[논문]배추수확기 개발(I) -배추수확기 개발을 위한 기초연구-

홍종태; 성제훈; 전현종; 김영근; 이기명

문제 정의

굴취날 둥에 의해 배추뿌리 가 토양과 분리되기 직전에 벨트로 협지한 상태에서 절단날로 뿌리를 절단하는 양단지지 방법이 있으며, 또한 배추뿌리가 토양과 분리된 후에 벨트로 협지한 상태에서 뿌리를 절단하거나 배추가 포장내 에서 세워진 상태에서 뿌리절단과 동시에 벨트로 협지이송하는 일단지지 방법이 있다. 그러나 실제 수확기에 적용시킬 경우에는 여러 가지 복합요인에 의해 전술한 2가지 방법을 조합한 메카니즘의 도입을 시도하고자 한다. 따라서 절단강도 측정시 일단지지한 상태에서 절단날은 두께 3mm, 날폭 60mm, 절단각 45° 양날을 사용하여 절단속도별로 시험한 결과는 표8과 같다.
본 연구에서는 배추수확기의 개발을 위한 기 초조사로서 배추재배양식, 수확 및 수확 후 작업 체계, 작형별 정선정도 및 포장여부, 유통주체별 요구정선정도 및 포장형태 등을 고려하여 기계화 재배양식과 기계화체계를 검토하고자 하였다. 그리고 배추의 형상 및 크기, 인발력, 배추압축 강도 및 압축비율별 손상정도, 배추뿌리의 절단 특성 등을 측정 · 분석하여 주요핵심장치 설계제원 설정을 위한 기초자료를 얻고자 하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
배추는 조직이 연약하여 상하기 쉽고 지역별 재배양식이 다양하며, 동일 포장내에서도 숙도 차이 등 기계수확의 장애요인이 많아 외국에서도 배추수확기 개발에 관한 연구를 계속 수행하고 있으나 아직까지 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 배추수확기 개발을 위한 기초조사로서 재배양식, 수확 및 수확 후 작업체계, 유통주제별 요구정선정도 및 포장형태, 수확시기 포장조건, 배추의 물리적 특성을 조사 분석하여 배추수확기의 개발방향과 주요핵심장치 설계제원 설정을 위한 기초자료를 제공하고자 수행하였다.
본 연구에서는 배추수확기를 개발하는데 있어서 주요부제원을 설정하기 위한 기초자료를 얻고자 배추작형 및 품종별로 수확시기에 배추포장에서 배추각부치수 및 무게, 인발력 등을 조사하였고, 배추 내 · 외엽의 평균압축강도, 결구배추의 압축비율별 최대압축력 및 손상정도, 배추뿌리의 절단특성을 실내에서 조사하였다.
본 연구에서는 배추수확기의 개발방향설정을 위한 객관적인 자료를 얻기 위하여 농가실태는 배추주산지의 현지농가를 직집 방문 조사하였으며, 배추수확 후 유통실태는 공영시장, 김치 및 절임 가공공장, 소매점을 대상으로 조사를 실시하였다. 개발하고자 하는 배추수확기는 대규모 배추재배단지에서 이용될 것으로 전망되므로 강원, 전북, 전남지역의 배추주산지를 대상으로 재배양식, 수확 및 수확 후 작업체계, 배추작형별 정선정도 및 포장여부를 조사하였다.
본 연구에서는 배추수확기의 개발을 위한 기 초조사로서 배추재배양식, 수확 및 수확 후 작업 체계, 작형별 정선정도 및 포장여부, 유통주체별 요구정선정도 및 포장형태 등을 고려하여 기계화 재배양식과 기계화체계를 검토하고자 하였다. 그리고 배추의 형상 및 크기, 인발력, 배추압축 강도 및 압축비율별 손상정도, 배추뿌리의 절단 특성 등을 측정 · 분석하여 주요핵심장치 설계제원 설정을 위한 기초자료를 얻고자 하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

3. 배추 6개품종에 대한 형상 및 크기 등을 조사하였다. 그 결과 배추결구폭 190~ 240mm, 결구부 높이는 260~360mm정도인 배추를 손상없이 협지이송할 수 있어야 한다.
본 연구에서는 배추수확기의 개발방향설정을 위한 객관적인 자료를 얻기 위하여 농가실태는 배추주산지의 현지농가를 직집 방문 조사하였으며, 배추수확 후 유통실태는 공영시장, 김치 및 절임 가공공장, 소매점을 대상으로 조사를 실시하였다. 개발하고자 하는 배추수확기는 대규모 배추재배단지에서 이용될 것으로 전망되므로 강원, 전북, 전남지역의 배추주산지를 대상으로 재배양식, 수확 및 수확 후 작업체계, 배추작형별 정선정도 및 포장여부를 조사하였다. 또한 배추수확기에서의 수확시 배추정선정도 및 수집방법을 결정하기 위하여 유통주체별 요구정선정도 및 포장형태를 조사하였다.
그러므로 배추의 압축강도를 정확히 파악하여 그것을 수확기 개발시 설계 기초자료로 활용한다면 보다 효율적이고 고정도의 수확기 개발이 가능하다고 생각된다. 따라서 배추잎의 압축력 및 압축변형율에 따른 손상정 도를 알아보기 위하여 협지벨트에 접 촉될 것 으로 예 상되는 배추밑면에서 10cm되는 위치의 배추외엽과 결구부 내엽의 압축력 및 포기배추의 직경에 대한 압축변형율에 따른 손상정도를 Texture analyser를 이용하여 측정하였다.
개발하고자 하는 배추수확기는 대규모 배추재배단지에서 이용될 것으로 전망되므로 강원, 전북, 전남지역의 배추주산지를 대상으로 재배양식, 수확 및 수확 후 작업체계, 배추작형별 정선정도 및 포장여부를 조사하였다. 또한 배추수확기에서의 수확시 배추정선정도 및 수집방법을 결정하기 위하여 유통주체별 요구정선정도 및 포장형태를 조사하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 배추포장은 수확시기 배추의 물성을 조사한 지역과 동일하게 고랭지배추를 재배한 강원도 평창의 농가재배포장, 봄배추(내력)와 김장배추(장미, 샛노랑)를 재배한 농업기계 화연구소 입북동 시험포장, 김장배추(알배기)를 재배한 원예연구소 시험포장, 월동배추(동풍)를 재배한 전남해남에 소재한 농가재배포장 등 5개지구 포장에서 각각 실시하였다. 배추포장의 토성은 강원도 평 창지역은 사양토, 연구소시 험포장은 양토와 미사질식 양토였으며, 원예연구소 포장은 사양토, 전남해남지역은 양토였다.
한편 재배양식은 월동배추를 제외하고는 조간거리 60cm, 주간 거리 35 -40cm, 수확시기 두둑높이 13cm내외의 등근 두둑에 1줄로 무피복상태의 기계화 표준재 배양식이었다. 월동배추는 농가재배포장으로서 120cm 이랑의 평두둑에 2줄피복 재배되어 있어 비닐을 제거하고 1줄만 남게하여 시험할 수 있도록 조성하였다.

성능/효과

1. 기계화 재배양식은 배추 일관기계화를 위한 재배 전과정의 작업연계성, 수확시 작업정밀 도 향상, 수확한 배추와 미수확된 배추의 분리가 용이한 둥근두둑 1줄 무피복재배(조간 60mm, 두둑높이 20cm이하)가 바람직할 것으로 판단되었다
2. 기계수확체계는 배추뿌리를 절단하여 수확하거나 수확한 배추뿌리를 이송중에 절단하여 처진 잎은 제거하고 콘테이너에 수집하여 반출하는 작업으로 생력화할 수 있다. 인력에 의존할 수밖에 없는 정선작업(다듬기)과 포장작업은 실내 또는 이동식 패킹하우스에서 정치 작업으로 하는 것이 합리적이라고 생각된다.
4. 배추품종별 인발력은 92~214N정도이며, 굴취날에 의한 배추밑면의 토양절삭 후가 미굴취상태에서 인발한 경우보다 약 21%의 인발력이 감소하였다. 따라서 인발력을 최소화하기 위한 방닙으로 배추밑면 토양을 굴취날로 파쇄한 후 벨트로 뽑거나, 뿌리유도 또는 뿌리 절단과 동시에 벨트로 협지하여 이송하는 방법 등의 검토가 필요하다고 판단되었다.
5. 배추외엽과 내엽(결구부)의 평균압축강도는 외엽 27.78N, 내엽 25.72N 으로 외엽이 내엽보다 압축강도가 다소 큰 것으로 나타나 상품성이 없는 처진외엽만 제거하여 수확하는 것이 수확 후 처리과정에서 감모를 줄일 수 있다. 배추압축에 따른 손상은 압축변형율 20%까지는 손상발생이 없다가 압축변형율이 30%이상 일 때 손상이 발생되는 것으로 나타났다.
6. 뿌리절단날 경사각이 45° 인 양날로 한쪽끝을 고정한 일단지지로 하고 절단속도 10mm/s로 배추뿌리를 절단시 최대절단력은 340N, 절단에너지는 445N・mm정도로 나타났다.
원판회전날로 결구부 손상없이 절단해야 할 최적절단길이 범위를 결정하기 위하여 외엽부 밑면 요철부 깊이를 측정결과 16~25mm범위이었다. 결구부만 남기고 외엽을 모두 제거한 후에 최초 외엽밑면까지의 거리는 25~40mm범위로서 가능하면 결구부를 손상시키지 않고 최종 소비자까지 가는 동안 감모를 고려하여 외엽부 밑면 요철부 깊이인 16~25mm범위 이내가 적당하다고 판단되었다. 결구잎을 5장이상 제거하면 잎의 색이 변하기 때문에 상품가치가 없다고 판단되었다.
표에서 나타난 바와 같이 품종별 인발력 범위는 92-214N으로 차이가 큰 것으로 나타났는데, 이는 배추품종, 배추무게, 뿌리발달상태, 토성, 토양함수비 및 토양경도 등 요인에 기인한 것으로 판단되었다. 굴취날에 의한 토양절삭여부에 따른 인발력을 비교한 결과 굴취날로 토양을 절삭 후 인발할 경우 미굴취에 비해 약 21%정도 인발력 감소를 보였다. 또한 굴취날에 의한 토양절삭여부에 따른 배추무게와 인발력과의 관계는 그림 3과 같은 직선회귀 방정식으로 나타났다.
배추 6개품종에 대한 형상 및 크기 등을 조사하였다. 그 결과 배추결구폭 190~ 240mm, 결구부 높이는 260~360mm정도인 배추를 손상없이 협지이송할 수 있어야 한다. 그리고 외 엽매수는 10~15매 정도로서, 결구부에 손상과 운송중 감모발생 감소를 위해서는 원판회전 날로 외엽부 밑면 요철부 깊이를 16~25mm로 절단하는 것이 적당하다고 판단된다.
연질고무벨트로 배추를 협지하여 이송하기 위해 필요한 결구부폭 및 높이는 각각 190~ 240mm, 260 ~360mm정도 범위로서 배추작형 및 품종에 따라 차이가 있었다. 대체로 가을 및 월동배추가 봄노지 및 고랭지 재배 품종에 비해 크기가 큰 것으로 나타났다. 원판회전날로 결구부 손상없이 절단해야 할 최적절단길이 범위를 결정하기 위하여 외엽부 밑면 요철부 깊이를 측정결과 16~25mm범위이었다.
한편 현재 포장출하되고 있거나 시범사업으로 추진된 포장형태별 제원은 표4와 같다. 따라서 배추수확시 정선정도 및 수집방법은 흙묻은 뿌리절단과 황화되거나 처져 상품성이 없는 겉잎을 5매 이내로 절단하여 메쉬팔레트, 프라스틱상자 등 벌크식콘 테이너에 수집하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
3N/mm2으로 같은 경향을 보였다. 따라서 배추외엽을 모두 제거하는 것보다 처진잎정도만 제거하고 수확하여야만 수확 후 처리과정에서 감모를 최대한 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 그림 4는 배추외엽과 내엽의 압축력 선도를 나타내고 있다.
72N 으로 외엽이 내엽보다 압축강도가 다소 큰 것으로 나타나 상품성이 없는 처진외엽만 제거하여 수확하는 것이 수확 후 처리과정에서 감모를 줄일 수 있다. 배추압축에 따른 손상은 압축변형율 20%까지는 손상발생이 없다가 압축변형율이 30%이상 일 때 손상이 발생되는 것으로 나타났다. 따라서 이송벨트의 형상 및 폭조절범위 설계시 고려되어야 할 것으로 판단되었다.
A Galculation방법에 의해 배추직경의 10, 20, 30, 40, 50%로 1차 압축 후에 다시 2차압축시 압축력의 변화와 이때의 손상정도를 측정한 결과를 표7, 그림 5에 나타내었다. 표 및 그림에서와 같이 압축변형율에 따른 손상율이 직경의 20%까지는 손상발생이 없다가 30%시 8.6%, 40%시 11.5%, 50%시 16.8%로 압축변형율이 증가할수록 손상이 증가하는 경향을 보였다. 따라서 협지벨트로 이송시 배추직경의 30%이상 압축변형이 되지 않도록 폭조절 및 협지벨트형상 등의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
표 6은 배추의 외엽과 내엽의 잎두께, 최대압축력, 최대압축력까지의 도달거리, 허용웅력의 평균값과 표준편차를 나타내었다. 표에 나타난 바와 같이 외엽과 내엽의 최대압축력 도달거리는 비슷하였으나 평 균압축강도는 각각 27.78N, 25.72N으로 배추외엽이 내엽보다 압축강도가 다소 큰 것으로 나타났으며, 외엽과 내엽의 평균허용응력도 각각 1.41N/mm2, 1.3N/mm2으로 같은 경향을 보였다. 따라서 배추외엽을 모두 제거하는 것보다 처진잎정도만 제거하고 수확하여야만 수확 후 처리과정에서 감모를 최대한 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
배추의 품종별 인발력은 표5와 같다. 표에서 나타난 바와 같이 품종별 인발력 범위는 92-214N으로 차이가 큰 것으로 나타났는데, 이는 배추품종, 배추무게, 뿌리발달상태, 토성, 토양함수비 및 토양경도 등 요인에 기인한 것으로 판단되었다. 굴취날에 의한 토양절삭여부에 따른 인발력을 비교한 결과 굴취날로 토양을 절삭 후 인발할 경우 미굴취에 비해 약 21%정도 인발력 감소를 보였다.
따라서 절단강도 측정시 일단지지한 상태에서 절단날은 두께 3mm, 날폭 60mm, 절단각 45° 양날을 사용하여 절단속도별로 시험한 결과는 표8과 같다. 표에서 보는 바와 같이 절단속도 5mnVs에서 최대절단력 370.31N, 절단에너지 476.01N · mm이었고, 절단속도 10mm/s의 경우 최대절단력 340.46N, 절단에너지는 444.98N・mm으로 절단속도가 빠른 경우에 절단력도 감소하였다 이와같이 절단에너지가 보다 적게 소비되는 것은 절단초기에 절단칼날과 배추뿌리의 접촉시에 충격에 의해 1차 절단이 발생하고 이에 의해 에너지 소비가 감소되는 것으로 판단된다. 그림 7에서는 칼날의 속도를 IQmm/s로 하고 일단지지상태에서 배추뿌리가 칼날에 의해 절단될 때의 절단거리와 절단력과의 관계곡선을 나타내었다.
여기에서는 각 작형별로 재배양식을 조사한 결과 표 1과 같이 나타났다. 한편, 배추수확 기계화 적응재배양식은 파종부터 수확까지 작업의 연계성과 수확시 작업정밀도 향상, 수확 할 배추와 미수확된 배추의 분리가 용이한 조간 60cm, 주간 30~40cm, 두둑높이 20cm이하 인 둥근두둑 1줄재배가 바람직할 것으로 판단되었다.

후속연구

수확기계를 이용하여 배추를 수확할 때 배추가 압축되거나 충격에 의해 형상이 변하거나 손상되었다면 손실도 크며 상품성이 떨어질 것이다. 그러므로 배추의 압축강도를 정확히 파악하여 그것을 수확기 개발시 설계 기초자료로 활용한다면 보다 효율적이고 고정도의 수확기 개발이 가능하다고 생각된다. 따라서 배추잎의 압축력 및 압축변형율에 따른 손상정 도를 알아보기 위하여 협지벨트에 접 촉될 것 으로 예 상되는 배추밑면에서 10cm되는 위치의 배추외엽과 결구부 내엽의 압축력 및 포기배추의 직경에 대한 압축변형율에 따른 손상정도를 Texture analyser를 이용하여 측정하였다.
8%로 압축변형율이 증가할수록 손상이 증가하는 경향을 보였다. 따라서 협지벨트로 이송시 배추직경의 30%이상 압축변형이 되지 않도록 폭조절 및 협지벨트형상 등의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
한편 결구배추를 연질고무벨트로 협지하여 이송할 경우 협지하여 이송하는 벨트의 배주폭을 수용할 수 있는 설계 기초자료가 필요하다. 이것은 T.

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