서 론

최근 들어 농촌지역의 고령화, 인구감소, 재배면적 증가는 다양한 농업용 작업기계를 개발하고자 하는 모티브가 되고 있다. 복합작업기는 트랙터의 견인력에 의해 경운과 배토작업을 동시에 수행하는 다목적 밭작업용 농기계이다. 이러한 복합작업기는 농경지와 같이 노면이 열악한 환경조건에서 사용되는 하는 농작업기계이기 때문에 작업시 불규칙한 변동하중과 고하중을 받게 되므로 구조강도와 내구성 측면에서 매우 취약한 편이다. 따라서, 제품 개발단계에서 피로손상 및 내구수명을 예측하여 신뢰성과 안전성을 확보할 수 있는 강건 설계가 요구되며, 이를 위해서는 실제 필드 시험을 통해 작업하중을 계측해야 한다.

특히, 밭작업용 트랙터는 토양의 저항과 견인력을 기반으로 열악한 조건의 환경에서 작업을 수행해야 하므로 복합작업기의 작업시 발생하는 부하특성을 측정하여 작업성능을 정확하게 평가하는 것이 중요하다. 하지만 트랙터에 부착된 복합작업기는 다양한 농작업을 동시에 수행하게 되어 상대적으로 더 높은 내구성과 신뢰성을 요구하며 피로손상도 또는 내구수명 예측이 필요하다. 통상적으로 내구성능평가를 위하여 고응력 지점에 스트레인게이지를 부착하고 필드시험에서 측정된 게이지 신호이력으로부터 피로손상도를 예측하는 방법과 FE 해석(Finite Element analysis)을 수행하여 취약부위에 대한 피로손상도를 계산하는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 센서의 위치선정과 설치방법에 어려움이 따르고 측정된 신호분석과 데이터처리기술이 필요하며, FE 해석을 통한 피로손상도 계산의 정확도를 높일 수 있는 실제 복합작업기의 작업하중이력 데이터가 요구된다.

본 논문에서는 이러한 어려운 점들을 고려하기 위하여 복합작업기의 피로 손상도를 예측하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해서 트랙터의 견인력을 측정할 수 있는 6분력계를 개발하였으며, FE 해석을 통하여 고응력이 작용하는 복합작업기의 취약부위를 찾아내고, 필드 시험 통해 측정된 6분력계의 하중신호로부터 취약부위에 대한 응력이력을 도출하였다. 또한, 각 위치의 응력이력에 Rainflow counting method와 선형누적손상법을 적용하여 트랙터 부착형 작업기계의 피로손상도를 계산하는 방법을 제안하였다.

6분력계

6분력계 설계

6분력계는 6개의 로드셀과 이들을 고정하는 2개의 프레임으로 구성되어 있으며 로드셀을 이용하여 측정되는 부하는 6개의 하중 및 모멘트 성분(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)으로 계산된다. 로드셀을 고정하는 프레임은 트랙터와 복합작업기 사이에 설치되므로 작업시 불균질한 노면으로부터 전달되는 불규칙적인 복합 하중과 고하중을 견디도록 설계하였다. 각 연결 파트에 따라 트랙터와 6분력계가 연결되는 부분을 Front, 6분력계와 복합작업기가 연결되는 부분을 Rear로 구분하였다. 복합작업기 및 트랙터와의 연결성을 고려하여 ISO 730에서 규정하는 Category 2와 Category 3의 3점 히치규격과 호환이 가능하도록 설계하였다. 프레임 설계에 사용된 소재는 열처리된 SS400이다.

로드셀은 100마력급 트랙터가 출력할 수 있는 최대 마력을 고려하여 정격용량 2 ton의 S-beam형을 사용하였다. 로드셀은 전 ․ 후방의 프레임 사이에 연결되며, 그 위치는 Fig. 1과 같이 3변과 3곳의 모서리에 설치하였다. 6분력계에 대한 정확도를 보증하기 위하여 만능재료시험기를 활용하여 로드셀을 검교정을 실시하였다. 검교정을 위하여 인장과 압축방향으로 19.6 kN의 정하중을 가력시켰다. 정하중시험 결과 Table 1과 같이 인장과 압축방향 모두 선형성을 유지하면서 동일한 출력신호값을 나타내고 있어, 모든 로드셀이 거의 유사한 응답성을 가짐을 확인할 수 있다.

Fig. 1.

Schematic of 6-component load cell system.

Table 1. Results of load cell calibration

6분력계 하중계산법

농작업에 의해 발생되는 견인력은 6개의 로드셀의 측정결과로부터 계산하였다. Fig. 1의 모서리의 3개의 로드셀(a, b, c)은 견인력을 측정하기 위한 것이고, 양쪽 중앙에 있는 2개의 로드셀(d, f)은 트랙터와 복합작업기 사이의 수평력(horizontal force)이나 수직력에 민감하며 가장 아래의 로드셀(e)은 수평력에만 민감하다. 종합적으로 볼 때 로드셀 d, e, f가 트랙터 진행방향을 축으로 하는 모멘트를 지탱하게 된다. 모든 힘은 6분력계 프레임에서 로드셀로 전달되는데, 로드엔드와 핀조인트를 통해 각 로드셀에 굽힘 모멘트가 걸리는 것을 방지한다. 견인력 P_h, 수직력 P_v, 수평력 P_s 및 견인력 방향에 대한 모멘트 M_h는 6개의 로드셀로부터 측정된 하중(F_a, F_b, F_c, F_d, F_e, F_f)을 활용하여 힘과 모멘트 평형식으로부터 식 (1)과 같이 계산하였다. 이 때 점 O를 중심으로 한 트랙터 진행방향 모멘트의 합은 0이다.

Fig. 2.

Schematic of force and moment for each load cell.

6분력계 검증시험

6분력계 시스템 검증을 위하여 정하중시험을 수행하였다. Fig. 3과 같이 전․후방 지그를 제작하여 6분력계를 체결하고, 실제 작업에서의 견인력, 수직력, 굽힘 모멘트와 유사한 메커니즘을 구현하기 위하여 전방 지그를 벽에 고정시켰다. 후방 지그에는 3축 방향의 힘을 가력 할 수 있도록 중앙에 1개, 양 끝단에 2개 등 총 3개의 5 ton 용량 유압 가력기(hydraulic actuator system)를 설치하였다. 유압가력기의 위치는 Fig. 1에서 빨간색으로 표시된 점이다.

Fig. 3.

View of the calibration test setup.

정하중 시험조건은 총 4가지(견인력, 수직, 시계/반시계 방향 모멘트)로 구분하여 각 시험조건에서 측정된 로드셀 하중과 실제 가력기의 인가하중을 비교하였다. 이 때, 가력기의 인가하중은 100마력급 트랙터의 동력전달효율(power train efficiency)을 80%로 가정하여 견인력(traction force)을 식 (2)와 같이 계산하였다. 여기서, 트랙터의 후륜토크는 트랙터 변속기의 입력토크 최대값과 기어비 및 기어 효율을 곱하여 계산하였다. 최종 견인력(traction force) 크기는 계산된 후륜토크를 트랙터 뒷바퀴의 반경(radius of rear wheel)으로 나누어 계산하였으며, 토양의 마찰계수 및 경도를 고려한 바퀴 미끄럼율(slip ratio of wheel) 80%를 곱하여 총 견인력을 계산하였다. Table 2는 총 견인력 계산에 사용된 파라메터들의 값을 정리하였다.

Table 2. Parameters for traction force calculation

견인력 방향 정하중시험은 Actuator #1을 이용하여 트랙터의 진행방향과 동일한 방향으로 식 (2)로부터 계산된 39.7 kN의 하중을 인가하였고 로드셀 a, b, c를 통하여 측정된 하중 F_a, F_b, F_c을 이용하여 견인력 P_h, 를 계산하였다. 수직력방향 정하중 시험은 Actuator #2와 #3으로 진행방향과 수직인 방향으로 각 9.0 kN을 인가하였으며, 로드셀 d, f에서 측정된 하중 F_d 와 F_f로 수직력 P_v를 계산하였다.

모멘트 하중 M_h는 6분력계에 회전 및 비틀림 모멘트가 걸리는 것을 시험한 것으로 시계방향과 반시계방향으로 수행하였다. 시계방향 정하중시험의 경우, Actuator #2에는 9.0 kN ․ m, Actuator #3에는 –9.0 kN ․ m의 하중을 인가하였으며, 반시계방향 정하중시험의 경우, 반대로 Actuator #2에 는 －9.0 kN, Actuator #3에는 9.0 kN의 하중을 인가하였다. 견인력 방향에 대한 모멘트 M_h 는 식 (1)을 이용하여 로드셀 d, e, f로부터 측정된 하중 F_d, F_e, F_f와 모멘트 팔의 길이 로부터 계산하였다. Table 3은 6분력계 정하중시험 결과이다. 표에서 인가하중에 대한 계산하중의 오차율은 1.38－7.94 % 로 식 (1)에서 제시한 계산방법의 결과가 실제 인가하중과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한, 오차율이 인가하중에 비하여 상대적으로 매우 작기 때문에 이후 필드시험에 서 작업하중에 대한 측정 정확도를 보장할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 3. Results of calibration test

복합작업기 

복합작업기는 Fig. 4와 같이 트랙터의 3점 링크 연결부(three-point linkage)에 장착되어 트랙터 견인에 의해 무동력으로 경운과 배토작업을 수행하는 다목적 복합장비이다. 복합작업기는 메인 프레임(main frame), 디스크 해로우(disk harrow), 치즐(chisel) 및 배토기(hiller)로 구성되어 있다. 메인프레임은 2열의 디스크 해로우 18개와 1열의 치즐 4개 및 배토기를 지지하는 프레임으로써 트랙터의 3점 링크에 연결되어 있으며, 트랙터에 견인되어 밭작업을 수행 할 경우, 디스크 해로우와 치즐 구성품들의 작업하중을 동시에 받는 부재이다.

Fig. 4.

Configuration of composite working implement.

복합작업기의 피로손상도 예측을 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 이를 위하여 Ansys R16.0을 활용하였다. 해석을 위한 경계조건은 메인프레임에 결합되어 직접적으로 노면과 접촉하고 경운 및 배토작업을 하는 단품을 Fixed support 조건으로 구속하였고, 6분력계가 결합되는 상부 3점 링크에 하중 21 kN을 부가하였다.

유한요소해석 결과, 최대응력이 발생되는 지점은 치즐 지지프레임으로 응력크기는 41.34 MPa로 계산되었다. 용접부의 경우, 최대 응력 발생지점은 3점 링크 연결 프레임으로 응력크기는 28.91 MPa이다.

Fig. 5.

FE modeling for composite working implement.

Fig. 6.

FE analysis results.

필드시험

필드시험을 위하여 Fig. 7과 같이 엔진출력이 100마력급의 트랙터(PS100-N, LS엠트론)를 활용하였다. 트랙터 내부에는 Fig. 8과 같은 측정 시스템을 설치하였다. 측정시스템에 공급되는 전원은 외부로부터 공급이 어려우므로 트랙터 내부 전원을 사용하였으며, 직류/교류 전원변환을 위한 인버터를 설치하였다. 시험 중 측정되는 센서신호는 Wi-fi를 통하여 실시간으로 모니터링 하였다.

Fig. 7.

Tractor used for field test.

Fig. 8.

Data collection process.

트랙터의 주행속도는 GPS방식의 속도계(모델명: VBSS05, RACELOGIC, 최대 1,600 km/h까지 측정가능)를 사용하여 계측하였다. 트랙터 후방 창문틀에는 CCD 카메라를 설치하여 작업 중 복합작업기의 상태를 관찰하였다. 시험 중 측정된 모든 신호는 DAQ 장비에 기록하였으며, 측정 데이터의 샘플링 속도는 300 Hz로 셋팅하였다.

본 논문에서는 밭경작지와 유사한 토양조건을 가지면서 직선거리가 200 m 이상의 주행이 가능한 경작지를 찾아 필드 시험 장소로 사용하였다. 필드 시험은 총 8회에 걸쳐 수행되었다. 시험장소의 토양특성은 원추관입경도계(DIK-5530)와 토양수분센서(WT1000B)를 활용 하여 토양의 반력 및 관입깊이 및 수분을 측정하였으며, 평균 토양반력과 관입깊이는 각각 Cone index 1,939 kPa과 18 cm로 측정되었다. 필드 시험 시 토양수분은 8.6%이며, 외기온도는 각각 26°C이다. Fig. 9는 필드 시험의 대표적인 결과로서, 전 속도구간에서 6분력계의 로드셀 a－f의 측정결과이다. 주행속도별 응답특성을 파악하기 위하여, 속도구간을 2 km/h 단위로 나누어 최고속도 12 km/h까지 총 4개 구간으로 측정데이터를 분류하였다. 6분력계가 벽에 고정되어 하중방향에 따라 압축과 인장결과가 나오던 정하중시험과 달리 필드시험에서는 트랙터의속도, 작업기의 하중, 토양의 상태에 따라 압축, 인장이 불연속적으로 변동하였다. 또한 불규칙한 노면의 상태로 인해 측정데이터 곳곳에 피크 값이 발견되었다. 데이터 후처리과정을 통하여 이상신호로 판단되는 값들을 제거하였다.

Fig. 9.

Results of field test.

속도를 2 km/h로 구간을 나누어 12 km/h 까지 4개 구간으로 측정데이터를 분류 하여 견인력과 수직력의 예상 하중을 비교 하여 Table 4과 Fig. 10 에 나타내었다. 이때 예상하중은 식 (2)의 결과이며 오차는 8.25－30.5 %로 나타났다. Fx 값의 경우 4－6 km/h, 6－8 km/h 구간은, 작업초기 구간으로서 토양의 마찰계수의 큰 영향을 받으며, 속도가 급격히 상승하면서 오차가 크게 나타난 것으로 판단되며 작업 마무리구간 에서도 속도가 급격히 줄어들면서 발생한 오차로 판단하였다. 또한 목표속도인 10－12 km/h 구간에 안착한 이후에는 데이터가 비교적 안정적인 플로우를 보였으며 예상하중보다 작은 결과가 나온 원인은 토양의 습도, 경도와 같은 환경적 요인으로 판단하였다. Fy 값의 경우 로드셀 d가 압축을 받을 경우 로드셀 f 는인장, 로드셀 d가 인장을 받을 경우 로드셀 f는 압축을 받는 상대적인 값이 측정되어 비교적 안정적인 그래프를 얻었다.

Table 4. Results of field test

Fig. 10.

Calculated load data.

복합작업기 피로손상도 계산

메인프레임의 하중이력 재구성

복합작업기의 메인프레임에 대한 피로손상도 계산을 위하여 유한요소해석결과를 토대로 10개 고응력 지점을 Table 5와 같이 선정하였으며, 각각의 고응력 지점에서의 응력으로부터 피로손상도를 계산하였다. 6분력계로부터 측정된 로드셀의 하중을 견인력의 하중이력(load history)을 계산하였다. 계산된 메인프레임의 하중이력은 Table 5의 유한요소해석 결과를 이용하여 응력결과 식 (3)과 같이 FE 해석시 부가했던 Fx값()과 고응력지점의 응력결과값(), 필드시험에서 측정된 견인력 값() 행렬과 고응력의 응답지점에서 측정될 응력결과값() 행렬을 비례식으로 계산했다.

이를 이용하여 피로손상도 예측을 위한 응력행렬을 구하면 식 (4)와 같다.

Table 5. Results of FE analysis

Fig. 11은 식 (4)로부터 계산된 165초 시험시간동안의 10개의 고응력지점에서의 응력이력(stress history)선도이다. Fig. 12는 Rainflow counting method를 활용하여 계산된 응력범위와 평균응력에 대한 cycle 빈도수와 이로부터 S-N선도를 이용하여 계산한 피로손상도(fatigue damage) 계산 결과를 히스토그램으로 나타낸 그래프이다.

Fig. 11.

Stress histories for critical points.

Fig. 12.

Result of rainflow counting.

피로손상도 계산

가변하중이력을 받는 부재의 피로수명예측을 위해서는 하중이력을 유용한 일정 시험데이터와 비교할 수 있는 몇 개의 단순화된 하중으로 줄이는 과정이 필요하다. 또한 파괴까지의 수명은 각 응력크기에서 소모된 수명의 백분율을 합하여 계산 할 수 있는데 이때의 피로손상도 D는 선형누적손상이론을 적용하여 식 (5)와 같이 계산 할 수 있다.

여기서, 은 부가된 응력에서의 사이클 수를 나타내며 은 부가된 응력에서의 피로수명을 나타낸다. 값은 Rainflow counting method를 통하여 계산할 수 있으며, 본 논문에서는 상용프로그램 nCode를 활용하였다. 값은 Fig. 13에서 제시한 S-N 선도를 활용하여 구할 수 있는데 평균응력 효과를 고려하여 평균응력이 0인 응력진폭(Sn)으로 변환시켰다. 이 때 평균응력 효과를 고려하기위하여 식 (6)의 Goodman식을 활용하여 계산하였다.

Fig. 13.

S-N curve of weld characteristics.

한편, 용접부에서는 평균응력효과를 고려하지 않기 때문에 용접부의 형상과 하중에 적절한 S-N 선도를 결정해야하며 본 논문에서는 용접부 특성에 따라 Steel Weld BS 7608 Class F2와 Steel Weld BS7608 Class G를 적용하였다.

Table 6은 식 (5)의 방법으로 계산한 피로손상도(D) 값이다. 목표수명에서의 피로 손상도는 목표수명(800시간)에서 시험시간(165초)을 나눈값인 17,454를 식 (5)를 통하여 계산된 피로손상도에 곱하여 목표수명에서의 피로 손상도를 예측하였다.

본 논문에서는 트랙터와 부착형 작업기의 견인력(Fx)에 대하여 다루었다. 향후에는 필드시험에서 측정된 데이터를 활용하여 나머지 수직력 및 굽힘 모멘트 등에 대해서도 피로손상도를 예측하는 연구가 진행 될 예정이다. 또한 본 논문에서 다루는 피로손상도 예측 방법은 더 많은 데이터가 구축되고 보완된다면 트랙터 부착형 작업기가 아닌 자동차나 철도차량의 피로손상도 예측 방법으로 적절하게 활용 할 것으로 사료된다.

Table 6. Results of damage calculation

결 론

본 논문에서는 6분력계를 활용하여 견인력을 측정하고 견인력을 통하여 피로손상도를 예측하는 방법을 제안하였다.

1)트랙터의 견인력을 측정하기 위하여 6분력계를 개발하였으며, 정하중 시험을 통하여 6분력계를 이용한 하중측정의 정확도를 확보하였다.

2)개발된 6분력계를 복합작업기에 장착하여 필드시험을 수행하였으며, 트랙터 최고 주행속도가 12 km/h 범위까지 작업하중을 측정하였다.

3)유한요소해석을 통하여 복합작업기 메인프레임에서 고응력이 작용하는 취약부위를 찾아내고, 필드 시험을 통해 측정된 6분력계의 하중신호로부터 취약부위에 대한 응력이력을 도출하였다.

4)Goodman 관계식과 피로손상도 계산식을 활용하여 목표수명 800시간을 적용하여 복합작업기 메인프레임의 피로손상도를 계산하였다.