[논문]자동 조향 트랙터용 비례제어밸브의 동특성 분석

민이서; 김용주; 김완수

doi:10.17661/jkiiect.2022.15.5.349

자동 조향 트랙터용 비례제어밸브의 동특성 분석
Analysis of dynamic characteristics of proportional control valve for auto-steering tractor 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.15 no.5, 2022년, pp.349 - 359

민이서 (Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, Kyungpook National University) , 김용주 (Department of Biosystems Machinery Engineering & Department of Smart Agriculture Systems, Chungnam National University) , 김완수 (Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, Kyungpook National University)

초록
AI-Helper

본 연구는 자동 조향 트랙터용 비례제어밸브의 국산화를 위한 기초연구로써 다양한 트랙터 조향 조건에 따른 조향 비례제어밸브 동특성 계측 및 분석을 위해 수행되었다. 동특성 데이터는 유량 및 압력 계측 시스템을 통해 수집되었으며, 수집된 유량 및 압력 데이터를 이용하여 동력을 분석하였다. 실험 조건은 트랙터 엔진 회전속도와 조향각을 주요 변수로 선정하였으며, 실험은 우레탄 노면 조건에서 수행되었다. 그 결과, 트랙터 엔진 회전속도 및 조향각이 증가함에 따라 비례제어밸브 유량, 압력, 동력이 모두 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 동일한 엔진회전속도에서 조향각이 증가함에 따라, 유량, 압력, 동력은 각각 최대 190%, 172%, 273% 증가하는 경향을 보였으며, 동일한 조향각에서 엔진회전속도가 증가함에 따라, 유량, 압력, 동력은 각각 최대 161%, 122%, 168% 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해, 조향각이 엔진 회전속도보다 비례제어밸브의 동특성에 더 높은 영향을 미치는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to analyze the dynamic characteristics of proportional control valves according to various working conditions as a basic study for developing proportional control valves for auto-steering tractors. The dynamic characteristics of proportional valves were measured using hydraulic characteristics measurement system, and the power was analyzed using measured flow rate and pressure data. As the experimental conditions, the tractor engine speed and steering angle was selected as the main variables, and the experiment was performed on urethane road conditions. As a result, it was found that the flow rate, pressure, and power of the proportional control valve increased as the tractor engine speed and steering angle increased. In particular, as the steering angle increased at the same engine speed, the flow rate, pressure, and power tended to increase by up to 190%, 172%, and 273%, respectively. Similarly, as the engine speed increased at the same steering angle, the flow rate, pressure, and power tended to increase up to 161%, 122%, and 168%, respectively. Therefore, it can be seen that the steering angle has a higher influence on the dynamic characteristics of the proportional control valve than the engine speed.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. 트랙터 조향 시스템 구성도 Fig. 1. Schematic diagram of tractor steering system
그림 그림 2. 트랙터 자동조향용 비례제어밸브 Fig. 2. Proportional valve for auto-steering tractor
그림 그림 3. 유량 및 압력 데이터 수집을 위한 계측 시스템 Fig. 3. Measurement system for collecting the flow rate and pressure data
표 표 1. 트랙터 제원 Table 1. Specifications of the tractor used in this study
그림 그림 4. 트랙터 조향에 따른 유압 데이터 수집을 위한 실험 Fig. 4. Experiments for collecting hydraulic data according to tractor steering
그림 그림 5. LS 제어에 따른 비례제어밸브 유량 계측 결과 Fig. 5. Results of flow rate measurement for proportional valve by LS control
그림 그림 6. RS 제어에 따른 비례제어밸브 유량 계측 결과 Fig. 6. Results of flow rate measurement for proportional valve by RS control
표 표 2. LS 제어에 따른 비례제어밸브 유량 분석 결과 Table 2. Results of flow rate analysis for proportional valve by LS control (Unit : LPM)
표 표 3. RS 제어에 따른 비례제어밸브 유량 분석 결과 Table 3. Results of flow rate analysis for proportional valve by RS control (Unit: LPM)
그림 그림 7. LS 제어에 따른 비례제어밸브 압력 계측 결과 Fig. 7. Results of pressure measurement for proportional valve by LS control
그림 그림 8. RS 제어에 따른 비례제어밸브 압력 계측 결과 Fig. 8. Results of pressure measurement for proportional valve by RS control
표 표 4. LS 제어에 따른 비례제어밸브 압력 분석 결과 Table 4. Results of pressure analysis for proportional valve by LS control (Unit : bar)
그림 그림 9. LS 제어에 따른 비례제어밸브 동력 계측 결과 Fig. 9. Results of power measurement for proportional valve by LS control
표 표 5. RS 제어에 따른 비례제어밸브 압력 분석 결과 Table 5. Results of pressure analysis for proportional valve by RS control (Unit : bar)
표 표 6. LS 제어에 따른 비례제어밸브 동력 분석 결과 Table 6. Results of power analysis for proportional valve by LS control (Unit : kW)
그림 그림 10. RS 제어에 따른 비례제어밸브 동력 계측 결과 Fig. 10. Results of power measurement for proportional valve by RS control
표 표 7. RS 제어에 따른 비례제어밸브 동력 분석 결과 Table 7. Results of power analysis for proportional valve by RS control (Unit : kW)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 대형 트랙터용 비례제어밸브의 국산화를 위한 기초연구로써, 트랙터 엔진 회전속도 및 조향각과 같은 다양한 작업조건에 따른 비례제어밸브의 동특성을 계측 및 분석하기 위하여 수행되었으며, 주요 결과는 다음과 같다.
본 연구는 자동 조향 트랙터용 비례제어밸브의 국산화를 위한 기초연구로써, 다양한 트랙터 조향 조건에 따른 비례제어밸브의 동특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 세부 연구 목표는 1) 트랙터 비례제어밸브 유량 및 압력 계측 시스템 개발, 2) 트랙터 조향 조건(엔진 회전속도, 조향각)에 따른 유량, 압력 특성 계측, 3) 조건별 비례제어밸브 동특성을 분석하는 것이다.
본 연구는 자동 조향 트랙터용 비례제어밸브의 국산화를 위한 기초연구로써, 다양한 트랙터 조향 조건에 따른 비례제어밸브의 동특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 세부 연구 목표는 1) 트랙터 비례제어밸브 유량 및 압력 계측 시스템 개발, 2) 트랙터 조향 조건(엔진 회전속도, 조향각)에 따른 유량, 압력 특성 계측, 3) 조건별 비례제어밸브 동특성을 분석하는 것이다.

제안 방법

(2) 트랙터 비례제어밸브 동특성 분석을 위하여 계측 시험조건을 엔진회전속도 4수준(900, 1400, 2200, 2400 rpm) 및 조향각 3수준(16, 38, 54°)으로 설정하고, 작업조건별 데이터 수집을 수행하였다.
트랙터 조향에 따른 비례제어밸브의 동특성을 분석하기 위해서는 좌 조향(Left-turn steering, LS) 및 우조향(Right-turn steering, RS)에 따른 유량 및 압력 데이터가 필요하다. 본 연구에서는 조향 시스템의 동특성 데이터 수집을 위하여 그림 3과 같이 압력센서, 유량센서, 데이터 수집 장치를 이용하여 비례제어밸브 동 특성 계측 시스템을 구축하였다. 압력센서(HysensePR130, Hydrotechnik, Limburg an der Lahn, Germany)와 유량센서(Hysense QG 100, Hydrotechnik, Limburg an der Lahn, Germany)는 각각 비례제어밸브의 포트 A와 B에 설치하였으며, 측정된 데이터는 데이터수집장치(Q.
작업 조건별 비례제어밸브의 동특성 분석을 위하여 유량센서 및 압력센서를 비례제어밸브에 설치하였다. 이를 통해 수집된 유량 및 압력 데이터를 이용하여 동력을 계산하였으며, 각 조건별 동특성에 대하여 분석하였다.
(1) 트랙터 계측 시스템은 조향용 비례제어밸브 동 특성 계측을 위하여 개발되었다. 작업 조건별 비례제어밸브의 동특성 분석을 위하여 유량센서 및 압력센서를 비례제어밸브에 설치하였다. 이를 통해 수집된 유량 및 압력 데이터를 이용하여 동력을 계산하였으며, 각 조건별 동특성에 대하여 분석하였다.

대상 데이터

이때, 기어펌프와 조향 실린더 사이에 위치한 밸브는 트랙터의 자동 조향을 위하여 방향 및 유량 제어가 가능한 비례제어밸브가 적용되었다. 본 연구에 사용된 비례제어밸브는 그림 2와 같이 트랙터에 설치되었다. 사용된 트랙터의 조향장치는 논로드 리액션 타입의 전유압식이며 기계적 연결 구조 없이 유압 시스템에 의해서 작동된다.
본 연구에 사용된 트랙터의 유압 시스템은 일반적인 트랙터의 유압식 조향 시스템과 유사하게 엔진-기어펌프-밸브-조향 실린더로 구성되어있으며, 그림 1과 같다. 이때, 기어펌프와 조향 실린더 사이에 위치한 밸브는 트랙터의 자동 조향을 위하여 방향 및 유량 제어가 가능한 비례제어밸브가 적용되었다.
본 연구에 사용된 비례제어밸브는 그림 2와 같이 트랙터에 설치되었다. 사용된 트랙터의 조향장치는 논로드 리액션 타입의 전유압식이며 기계적 연결 구조 없이 유압 시스템에 의해서 작동된다. 이는, 일반 사용차에 사용되는 로드 리액션 타입과 달리, 별도의 휠 조작 없이는 자동으로 복귀되지 않아 농작업에 더 유리한 특성을 갖는다.
본 연구에서는 조향 시스템의 동특성 데이터 수집을 위하여 그림 3과 같이 압력센서, 유량센서, 데이터 수집 장치를 이용하여 비례제어밸브 동 특성 계측 시스템을 구축하였다. 압력센서(HysensePR130, Hydrotechnik, Limburg an der Lahn, Germany)와 유량센서(Hysense QG 100, Hydrotechnik, Limburg an der Lahn, Germany)는 각각 비례제어밸브의 포트 A와 B에 설치하였으며, 측정된 데이터는 데이터수집장치(Q.brixx A107, Gantner, Nuziders, Austria)를 통해 수집하였다.
트랙터의 크기는 4,290 (L) × 2,250 (W) × 2,770 (H) mm이며, 공차 중량은 4,070 kg이다

데이터처리

2) Means with different superscripts (A,B,C,D) in each column are significantly different at p < 0.05 by LSD multiple range tests.
2) Means with different superscripts (a,b,c,d) in each column are significantly different at p < 0.05 by LSD multiple range tests.
2) Means with different superscripts (a,b,c,d) in each column are significantly different at p < 0.05 by LSD multiple range tests.
2) Means with different superscripts (a,b,c,d) in each column are significantly different at p < 0.05 by LSD multiple range tests.
2) Means with different superscripts (a,b,c,d) in each column are significantly different at p < 0.05 by LSD multiple range tests.
2) Means with different superscripts (a,b,c,d) in each column are significantly different at p < 0.05 by LSD multiple range tests.

성능/효과

(3) 데이터 분석 결과, 트랙터 엔진회전속도 및 조향각이 증가함에 따라, 비례제어밸브의 유량, 압력, 동력이 증가하는 것으로 나타났다. 통계분석 결과 조향각에 따라서는 비례제어밸브 특성이 모든 구간에서 유의한 차이를 보였다.
가장 높은 조향각인 54° 조건에서는 엔진회전속도 900 rpm에서 1400, 2200, 2400 rpm으로 증가할 때, 각각 유량은 117%, 127%, 131% 증가하였다
또한, 최대 조향각 54°에서 급격한 동력 증가가 발생하였다. 동력은 최대 1.0~1.8 kW까지 증가하는 것으로 나타났다.
동일 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 16°에서 38° 및 54°로 증가 할 때, 엔진 회전속도 900 rpm 조건에서 각각 동력은 123%, 180% 증가하였고, 엔진 회전속도 2400 rpm 조건에서 각각 동력은 123%, 179% 증가하였다
동일 엔진 회전속도에서 조향각이 16°에서 38° 및 54°로 증가 할 때, 엔진 회전속도 900 rpm 조건에서 각각 동력은 141%, 173% 증가하였고, 엔진 회전속도 2400 rpm 조건에서 각각 동력은 130%, 195% 증가하였다
동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각 16°에서 38° 및 54°로 증가할 때, 엔진 회전속도 900rpm 조건에서 각각 압력은 125%, 172% 증가하였고, 엔진 회전속도인 2400 rpm 조건에서 각각 압력은 123%, 153% 증가하였다
더 낮은 조향각 조건에서 엔진 회전속도 증가에 따른 압력 증가폭이 더 크게 나타났다. 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각에 따른 압력 특성은 통계적으로 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 반면에, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도에 따른 압력 특성은 대부분 통계적으로 유의한 차이를 보였으나, 일부 조건(조향각 54° 에서 엔진 회전속도 900 rpm 및 1,400 rpm)에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.
동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 16°에서 38° 및 54°로 증가할 때, 엔진 회전속도 900 rpm 조건에서 각각 압력은 113%, 154% 증가하였고, 엔진 회전속도인 2400 rpm 조건에서 각각 압력은 112%, 137% 증가하였다
전반적으로 LS에 따른 유량 특성과 유사한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 증가할 때 비례제어 밸브 유량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도 증가가 증가할 때도 비례제어밸브 유량이 증가하는 것으로 나타났다.
트랙터 RS에 따른 비례제어밸브 압력 특성은 그림 8과 같이 나타났다. 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전 속도가 증가할 때 압력은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 증가할 때 압력이 증가하는 것으로 나타났으며, 트랙터 조향각이 최대 조향각 54°에 인접할 때 동일한 압력 급증 현상이 나타났다.
반면에, 엔진회전 속도에 따라서는 대부분 유의한 차이를 보였으나 일부 구간에서 유의한 차이를 보이지 않았다. 따라서, 조향각이 엔진 회전속도 대비 비례제어밸브의 동특성에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
또한, 동일 조향각 조건에서 엔진 회전속도가 900 rpm에서 1400, 2200, 2400 rpm으로 증가할 때, 조향각 16° 조건에서 각각 동력은 127%, 155%, 168% 증가하였고, 조향각 54° 조건에서 각각 동력은 105%, 120%, 120% 증가하였다
또한, 동일 조향각 조건에서 엔진회전속도 900 rpm에서 1400, 2200, 2400 rpm으로 증가할 때, 조향각 16° 조건에서 각각 동력은 107%, 130%, 143% 증가하였고, 조향각 54° 조건에서 각각 동력은 126%, 146%, 143% 증가하였다
또한, 트랙터 LS 제어시의 유량, 압력, 동력 특성 중 동력 특성이 엔진 회전속도 및 조향각에 따른 변동폭이 가장 크게 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각 차이에 따른 동력 특성은 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 반면에, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도에 따른 동력 특성은 일부 조건(조향각 54° 에서 엔진 회전속도 2,200 rpm 및 2,400 rpm) 에서는 통계적으로 유의한 차이가 보이지 않았다.
또한, 트랙터 LS 제어시의 유량, 압력, 동력 특성 중 동력 특성이 엔진 회전속도 및 조향각에 따른 변동폭이 가장 크게 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각 차이에 따른 동력 특성은 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 반면에, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도에 따른 동력 특성은 일부 조건(조향각 54° 에서 엔진 회전속도 2,200 rpm 및 2,400 rpm) 에서는 통계적으로 유의한 차이가 보이지 않았다.
낮은 조향각 조건에서 엔진 회전속도 증가에 따른 유량 증가폭이 더 높게 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각 차이에 따른 유량 특성은 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 반면에, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도 차이에 따라서는 일부 조건(조향각 16°에서 엔진 회전속도 2,200 rpm 및 2,400 rpm)에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.
더 낮은 조향각 조건에서 엔진 회전속도 증가에 따른 압력 증가폭이 더 크게 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각에 따른 압력 특성은 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 반면에, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도에 따른 압력 특성은 대부분 통계적으로 유의한 차이를 보였으나, 일부 조건(조향각 38° 일 때 엔진 회전속도 2,200 rpm 및 2,400 rpm 조건과 조향각 54° 일 때 엔진 회전속도 1,400 rpm 및 2,400 rpm)에서는 통계적으로 유의한 차이가 보이지 않았다.
또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 증가할 때 압력이 증가하는 것으로 나타났으며, 트랙터 조향각이 최대 조향각 54°에 인접할 때 동일한 압력 급증 현상이 나타났다
동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 증가할 때 비례제어 밸브 유량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도 증가가 증가할 때도 비례제어밸브 유량이 증가하는 것으로 나타났다.
동일한 엔진 회전속도 조건에서 트랙터의 조향각이 증가할 때 비례제어밸브의 유량은 증가하는 경향을 보였으며, 이는 조향각이 증가할수록 스티어링 실린더에 공급되어야 하는 유량이 높기 때문이다. 또한, 동일한 조향각 조건에서 트랙터의 엔진 회전속도가 증가할 때 비례제어밸브의 유량이 증가하는 경향을 보였다.
엔진 회전속도 증가에 따른 유량 증가폭은 조향각 조건에 따른 차이가 미비하거나 조향각 54° 조건에서 더 높은 것으로 나타났다. 또한, 엔진 회전속도 및 조향각 조건별 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다.
더 낮은 조향각 조건에서 엔진회전속도에 따른 동력 증가폭이 더 크게 나타났다. 또한, 트랙터 LS 제어시의 유량, 압력, 동력 특성 중 동력 특성이 엔진 회전속도 및 조향각에 따른 변동폭이 가장 크게 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각 차이에 따른 동력 특성은 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다.
엔진 회전속도 증가에 따른 동력 증가폭은 조향각 조건에 따른 차이가 크지 않으며, 더 높은 조향각에서 동력 증가폭이 더 크게 나타나는 것으로 보였다. 또한, 트랙터 RS 제어시의 유량, 압력, 동력 특성 중 동력 특성이 엔진 회전속도 및 조향각에 따른 변동폭이 가장 크게 나타났다. 또한, 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각 차이에 따른 동력 특성은 모든 조건에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다.
또한, 트랙터 조향각이 최대 조향각인 54°에 인접할 때 동력이 급증하는 현상을 보였으며, 최대 1.3~1.8 kW 까지 증가하였다.
트랙터 LS에 따른 비례제어밸브 압력 특성은 트랙터 엔진 회전속도 4수준 및 각 엔진 회전속도에서의 조향각 3수준에 대하여 그림 7과 같이 나타났다. 압력 특성 또한 동일한 엔진 회전속도 조건에서 조향각이 증가할 때 비례제어밸브의 압력도 같이 증가하는 것으로 나타났으며, 동일한 조향각 조건에서 엔진 회전속도가 증가할 때 압력도 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 압력은 엔진 회전속도 조건과 관계없이 최대 조향각인 54°에 도달할 때, 급격히 상승하는 특성을 보인다.
(3) 데이터 분석 결과, 트랙터 엔진회전속도 및 조향각이 증가함에 따라, 비례제어밸브의 유량, 압력, 동력이 증가하는 것으로 나타났다. 통계분석 결과 조향각에 따라서는 비례제어밸브 특성이 모든 구간에서 유의한 차이를 보였다. 반면에, 엔진회전 속도에 따라서는 대부분 유의한 차이를 보였으나 일부 구간에서 유의한 차이를 보이지 않았다.
트랙터 LS에 따른 비례제어밸브 동력 특성은 트랙터 엔진 회전속도 4수준 및 각 엔진 회전속도에서의 조향각 3수준에 대하여 그림 9와 같이 나타났다. 트랙터 엔진 회전속도 및 조향각 증가에 따라 동력 또한 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 트랙터 조향각이 최대 조향각인 54°에 인접할 때 동력이 급증하는 현상을 보였으며, 최대 1.
트랙터 RS에 따른 비례제어밸브 동력 특성은 트랙터 엔진 회전속도 4수준 및 각 엔진 회전속도에서의 조향각 3수준에 대하여 그림 10과 같이 나타났다. 트랙터의 엔진 회전속도 및 조향각이 증가함에 따라 비례제어밸브 동력이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 최대 조향각 54°에서 급격한 동력 증가가 발생하였다.

후속연구

(4) 본 연구에서 제시한 동특성 데이터는 트랙터 자동 조향 시스템용 비례제어밸브의 국산화를 위한 설계 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 조향시스템의 신뢰성 평가와 제어 알고리즘 개발 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 보인다.
실험은 노면 변수에 의한 요인을 통제하기 위하여 우레탄 노면 조건에서 수행되었으나, 이는 실제 트랙터가 거동하는 토양조건과 큰 차이가 있을 것으로 판단된다. 또한, 자율주행 트랙터를 이용한 농작업 시 불규칙한 노면에 따라 단 시간내에 실시간으로 조향을 제어하지만, 본 연구에서는 이를 반영하지 못하였다. 이와 같은 연구는 향후 연구에서 지속적으로 수행할 계획이다.
(4) 본 연구에서 제시한 동특성 데이터는 트랙터 자동 조향 시스템용 비례제어밸브의 국산화를 위한 설계 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 조향시스템의 신뢰성 평가와 제어 알고리즘 개발 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 보인다. 이러한 이점에도 불구하고, 본 연구는 몇 가지 한계를 가지고 있다.
또한, 자율주행 트랙터를 이용한 농작업 시 불규칙한 노면에 따라 단 시간내에 실시간으로 조향을 제어하지만, 본 연구에서는 이를 반영하지 못하였다. 이와 같은 연구는 향후 연구에서 지속적으로 수행할 계획이다.

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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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