서 론
농용 트랙터에 대한 연구는 작업 편의성의 증대, 노동력 절감을 통한 생산효율 증대, 농용트랙터의 인간공학적 설계 등의 주제로 수행되고 있다. 이에 농업용 트랙터의 각 부문에서 소비자의 요구를 만족시키기 위한 다양한 기술 발전이 이루어지고 있으며, 이들 중 운전자의 건강과 안전 및 쾌적한 작업 환경을 제공하는 기능을 위한 연구는 무엇보다 중요하다고 할 수 있다.
선진국에서는 농용 트랙터 운전자의 안전과 장시간 작업에 따르는 건강에 대한 위험 및 작업 능률의 향상을 고려하여 승차 진동에 대한 연구가 많이 수행되었다. Scarlett et al. (2007)은 ISO 2631-1 (1997)에 제시된 도로주행과 전형적인 농작업시 승차 진동을 측정하였다. 농작업의 95% 정도가 8시간 Exposure action value를 초과하였으나 8시간 Exposure limit value를 초과한 것은 9%에 불과하였다. 그러나 작업시간이 15시간으로 증가할 경우 ELV를 초과하는 것은 27%가 된다고 하였다. 또한 Servadio et al. (2007)은 타이어가 지면에서 트랙터 뒷차축과 운전석으로 전달되는 진동에 미치는 영향을 구명하였다. 실험은 앞차축과 안전캡에 완충장치가 설치된 4륜구동 트랙터를 대상으로 각각 11.1, 13.9 m/s의 빠른 속도로 주행한 상태에서 수행되었다. 타이어의 종류와 주행속도가 다르더라도 4시간 노출한계를 넘지 않는 범위 내에서 진동 수준은 큰 차이를 보이지 않았다.
다른 노외차량에 대한 승차 진동의 평가도 이루어졌다. Marsili et al. (2002)은 임업기계를 대상으로 승차 진동을 측정하였다. 주행속도가 12 km/h 일 때 운전석 진동 수준은 1.7 m/s2 이었는데 가장 엄격한 국제 규격을 적용할 경우 2시간 노출 한계를 초과하였다.
반면 국내의 경우에는 연구 사례가 많지 않다. Kim and Kim (2008)은 쟁기 작업, 로터리 작업, 콘크리트 노면 운반 작업시 트랙터 운전자가 노출되는 승차 진동 수준을 평가하기 위하여 49대의 서로 다른 트랙터를 사용하여 승차 진동을 평가하였다. 이를 통해 ISO 2631-1의 8시간 기준 노출 한계를 초과하는 트랙터는 쟁기 작업에서 전체 트랙터 중 38.5%, 로터리 작업에서 31.6%, 콘크리트 노면 운반 작업에서 88.9%인 것으로 나타났다.
이에 작업별 진동의 특성을 구명해야 향후 서스펜션의 개발 등 농용 트랙터에 적용 가능한 진동 저감 장치를 개발하는데 중요한 지표가 될 것으로 판단된다. 하지만 실제 농민들이 트랙터를 사용하여 수행하는 각각의 작업별 진동 수준을 측정하여 분석한 연구는 전무한 실정이다.
본 연구에서는 현재 국내에서 생산되고 있는 가장 대형 트랙터인 110 kW급 농용 트랙터를 대상으로 쟁기 작업, 로터리 작업, 콘크리트 도로 운반 작업을 수행할 때 운전자가 노출되는 승차 진동을 측정하여 그 수준을 확인하고, 평가하고자 하였다.
재료 및 방법
시험 방법
본 연구는 충청남도 공주시 동양물산 중앙기술연구소 시험장에서 수행하였다. 시험은 2017년 11월 13일부터 17일까지 총 5일 동안 수행되었으며, 노면의 상태를 동일하게 하기 위하여 노면이 젖지 않은 맑은 날에 수행하였다. 시험에 사용한 트랙터는 동양물산기업에서 제조하는 110 kW급 트랙터이다. Table 1은 트랙터의 제원을 나타낸 것이다.
승차 진동 측정
승차 진동의 기준 좌표계는 Fig. 1에서와 같이 좌석의 중심을 원점으로 하여 트랙터의 전진 방향을 +x축, 전진 방향에서 운전자의 좌측 방향을 +y축, x－y축으로 구성되는 xy 평면의 연직 상방을 +z축으로 설정하였다. 기준 좌표계의 방향과 일치하여 3축 좌형 진동 측정 장치를 운전석 중앙에 설치하고 운전자가 깔고 앉은 상태에서 3축 방향의 진동을 동시에 측정하였다. 진동 측정 장치의 1회 측정 시간은 20초 이상으로 하였다.
작업은 일반적인 농업에 사용되는 작업인 로터리 작업과 쟁기 작업을 수행하였다. 로터리 작업과 쟁기 작업 모두 작업 속도는 3 km/h로 일정하게 유지하였다. 이는 실제 농업 현장에서 사용하는 속도로서, 트랙터 제조 회사에서 각 작업을 수행할 때 추천하는 트랙터 주행속도를 기준으로 선정하였다. 로터리 작업의 경우 PTO rpm은 750 rpm으로 유지하였다. 주행의 경우 트랙터의 후방에 3,000 kg의 베일러를 연결하고 속도는 3, 10, 20 km/h에서 시험을 진행하였다.
한편 가속도계는 B&K사의 B&K4321을 사용하였다.
승차 진동 측정 및 분석
주파수 분석을 위한 샘플링은 각각 
=0.00488 sec, 
=0.0125 Hz로 하였다. 승차 진동 데이터의 분석과 평가 방법은 ISO 2631-1 기준에서 규정한 방법에 따라 실시하였다.
ISO 2631은 수직 및 수평 좌석진동에 대한 안락한계(comfort boundary), 내피로 한계(fatigue decreased proficiency boundary), 노출한계(exposure limit)를 1－80 Hz 사이의 1/3 옥타브 중심 주파수에 대한 rms 가속도와 노출시간의 함수로서 제시하고 있다. Fig. 2는 ISO 2631의 내피로 한계를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 인체는 수직진동의 경우 4－8 Hz, 수평진동의 경우 2 Hz 이하의 진동에 취약한 것으로 알려져 있다. 내피로 한계는 작업능률을 고려한 진동노출 한계로서 좌석진동이 이 한계를 초과할 경우 운전자의 작업능률은 감소하게 된다.
시험을 통해 얻은 데이터로써 주파수 분석을 실시한다. 즉 측정한 x, y, z축 방향의 좌석진동을 각각 1/3 옥타브 중심 주파수에 대한 rms 가속도로 변환하고, 이 rms 가속도를 다시 주파수 보정 rms 가속도로 보정하여, 8시간 내피로 한계의 rms 가속도와 비교한다. 주파수 보정함수는 Fig. 3에서와 같이 1/3 옥타브의 중심 주파수의 함수이며, 주파수 보정 rms 가속도는 다음 식에서와 같이 구한다.
여기서,
주파수 보정 RMS 가속도, m/s2
번째 1/3 옥타브 중심 주파수에 대한 보정 계수
번째 1/3 옥타브 중심 주파수에 대한 RMS 가속도
식 (1)로써 구한 x, y, z축에 대한 진동 수준은 ISO 2631-1에서 제시한 내피로 한계(fatigue-reduced proficiency boundary)를 기준으로 평가한다. 총 승차 진동 수준은 x, y, z축에 대한 주파수 보정 RMS 가속도를 이용하여 총 승차 진동을 구한다. 승차 진동의 총 진동 수준, 
는 3축 방향의 주파수 보정 RMS 가속도의 벡터 합으로서 식 (2)와 같이 구한다.
여기서,
= x, y, z축 방향의 주파수 보정 rms 가속도
ISO 2631-1의 진동 노출한계는 운전자의 건강을 기준으로 한 것으로서, Fig. 2에서와 같이 전신진동의 크기와 노출시간에 따라 잠재적인 위험이 존재하는 건강주의영역(health guidance caution zone)의 상한선과 하한선으로 나타내었다. 상한선 위의 영역은 건강상 위험을 초래할 수 있는 영역이고, 하한선 아래의 영역은 위험을 초래하지 않을 것으로 기대되는 영역이다. 건강주의 영역은 2개의 점선으로 표시된 상한선과 하한선 내부의 영역이다. 진동노출 한계시간은 rms 가속도와 하한선이 교차하는 점의 시간으로서. 건강에 영향을 미치지 않을 것으로 기대되는 최대 노출 시간을 나타낸다.
ISO 2631-1은 인체에 미치는 영향이 같은 두 전신진동의 크기와 노출시간을 식 (3) 또는 (4)으로써 나타내었다. Fig. 4에서 방법 1의 영역은 식 (3)을 적용할 때의 건강주의영역이고 방법 2의 영역은 식 (4)를 적용할 때의 건강주의영역이다. 두 식에 의한 건강주의영역이 일치하는 노출시간은 1일 4－8시간이다. ISO 2631-1에 의한 진동 노출한계는 1일 노출시간이 4시간인 경우 1.143 
이고, 8시간인 경우에는 0.808 
이다. 또한 잠재적인 건강 위험한계는 1일 노출시간이 4시간인 경우 0.572 
이고 8시간인 경우에는 0.404 
이다.
여기서,
, 
= 진동 1, 진동 2의 주파수 보정 RMS 가속도
, 
= 진동 1, 진동 2의 노출 시간
Fig. 4에서 빗금친 영역은 식 (3)과 식 (4)가 모두 만족되는 건강주의영역이다.
결과 및 고찰
속도 및 작업의 종류에 따른 x, y, z축 방향의 주파수 보정 RMS 가속도 수준 및 각 축방향의 가속도값을 통해 계산한 
값은 Table 2에 나타내었다.
값을 ISO 2631-1에 적용하여 승차감을 판단하였을 때 모든 작업 구간에서 4시간 건강 주의 영역 안에 들어오는 것을 확인하였다. 즉 대상 트랙터를 사용하여 하루에 4시간을 사용하였을 때에는 건강에 문제가 발생하지 않는다는 뜻이다. 다만 8시간으로 확대하였을 때는 로터리 작업의 경우 건강에 문제가 발생하는 것으로 나타났다. 당장의 문제는 아니지만 잠재적인 건강 문제가 발생하는 건강 위험 한계는 4시간의 경우 운반 작업을 3 km/h와 10 km/h로 수행하였을 때를 제외한 모든 작업에서 문제가 발생하는 것으로 나타났으며, 8시간으로 확대할 경우 3 km/h 속도로 운반 작업을 하는 것 외에 모든 작업에서 주의 영역을 넘어가는 것으로 나타났다.
트랙터의 속도가 증가함에 따라 
값이 증가하는 경향을 보였다. 트랙터의 주행 속도가 증가함에 따라 측정된 x축과 z축의 가속도는 증가하는 것으로 나타났으나, y축의 경우 10 km/h가 가장 크게 나타나며 비례하지 않는 경향을 보였다.
작업별로 구분하였을 때는 
값은 로터리 작업에서 가장 크게 나타났으며 쟁기작업은 로터리 작업의 61.7% 수준의 
값을 나타내었다. 구체적으로 x, y축 방향의 가속도는 로터리, 쟁기, 운반 작업의 순서로 크게 나타났으나, z축 방향의 가속도의 경우 쟁기, 로터리, 운반의 순서로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 쟁기작업을 수행하는 논이 상대적으로 다른 노면에 비해 거칠고 고르지 않은 노면이기 때문에 z축 성분 가속도가 크게 나타나는 것으로 판단할 수 있다.
Fig. 5, 6, 7는 각각 x축, y축, z축 방향의 가속도를 서로 다른 속도에 대해 계측하고 그 결과를 분석한 것이다. x축의 경우 대부분의 주파수 영역에서 속도가 증가함에 따라 가속도 값이 커지는 현상을 확인할 수 있다. 모든 속도 영역에서 운전자가 주로 느끼는 3－5 Hz 의 저주파 영역에서 한 번의 피크가 발생하고, 25 Hz 부근에서 한번의 피크가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 크기의 차이가 존재할 뿐 x, y, z축에서 동시에 발생하는 현상이다. 특히 20 Hz에서 세 축 모드 가속도의 크기가 다른 주파수 영역에 비해 갑자기 크게 발생하며 이는 모든 속도에서 동일하게 나타나는 현상이다.
y축의 경우 10 Hz 부근에서 10 km/h 속도로 주행한 데이터가 일반적인 경향과 다르게 갑자기 가속도 크기가 크게 발생하였는데, 이로 인해 주행 모드의 y축 방향 가속도는 20 km/h 일 때보다 10 km/h 일 때 더 크게 나타났다. 시험을 3회 반복하고 이를 평균하여 데이터를 계산하였는데, 이 때 특정 시험에서 유달리 큰 가속도가 발생하는 현상이 나타났다. 이에 10 km/h의 y축 가속도 데이터는 시험 오류인 것으로 판단된다.
실제 승차 진동에 가장 큰 영향을 주는 z축 방향 가속도의 경우 4Hz 미만 저주파 영역에서 속도에 따른 가속도의 차이가 확연하게 드러나는 것을 확인할 수 있다. z축 방향의 주파수 보정계수가 저주파일수록 크다는 것을 감안한다면, 이런 데이터의 경향이 실제 
값을 얻는데 큰 영향을 준 것으로 판단된다.
Fig. 8, 9, 10은 각각 x축, y축, z축 방향의 가속도를 서로 다른 작업에 대해 계측하고 그 결과를 분석한 것이다. x축과 y축 방향의 가속도의 경우 전체적으로 로터리 작업이 다른 작업에 비해 큰 가속도 값을 가지며 특히 16 Hz의 가속도 값은 다른 가속도에 비해 10배 이상의 큰 값이 나타나는 것을 확인할 수 있다. x, y축 방향은 6.3 Hz 이상의 주파수에서 로터리 작업이 가장 큰 값을 갖는데, 4－10Hz 영역에서 주파수 보정계수가 상대적으로 크다는 것을 감안한다면, 실제 
값을 얻는데 큰 영향을 준 것으로 판단된다.
4 Hz 미만의 저주파 영역에서는 쟁기 작업이 다른 작업에 비해 큰 가속도 값을 갖는 것으로 나타났다. z축 방향의 주파수 보정계수가 저주파일수록 크다는 것을 감안하였을 때, 4 Hz 미만의 결과는 z축 방향의 가속도가 쟁기 작업이 가장 크게 나오는 것으로 이어진다.
시험은 일반적인 농작업의 순서에 따라 먼저 쟁기 작업을 수행하였으며, 쟁기 작업이 수행된 노면에서 로터리 작업을 수행하였다. 마지막으로 운반작업의 경우 아스팔트 노면에서 수행하였다. 이는 실제 농작업에서 수행하는 바를 그대로 측정하기 위한 조치였다.
결 론
본 연구의 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
1)ISO 2631-1에서 규정하고 있는 
값으로 승차진동을 판단하였을 때 모든 작업 구간에서 4시간 건강 주의 영역을 만족하였다. 다만 8시간으로 확대하였을 때는 로터리 작업의 경우 건강에 문제가 발생하는 것으로 나타났다. 잠재적인 건강 위험 한계의 경우 저속으로 운반 작업을 하는 경우를 제외하고 모두 문제가 발생하는 것으로 나타났다.
2)트랙터의 속도가 증가함에 따라 
값이 증가하는 경향을 보였다. 각 축별 가속도 데이터를 확인하면 y축을 제외한 x, z축의 경우 트랙터의 속도가 증가함에 따라 가속도 역시 증가하는 것으로 나타났다.
3)로터리 작업이 다른 작업에 비해 승차 진동 지표인 
값이 가장 크게 나타났다. 쟁기 작업은 쟁기작업은 로터리 작업의 61.7% 수준에 그치는 것으로 나타났다. 구체적으로 x, y축 방향의 가속도는 로터리, 쟁기, 운반 작업의 순서로 크게 나타났으나, z축 방향의 가속도의 경우 쟁기, 로터리, 운반의 순서로 크게 나타났다.
