탑승하는 조건으로 하중을 주어 해석했을 때 변형량이 미미한 것으로 확인되어 전도 위험성은 극히 적을 것으로 판단된다. 다음 표 5는 하중 해석 결과를 정리한 것이다.

참고문헌 (10)

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Byeong-soo Kim, Jae-hwan Son, Kee-jin Park, Seung-min Woo "A study on optimizing design and stability of orchard high place operation car" Korean journal of computational design and engineering, vol. 2012, no. 2, pp.853-855, 2012

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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