서 론

최근 전세계적으로 국제유가의 가파른 상승에 따른 대체에너지 개발 필요성이 대두되고 있다(Jung et al., 2020). 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 국내에서는 대체에너지로 농업부산물 바이오매스를 주목하고 있다(Park et al., 2013). 국내에서 농업부산물을 원료로 한 바이오에너지 생산 및 가공 처리 연구가 지속적으로 진행되고 있다(Cha et al., 2018; Patel et al., 2019). 하지만 농업부산물을 직접적으로 수거하거나 처리할 수 있는 농기계에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, Hwang 등은 과수 전정가지를 대상으로 농업부산물 수집기를 개념설계 하였으며, 농업부산물을 수집하는 수집장치의 적정 작동 조건을 도출하기 위한 요인 실험을 수행하였다(Hwang et al., 2020).

주요 대상 작물인 과수나무의 재배환경 특성을 고려하면, 농업부산물 수집기는 주로 노외에서 작업이 수행된다. 자갈, 돌, 장애물 등이 많은 노외의 작업환경에 의해서 농업부산물 수집기의 취약부가 파손될 가능성이 높다. 따라서, 작업자의 안전성을 높이고 파손 및 고장을 방지하기 위한 농업부산물 수집기 취약부의 피로수명 평가가 필요하다. 피로수명과 같은 안전성은 해석과 시험을 통해 분석할 수 있으며 주로 해석적인 연구들이 많이 수행되었다. Kim 등은 유한요소해석을 이용하여 마늘 수확 작업시 수확기 굴취부에 가해지는 응력을 분석하여 안전성을 확인하였다(Kim et al., 2020). Kim 등은 물류 운송용 공기압 컨베이어 장치에 대한 유동해석과 구조해석을 수행하여 작업 안전성을 확인하였다(Kim et al., 2020). Jun 등은 대두 수확기에 대한 시뮬레이션 분석을 통하여 바퀴에 가해지는 하중분포를 분석하였으며 그를 바탕으로 작업자의 안전을 확보하기 위한 작업조건을 제시하였다(Jun et al., 2016). Lee 등은 시뮬레이션 분석을 통하여 도출한 배추 수확기 동력전달부에 발생하는 굽힘응력과 실제 이론값을 비교하여 피로손상의 발생여부를 확인하였다(Lee et al., 2020).

본 연구에서는 Hwang 등(Hwang et al., 2020)에 의해 기 설계된 농업부산물 수집기를 대상으로 시뮬레이션을 통해 피로수명을 도출하였다. 농업부산물 수집기의 구조를 분석하여 취약부를 도출하였으며, 농업부산물 수집기의 실제형상을 3차원으로 모델링하여 시뮬레이션에 적용하였다. 3가지 노면 조건에 대한 주행 시뮬레이션을 통해 농업부산물 수집기 취약부에 발생하는 응력분포를 도출하고 그를 이용하여 피로수명을 분석하였다.

재료 및 방법

농업부산물 수집기

본 연구에서 동역학 해석 대상인 농업부산물 수집기의 형상은 Fig. 1과 같다. 농업부산물 수집기는 수집부, 이송부, 적재부, 주행부로 구성되어 있으며, 수집부/이송부와 적재부/주행부는 체결장치로 연결되어 탈부착이 용이하도록 설계되었다. 농업부산물 수집기 각 부의 특징 및 기능은 다음과 같다.

Fig. 1.

Shape of agricultural by-product collector.

1) 수집부: DC 모터를 동력원으로 사용하여 수집솔을 회전시키며, 회전하는 두 개의 수집솔에 의하여 농업부산물을 중앙으로 모아준다.

2) 이송부: 체인-스프로켓 및 DC 모터를 사용하여 컨베이어벨트를 작동시키며, 수집솔에 의하여 중앙으로 모아진 농업부산물을 컨베이어벨트를 통해 적재부로 이송한다.

3) 적재부: 이송된 농업부산물을 적재할 수 있으며, 최대 적재중량은 100 kg이다. 적재함의 크기는 대상작물인 과수 전정가지의 크기를 기반으로 900 × 1,100 × 450 mm로 설계되었다.

4) 주행부: 무한궤도를 적용하여 전·후진 및 좌·우 조향이 가능하다.

5) 체결장치: 체결장치의 형상은 Fig. 2와 같으며, 수집부/이송부로부터 도출된 외팔보의 형태로 적재부 하단에 위치한 프레임에 체결하도록 설계되었다.

Fig. 2.

Shape of fastening device.

체결장치는 수집부/이송부의 자중을 지지해야 하므로 큰 하중이 작용하고 구조적으로 취약한 외팔보의 형상을 가지고 있다. 농업부산물 수집기가 작동할 때 구조적으로 가장 취약한 부분으로 판단할 수 있으며, 따라서 체결장치의 피로수명을 분석하여 농업부산물 수집기의 안전성을 판단할 필요가 있다.

동역학 해석 모델

다물체 동역학 시뮬레이션 프로그램(Recurdyn V8R5, Functionbay, Korea)를 사용하여 농업부산물 수집기의 체결장치에 대한 피로수명을 분석하였다. 시뮬레이션을 위해 수집기의 실제형상을 3차원으로 모델링하였으며(Fig. 3), 농업부산물 수집기 각 부에 대한 실제 물성치 및 시뮬레이션 파라미터를 입력하였다. 본체 및 바퀴는 각각 합금강(AISI 1020) 및 합성고무로 구성되어 있으며, 바퀴와 지면 사이의 동마찰계수, 정지마찰계수, 바퀴의 강성계수는 문헌조사를 통해 도출하였다(Hofstee and Huisman, 1990; Juvinall and Marshek, 2011; Olieslagers et al., 1996; Wang et al., 2014). 도출한 각각의 물성치 및 파리미터는 Table 1과 같다. 중력가속도는 9.81 m/s²의 크기로 연직 하방으로 작용하는 것으로 설정하였으며 지면은 강체로 가정하였다. 또한 주행 중에 발생하는 공기저항은 무시하였다.

Fig. 3.

3D modeling of agricultural by-product collector.

실제 조건을 반영하여 농업부산물 수집기의 체결장치는 수집부/이송부의 자중 2166 N을 모두 지지하는 것으로 설정하였다(Fig. 4). 유연체 응력해석을 위한 격자의 형태는 삼각형(triangle)이며, 크기는 위치에 따라 12.0－16.1 mm를 적용하였다.

Fig. 4.

Self-weight of collection and transferring parts.

동역학 해석 조건

농업부산물 수집기가 주행할 때 체결장치에는 수집부/이송부의 자중에 의한 변동응력이 발생한다. 각 주행조건별로 변동응력에 대한 피로수명을 도출하였다. 주행조건은 국내 과수농가의 재배환경을 기반으로 평지와 장애물이 있을 경우로 분류하였다. 장애물의 형상은 사인파 및 직각삼각형 형태로 적용하였으며(Li et al., 2015), 장애물의 높이는 과수재배지의 평균 두둑높이를 고려하여 20 cm로 설정하였다(Jang et al., 2006), (Fig. 5). 또한, 농업부산물 수집기의 주행속도는 과수농가에서 활용되는 작업기의 작업속도가 3－4 km/h인 것을 고려하여 1 m/s로 설정하였다(Ha et al., 2011).

Fig. 5.

Ground conditions for simulation analysis.

결과 및 고찰

수집부/이송부의 자중에 의해 체결장치에 발생하는 변동응력 및 피로수명을 도출하였다. 평지 조건, 사인파 및 직각삼각형 장애물 조건에 따른 체결장치에서 발생하는 응력 분포는 Fig. 6에서와 같다. 적재부와 체결되는 끝단 위치 부근에서 최대응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 체결장치가 외팔보와 같이 거동하므로 고정단 인근에서 가장 큰 응력이 발생한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 6.

Stress distribution of the fastening device.

체결장치에 발생하는 시간에 따른 응력 그래프는 Fig. 7에서와 같다. 농업부산물 수집기가 주행하면 수집부/이송부의 자중에 의한 진동이 발생하여 변동응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 최대응력은 평지에서 299.9 MPa, 사인파 및 직각삼각형 형상의 장애물 조건에서 각각 438.9와 426.6 MPa로 나타났다. 최대응력은 짧은 시간동안만 작용하며 평균적인 응력 수준은 모든 주행조건에서 100 MPa 내외인 것으로 나타났다.

Fig. 7.

Stress distribution of the fastening device.

체결장치의 위치별 변형량은 Fig. 8에서와 같다. 체결장치의 변형은 주로 연직 하방으로 발생하며 응력분포와 마찬가지로 적재부와 체결되는 끝단 위치 부근에서 최대 변형이 나타났다. 최대변형량은 평지에서 7.42 mm이며, 사인파 및 직각삼각형 형상의 장애물 조건에서 각각 95.02, 94.54 mm로 나타났다. 평지와 장애물 조건의 최대 변형량 차이는 장애물 조건의 경우 농업부산물 수집기가 장애물을 넘어갈 때 진동에 의한 큰 변형이 발생하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Displacement distribution of the fastening device.

시뮬레이션에서 도출된 체결장치의 피로수명 분석 결과는 Table 2에서와 같다. 농업부산물 수집기가 1 m/s의 속도로 주행할 때 체결장치의 피로수명은 평지의 경우 27,107 hour, 사인파 및 직각삼각형 형상 장애물 조건에서 각각 539와 628 hour로 나타났다. 사인파 형상의 장애물을 지날 때 체결장치의 피로수명이 가장 작으며 평지 주행 시 피로수명이 가장 큰 것을 알 수 있다.

국내 과수농가의 연평균 전정 작업시간은 38.5 hour이다(Lee et al., 2008). 연평균 전정 작업시간동안 계속적으로 농업부산물 수집기를 사용한다고 가정하였을 때, 평지 노면의 경우 704년, 사인파 형상 장애물이 있는 노면의 경우 14년, 직각삼각형 형상 장애물이 있는 노면의 경우 약 16년 동안 사용이 가능하다(Table 2). 농업기계의 평균 내구연수가 9년인 것을 감안하면(Lee et al., 2017), 농업부산물 수집기의 주행시 체결장치는 안전하게 기능할 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 다물체 동역학 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 농업부산물 수집기 체결장치의 피로수명을 분석하였다. 농업부산물 수집기의 구조를 분석하여 체결장치가 취약부임을 도출하였으며, 농업부산물 수집기의 실제형상을 3차원으로 모델링하여 취약부의 피로수명 도출을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 농업부산물 수집기의 주행속도는 1 m/s, 주행노면은 평지 및 사인파와 직각삼각형 형상의 장애물 조건을 가정하였으며 장애물의 높이는 과수 재배지의 두둑 높이를 고려하여 20 cm로 설정하였다. 동역학 시뮬레이션을 통하여 농업부산물 수집기의 주행시 체결장치에 발생하는 응력을 도출하여 피로수명을 분석하였다.

시뮬레이션 결과, 농업부산물 수집기가 주행할 때 체결장치에는 변동응력이 발생하며, 최대응력은 평지, 사인파 및 직각삼각형 형상 장애물 조건에서 각각 299.9, 438.9, 426.6 MPa로 나타났다. 또한 최대변형량은 평지, 사인파 및 직각삼각형 형상 장애물 조건에서 각각 7.42, 95.02, 94.54 mm로 나타났다. 최대응력 및 최대변형량은 적재부와 체결되는 체결장치 끝단 위치 부근에서 발생했다. 체결장치의 피로수명은 평지, 사인파 및 직각삼각형 형상 장애물 조건에서 각각 27,107, 539, 628 hour로 나타났으며, 과수농가의 연평균 전정 작업시간과 농업기계의 평균 내구연수를 고려하면 농업부산물 수집기의 주행 동안 체결장치는 안전하게 기능할 것으로 판단된다. 향후 연구로써 다양한 과수농가에서의 실측을 통해 농업부산물 수집기가 다양한 환경에서 작동할 때 체결장치의 피로수명을 도출할 예정이다.