[논문]트랙터의 승하강용 유압 펌프의 내구성 평가 프로세스 개발

한태호; 문석표; 김용주

트랙터의 승하강용 유압 펌프의 내구성 평가 프로세스 개발
Development of Durability Evaluation Process of Lifting Hydraulic Pump for Agricultural Tractor 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.17 no.1, 2020년, pp.81 - 87

한태호 (농업기술 실용화재단 농기계검정팀) , 문석표 (충남대학교 농업기계공학과) , 김용주 (충남대학교 바이오시스템 기계공학과)

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표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Plow(left) and rotary(right) tillage for load measurement of tractor lifting pump
그림 Fig. 3 Hydraulic pressure(up) and flow rate(bottom) of lifting pump during plow tillage
그림 Fig. 2 Working pattern of plow and rotary tillage for load measurement of tractor lifting
그림 Fig. 4 Hydraulic pressure(up) and flow rate(bottom) of lifting pump during rotary tillage
그림 Fig. 5 Baler(left) and wrapping(right) operation for load measurement of tractor lifting pump
그림 Fig. 6 Working pattern of baler and wrapping operation for load measurement of tractor lifting pump
그림 Fig. 7 Hydraulic pressure(up) and flow rate(bottom) of lifting pump and working procedure of round baler operation
그림 Fig. 8 Hydraulic pressure(up) and flow rate(bottom) of lifting pump and working procedure of round baler operation
표 Table 1 Equivalent pressure and flow rate according to agricultural operation
표 Table 2 Average annual usage of agricultural tractor according to agricultural operation
표 Table 3 Integrated equivalent pressure and flow rate for hydraulic pump durability evaluation process

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 유압 펌프의 신뢰성 중 내구성에 대한 시험은 농업기계용 유압 펌프의 신뢰성 평가 기준인 RS-B-0063 ⁵⁾에서 정의하고 있으나 이는 농기계의 작업 특성을 반영하지 못하고 유압 펌프의 최대 압력과 유량으로 평가가 진행되고 있어 농기계에 사용되는 정확한 유압과 유량 정보 를 반영한 유압 펌프의 시험평가 프로세스 개발이 필요한 실정이다. 그러므로 본 기술지에서는 농기계 중 가장 시장규모가 크고 사용빈도가 높은 트랙터의 승하강 유압 펌프에 대한 내구성 평가 프로세스 개발을 위하여 주요 농작업 시 승하강 펌프의 유압 및 유량을 측정하였으며, 농작업 비율에 따른 통합 등가 부하를 산출하여 농작업 특성을 반영한 트랙터 승하강 유압 펌프의 내구성 평가 방법을 제안하였다.
하지만 실제 현장에서 작용하는 부하를 계측하여 시험 평가에 반영하기에는 어려움이 있다. 본 기술해설은 농업용 트랙터 승하강 유압 펌프의 신뢰성 평가 프로세스 중 실제 농작업 부하데이터를 통한 시험 평가 기준 정립 등 신뢰성 평가 프로세스를 소개하였다. 향후 본 기술해설의 농업용 트랙터 승하강 펌프의 신뢰성 평가 방법을 활용하여 신뢰성 평 가 기술 개발이 필요한 기계적 부품들에 대해 정확한 내구수명 평가가 가능할 것으로 판단된다.
본 기술해설은 농업용 트랙터 유압 펌프의 신뢰성 평가 기술 개발에 관해 소개하였다. 현장 운용조건하에서 사용자들이 요구하는 보증수명을 시험평가하기 위해서는 실제 현장에서 사용시 작용하는 부하를 기준으로 시험 평가를 실시하여야 한다.

제안 방법

10) 가속 계수 계산을 위한 기준 조건으로 통합 등가 압력과 통합 등가 유량 각각 110.89 bar와 28.60 L/min으로 설정되었으 며, 가혹조건으로 시험용 트랙터에서 최대 유압 출력 일 때, 압력과 유량 각각 164.6 bar, 54.33 L/min 로 설정하였다.
이때, 승하강 펌프는 작업기의 승하강에 사용되며, 작업자는 포장의 경심에 따라 경심을 일정하게 유지하는 경심제어를 사용하여 농작업을 수행하게 된다. 그러므로 쟁기 및 로타리 작업은 일반적으로 농작업에 사용하는 경심 높이인 15 cm를 기준으로 경심제어를 실시하도록 설정하고 농작업을 수행하였다.
승하강 펌프의 부하 측정을 위한 유압 센서(HySense PR 130, HYDROTECHNIK, Germany)는 승하강 펌프의 입출력 배관에 각각 설치되어 엔진에서 펌프로 유입되는 유압을 측정하였으며, 이때, 유압 센서의 측정범위는 0 ~ 250 bar 이다. 또한, 유량은 엔진과 승하강 펌프가 직결되어 있는 것을 고려하여 엔진의 회전 속도를 CAN 통신으로 측정하여 유량으로 환산하였다. 유압 부하 수집을 위한 데이터 수집 장치 (CRONOS compact CRC-400-11, IMC, Germany)는 100 Hz의 속도로 데이터 측정이 가능한 제품을 사용하였으며, 트랙터 캐빈 내부에 설치하여 실시간으로 측정된 데이터의 모니터링 및 저장이 가능하도록 개발하였다.
랩핑 작업은 베일러 작업과 동일한 경로를 유지하되 후진을 통해 베일의 위치로 이동하여 베일을 상승시키는 준비 및 베일 상승 구간, 베일에 랩핑 작업을 실시하는 랩핑 작업 구간, 랩핑 작업을 마쳐 베일을 배출하는 배출 구간으로 수행된다. 본 기술해설에서 랩핑 포장시험은 Fig. 6과 같이 베일 러 작업과 동일한 경로를 유지하며, 작업준비, 베일 상승, 랩핑 작업, 베일 배출 구간으로 수행되었다.
베일러 작업은 쟁기와 로타리 작업과 달리 트랙터가 이동하며 조사료를 걷어 올리는 베일 형성 구간, 챔버 내에 베일이 가득 차면 트랙터를 정지시켜 베일을 끈으로 결속하는 베일 결속 구간, 챔버를 열어 수확물을 배출하는 배출 구간 순으로 작업이 수행된다. 본 기술해설에서 베일러 포장시험은 Fig. 6과 같이 쟁기 및 로타리 작업과 동일한 경로를 유지하되 작업 준비(PTO 작동), 베일 형성, 정지(PTO 정지) 및 베일 결속, 베일 배출 순으로 작업이 수행 되었다. 랩핑 작업은 베일러 작업과 동일한 경로를 유지하되 후진을 통해 베일의 위치로 이동하여 베일을 상승시키는 준비 및 베일 상승 구간, 베일에 랩핑 작업을 실시하는 랩핑 작업 구간, 랩핑 작업을 마쳐 베일을 배출하는 배출 구간으로 수행된다.
그러므로 트랙터 승하강 펌프의 내구성을 평가하기 위하여 통합 등가 유압 부하를 적용해 승하강 펌프의 내구 수명을 평가하는 것이 필요하다. 승하강 펌프는 트랙터의 구동과 함께 상시 구동되기 때문에 트랙터 연간 사용 일수인 38.9일, 하루 사용시간 8시간, 내구 수명인 8 년을 이용하여 트랙터 수명 시간을 계산하였다. 트랙터 수명시간은 약 2,490시간으로 계산되었으며,²⁾ 유압 펌프의 주요 고장 원인이 마모이기 때문에 형상모수(β) 2.
승하강 펌프의 내구성 평가 방법을 위하여 트랙터의 쟁기, 로타리, 베일러, 랩핑 작업 시 승하강 펌프의 부하를 측정하였다. 쟁기 작업은 토양을 절삭, 반전, 파쇄하고, 로타리 작업은 쟁기 작업을 통해 파쇄된 토양을 트랙터 PTO 동력을 이용하여 쇄토하는 작업으로 모두 토양의 통기성을 좋게 하고, 딱딱한 토양을 부드럽게해 작물의 뿌리가 내리기 쉽게 토양환경을 조성하는 작업으로 Fig.
시험에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 시장 규모가 크고 사용빈도가 높은 78 kW급 트랙터(S07, TYM, Korea)를 사용하였으며, 이때 승하강 펌프의 배제용적은 24 cc/rev 이다. 승하강 펌프의 부하 측정을 위한 유압 센서(HySense PR 130, HYDROTECHNIK, Germany)는 승하강 펌프의 입출력 배관에 각각 설치되어 엔진에서 펌프로 유입되는 유압을 측정하였으며, 이때, 유압 센서의 측정범위는 0 ~ 250 bar 이다. 또한, 유량은 엔진과 승하강 펌프가 직결되어 있는 것을 고려하여 엔진의 회전 속도를 CAN 통신으로 측정하여 유량으로 환산하였다.
또한, 유량은 엔진과 승하강 펌프가 직결되어 있는 것을 고려하여 엔진의 회전 속도를 CAN 통신으로 측정하여 유량으로 환산하였다. 유압 부하 수집을 위한 데이터 수집 장치 (CRONOS compact CRC-400-11, IMC, Germany)는 100 Hz의 속도로 데이터 측정이 가능한 제품을 사용하였으며, 트랙터 캐빈 내부에 설치하여 실시간으로 측정된 데이터의 모니터링 및 저장이 가능하도록 개발하였다.
이를 위해 작업별 등가 압력(P_ei) 및 작업별 등가 유량(Q_ei)는 Table 1과 같이 설정되었으며, 농작업별 연간 사용 시간(t_i), 연간 농작업 시간(t_t)이 이용되어 계산되었다. 이때, 기타 작업 등의 모든 작업은 실제 측정이 어려워 포장시험을 실시한 농작업 중 압력 및 유량의 크기가 가장 큰 랩핑 농작업 데이터를 중복하여 적용하였다.
승하강 펌프의 내구성 평가 방법을 위하여 트랙터의 쟁기, 로타리, 베일러, 랩핑 작업 시 승하강 펌프의 부하를 측정하였다. 쟁기 작업은 토양을 절삭, 반전, 파쇄하고, 로타리 작업은 쟁기 작업을 통해 파쇄된 토양을 트랙터 PTO 동력을 이용하여 쇄토하는 작업으로 모두 토양의 통기성을 좋게 하고, 딱딱한 토양을 부드럽게해 작물의 뿌리가 내리기 쉽게 토양환경을 조성하는 작업으로 Fig. 1과 같이 수행 하였다. 이때, 승하강 펌프는 작업기의 승하강에 사용되며, 작업자는 포장의 경심에 따라 경심을 일정하게 유지하는 경심제어를 사용하여 농작업을 수행하게 된다.
트랙터 농작업 시 발생하는 승하강 펌프의 부하 데이터 수집을 위하여 유압 계측 시스템을 개발하였다. 시험에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 시장 규모가 크고 사용빈도가 높은 78 kW급 트랙터(S07, TYM, Korea)를 사용하였으며, 이때 승하강 펌프의 배제용적은 24 cc/rev 이다.
트랙터 수명시간은 약 2,490시간으로 계산되었으며,2) 유압 펌프의 주요 고장 원인이 마모이기 때문에 형상모수(β) 2.0인 와이블 분포를 이용하였다.

대상 데이터

트랙터 농작업 시 발생하는 승하강 펌프의 부하 데이터 수집을 위하여 유압 계측 시스템을 개발하였다. 시험에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 시장 규모가 크고 사용빈도가 높은 78 kW급 트랙터(S07, TYM, Korea)를 사용하였으며, 이때 승하강 펌프의 배제용적은 24 cc/rev 이다. 승하강 펌프의 부하 측정을 위한 유압 센서(HySense PR 130, HYDROTECHNIK, Germany)는 승하강 펌프의 입출력 배관에 각각 설치되어 엔진에서 펌프로 유입되는 유압을 측정하였으며, 이때, 유압 센서의 측정범위는 0 ~ 250 bar 이다.

성능/효과

7) 등가 유압 부하 계산을 위해 포장시험에서 계측한 전체 유압 압력 데이터가 임의의 8개 범위로 분할되었으며, 각 범위 안에 있는 유압 압력과 회전속도의 평균이 각 각 Pi ,ni로 설정되었다.
8) 78 kW급 트랙터의 연간 작업시간은 평균 342 시간으로 조사되었으며, 쟁기와 로타리 경운 작업이 각각 25%와 30%로 주로 노지 작업에 사용되고 있음을 알 수 있다.
²⁾이러한 수입산 농기계의 점유율 증가 원인은 일본, 미국, 유럽 등의 제품과 국내 제품과의 품질 격차로 판단된다. 국내 농업인의 농기계 사용실태를 조사한 결과, 국산 농기계의 경우 고장발생이 많다는 응답은 트랙터, 이앙기, 콤바인이 각각 17.3%, 14.0%, 26.5%로 수입산 농기계 8.0%, 8.3%, 12.5% 대비 높게 나타나 국산 농기계의 품질이 수입산 농기계에 비해 미흡한 것을 알 수 있다. 특히, 농기계 사후관리 업소를 대상으로 농기계 주요 부품별 품질수준을 조사한 결과, 국산 농기계의 유압품질이 수입산 농기계와 유사하다는 응답은 31.
따라서 승하강 펌프의 내구성 평가를 위한 시험 시간(T)은 시료수(N)가 1개이며, 신뢰수준(Rx) 90 %에서 시험 시간은 B₁₀수명기준 약 11,641 시간으로 계산된다. 또한, 무고장 가속수명시험 시간은 식 (6)과 같이 가속 계수를 이용하여 계산하였으며, 계산된 가속계수를 시험시간으로부터 나누어 가속수명시험 시간 계산이 가능하다.
농작업에 따른 등가 유압 부하의 계산 결과는 Table 1과 같이 계산되었다. 쟁기, 로타리, 베일러, 랩핑 작업 시 승하강 펌프의 등가 압력은 각각 55.43, 71.16, 112.10, 126.06 bar로 계산되었으며, 등가 유량은 각각 44.80, 53.64, 44.97, 7.48 L/min으로 계산되었다. 특히, 계산된 등가 유압은 전체적으로 농작업 시 발생하는 평균 유압보다 높게 나타났으며, 이는 승하강 제어, 베일러 배출 등의 실제 농작업에 따른 최대 압력을 반영하여 계산되었기 때문으로 판단된다.
본 기술해설에서 승하강 펌프의 가속 수명 시험 프로세스 결과는 다음과 같다. 통합 등가 압력 및 통합 등가 유량과 트랙터 승하강 펌프의 최대 유압 출력 조건을 이용하여 가속 계수를 계산한 결과 44.77로 계산되었으며, 2,490 시간 보증을 위하여 요 구되는 시험시간(약 11,641시간)을 260.02 시간으로 단축하여 시험을 수행할 수 있다. ¹⁰⁾ 가혹 부하 조건에서 해당 시간 동안 시험대상 유압 펌프의 파손이 없다면 신뢰수준 90 %, (B₁₀ 수명) 확률로 2,490 시간을 보증할 수 있는 기준이 된다.

후속연구

본 기술해설은 농업용 트랙터 승하강 유압 펌프의 신뢰성 평가 프로세스 중 실제 농작업 부하데이터를 통한 시험 평가 기준 정립 등 신뢰성 평가 프로세스를 소개하였다. 향후 본 기술해설의 농업용 트랙터 승하강 펌프의 신뢰성 평가 방법을 활용하여 신뢰성 평 가 기술 개발이 필요한 기계적 부품들에 대해 정확한 내구수명 평가가 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

S. Y. Shin, C. H. Kang, B. Kim, Y. Y. Kim, J. O. Kim, K. S. Lee, "Demand and Supply Trend of Agricultural Machinery", Journal of Biosystems Engineering Vol. 38, No. 4, pp. 248-254, 2013

원문보기 상세보기
KAMICO, KSAM, "Agricultural Machinery Yearbook Republic of Korea. Korea Agricultural Machinery", 2017
S. Y. Shin, C. H. Kang, S. C. Yu, B. G. Kim, Y. Y. Kim, J. O. Kim, "A Study on the Distribution and Post Management for Agricultural Mechanization", Rural Development Administration, Jeonju, 2015
SMTECH, "Technology Roadmap for SME 2017-2019", 2019
Standard RS-B-0063, "Gear pumps for Agricultural Machinery Korea Agency for Technology and Standards", 2008
S. U. Park, "Life evaluation of transmission spiral bevel gear using workload in Korea paddy field", Ph. D, Dissertation, Chungnam National university, Daejeon, 2019
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D. H. Lee, "Analysis of Power Requirements of Tractor for Field Operation", Ph. D, Dissertation, Sungkyunkwan University, Suwon, 2011
D. S. Jung, Y. B. Lee, B. J. Sung, "Development of Accelerated Life Test Method of Hydraulic Pump", Journal of Machinery and Materials Vol. 22, No. 4, pp. 68-74, 2010
Y. B. Lee, H. E. Kim, Y. C. Yoo, J. H. Park, "Accelerated Life Test Model for Life Prediction of Piston Assemblies in Hydraulic Pump and Motor", Transactions of the Korea Fluid Power System Society Vol. 2, No. 4, pp. 14-22, 2005"

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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